黃茂凌綜述 陳始明審校

宿主通過程序性細(xì)胞死亡的方式來清除被感染的細(xì)胞以及抵抗外源性病原微生物的入侵。這種細(xì)胞死亡方式在動(dòng)物以及人體研究中都得到了證實(shí)[1]。細(xì)胞凋亡以及壞死是較早發(fā)現(xiàn)的病原體誘導(dǎo)宿主細(xì)胞的程序性死亡方式。近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞脹亡、自噬、鐵死亡、焦亡等新的細(xì)胞死亡方式[2]。其中，細(xì)胞焦亡被認(rèn)為是一種新的促炎程序性細(xì)胞死亡方式，由炎性半胱天蛋白酶 (Caspase-1)介導(dǎo)，并伴有大量炎性因子及促炎因子的釋放，最終誘發(fā)級(jí)聯(lián)放大的炎性反應(yīng)[3]。通過對(duì)細(xì)胞焦亡的形態(tài)特征、誘發(fā)機(jī)制及其與相關(guān)疾病的深入研究，將有助于為相關(guān)疾病的診療提供新的防治策略。本文就近年來細(xì)胞焦亡的發(fā)生機(jī)制及其與相關(guān)疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞焦亡的概念

Chen等[4]第一次報(bào)道了在感染志賀菌的小鼠巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)依賴Caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。Caspase-1特異性抑制劑和Caspase-1基因敲除的巨噬細(xì)胞可以預(yù)防和抵抗志賀菌誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞死亡；然而，Caspase-3或p53缺陷巨噬細(xì)胞不能抵抗這種細(xì)胞死亡。進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)胞死亡是一種新型的細(xì)胞程序性死亡，不依賴于凋亡相關(guān)蛋白Caspase-3的表達(dá)，而通過Caspase-1介導(dǎo)[5]。細(xì)胞焦亡除了依賴于Caspase-1外，其過程伴有明顯的炎性反應(yīng)。Caspase-1 通過激活白細(xì)胞介素(interleukin， IL) 1β 和IL-18 前體表達(dá)，產(chǎn)生活性成熟IL-1β、IL-18，誘導(dǎo)其他炎性細(xì)胞因子的合成和釋放，從而放大局部和全身炎性反應(yīng)[6]。誘發(fā)炎性反應(yīng)是細(xì)胞焦亡不同于凋亡的一大特征，其形態(tài)學(xué)特征、分子機(jī)制等也不同于細(xì)胞凋亡等其他細(xì)胞死亡方式。2001年，Brennan 和Fink等首次使用希臘語(yǔ)pyroptosis 來描述這種獨(dú)特的程序性細(xì)胞死亡方式，pyro 是指促炎介質(zhì)的釋放，ptosis 表示下降，pyroptosis 稱為細(xì)胞焦亡[7]。

2 細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征和分子機(jī)制

2.1 形態(tài)學(xué)特征 細(xì)胞焦亡最顯著的特征表現(xiàn)為細(xì)胞不斷腫脹直至胞膜破裂，這個(gè)過程可以用光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)觀察并拍攝[8]。相比較于細(xì)胞質(zhì)膜保持完整且形成凋亡小體的細(xì)胞凋亡，細(xì)胞焦亡時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)破裂形成1～2 nm的小孔，繼而發(fā)生細(xì)胞滲透性腫脹，胞內(nèi)各種物質(zhì)(如乳酸脫氫酶、炎性因子等)滲出，此時(shí)用能夠穿透細(xì)胞膜的染料(溴化乙錠)可以進(jìn)入焦亡細(xì)胞的細(xì)胞核，出現(xiàn)陽(yáng)性染色[9]。

2.2 分子機(jī)制 細(xì)胞焦亡主要通過炎性小體介導(dǎo)包括Caspase-1在內(nèi)的Caspase家族(主要有Caspase-1、4、5、11、12、13、14)的激活，進(jìn)而造成包括消化道皮膚素D(gasdermin D，GSDMD)在內(nèi)的多種gasdermin家族成員發(fā)生剪切和多聚化，造成細(xì)胞穿孔，進(jìn)而引起細(xì)胞死亡[10]。其激活機(jī)制主要有依賴Caspase-1的經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。

2.2.1 依賴Caspase-1的經(jīng)典途徑:這一方面是科研人員研究比較集中的部分。在細(xì)菌、病毒等信號(hào)的刺激下，細(xì)胞內(nèi)的模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor, PRR)作為感受器，識(shí)別這些信號(hào)，通過接頭蛋白ASC與Caspase-1的前體結(jié)合，形成多蛋白復(fù)合物，活化Caspase-1蛋白。活化的Caspase-1一方面通過切割GSDMD，形成含有N端活性域的肽段，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔，細(xì)胞通透性增加，釋放細(xì)胞內(nèi)容物，引起炎性反應(yīng)；另一方面，活化的Caspase-1對(duì)IL-1β和IL-18的前體進(jìn)行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并釋放到胞外，招募炎性細(xì)胞聚集，擴(kuò)大炎性反應(yīng)[11]。

