朱 坤，戴日蕾，朱文婷，李貞燕，曹春梅, ,3*

(1.首都兒科研究所 生理研究室，北京 100020； 2.北京市臨床醫(yī)學(xué)研究所 心血管實(shí)驗(yàn)室，北京 100050；3.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院 心內(nèi)科， 北京 100050)

在機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞死亡是細(xì)胞不可避免的生命活動(dòng)之一。其中，調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡(regulated cell death，RCD)作為一類(lèi)可調(diào)控且依賴(lài)于特定分子機(jī)制的細(xì)胞死亡模式，在機(jī)體的多種病理生理環(huán)境下具有重要作用。一方面，RCD是已經(jīng)分化的組織(如心肌、神經(jīng)等)損傷的主要因素；另一方面，RCD的失調(diào)與細(xì)胞異常增殖(如自身免疫性疾病、腫瘤等)相關(guān)[1]。因此，RCD成為多種疾病治療的主要靶點(diǎn)。細(xì)胞焦亡(pyroptosis)是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡，與炎性小體、含半胱氨酸的天冬氨酸特異性蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinases，caspases)、gasdermin蛋白家族有非常密切的關(guān)系，并導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生一系列炎性反應(yīng)。炎性反應(yīng)與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)， 而細(xì)胞焦亡作為一種高度促炎性的細(xì)胞死亡如何參與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展，受到科研工作者的廣泛關(guān)注。本文就細(xì)胞焦亡及其在心血管疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞焦亡

1.1 Caspases及其功能

Caspases是一類(lèi)高度保守的胞內(nèi)蛋白酶且在多種細(xì)胞中表達(dá)，哺乳動(dòng)物caspases按功能可劃分為兩大類(lèi)：凋亡(caspases)和炎性(caspases)。凋亡caspases分為啟動(dòng)型(caspase-8、-9和-10)和效應(yīng)型(caspase-3、-6和-7)，炎性caspases包括caspase-1、-4、-5、-11和-12。生理狀態(tài)下，大多數(shù)caspases呈組成性表達(dá)，且通常以沒(méi)有活性的酶原狀態(tài)(pro-caspases)存在，pro-caspases受到刺激后激活并轉(zhuǎn)變成有活性的caspases發(fā)揮作用。在caspases活化的過(guò)程中，相鄰的pro-caspases形成二聚體并進(jìn)行自我剪切產(chǎn)生兩個(gè)大、小亞基，同時(shí)暴露出活性位點(diǎn)，從而形成具有全酶活性的caspases[2-3]。啟動(dòng)型caspases扮演著蛋白水解信號(hào)放大器的角色，激活效應(yīng)型caspases，從而觸發(fā)凋亡。炎性caspases主要誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。但凋亡caspase與炎性caspase所參與的信號(hào)通路并不具有嚴(yán)格的界限，例如caspase-8不僅可以通過(guò)切割GSDMD引發(fā)焦亡[4]，而且可以通過(guò)抑制RIPK1(receptor-interacting protein kinase 1)將細(xì)胞由程序性壞死轉(zhuǎn)向凋亡[5]。由此可見(jiàn)，細(xì)胞在不同的病理生理環(huán)境下所激活的caspases的類(lèi)型以及切割的底物蛋白均有所差異，而闡清背后的機(jī)制，還需要更深入的研究。

1.2 gasdermin蛋白家族

人類(lèi)gasdermin家族由gasdermin A(GSDMA)、gasdermin B(GSDMB)、gasdermin C(GSDMC)、gasdermin D(GSDMD)、gasdermin E(GSDME) 和Pejvakin(PJVK)組成，不同gasdermin蛋白的表達(dá)具有組織特異性。對(duì)gasdermin蛋白家族的結(jié)構(gòu)研究表明，除了PJVK外，其他成員均具有保守的雙結(jié)構(gòu)域：N末端結(jié)構(gòu)域(GSDMNT)和C末端結(jié)構(gòu)域(GSDMCT)，并且GSDMNT具有成孔活性，通常與GSDMCT通過(guò)自體封閉抑制這種活性。GSDMD是目前了解的較清楚的成員之一：2015年的兩項(xiàng)獨(dú)立研究[6-7]明確了炎性caspases可以通過(guò)剪切GSDMD誘導(dǎo)焦亡發(fā)生。隨后繼續(xù)發(fā)現(xiàn)caspase-3則特異性裂解GSDME，并且當(dāng)GSDME表達(dá)含量增高時(shí)，可將caspase-3介導(dǎo)的細(xì)胞死亡從凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)榻雇鯷8]。這些關(guān)鍵的研究成果對(duì)深入研究gasdermin家族成員和焦亡的發(fā)生機(jī)制提供了重要的理論基礎(chǔ)。

