黎良盛，翁一杰 综述 魏劲松 审校

广东医科大学，广东 湛江 524000

随着老龄化时代的到来，因骨质疏松症而导致的骨折的发病率也会明显的增高，人们对骨质疏松(OP)的关注度及研究深度逐年加深。2018年，我国OP患病率增加到29.16%，预测到2050年将会达到39.19%[1-2]。OP现在被认为是一种自身免疫和炎性疾病，OP患者往往伴随着体内炎症因子水平的变化，炎症因子是一类主要由免疫细胞和相关细胞产生的高活性、多功能小分子蛋白质[3]。显然，骨质疏松的过程涉及到大量的炎症因子和炎症信号通路，这表明炎症与骨质疏松的发生之间存在一定的机制，有待进一步探讨。

1 NLRP3炎性小体与细胞焦亡概述

1.1 NLRP3炎性小体 NLRP3炎性小体是NLRs蛋白家族中最典型的家族成员，包含PYD、NACHT和LRR 3个结构域，NLRP3激活可募集接头蛋白(ASC)和半胱氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)形成名为“炎性小体”的多蛋白复合体[4-5]。研究表明，NLPR3炎性小体完整的激活需要经过两个阶段。第一阶段是启动阶段，病原相关分子模式(PAMPs)或损伤相关分子模式(DAMPs)被识别后，导致炎性小体的成分前体产生或激活，如Pro-IL-18、Pro-IL-1β。常见的PAMP包括脂多糖(LPS)、脂磷壁酸(LTA)、肽聚糖(PGN)、病毒双链RNA(dsRNA)等。DAMP包括错误折叠或聚集的蛋白质，代谢物和假体植入物的磨损碎片；第二阶段是激活阶段，即各组分(NLRP3、ASC、Caspase-1)组装形成NLRP3炎性小体及将Pro-IL-1β和Pro-IL-18转化为生物活性形式诱导炎症，并裂解消皮素D(GSDMD)，在细胞膜上形成GSDMD集合孔，从而触发细胞焦亡[6]。NLRP3可以被多种刺激激活[7]，可能的机制包括钾离子外流[8]、线粒体DNA释放[9]、线粒体功能障碍及活性氧(ROS)产生[10]、氯离子通道蛋白(CLICs)依赖的氯离子外流[11]、溶酶体破裂[12]、胞内钙离子浓度改变[13]、NEK7是一种重要的蛋白质，介导NLRP3炎症体的组装和激活[14]。

1.2 细胞焦亡 细胞死亡可分为凋亡、坏死、焦亡、自噬性细胞死亡和其他形式的细胞死亡。细胞焦亡是一种新发现的炎性细胞程序性死亡，细胞焦亡主要由NLRP3炎性小体激活包括Caspase-1在内的多种Caspase介导。激活的Caspase-1特异性识别和切割引起细胞焦亡的Gasdermin D(GSDMD)[15]。细胞焦亡发生迅速，与细胞凋亡相比，伴随着大量促炎因子的释放。

2 炎症与骨质疏松之间的关系

近年来，有很多研究表明炎症因子与骨质疏松的发病有密不可分的关系[16-17]。NLRP3突变导致人源化小鼠的骨骼并发症，包括发育迟缓、生长板发育不良和骨量减少[18-19]，NLRP3缺乏可以减轻这种情况下的小鼠的骨丢失[20]。在部分绝经后骨质疏松女性患者体内，白介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等炎症因子水平明显增加[21]，并且阻断绝经后妇女TNF-α或IL-1β会导致骨吸收标记物的表达减少[22]。有研究指出，体内炎症因子含量升高是绝经后女性髋部骨密度下降的原因之一[23]，维生素C有抗炎作用，饮食中维生素C的摄入可以有效降低髋部骨折、骨质疏松和BMD丢失的风险[24]。然而研究还发现另外一种情况，即NLRP3通过炎症依赖性和非依赖性机制介导骨溶解，破骨细胞中这种炎症小体的基因激活会导致小鼠骨质减少，而不会改变IL-1β的产生和破骨细胞的数量，骨吸收增加与细胞骨架改变相关[25]。因此，在没有高度炎症的情况下，这种炎性小体也可以引起骨吸收。炎症与骨质疏松的关系得到验证，但是尚需进一步研究。

3 NLRP3与骨质疏松的基础研究

3.1 破骨细胞与IL-1β IL-1β无疑是细胞焦亡的重要节点。IL-1在细胞焦亡的过程中会有相当大的升高。IL-1主要由巨噬细胞产生，研究表明，如果要拮抗炎症因子引起的破骨细胞形成，就必须同时拮抗IL-1和TNF-α。一方面，IL-1能介导TNF-α对破骨细胞的诱导作用；另一方面，IL-1β与T淋巴细胞、B淋巴细胞和巨噬细胞上的IL-1β受体结合可促进RANKL的产生[26]，IL-1还能促进M-CSF的产生，并在RANKL存在的条件下促进破骨细胞的分化及其活化[27-29]；IL-1也能抑制破骨细胞凋亡[30]，破骨细胞寿命的延长可能是加速骨吸收的关键因素[31]。另外，ALIPPE等[20]认为在加速骨转换的条件下释放的骨降解产物激活了炎症小体，并促进破骨细胞分化，这可能代表了一种骨溶解的正反馈机制。显然，破骨细胞介导的骨质疏松与NLRP3之间关系密切。

