何歡歡，宋新強，，王 帥

（信陽師范學院1.生命科學學院，2.醫(yī)學院，河南 信陽 464000）

細胞程序性死亡是生物體不可或缺的一類生物學過程，旨在清除老化和受損細胞，維持機體正常內環(huán)境，提高機體免疫力；當機體受到病菌感染、毒物刺激或是疾病發(fā)生而導致過度激活程序性死亡時，則會導致炎癥反應和組織受損等，進而影響健康。細胞程序性死亡可根據有無炎癥發(fā)生分為炎性死亡途徑和非炎性死亡途徑。炎性死亡途徑包括細胞焦亡和壞死性凋亡；非炎性死亡途徑包括細胞凋亡、自噬和吞噬等。由于細胞焦亡能夠引起劇烈的炎癥反應和細胞死亡，因而最初被認為與多種炎癥性疾病密切相關。隨著研究的深入，細胞焦亡被證實還參與了多種癌癥的發(fā)生發(fā)展，基于細胞焦亡的治療策略也被認為是對抗癌癥的新思路［1］。因此，了解細胞焦亡的分子發(fā)生機制、發(fā)展過程及與癌癥的聯(lián)系對癌癥治療和研發(fā)靶向抗癌藥物具有十分重要的意義。

1 細胞焦亡的發(fā)現(xiàn)

細胞焦亡最初被發(fā)現(xiàn)于志賀菌屬和沙門菌屬感染引起的細胞死亡［2-3］，其區(qū)別于細胞凋亡的主要特征是胞膜的破壞，且此過程依賴于胱天蛋白酶1的活化而不是胱天蛋白酶3的活化［4］，胱天蛋白酶1依賴性的細胞焦亡也被稱為經典途徑細胞焦亡；2014年，邵峰團隊發(fā)現(xiàn)細胞質脂多糖可直接結合胱天蛋白酶4/5/11，誘導非經典途徑細胞焦亡發(fā)生［5］；隨后多項研究表明，消皮素D（gasdermin-D，GSDMD）蛋白是介導細胞焦亡發(fā)生另一關鍵因子［6-8］，其經過胱天蛋白酶切割形成成熟體GSDMD-N，并轉運至細胞膜形成孔道，加速炎癥因子釋放的同時引起細胞腫脹破裂；但GSDMD并不是唯一能引起此類效應的蛋白。Wang等［9］發(fā)現(xiàn)，GSDME可被胱天蛋白酶3切割形成GSDME-N并誘發(fā)細胞焦亡。Hou等［10］報道了癌細胞中的GSDMC在腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的誘導下被胱天蛋白酶8切割成為GSDMC-N，并誘導細胞焦亡。2018年，Kambara等［11］首次發(fā)現(xiàn)不依賴于胱天蛋白酶的細胞焦亡模式：GSDMD可被中性粒細胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase，ELANE）切割，從而引起中性粒細胞的焦亡。

2 細胞焦亡的發(fā)生機制

細胞焦亡的發(fā)生根據機制不同可分為經典途徑和非經典途徑。依賴于炎癥小體、胱天蛋白酶1和GSDMD介導的細胞焦亡途徑被稱為經典細胞焦亡途徑。而最近的研究表明，某些細胞焦亡的發(fā)生不依賴于炎癥小體，此類被稱為非經典細胞焦亡途徑。