1.3 炎性小體的活化

1.3.1 典型炎性小體活化：炎性小體是機(jī)體受到各種刺激后形成的一種胞質(zhì)內(nèi)的大分子多蛋白復(fù)合物，包括典型炎性小體和非典型炎性小體。典型炎性小體一般是由感受器蛋白、ASC(apoptosis-associa-ted speck-like protein containing a CARD)以及效應(yīng)器蛋白pro-caspase-1共3部分組成。

典型的NLRP3炎性小體由NLRP3、ASC和pro-caspase-1組成。NLRP3炎性小體活化一般需要兩步。第一步為啟動(dòng)階段：細(xì)胞通過(guò)模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors, PRRs)識(shí)別病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)或損傷相關(guān)分子模式(danger-associated molecular patterns，DAMPs)，激活NF-κB，驅(qū)動(dòng)NLRP3炎性小體相關(guān)組分和pro-IL-1β的轉(zhuǎn)錄以及NLRP3的翻譯后修飾；第二步為組裝階段，NLRP3可以對(duì)病原體、微生物毒素、核酸、胞外ATP和晶體等多種刺激導(dǎo)致的胞質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡做出反應(yīng)，從而得到活化。活化的NLRP3發(fā)生寡聚化并與ASC蛋白相互作用，聚集形成pro-caspase-1活化的平臺(tái)-ASC斑點(diǎn)，隨后ASC蛋白C端的CARD結(jié)構(gòu)域與pro-caspase-1的CARD結(jié)構(gòu)域連接從而完成NLRP3炎性小體的組裝，pro-caspase-1得到活化。活化的caspase-1促進(jìn)pro-IL-1β、pro-IL-18分別轉(zhuǎn)化為IL-1β、IL-18，并切割GSDMD促進(jìn)GSDMNT釋放。GSDMNT通過(guò)形成環(huán)狀低聚物在細(xì)胞膜上形成小孔，引起IL-1β、IL-18等細(xì)胞內(nèi)容物的釋放以及細(xì)胞死亡[6-7]。

1.3.2 非典型炎性小體活化：革蘭陰性菌感染細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞膜受體TLR4(Toll-like receptor 4)識(shí)別胞外細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)，激活NF-κB和IRF3(interferon-regulatory factor-3)介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄，引起caspase-11、GBPs(guanylate binding proteins)、IRGB10(immunity-related GTPase family member b10)等基因表達(dá)上調(diào)；在GBPs和IRGB10的協(xié)同作用下促進(jìn)LPS釋放到胞質(zhì)，胞內(nèi)pro-caspase-11識(shí)別胞質(zhì)LPS，形成非典型炎性小體，并活化caspases切割GSDMD，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡[7]。

2 細(xì)胞焦亡與心血管疾病

2.1 心肌缺血和缺血再灌注損傷

心肌缺血往往引起心肌細(xì)胞損傷，而持續(xù)性心肌缺血?jiǎng)t會(huì)導(dǎo)致心肌梗死(myocardial infarction，MI)。目前解決心肌缺血最好的方法是及時(shí)恢復(fù)血流，然而血流再灌注會(huì)加重組織的進(jìn)一步損傷，稱(chēng)為“缺血/再灌注損傷”(ischemia-reperfusion injury，IRI)。IRI的病理生理機(jī)制復(fù)雜多樣，包括離子平衡改變、代謝途徑改變、炎性反應(yīng)和線(xiàn)粒體功能障礙等。