3.2 成骨细胞与IL-1β 另一方面，IL-1对成骨细胞也有影响。GUO等[32]证明IL-1α能通过JNK和p38/MAPK通路诱导MC3T3-E1细胞活性下降，抑制成骨细胞分化。ZHANG等[33]证明了下调TLR4在成骨细胞中的表达，降低了IL-1、TNF-α的水平，从而抑制炎症途径。在骨质疏松模型中，接受卵巢切除的大鼠血清中IL-1、IL-6和TNF-α水平显著高于对照组大鼠[34]。很清楚的看到，IL-1β通过影响成骨细胞在炎症引起的骨质疏松中起至关重要的作用。

3.3 NLRP3与细菌 NLRP3介导细菌诱导的细胞焦亡，并参与炎症过程中的骨丢失[35]，许多细菌感染后通过NLRP3介导引起骨质疏松[36-37]。细菌导致NLRP3炎性小体增加时，Caspase-1途径被激活，IL-1β和IL-18的表达水平上调，导致成骨细胞死亡[38]。NLRP3基因缺陷的小鼠不会受牙龈卟啉单胞菌感染导致牙龈病引起的牙槽骨丢失[39]。此外，在雌激素缺乏性骨质疏松症中，未观察到直接细菌感染，但NLRP3水平仍然升高，成骨细胞的成骨能力下降，并且当NLRP3炎症小体被抑制或失活时骨质疏松症也得到缓解[40]。因此可以得知，细菌导致的炎症与骨质疏松的关系密不可分。

3.4 NLRP3与ROS的相互作用 ROS是由一些已知的NLRP3炎症体激活剂产生的，它们是NLRP3炎症体形成和激活的关键触发因素[41]。最近的研究也表明，ROS在骨质疏松的发病机制中是重要的组成部分，它调节破骨细胞的分化，促进骨的吸收[42-43]。同时，衰老过程中过量产生ROS会激活NLRP3炎性小体，进而产生更多的ROS，从而加剧ROS的高水平状态。在这种情况下，由于活性氧对破骨细胞的过度激活，导致过度的骨吸收，最终导致骨质疏松。一系列研究也表明，ROS可以通过刺激RANKL和TNF的表达来促进破骨细胞的生成[44-45]。另外，炎症介质可刺激破骨细胞产生线粒体内大量ROS产生，激活NLRP3炎性小体，进而促进大量的IL-1β分泌，而IL-1β又可以进一步刺激核转录因子NF-κB，进一步促进炎症小体的活化，从而加重炎症反应[46]，加速骨质疏松进程。综上，针对ROS在NLRP3对破骨细胞分化的影响对破骨细胞相关疾病具有治疗潜力。

3.5 NLRP3炎性小体与衰老 NLRP3炎症小体调节小鼠中与年龄相关的炎症和骨溶解。靶向抑制炎性体成分可能会改善慢性炎症和各种其他与年龄相关的疾病[47-48]。靶向抑制NLRP3炎症小体可减少与年龄相关的骨丢失[49]。MODIC改变是退行性腰椎终板的MRI信号改变，其导致或加速椎间盘退变，与MRI未观察到的椎体爆裂性骨折相比，有下腰痛和MODIC改变的患者软骨终板组织中NLRP3和IL-1β的表达上调[50]。有意义的是，这是在人体组织中检测到了NLRP3炎性体。因此可以说明NLRP3炎性小体在老年人中更体现出作用，NLRP3炎性小体对老年性骨质疏松具有深远的研究意义。

4 NLRP3炎症小体相关抑制剂

4.1 NLRP3炎性小体特异性抑制剂在骨质疏松上的应用 靶向抑制NLRP3炎性小体及其组分可能存在治疗OP的作用。此时特异性地针对NLRP3的活化，可能会提供一种更为精确的降低炎症损害的方法和减缓OP进程。许多研究表明，比如用ROS抑制剂NAC可以减轻ROS介导的细胞焦亡[51]；MCC950特异性抑制NLRP3的激活，但不抑制AIM2、NLRC4或NLRP1炎症小体的激活，MCC950减少了体内IL-1β和IL-18的产生，从而用于治疗炎症性疾病和自身免疫性疾病[52]，用MCC950抑制NLRP3炎性体可以改善成骨细胞的迁移并恢复成骨细胞相关蛋白的表达[51]；通过靶向NLRP3的shRNA抑制NLRP3炎性体也可以增加成骨标志物的表达并增强糖尿病大鼠牙槽骨缺损的愈合[53]；IL-18是NLRP3炎症小体的另一个重要效应因子，IL-18BP是IL-18的天然拮抗剂，IL-18BP增强成骨细胞分化并抑制NLRP3炎性小体和Caspase-1的激活，并且恢复了骨小梁的微结构[54]。

