黎良盛，翁一杰 綜述 魏勁松 審校

廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 湛江 524000

隨著老齡化時(shí)代的到來，因骨質(zhì)疏松癥而導(dǎo)致的骨折的發(fā)病率也會(huì)明顯的增高，人們對(duì)骨質(zhì)疏松(OP)的關(guān)注度及研究深度逐年加深。2018年，我國(guó)OP患病率增加到29.16%，預(yù)測(cè)到2050年將會(huì)達(dá)到39.19%[1-2]。OP現(xiàn)在被認(rèn)為是一種自身免疫和炎性疾病，OP患者往往伴隨著體內(nèi)炎癥因子水平的變化，炎癥因子是一類主要由免疫細(xì)胞和相關(guān)細(xì)胞產(chǎn)生的高活性、多功能小分子蛋白質(zhì)[3]。顯然，骨質(zhì)疏松的過程涉及到大量的炎癥因子和炎癥信號(hào)通路，這表明炎癥與骨質(zhì)疏松的發(fā)生之間存在一定的機(jī)制，有待進(jìn)一步探討。

1 NLRP3炎性小體與細(xì)胞焦亡概述

1.1 NLRP3炎性小體 NLRP3炎性小體是NLRs蛋白家族中最典型的家族成員，包含PYD、NACHT和LRR 3個(gè)結(jié)構(gòu)域，NLRP3激活可募集接頭蛋白(ASC)和半胱氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)形成名為“炎性小體”的多蛋白復(fù)合體[4-5]。研究表明，NLPR3炎性小體完整的激活需要經(jīng)過兩個(gè)階段。第一階段是啟動(dòng)階段，病原相關(guān)分子模式(PAMPs)或損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)被識(shí)別后，導(dǎo)致炎性小體的成分前體產(chǎn)生或激活，如Pro-IL-18、Pro-IL-1β。常見的PAMP包括脂多糖(LPS)、脂磷壁酸(LTA)、肽聚糖(PGN)、病毒雙鏈RNA(dsRNA)等。DAMP包括錯(cuò)誤折疊或聚集的蛋白質(zhì)，代謝物和假體植入物的磨損碎片；第二階段是激活階段，即各組分(NLRP3、ASC、Caspase-1)組裝形成NLRP3炎性小體及將Pro-IL-1β和Pro-IL-18轉(zhuǎn)化為生物活性形式誘導(dǎo)炎癥，并裂解消皮素D(GSDMD)，在細(xì)胞膜上形成GSDMD集合孔，從而觸發(fā)細(xì)胞焦亡[6]。NLRP3可以被多種刺激激活[7]，可能的機(jī)制包括鉀離子外流[8]、線粒體DNA釋放[9]、線粒體功能障礙及活性氧(ROS)產(chǎn)生[10]、氯離子通道蛋白(CLICs)依賴的氯離子外流[11]、溶酶體破裂[12]、胞內(nèi)鈣離子濃度改變[13]、NEK7是一種重要的蛋白質(zhì)，介導(dǎo)NLRP3炎癥體的組裝和激活[14]。

1.2 細(xì)胞焦亡 細(xì)胞死亡可分為凋亡、壞死、焦亡、自噬性細(xì)胞死亡和其他形式的細(xì)胞死亡。細(xì)胞焦亡是一種新發(fā)現(xiàn)的炎性細(xì)胞程序性死亡，細(xì)胞焦亡主要由NLRP3炎性小體激活包括Caspase-1在內(nèi)的多種Caspase介導(dǎo)。激活的Caspase-1特異性識(shí)別和切割引起細(xì)胞焦亡的Gasdermin D(GSDMD)[15]。細(xì)胞焦亡發(fā)生迅速，與細(xì)胞凋亡相比，伴隨著大量促炎因子的釋放。