2.1 炎癥小體介導的經典細胞焦亡途徑

炎癥小體是一類多蛋白復合物，主要類型包括Nod樣受體蛋白 1（Nod-like receptor protein 1，NLRP1），NLRP3，炎癥小體4（Nod-like receptor C4，NLRC4）和黑色素瘤缺乏因子2等。當機體接受外源或內源微生物感染、刺激因子或是損傷信號時，特定的模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）與損傷相關分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）或病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns）識別組合，并結合相應配體，形成特定的炎性小體復合物；因此，不同刺激因子或損傷所激活的炎性小體具有一定的特異性。其中，NLRP3的響應范圍最為廣泛，多種毒素（如刺尾魚毒素和尼日利亞菌素等）、病原體（金黃色葡萄球菌和李斯特菌等）、有毒化合物（三甲基錫和梭曼等）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）均會促進NLRP3的組裝和激活［12-16］。與NLRP3的激活不同，NLRC4的激活還依賴于凋亡抑制蛋白家族（apoptosis inhibitory proteins，NAIP），人類的NAIP可直接與沙門菌屬（Salmonella）、耶爾森菌屬（Yersinia）等細菌的Ⅲ型分泌系統(tǒng)和Ⅳ型分泌系統(tǒng)相結合，隨后誘導NLRC4的募集和寡聚化［16］；NLRP1可被炭疽桿菌致死因子和弓形蟲感染所激活［17］。隨后炎癥小體復合物促進胱天蛋白酶1前體成熟形成胱天蛋白酶1，促炎因子白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18在胱天蛋白酶1的作用下形成成熟體。另一方面，在胱天蛋白酶1的作用下，GSDMD被切割成為GSDMD-N并轉移至細胞膜形成孔道；孔道的形成介導了成熟的炎癥因子快速釋放到細胞外周，迅速引起周圍環(huán)境中炎癥反應級聯(lián)放大，同時還導致細胞膨大和起泡，最終死亡。上述途徑被稱為經典細胞焦亡途徑。

2.2 非經典細胞焦亡途徑

最近研究表明，某些細胞焦亡的發(fā)生并不依賴于炎癥小體。脂多糖可通過直接結合胱天蛋白酶4/5/11使其激活，促進GSDMD的切割成熟，誘導產生非經典細胞焦亡途徑［5］。耶爾森菌效應蛋白YopJ通過抑制腫瘤生長因子β活化激酶1（tumor growth factor-β activated kinase-1，TAK1）的活性，引起胱天蛋白酶8對GSDMD的切割激活［18］；細胞毒性淋巴細胞分泌的顆粒酶A（granzyme A，GZMA）可通過剪切 GSDMB 引起細胞焦亡［19］；ELANE能切割GSDMD誘導細胞焦亡［11］。這些研究表明，細胞焦亡途徑十分復雜，越來越多的非炎癥小體細胞焦亡途徑正在被發(fā)現(xiàn)。

3 細胞焦亡與癌癥

以往研究表明，藥物可通過誘導癌細胞發(fā)生凋亡而實現(xiàn)抗癌目的。近年研究發(fā)現(xiàn)，同為細胞程序性死亡的細胞焦亡也有類似抗癌效果，但與凋亡不同的是，細胞焦亡的發(fā)生伴隨有炎癥水平的上升，而炎癥環(huán)境是誘發(fā)某些癌癥的危險因素之一。因此，細胞焦亡在癌癥發(fā)生發(fā)展及治療中發(fā)揮的作用十分復雜，需對其在不同癌癥的發(fā)生及治療中的作用深入探究。

3.1 細胞焦亡與肺癌

肺癌是世界范圍內最常見的惡性癌變之一，相關死亡率居全球第一位，且異質性強，十年生存率不足7%［20］。肺癌的致病因素十分復雜，近年來對細胞焦亡的研究為治療肺癌提供了新的思路。有研究表明，在非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中，GSDMD表達量顯著升高，且與腫瘤細胞的侵襲和轉移相關；敲除GSDMD后，激活細胞焦亡信號通路雖然不會導致細胞焦亡，卻可誘導細胞凋亡［21］。另一項研究表明，延齡草（Trillium tschonoskiiMaxim.）的活性成分重樓皂苷Ⅵ（polyphyllinⅥ）可通過激活NLRP3/胱天蛋白酶1/GSDMD信號通路，誘導NSCLC細胞發(fā)生細胞焦亡［22］；葫蘆素B（cucurbitacin B）則可通過直接結合Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）激活NRLP3和GSDMD，引起NSCLC細胞焦亡，從而發(fā)揮抗癌作用［23］。經典的抗癌藥物順鉑（cisplatin）可通過激活胱天蛋白酶3，切割GSDME生成GSDME-N，從而誘導肺癌細胞A549發(fā)生細胞焦亡［24］。LncRNAXIST是多種腫瘤的致癌基因，且調控NSCLC細胞的增殖、侵襲和遷移［25-28］，當LncRNA-XIST被敲除時，A549細胞中活性氧水平顯著升高，并誘導癌細胞發(fā)生細胞焦亡［29-30］。但也有研究得出了與上述結果不同的結論。Wang等［31］研究表明，脂多糖和ATP通過激活NLRP3炎癥小體增強了A549細胞的增殖和遷移；而紅景天苷（salidroside）可降低脂多糖誘導的炎癥小體激活，從而抑制A549細胞的增殖和遷移［32］。Liang等［33］研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤來源的外泌體TRIM59通過調節(jié)ABHD5蛋白酶體降解將巨噬細胞轉化為巨噬細胞的促腫瘤功能，激活NLRP3炎癥小體信號通路，通過分泌IL-1β促進肺癌進展。

