炎症体是一种胞质多蛋白复合物，由感受器蛋白、caspase募集蛋白——凋亡相关微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing caspase recruitment domain, ASC)和胱冬肽酶-1前体蛋白(pro-caspase-1)组成^[1]。可根据感受器分子类型分为不同类型，其中NOD样受体家族蛋白是一类重要炎症体^[1]。这些感受器分子可被多种刺激物激活，如各种外源性微生物毒素或内源性危险信号，并通过热蛋白结构域和胱天蛋白酶招募结构域引起炎症体复合物的聚集。随后炎症体中的pro-caspase-1激活为成熟的caspase-1，并引起IL-1β或IL-18前体的成熟及分泌^[1]。目前，研究最多的炎症体是NOD样受体家族蛋白3(nod-like receptor protein 3, NLRP3)炎症体。

尽管NLRP3炎症体的激活在病原微生物感染或内源性危险信号传导中起到重要的保护细胞的作用，但过多的NLRP3炎症体可导致过度炎症反应，引起组织损伤和器官功能失调，进而参与到多种感染、代谢及神经退行性疾病的发病过程中^[2-4]。

有研究提出线粒体功能损伤与NLRP3炎症体激活密切相关。感染可通过某些机制导致线粒体损伤，从而释放线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)和线粒体活性氧簇(mitochondrial reactive oxygen species, mtROS)作为危险信号通路^{[5, 6]}。

1 NLRP3炎症体 1.1 来源细胞

NLRP3主要由髓样系细胞产生，其中树突样细胞和单核细胞是NLRP3高表达的基础来源^[7]，而巨噬细胞和中性粒细胞是NLRP3应激表达的主要来源。淋巴细胞中基本不表达NLRP3。因此，NLRP3炎症体的激活主要发生在髓样细胞聚集的组织中。但目前一些研究表明，NLRP3炎症体可出现在一些非髓样细胞中，如角蛋白细胞、T细胞和骨骼肌细胞^[8]。其表达多与Toll样受体4(Toll-like receptor 4, TLR4)或其他TLR受体的聚集有关。

在炎症体的组分中，ASC蛋白是首个发现的甲基化沉默靶点-1，提示ASC的表达主要受到表观遗传调控。因此，在许多肿瘤细胞中，ASC启动子区域大多存在异常CpG岛甲基化，使其表达沉默^[9]。那么表观遗传调控是否会通过影响髓样细胞中的ASC表达来调控炎症反应呢？在肿瘤发生及自身免疫性疾病中ASC的炎症体依赖及非依赖作用可作为进一步研究的热点。

1.2 刺激因素

研究发现，很多刺激因素可诱发NLRP3依赖的caspase-1激活，如微生物产物(刺尾鱼毒素、尼日利亚菌素、溶血素及细菌DNA等)，这些因素可导致脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)预处理的骨髓原代巨噬细胞(bone marrow-derived macrophages, BMDMs)通过NLRP3依赖通路产生大量的IL-1β^[10]。此外，许多内源性物质，如ATP、软脂酸、淀粉样蛋白β、尿酸钠结晶、胆汁酸结晶等，也可作为NLRP3炎症体激活的特殊激活物^[10]。除了这些经典的NLRP3激活物，胞内的LPS可激活caspase-11依赖的非经典的caspase-1激活通路，但这种由caspase-11介导的非经典炎症体激活途径同样需要NLRP3^[11]，提示caspase-11介导的下游靶标可影响NLRP3的激活。

1.3 激活机制

目前，NLRP3炎症体的激活机制中两类激活途径被广泛接受^[1]，第一类多由TLRs激活导致核因子κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)依赖的NLRP3及IL-1β前体转录增多。第二类则是通过K⁺外流、溶酶体破裂或mtROS等促使NLRP3炎症体聚集和激活。随着研究的深入，NLRP3炎症体的激活途径越来越复杂，很多情况并不能用这两类途径简单解释。