2 炎癥與骨質(zhì)疏松之間的關(guān)系

近年來，有很多研究表明炎癥因子與骨質(zhì)疏松的發(fā)病有密不可分的關(guān)系[16-17]。NLRP3突變導(dǎo)致人源化小鼠的骨骼并發(fā)癥，包括發(fā)育遲緩、生長(zhǎng)板發(fā)育不良和骨量減少[18-19]，NLRP3缺乏可以減輕這種情況下的小鼠的骨丟失[20]。在部分絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松女性患者體內(nèi)，白介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)等炎癥因子水平明顯增加[21]，并且阻斷絕經(jīng)后婦女TNF-α或IL-1β會(huì)導(dǎo)致骨吸收標(biāo)記物的表達(dá)減少[22]。有研究指出，體內(nèi)炎癥因子含量升高是絕經(jīng)后女性髖部骨密度下降的原因之一[23]，維生素C有抗炎作用，飲食中維生素C的攝入可以有效降低髖部骨折、骨質(zhì)疏松和BMD丟失的風(fēng)險(xiǎn)[24]。然而研究還發(fā)現(xiàn)另外一種情況，即NLRP3通過炎癥依賴性和非依賴性機(jī)制介導(dǎo)骨溶解，破骨細(xì)胞中這種炎癥小體的基因激活會(huì)導(dǎo)致小鼠骨質(zhì)減少，而不會(huì)改變IL-1β的產(chǎn)生和破骨細(xì)胞的數(shù)量，骨吸收增加與細(xì)胞骨架改變相關(guān)[25]。因此，在沒有高度炎癥的情況下，這種炎性小體也可以引起骨吸收。炎癥與骨質(zhì)疏松的關(guān)系得到驗(yàn)證，但是尚需進(jìn)一步研究。

3 NLRP3與骨質(zhì)疏松的基礎(chǔ)研究

3.1 破骨細(xì)胞與IL-1β IL-1β無疑是細(xì)胞焦亡的重要節(jié)點(diǎn)。IL-1在細(xì)胞焦亡的過程中會(huì)有相當(dāng)大的升高。IL-1主要由巨噬細(xì)胞產(chǎn)生，研究表明，如果要拮抗炎癥因子引起的破骨細(xì)胞形成，就必須同時(shí)拮抗IL-1和TNF-α。一方面，IL-1能介導(dǎo)TNF-α對(duì)破骨細(xì)胞的誘導(dǎo)作用；另一方面，IL-1β與T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞上的IL-1β受體結(jié)合可促進(jìn)RANKL的產(chǎn)生[26]，IL-1還能促進(jìn)M-CSF的產(chǎn)生，并在RANKL存在的條件下促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化及其活化[27-29]；IL-1也能抑制破骨細(xì)胞凋亡[30]，破骨細(xì)胞壽命的延長(zhǎng)可能是加速骨吸收的關(guān)鍵因素[31]。另外，ALIPPE等[20]認(rèn)為在加速骨轉(zhuǎn)換的條件下釋放的骨降解產(chǎn)物激活了炎癥小體，并促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，這可能代表了一種骨溶解的正反饋機(jī)制。顯然，破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨質(zhì)疏松與NLRP3之間關(guān)系密切。

3.2 成骨細(xì)胞與IL-1β 另一方面，IL-1對(duì)成骨細(xì)胞也有影響。GUO等[32]證明IL-1α能通過JNK和p38/MAPK通路誘導(dǎo)MC3T3-E1細(xì)胞活性下降，抑制成骨細(xì)胞分化。ZHANG等[33]證明了下調(diào)TLR4在成骨細(xì)胞中的表達(dá)，降低了IL-1、TNF-α的水平，從而抑制炎癥途徑。在骨質(zhì)疏松模型中，接受卵巢切除的大鼠血清中IL-1、IL-6和TNF-α水平顯著高于對(duì)照組大鼠[34]。很清楚的看到，IL-1β通過影響成骨細(xì)胞在炎癥引起的骨質(zhì)疏松中起至關(guān)重要的作用。

3.3 NLRP3與細(xì)菌 NLRP3介導(dǎo)細(xì)菌誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，并參與炎癥過程中的骨丟失[35]，許多細(xì)菌感染后通過NLRP3介導(dǎo)引起骨質(zhì)疏松[36-37]。細(xì)菌導(dǎo)致NLRP3炎性小體增加時(shí)，Caspase-1途徑被激活，IL-1β和IL-18的表達(dá)水平上調(diào)，導(dǎo)致成骨細(xì)胞死亡[38]。NLRP3基因缺陷的小鼠不會(huì)受牙齦卟啉單胞菌感染導(dǎo)致牙齦病引起的牙槽骨丟失[39]。此外，在雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松癥中，未觀察到直接細(xì)菌感染，但NLRP3水平仍然升高，成骨細(xì)胞的成骨能力下降，并且當(dāng)NLRP3炎癥小體被抑制或失活時(shí)骨質(zhì)疏松癥也得到緩解[40]。因此可以得知，細(xì)菌導(dǎo)致的炎癥與骨質(zhì)疏松的關(guān)系密不可分。