隨著對(duì)細(xì)胞焦亡的深入認(rèn)識(shí)，越來(lái)越多的學(xué)者將缺血性心臟病與細(xì)胞焦亡的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)，并開(kāi)展了一系列的研究。將心肌梗死患者的心肌組織進(jìn)行病理觀察，可見(jiàn)明顯的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，并且ASC在這些炎性細(xì)胞中的表達(dá)水平高于心肌細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞，同時(shí)進(jìn)一步的體外實(shí)驗(yàn)表明，缺氧/復(fù)氧處理可導(dǎo)致心臟成纖維細(xì)胞中炎性小體形成而非心肌細(xì)胞[9]。然而，有些研究發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞同樣可以發(fā)生炎性小體的組裝和焦亡[10-13]。用LPS聯(lián)合ATP或nigericin刺激成年小鼠心肌細(xì)胞，可以誘導(dǎo)炎性小體的形成、caspase-1活性增加，且與心肌細(xì)胞死亡呈正相關(guān)。由此可見(jiàn)，NLRP3炎性小體的激活在缺血的心臟中表現(xiàn)出細(xì)胞異質(zhì)性，但心肌細(xì)胞中焦亡相關(guān)分子的表達(dá)水平非常低，因此在IRI過(guò)程中，焦亡在心臟的非心肌細(xì)胞群中可能發(fā)揮更重要的作用。

從細(xì)胞焦亡的發(fā)生機(jī)制來(lái)看，IR引起損傷的心肌細(xì)胞向胞外釋放ATP，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞和心肌細(xì)胞中NLRP3炎性小體完成組裝，一方面心肌細(xì)胞NLRP3炎性小體的激活誘導(dǎo)caspase-1依賴(lài)性細(xì)胞死亡，不伴IL-1β大量分泌，另一方面成纖維細(xì)胞NLRP3炎性小體的激活促進(jìn)IL-1β的釋放以及初始炎性反應(yīng)的發(fā)生，成纖維細(xì)胞介導(dǎo)的初始炎性反應(yīng)刺激其他炎性因子的釋放，進(jìn)一步加重心肌損傷。但是潛在的分子機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究，明確各類(lèi)細(xì)胞在IRI中所發(fā)揮的作用，構(gòu)建焦亡相關(guān)分子的細(xì)胞特異性敲除模型也許有助于解決這一問(wèn)題。盡管如此，目前NLRP3炎性小體抑制劑和caspase-1抑制劑的保護(hù)作用在小鼠IR體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中均得到證實(shí)[14-15]。因此，總的來(lái)說(shuō)，抑制炎性小體相關(guān)組分的激活可顯著改善心功能，對(duì)抗心肌損傷。

2.2 心力衰竭

心力衰竭是各種心血管疾病失代償?shù)慕Y(jié)果，其中炎性反應(yīng)發(fā)揮著重要作用。急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)后心室往往發(fā)生重構(gòu)，心室重構(gòu)可分為炎性反應(yīng)期、增殖期和成熟期3個(gè)階段。炎性反應(yīng)期，心肌缺血產(chǎn)生的DAMPs可以誘導(dǎo)炎性小體的組裝并激活caspase-1，促進(jìn)IL-1β分泌，進(jìn)而增強(qiáng)組織損傷和炎性反應(yīng)；增殖期，成纖維細(xì)胞進(jìn)一步增殖且膠原纖維合成增加，瘢痕形成；成熟期，心室壁壓力增加、變薄、心室擴(kuò)張和左室偏心性肥大，導(dǎo)致心功能障礙和心力衰竭。體內(nèi)和體外的AMI模型表明急性心肌梗死7 d后，小鼠心臟炎性小體的形成會(huì)導(dǎo)致心臟病理性重構(gòu)和心力衰竭[12]。