1.3.1 TLRs介导的启动途径

最初大家认为该途径是增强了NLRP3和IL-1β前体的转录水平，但越来越多的研究发现该途径的影响不止局限在转录水平上，这主要与TLR通路的下游白细胞介素-1受体相关激酶1(interleukin-1 receptor associated kinase 1, IRAK1)、细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase, ERK)和caspase-8的参与有关^[12]，具体分子机制尚不明确，可能与IRAK1或者ERK参与到NLRP3蛋白的整合或是其上游。但近期有研究指出，LPS刺激导致的NF-κB信号通路可通过自噬受体p62抑制NLRP3炎症体的激活，有助于通过线粒体自噬清除损伤的线粒体^[13]。总之，这些研究表明该启动途径具有更复杂的作用机制。

1.3.2 活化途径

NLRP3炎症体的聚集和激活依赖于多种刺激因素。目前，K⁺外流被认为是最常见、最重要的刺激因素^[14]，当阻滞了K⁺外流后，可有效抑制NLRP3刺激处理后引起的NLRP3炎症体的激活。但目前尚不明确其具体作用机制。一种可能的解释是K⁺外流所致胞内K⁺减少，引起NLRP3之间静电作用的增加，可导致NLRP3构象变化^[14]。近期研究发现NIMA相关酶7(NIMA-related kinase 7, NEK7)是NLRP3的重要上游调控分子^[15]，抑制了K⁺外流后可有效减少NLRP3和NEK7的表达，而在NEK7缺陷的BMDMs中，虽然炎症体的激活出现异常，但仍然存在K⁺外流，这些结果提示NEK7是K⁺外流的下游。

除了K⁺外流，NLRP3炎症体的激活也需要特异性的刺激因素，如结晶体或颗粒物可引起溶酶体的功能紊乱，导致胞质内溶酶体蛋白酶的释放，如组织蛋白酶B。胞质内的溶酶体蛋白酶被认为是NLRP3的激活信号^[16]，但亦有研究发现组织蛋白酶B的缺陷对NLRP3的激活并无影响^[17]。此外，细胞外渗透压亦是重要的NLRP3的激活因素。低渗溶液可通过K⁺外流或瞬时受体电位通道促进NLRP3炎症体的激活^[18]，提示除了K⁺外流，细胞体积的变化可能也是NLRP3激活的重要因素，可能通过细胞内Ca²⁺的增加所致。相反，有研究说高渗透压可激活NLRP3炎症体，导致炎性Th17反应的诱发^[19]。这些发现更加提示NLRP3炎症体可能是环境渗透压改变的潜在感受器，从而促进炎性反应。mtROS对NLRP3炎症体激活的影响将在下文详细论述。

2 线粒体概述

线粒体在各种合成代谢和分解代谢过程中具有重要作用，如氧化磷酸化、糖酵解、三羧酸循环及脂肪酸β氧化。线粒体的基础作用可牵涉到多种细胞信号网络，包括调控细胞存亡、钙信号通路、炎症反应等^{[20, 21]}。同样，线粒体包含着特有的基因组，主要通过母系遗传。一些mtDNA编码的蛋白是线粒体呼吸链的结构亚单位。尽管电子呼吸链对于ATP的产生很重要，但该过程亦会产生有害的mtROS^[22]，mtROS的聚集可导致细胞损伤、炎症和细胞死亡^[23]。

线粒体可不断的参与一些动态过程，即线粒体动力学，包括分裂、融合、线粒体自噬，维持着线粒体功能和蛋白质控，且在应激时将氧化能力最大化。线粒体融合蛋白1/2(mitofusin 1/2, Mfn1/2)可介导需要两个正常的线粒体的融合过程，而发动蛋白1介导的分裂过程则可分裂受损的或正常的线粒体，合成线粒体的强大管状网络，从而通过移除损伤细胞器来保证蛋白质控^[24]。线粒体形态的连续变化主要通过自身代谢调控，也受到线粒体自噬和细胞自噬的影响^[24]，引起过度炎症反应的受损线粒体一般会被清除。

3 线粒体所致的NLRP3炎症体激活 3.1 线粒体功能损伤

线粒体事件与NLRP3炎症体的激活密切相关。研究表明，线粒体功能损伤可通过mtROS导致NLRP3炎症体的激活，当清除掉mtROS后，NLRP3炎症体的激活被有效抑制^[5]。与这些发现相似，线粒体自噬受损后因无法清除损伤的线粒体，可增强NLRP3炎症体的激活。除了mtROS，从受损的线粒体释放入胞浆中的mtDNA也同样被认为是线粒体的危险信号，通过直接作用于NLRP3促进其激活^[6]。这些结果说明线粒体受损会增强NLRP3炎症体的聚集。