3.4 NLRP3與ROS的相互作用 ROS是由一些已知的NLRP3炎癥體激活劑產(chǎn)生的，它們是NLRP3炎癥體形成和激活的關(guān)鍵觸發(fā)因素[41]。最近的研究也表明，ROS在骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制中是重要的組成部分，它調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)骨的吸收[42-43]。同時(shí)，衰老過程中過量產(chǎn)生ROS會(huì)激活NLRP3炎性小體，進(jìn)而產(chǎn)生更多的ROS，從而加劇ROS的高水平狀態(tài)。在這種情況下，由于活性氧對(duì)破骨細(xì)胞的過度激活，導(dǎo)致過度的骨吸收，最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。一系列研究也表明，ROS可以通過刺激RANKL和TNF的表達(dá)來促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成[44-45]。另外，炎癥介質(zhì)可刺激破骨細(xì)胞產(chǎn)生線粒體內(nèi)大量ROS產(chǎn)生，激活NLRP3炎性小體，進(jìn)而促進(jìn)大量的IL-1β分泌，而IL-1β又可以進(jìn)一步刺激核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB，進(jìn)一步促進(jìn)炎癥小體的活化，從而加重炎癥反應(yīng)[46]，加速骨質(zhì)疏松進(jìn)程。綜上，針對(duì)ROS在NLRP3對(duì)破骨細(xì)胞分化的影響對(duì)破骨細(xì)胞相關(guān)疾病具有治療潛力。

3.5 NLRP3炎性小體與衰老 NLRP3炎癥小體調(diào)節(jié)小鼠中與年齡相關(guān)的炎癥和骨溶解。靶向抑制炎性體成分可能會(huì)改善慢性炎癥和各種其他與年齡相關(guān)的疾病[47-48]。靶向抑制NLRP3炎癥小體可減少與年齡相關(guān)的骨丟失[49]。MODIC改變是退行性腰椎終板的MRI信號(hào)改變，其導(dǎo)致或加速椎間盤退變，與MRI未觀察到的椎體爆裂性骨折相比，有下腰痛和MODIC改變的患者軟骨終板組織中NLRP3和IL-1β的表達(dá)上調(diào)[50]。有意義的是，這是在人體組織中檢測(cè)到了NLRP3炎性體。因此可以說明NLRP3炎性小體在老年人中更體現(xiàn)出作用，NLRP3炎性小體對(duì)老年性骨質(zhì)疏松具有深遠(yuǎn)的研究意義。

4 NLRP3炎癥小體相關(guān)抑制劑

4.1 NLRP3炎性小體特異性抑制劑在骨質(zhì)疏松上的應(yīng)用 靶向抑制NLRP3炎性小體及其組分可能存在治療OP的作用。此時(shí)特異性地針對(duì)NLRP3的活化，可能會(huì)提供一種更為精確的降低炎癥損害的方法和減緩OP進(jìn)程。許多研究表明，比如用ROS抑制劑NAC可以減輕ROS介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡[51]；MCC950特異性抑制NLRP3的激活，但不抑制AIM2、NLRC4或NLRP1炎癥小體的激活，MCC950減少了體內(nèi)IL-1β和IL-18的產(chǎn)生，從而用于治療炎癥性疾病和自身免疫性疾病[52]，用MCC950抑制NLRP3炎性體可以改善成骨細(xì)胞的遷移并恢復(fù)成骨細(xì)胞相關(guān)蛋白的表達(dá)[51]；通過靶向NLRP3的shRNA抑制NLRP3炎性體也可以增加成骨標(biāo)志物的表達(dá)并增強(qiáng)糖尿病大鼠牙槽骨缺損的愈合[53]；IL-18是NLRP3炎癥小體的另一個(gè)重要效應(yīng)因子，IL-18BP是IL-18的天然拮抗劑，IL-18BP增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化并抑制NLRP3炎性小體和Caspase-1的激活，并且恢復(fù)了骨小梁的微結(jié)構(gòu)[54]。

4.2 NLRP3炎性小體非特異性抑制劑在骨質(zhì)疏松上的應(yīng)用 降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP)以劑量依賴性方式抑制小鼠成骨細(xì)胞中NLRP3和IL-1β的表達(dá)，促進(jìn)成骨分化，減少ROS的產(chǎn)生[55]；樹突狀細(xì)胞衍生的IFN-λ1通過阻止與NLRP3炎性小體相關(guān)的經(jīng)典NF-κB信號(hào)通路并激活JAK/STAT信號(hào)通路，抑制LPS誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成和促炎細(xì)胞因子的釋放[56]；鳶尾素通過上調(diào)Nrf2抑制NLRP3和IL-1β，從而抑制卵巢切除大鼠成骨細(xì)胞的凋亡[57]；褪黑激素通過調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)抑制NLRP3炎性小體從而抑制雌激素缺乏引起的骨質(zhì)疏松癥并促進(jìn)成骨細(xì)胞生成[40]；格列本脲顯著降低了糖尿病性骨折模型骨折愈傷組織中IFN-γ、TNF-α和IL-6的表達(dá)[58]，并減輕創(chuàng)傷造成的雄性大鼠骨破壞[59]。