4.2 NLRP3炎性小体非特异性抑制剂在骨质疏松上的应用 降钙素基因相关肽(CGRP)以剂量依赖性方式抑制小鼠成骨细胞中NLRP3和IL-1β的表达，促进成骨分化，减少ROS的产生[55]；树突状细胞衍生的IFN-λ1通过阻止与NLRP3炎性小体相关的经典NF-κB信号通路并激活JAK/STAT信号通路，抑制LPS诱导的破骨细胞生成和促炎细胞因子的释放[56]；鸢尾素通过上调Nrf2抑制NLRP3和IL-1β，从而抑制卵巢切除大鼠成骨细胞的凋亡[57]；褪黑激素通过调节Wnt/β-catenin信号传导抑制NLRP3炎性小体从而抑制雌激素缺乏引起的骨质疏松症并促进成骨细胞生成[40]；格列本脲显著降低了糖尿病性骨折模型骨折愈伤组织中IFN-γ、TNF-α和IL-6的表达[58]，并减轻创伤造成的雄性大鼠骨破坏[59]。

合适的NLRP3炎性小体抑制剂去抑制骨丢失是确实有效的研究方向。除了NLRP3炎性小体特异性抑制剂外，仍存在着许多非特异性抑制剂，在研究NLRP3的科研工作中应该进一步推进去研究。

5 NLRP3炎性小体在不同信号通路对骨质疏松的调节作用

(1)RIPK1和RIPK3是两个同源的丝氨酸/苏氨酸激酶，抑制RIPK1/RIPK3可以通过抑制NLRP3依赖性NF-κB和MAPKs信号通路来阻碍破骨细胞生成并减轻骨质流失。因此，靶向抑制RIPK1/RIPK3信号可能是开发有效治疗破骨细胞相关骨溶解疾病的潜在治疗策略[60]。(2)炎症小体也参与由嘌呤能受体P2X5信号引起的小鼠破骨细胞的超多核[61]。(3)PKR通过调节牙龈卟啉单胞菌感染的成骨细胞中的NF-κB通路诱导NLRP3的表达[36]。(4)高糖通过诱导破骨细胞产生依赖于ROS/MAPKs/NF-κB/NLRP3相关蛋白来增加骨吸收能力，从而导致糖尿病所致的骨质疏松[46]。综上可见不同信号通路在OP的发生发展上与炎性小体息息相关。

6 总结与展望

本综述强调了NLRP3在骨质疏松中的研究进展。多种危险因素作用于机体，如细菌感染、雌激素缺乏或衰老信号，许多炎症通路被激活，通过胞内K+外流、溶酶体裂解、线粒体ROS生成等途径激活NLRP3炎性小体，诱导IL-18、IL-1β成熟、释放，引发炎症级联瀑布反应，NLRP3炎症体放大了这一信号，导致骨吸收和骨重建的失衡，进而加速骨质疏松进程。其中主要成分如NLRP3、IL-1β、Caspase-1或GSDMD的N端等等，都有作为药物靶点的潜力。

关于炎症小体在骨质疏松中的作用，仍有几个问题没有解决。例如：(1)炎性小体在骨功能中的作用是否仅限于IL-1β、IL-18和GSDMD的成熟？(2)抑制炎性小体的途径是否仅限于组装、激活或其他反应机制？能否通过阻止K+外排、溶酶体破裂，抑制NEK7和减少ASC寡聚化来抑制NLRP3炎症小体从而减轻骨质疏松的进程？(3)通过阻断NLRP3炎性小体并整合多种信号通路如Wnt/β-catenin通路、NF-κB通路和MAPK通路等来降低破骨细胞活性或抑制成骨细胞凋亡的有效策略是什么？(4)针对NLRP3炎性小体的各种抑制剂是否有叠加效应？(5)在没有感染的情况下，骨微环境中的炎性小体是如何被激活并且介导骨质疏松的？(6)尽管阻断NLRP3炎症小体的方法可以通过抑制炎症来保护骨骼避免骨溶解，正如在各种体内体外模型中所证明的那样，但这种疗法在人类中的疗效并不完全一致。这些问题的答案将为以NLRP3炎性小体为中心来治疗炎性骨溶解提供理论依据。因此，设计合适的选择性抑制剂或通过基因调控信号通路网络来抑制炎性小体是至关重要的，希望更多的研究可以关注炎性小体与骨质疏松的关系，这对于骨质疏松的发病机制和治疗策略的制定具有重要意义。