尽管越来越多的证据证明线粒体功能损伤与NLRP3炎症体的激活密切相关，但对于NLRP3炎症体的刺激因素是如何引发线粒体损伤的，目前尚不明确。一种可能的机制是胞内Ca²⁺水平的增加，因为NLRP3的激活物，如ATP，会导致Ca²⁺内流，并促进线粒体的损伤，导致mtROS的产生和线粒体膜电位的去极化^[25]。而且，另有研究发现，K⁺外流可介导Ca²⁺内流，从而导致线粒体Ca²⁺超载，造成线粒体功能损伤^[26]。近期发现了另一种与NLRP3炎症体激活相关的线粒体事件，从革兰氏阳性细菌的肽聚糖中分离的N-乙酰葡糖胺可游离线粒体外膜的己糖激酶，从而激活NLRP3^[27]，提示代谢与炎症之间关系密切。关于线粒体功能损伤与NLRP3激活的因果关系，目前也有一些相左的结论。有研究发现炎症体的激活亦可引起线粒体损伤^[28]，提示线粒体损伤可能是炎症体激活的下游，而非上游。我们猜想，在某些情况下，线粒体功能损伤可能并不是NLRP3炎症体的初始激活通路，但激活的炎症体通过进一步损伤线粒体，产生了大量的mtROS及mtDNA，后者是明确的可激活NLRP3炎症体的危险信号，二者可形成正向环路，通过相互促进作用，导致放大的炎症级联反应。因此，线粒体功能损伤与NLRP3炎症体的激活的因果关系，以及是否出现了促进炎症级联反应的正反馈作用仍需进一步明确。

3.2 线粒体蛋白

除了前面所提到的线粒体功能损伤，线粒体自身也可作为炎症体聚合平台促进NLRP3炎症体的激活。病毒感染后或NLRP3刺激物处理后，线粒体抗病毒信号蛋白(mitochondrial anti-viral signaling protein, MAVS)可招募NLRP3至线粒体^[29]。有趣的是，MAVS自身可组成阮蛋白样聚合体，亦可促进NLRP3的寡聚化^[30]。敲低MAVS表达后可有效减少经典的NLRP3激动剂所致的NLRP3依赖的IL-1β的分泌^[29]。但另有一些研究提出，NLRP3炎症体激活并不需要MAVS^[31]。因此，非病毒刺激的NLRP3激活中MAVS的作用仍然存在争议。基于这些研究，线粒体多被认为是NLRP3炎症体的聚合的信号平台。但仍需更多的证据明确NLRP3经典刺激物处理后的线粒体募集炎症体组分的具体机制。

3.3 线粒体动力学

越来越多的证据提示，线粒体动态学对固有免疫反应具有重要作用，尤其是抗病毒反应。近期研究也表明，损伤的线粒体动力学可影响NLRP3炎症体的激活，比如调控线粒体融合的Mfn2被敲低后可有效减少RNA病毒感染引起的IL-1β的释放，提示线粒体融合可导致NLRP3炎症体的强烈激活^[32]。同样有研究发现，动力相关蛋白1(dynamin-related protein-1, Drp1)敲低所致的线粒体异常延长可显著增加对经典NLRP3刺激物的敏感性，提示延长的线粒体可作为NLRP3炎症体聚合的理想平台^[33]。

3.4 线粒体的运输

线粒体运输对于神经元细胞的动态平衡具有重要作用，该部分缺陷与多种神经系统疾病的发病密切相关。然而，在固有免疫反应中的线粒体运输的生理学作用并没有被详细研究。目前研究表明^[34]，NLRP3刺激后可通过微管系统导致线粒体运输至内质网，从而促使表达在线粒体的ASC转移至内质网中的NLRP3。研究者同时还指出^[34]，NLRP3促进剂引起的线粒体损伤可导致胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD⁺)水平下降，而后者可能通过沉默Sirtuin蛋白2和α-微管蛋白乙酰化导致线粒体的移动。因此，线粒体功能损伤可能导致异常的线粒体移动，从而促进NLRP3的激活。