合適的NLRP3炎性小體抑制劑去抑制骨丟失是確實(shí)有效的研究方向。除了NLRP3炎性小體特異性抑制劑外，仍存在著許多非特異性抑制劑，在研究NLRP3的科研工作中應(yīng)該進(jìn)一步推進(jìn)去研究。

5 NLRP3炎性小體在不同信號(hào)通路對(duì)骨質(zhì)疏松的調(diào)節(jié)作用

(1)RIPK1和RIPK3是兩個(gè)同源的絲氨酸/蘇氨酸激酶，抑制RIPK1/RIPK3可以通過抑制NLRP3依賴性NF-κB和MAPKs信號(hào)通路來阻礙破骨細(xì)胞生成并減輕骨質(zhì)流失。因此，靶向抑制RIPK1/RIPK3信號(hào)可能是開發(fā)有效治療破骨細(xì)胞相關(guān)骨溶解疾病的潛在治療策略[60]。(2)炎癥小體也參與由嘌呤能受體P2X5信號(hào)引起的小鼠破骨細(xì)胞的超多核[61]。(3)PKR通過調(diào)節(jié)牙齦卟啉單胞菌感染的成骨細(xì)胞中的NF-κB通路誘導(dǎo)NLRP3的表達(dá)[36]。(4)高糖通過誘導(dǎo)破骨細(xì)胞產(chǎn)生依賴于ROS/MAPKs/NF-κB/NLRP3相關(guān)蛋白來增加骨吸收能力，從而導(dǎo)致糖尿病所致的骨質(zhì)疏松[46]。綜上可見不同信號(hào)通路在OP的發(fā)生發(fā)展上與炎性小體息息相關(guān)。

6 總結(jié)與展望

本綜述強(qiáng)調(diào)了NLRP3在骨質(zhì)疏松中的研究進(jìn)展。多種危險(xiǎn)因素作用于機(jī)體，如細(xì)菌感染、雌激素缺乏或衰老信號(hào)，許多炎癥通路被激活，通過胞內(nèi)K+外流、溶酶體裂解、線粒體ROS生成等途徑激活NLRP3炎性小體，誘導(dǎo)IL-18、IL-1β成熟、釋放，引發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)瀑布反應(yīng)，NLRP3炎癥體放大了這一信號(hào)，導(dǎo)致骨吸收和骨重建的失衡，進(jìn)而加速骨質(zhì)疏松進(jìn)程。其中主要成分如NLRP3、IL-1β、Caspase-1或GSDMD的N端等等，都有作為藥物靶點(diǎn)的潛力。

關(guān)于炎癥小體在骨質(zhì)疏松中的作用，仍有幾個(gè)問題沒有解決。例如：(1)炎性小體在骨功能中的作用是否僅限于IL-1β、IL-18和GSDMD的成熟？(2)抑制炎性小體的途徑是否僅限于組裝、激活或其他反應(yīng)機(jī)制？能否通過阻止K+外排、溶酶體破裂，抑制NEK7和減少ASC寡聚化來抑制NLRP3炎癥小體從而減輕骨質(zhì)疏松的進(jìn)程？(3)通過阻斷NLRP3炎性小體并整合多種信號(hào)通路如Wnt/β-catenin通路、NF-κB通路和MAPK通路等來降低破骨細(xì)胞活性或抑制成骨細(xì)胞凋亡的有效策略是什么？(4)針對(duì)NLRP3炎性小體的各種抑制劑是否有疊加效應(yīng)？(5)在沒有感染的情況下，骨微環(huán)境中的炎性小體是如何被激活并且介導(dǎo)骨質(zhì)疏松的？(6)盡管阻斷NLRP3炎癥小體的方法可以通過抑制炎癥來保護(hù)骨骼避免骨溶解，正如在各種體內(nèi)體外模型中所證明的那樣，但這種療法在人類中的療效并不完全一致。這些問題的答案將為以NLRP3炎性小體為中心來治療炎性骨溶解提供理論依據(jù)。因此，設(shè)計(jì)合適的選擇性抑制劑或通過基因調(diào)控信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)來抑制炎性小體是至關(guān)重要的，希望更多的研究可以關(guān)注炎性小體與骨質(zhì)疏松的關(guān)系，這對(duì)于骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制和治療策略的制定具有重要意義。