2.2.2 依賴Caspase-4、5、11的非經(jīng)典途徑: 研究者發(fā)現(xiàn)不依賴Caspase-1也能誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡。在細(xì)菌等信號(hào)的刺激下，Caspase-4、5、11被活化?；罨腃aspase-4、5、11可直接切割GSDMD，同樣形成含有N端活性域的肽段，引起細(xì)胞膜穿孔、細(xì)胞通透性增加、細(xì)胞內(nèi)容物釋放，引起炎性反應(yīng)。另一方面，同經(jīng)典途徑相似，通過誘導(dǎo)Caspase-1的活化，對(duì)IL-1β和IL-18的前體進(jìn)行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并釋放到胞外，募集炎性細(xì)胞聚集，擴(kuò)大炎性反應(yīng)[12]。

3 細(xì)胞焦亡與相關(guān)疾病

3.1 細(xì)胞焦亡與免疫相關(guān)性疾病 細(xì)胞焦亡最早是在細(xì)菌感染的巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的促炎程序性細(xì)胞死亡方式，其與免疫相關(guān)性疾病的關(guān)系非常密切。多蛋白復(fù)合物炎性小體介導(dǎo)Caspase-1激活，通過IL-1β、IL-18 清除機(jī)體胞內(nèi)病原微生物而介導(dǎo)保護(hù)宿主的作用[13]。Martins 等[14]通過對(duì)感染沙門菌豬的研究發(fā)現(xiàn)沙門菌在宿主豬的腸系膜淋巴結(jié)誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，通過介導(dǎo)IL-1β、IL-18 等炎性因子釋放而激活宿主免疫機(jī)制，清除體內(nèi)感染的細(xì)胞并阻止病原體擴(kuò)散。Cai等[15]研究證實(shí)，在免疫缺陷病毒1(HIV-1)感染的患者中，表達(dá)Caspase-1和Caspase-3的CD4+T細(xì)胞比例是增加的，然而在CD8+T細(xì)胞中Caspase-3表達(dá)增加，Caspase-1沒有增加，表明CD4+T細(xì)胞有焦亡和凋亡兩種活動(dòng)，并且通過抗逆轉(zhuǎn)錄病毒的治療后，CD4+T細(xì)胞中焦亡活動(dòng)被抑制，存活細(xì)胞增多，出現(xiàn)治療作用。Wang等[11]研究進(jìn)一步證實(shí)，Caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在引起CD4+T細(xì)胞死亡中占主導(dǎo)地位，這個(gè)過程中的CD4+T細(xì)胞能夠釋放炎性因子IL-1β去攻擊其他CD4+T細(xì)胞。因此，干預(yù)細(xì)胞焦亡活動(dòng)可能成為免疫相關(guān)性疾病新的防治方法。

3.2 細(xì)胞焦亡與代謝性疾病 由代謝障礙或代謝旺盛引起的疾病稱為代謝性疾病。常見病包括糖尿病、痛風(fēng)和糖尿病心肌病。糖尿病心肌病是由心肌細(xì)胞死亡引起的。近年來研究表明[16]，高血糖可增加活性氧的產(chǎn)生，從而上調(diào)NLRP3、促進(jìn)IL-1合成和IL-18前體的表達(dá)。Heo等[17]發(fā)現(xiàn) TXNIP通過經(jīng)典途徑激活Caspase-1進(jìn)行一系列的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而激活細(xì)胞焦亡。痛風(fēng)是由尿酸代謝紊亂引起的一種復(fù)雜的關(guān)節(jié)炎。有研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體的激活是痛風(fēng)的發(fā)病機(jī)制[18]。所以，由炎性反應(yīng)級(jí)聯(lián)放大激活細(xì)胞焦亡與代謝性疾病密切相關(guān)。

3.3 細(xì)胞焦亡與神經(jīng)系統(tǒng)疾病 神經(jīng)退行性疾病是大腦和脊髓的神經(jīng)元發(fā)生死亡而導(dǎo)致的一類疾病，主要影響患者的記憶或運(yùn)動(dòng)功能。研究發(fā)現(xiàn)[19]，阿爾茨海默病、帕金森病及亨廷頓舞蹈病等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展過程依賴于Caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，Caspase-1阻斷劑能明顯抑制阿爾茨海默病的進(jìn)程。Caspase-1 依賴性的細(xì)胞焦亡是神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生、發(fā)展的重要因素，進(jìn)一步對(duì)細(xì)胞焦亡的深入研究將有助于該類疾病的認(rèn)識(shí)和防治。