4 线粒体功能损伤与炎症体激活相关的疾病 4.1 代谢综合征和糖尿病

代谢综合征或者2型糖尿病是以炎症损伤为代表的代谢性疾病。有研究发现，NLRP3在肥胖引起的炎症及胰岛素抵抗中具有重要作用，在内脏脂肪组织及肥胖小鼠的肝脏中NLRP3炎症体多被激活，而且异常激活的NLRP3可促进与肥胖相关的葡萄糖不耐受和慢性低度炎症^[35]。其中有研究发现饱和酸棕榈酸可激活NLRP3炎症体。棕榈酸和LPS联合作用可减少自噬，随后通过延缓线粒体的周转率来增加mtROS激活NLRP3^[35]。这些结果表明与线粒体功能障碍有关的NLRP3炎症体的激活发生在代谢综合征和糖尿病中。另一个最近的研究提示，线粒体自噬异常释放的mtROS参与到棕榈酸和LPS刺激的NLRP3炎症体的激活，该研究中线粒体功能障碍归因于一种可通过mTOR非依赖通路导致线粒体自噬的小GTP酶——Rheb(Ras homolog enriched in brain)和一种微管运动蛋白KIF5B的失调^[36]。但亦有一些相悖的研究结论^[37]。因此，在代谢性综合征或2型糖尿病中线粒体功能障碍或线粒体自噬缺陷对NLRP3激活的作用仍需进一步研究确认。

4.2 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一类明确有固有免疫激活的代谢性疾病。除了TLRs的激活外，该疾病中亦发现了胆固醇晶体参与的NLRP3炎症体激活^[37]，其机制主要与胆固醇晶体导致的溶酶体损伤有关。除了胆固醇晶体外，轻度修饰低密度脂蛋白晶体也参与到了NLRP3的启动和激活^[38]。而线粒体功能障碍在动脉粥样硬化中NLRP3炎症体激活的作用主要涉及到植物血凝素样氧化低密度脂蛋白受体-1(Lectin like Ox-LDL Receptor-1, LOX-1)，一种氧化LDL的主要受体。LOX-1在体外实验中参与了ROS的生成、mtDNA损伤和NLRP3的激活^[39]，但体内相关研究尚是空白。动脉粥样硬化中线粒体事件在炎症体的活化中的作用仍需进一步研究。

4.3 神经退行性疾病

越来越多的研究发现，NLRP3炎症体与神经退行性疾病有着潜在的联系。在阿尔兹海默病中，纤维状的β-淀粉样蛋白是最重要的致病分子，而该物质可有效促进小胶质细胞中NLRP3炎症体的激活^[39]，而NLRP3的缺陷可显著减少APP/PS1小鼠脑中caspase-1的表达量和减轻认知损伤程度。帕金森病则是另一种与炎症体激活相关的神经退行性疾病。聚集的α-突触核蛋白是帕金森病发病的重要因素，在人单核细胞中它可促进caspase-1依赖的IL-1β的分泌^[40]，而使用IL-1受体拮抗剂可以显著减轻帕金森病大鼠脑中多巴胺神经元的丢失。与这些结果相似，临床研究显示帕金森病患者的脑脊液中IL-1β和IL-18明显增多，而血清中并无变化^[41]。尽管有文献支持β-淀粉样蛋白寡聚化或α-突触核蛋白可引发mtROS^[42]，但尚无关于线粒体事件在阿尔兹海默病或帕金森病中炎症体激活过程中作用的相关研究。

5 结论

在近十几年来，越来越多的研究说明了NLRP炎症体在多种疾病中的重要作用，而线粒体作为细胞能源的重要来源，参与了众多细胞或器官的生物过程，如细胞死亡、退行性病变、衰老等，并且作为重要枢纽参与了固有免疫过程。但目前仍有很多问题需要解决，线粒体功能障碍可以促进NLRP3炎症体的激活，而炎症因子又可以导致线粒体的损伤，所以二者的因果关系目前仍然不够明确。由于适当激活NLRP3炎症体对多种感染是具有益处的，那么如何适当的调控其激活也是目前临床应用的重要问题。