除了缺血性疾病，非缺血性疾病如高血壓或主動(dòng)脈狹窄等，往往造成心臟壓力過(guò)負(fù)荷，引起心肌肥厚，最終失代償導(dǎo)致心衰。在心肌肥厚的患者和小鼠、大鼠心肌肥厚模型中，一方面發(fā)現(xiàn)心臟中肌LIM蛋白的巰基亞硝基化水平明顯增高，可以促進(jìn)TLR3(Toll-like receptor 3)和RIP3 (receptor-interacting protein 3) 的結(jié)合，進(jìn)而激活下游p65-NLRP3-IL-1β信號(hào)通路，加重心肌肥厚；另一方面發(fā)現(xiàn)，給予小鼠IL-1β中和抗體處理后，心肌肥厚減輕，心功能改善，心力衰竭得到遏制[16]。擴(kuò)張型心肌病也是心力衰竭常見(jiàn)的病因之一。雖然其潛在的機(jī)制仍不清楚，但值得注意的是，在擴(kuò)張型心肌病患者心肌組織中出現(xiàn)高度活化的NLRP3炎性小體并伴隨著心肌細(xì)胞的炎性死亡，且與心功能呈負(fù)相關(guān)，體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了caspase-1介導(dǎo)的NLRP3炎性小體激活引起的心肌細(xì)胞焦亡是導(dǎo)致心功能障礙和擴(kuò)張型心肌病發(fā)病的原因之一[17]。因此，無(wú)論是在缺血性心臟病還是非缺血性心臟病導(dǎo)致的心力衰竭中，炎性小體信號(hào)通路均扮演著重要角色。

2.3 動(dòng)脈粥樣硬化

動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)是造成心肌梗死最常見(jiàn)的原因。血脂異常和血管炎性反應(yīng)是AS發(fā)展的重要因素。內(nèi)皮細(xì)胞作為血管的最內(nèi)層，不僅在調(diào)控血管穩(wěn)態(tài)中具有重要作用，而且內(nèi)皮細(xì)胞的死亡是AS發(fā)展的關(guān)鍵和初始階段。內(nèi)皮細(xì)胞損傷常伴有不同類(lèi)型的死亡方式，其中內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡作為一種炎性死亡在AS的病生理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[18-19]，抑制內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡可有效減緩動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成。

吸煙是AS的主要危險(xiǎn)因素，尼古丁可以直接靶向人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞并誘導(dǎo)其發(fā)生焦亡，進(jìn)一步加重動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成[19]。氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein, ox-LDL)是AS的又一重要危險(xiǎn)因素，可導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞增殖遷移和刺激泡沫細(xì)胞形成等。并且ox-LDL可以誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生焦亡，進(jìn)一步促進(jìn)AS的發(fā)展[20]。除此之外，IL-1在AS中也扮演著重要角色，一方面在AS患者的動(dòng)脈或斑塊組織中，發(fā)現(xiàn)NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1和IL-18水平明顯升高；另一方面，部分臨床實(shí)驗(yàn)表明，靶向IL-1β的抗炎治療能夠有效降低心肌梗死患者的主要心血管事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。由此可見(jiàn)，降脂和抗炎協(xié)同進(jìn)行將是動(dòng)脈粥樣硬化未來(lái)的治療方向，而細(xì)胞焦亡作為一種促炎性細(xì)胞死亡將有著重要的研究?jī)r(jià)值。

3 問(wèn)題與展望

心血管疾病是危害人類(lèi)健康的第一大疾病，各種心血管疾病造成的心肌細(xì)胞死亡是疾病進(jìn)展的重要因素，但目前的治療策略仍不能有效保護(hù)受損的心肌。細(xì)胞焦亡是先天免疫系統(tǒng)對(duì)病原體產(chǎn)生的重要免疫反應(yīng)，心血管系統(tǒng)作為一類(lèi)非免疫器官，對(duì)于其發(fā)生的免疫反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，仍處于初步階段，還需深入研究。同時(shí)，明確細(xì)胞焦亡在心血管疾病(尤其是缺血性心臟病)中參與的細(xì)胞類(lèi)型以及與凋亡、程序性壞死等信號(hào)通路的交互作用，并在此基礎(chǔ)上尋找相關(guān)信號(hào)通路的抑制劑以及施行相關(guān)的臨床實(shí)驗(yàn)，將有望為心血管疾病的治療提供新思路。因此，深入研究細(xì)胞焦亡的發(fā)生和調(diào)控機(jī)制以及其在心肌損傷中的作用，對(duì)于明確心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸具有重要意義。