3.4 細(xì)胞焦亡與腫瘤 腫瘤的發(fā)生發(fā)展與炎性反應(yīng)和細(xì)胞焦亡密切相關(guān)。Wang等[20]發(fā)現(xiàn)，對(duì)比于正常組織，Caspase-1、IL-1β和IL-18在非小細(xì)胞肺癌組織中低表達(dá)，同時(shí)也證實(shí)辛伐他汀通過激活NLRP3- Caspase-1通路誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡來抑制腫瘤的增殖與侵襲。近年來，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤中細(xì)胞焦亡的發(fā)生與Caspase-3依賴的凋亡轉(zhuǎn)化為焦亡密切相關(guān)。Wang等[21]發(fā)現(xiàn)在宮頸癌中GSDME能將Caspase-3依賴的凋亡轉(zhuǎn)化為焦亡從而加速細(xì)胞死亡。另一研究在胃癌中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象[22]。隨著研究的展開和深入，Zhou等和Zhu等分別在肺癌和黑色素瘤中發(fā)現(xiàn)通過激活ROS信號(hào)通路能夠促進(jìn)細(xì)胞焦亡[8,23]。在腫瘤放療方面，Liu等[24]發(fā)現(xiàn)在骨髓來源的巨噬細(xì)胞中，NLRP3炎性小體能夠介導(dǎo)放射誘導(dǎo)的焦亡。隨后Wu等[25]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)鞭毛素A能夠逆轉(zhuǎn)腸黏膜細(xì)胞放射誘導(dǎo)出現(xiàn)的NLRP3依賴的細(xì)胞焦亡。

3.5 細(xì)胞焦亡與心血管疾病 NLRP3炎性小體能夠介導(dǎo)Caspase-1依賴的經(jīng)典途徑[26]。近年來發(fā)現(xiàn)NLRP3在心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中表達(dá)，其所介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡可能成為心肌病和房顫的發(fā)病機(jī)制[27]。一方面，成熟的Caspase-1通過切割I(lǐng)L-1β和IL-18的前體，從而形成成熟的IL-1β和IL-18，進(jìn)而放大局部炎性反應(yīng)，促進(jìn)纖維化，這是心肌結(jié)構(gòu)重塑的主要原因[28]。另一方面，成熟的Caspase-1切割GSDMD來促進(jìn)炎性小體形成N端蛋白水解片段(GSDMDNt)，這個(gè)片段能夠促進(jìn)細(xì)胞程序性死亡，也就是焦亡，從而進(jìn)一步使心肌功能惡化[29]。GSDMDNt不僅是焦亡的執(zhí)行者，而且它是IL-1β釋放的前提，這是因?yàn)镚SDMD基因的缺失使細(xì)胞喪失了清除釋放IL-1β的能力[30]。

3.6 細(xì)胞焦亡與其他相關(guān)疾病 Caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡可引起細(xì)胞死亡和炎性反應(yīng)[31]。目前有研究集中細(xì)胞焦亡與自身免疫性疾病關(guān)系的探索：如Caspase-1 基因敲除的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎小鼠，其關(guān)節(jié)的炎性反應(yīng)及關(guān)節(jié)軟骨的退化明顯得以緩解。另外，抑制嘌呤受體P2X4的表達(dá)可顯著降低IL-1β的血清水平，進(jìn)而抑制NLRP1炎性小體的激活，最終減弱了關(guān)節(jié)的炎性反應(yīng)及損傷[32]。在泌尿系統(tǒng)疾病中，Sarhan等[33]發(fā)現(xiàn)各種腎病中的病理本質(zhì)是腎細(xì)胞的死亡，而依賴Caspase-1的經(jīng)典途徑激活的細(xì)胞焦亡是腎細(xì)胞程序性死亡的主要形式。

4 小結(jié)與展望

細(xì)胞焦亡參與了多種疾病的發(fā)生發(fā)展。在炎性小體和促炎因子的介導(dǎo)下，通過經(jīng)典以及非經(jīng)典激活途徑加速了疾病的發(fā)展?，F(xiàn)階段雖然已證實(shí)細(xì)胞焦亡的發(fā)生與炎性小體和Caspase家族的激活密切相關(guān)，但是在此過程中仍有許多細(xì)胞因子及其作用尚不清楚。從細(xì)胞焦亡的角度進(jìn)一步深入探索，有望闡明當(dāng)前多種不同疾病的發(fā)病機(jī)制以及提供更加有效的防治措施。細(xì)胞焦亡作為一種炎性程序性細(xì)胞死亡，已經(jīng)在不同疾病模型中開始受到關(guān)注。