3.2 細胞焦亡與結直腸癌

結直腸癌是世界第四大癌癥，每年結直腸癌相關死亡病例近70萬例［34］。近年對細胞焦亡的研究有望發(fā)現(xiàn)結直腸癌新治療靶點。研究表明，抗腫瘤藥物洛鉑（lobaplatin）介導了ROS/c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）/Bax信號轉導，通過激活胱天蛋白酶3/9依賴的GSDME切割，誘發(fā)細胞焦亡［35］，發(fā)揮抗腫瘤作用。值得注意的是，敲除GSDME后，洛鉑仍然能通過誘導細胞凋亡引起腫瘤細胞死亡［35］，表現(xiàn)出良好的抗腫瘤效果。多個研究表明，炎癥小體介導的細胞焦亡能抑制腫瘤發(fā)生，分別敲除NLRP1，NLRP3，NLRC4，AIM2和pyrin炎癥小體基因，均會使敲除小鼠腫瘤發(fā)生率顯著增加［36-40］。而結腸癌組織中NLRP1表達水平顯著低于正常組織，且抗腫瘤藥物地西他濱（decitabine）可通過恢復NLRP1表達［41］抑制結腸癌發(fā)展，表明NLRP1是治療結腸癌的潛在靶點。

腸上皮屏障是維持腸道環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要免疫屏障，上皮屏障受損會導致免疫紊亂和炎癥反應，從而加速結直腸癌的發(fā)展。Bauer等［42］研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3在葡萄糖硫酸鈉（dextran sulfate sodium，DSS）誘導的結腸炎發(fā)作中發(fā)揮了關鍵作用。同樣ig給予DSS，NLRP3敲除小鼠的結腸炎嚴重程度遠低于野生型小鼠；另外，IL-18和IL-18受體的缺失能使小鼠免于結腸炎發(fā)作［43］。但也有研究展現(xiàn)了完全相反結果。在結直腸癌早期，NLRP1b，NLRP3和pyrin可通過分泌 IL-18促進上皮屏障再生［37，44-45］，防止結直腸癌進一步發(fā)展；此外，凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosisassociated speck-like protein containing a CARD，ASC）和胱天蛋白酶1敲除小鼠也更易出現(xiàn)DSS誘導的結腸炎和結腸相關的大腸癌［45-46］。上述研究表明，炎癥小體通過維持腸道穩(wěn)態(tài)減少了炎癥和結直腸癌發(fā)作。之所以出現(xiàn)不同結論，可能是由于NLRP3等炎癥小體介導產生的IL-18在結直腸癌早期能促進上皮屏障再生，減輕炎癥反應，防止癌癥發(fā)展；而癌癥晚期時，過度炎癥因子釋放則會加速癌癥發(fā)展。因此，細胞焦亡在結直腸癌發(fā)生發(fā)展和治療中發(fā)揮了重要作用，但其作用機制仍需深入研究。

3.3 細胞焦亡與胃癌

胃癌是一種起源于胃黏膜上皮細胞的惡性腫瘤，癌癥相關死亡率居全國第三位［47］。胃癌預后差，死亡率高，5年生存期僅為25%［47］。GSDM家族蛋白的多種亞型均與胃癌密切相關，但發(fā)揮的作用不盡相同。GSDMA，GSDMC和GSDMD在胃癌組織或模型中表達下調，并可能發(fā)揮抑癌基因的作用［48］；GSDMD的下調可激活信號轉導及轉錄激活蛋白3/磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路，并通過調節(jié)細胞周期相關蛋白以加速S/G2期細胞轉變，且GSDMD表達降低可顯著促進體內外腫瘤的增殖［49］；與之相反，GSDMB可能是胃癌的致癌基因，其在正常胃組織中不表達或表達量極低，在癌前組織中中度表達，并在癌組織中大量表達［50］，表明GSDMB極有可能參與了胃癌的發(fā)展。

幽門螺桿菌的感染與包括胃癌在內的多種胃部疾病發(fā)生密切相關［51-52］，其通過誘導持續(xù)的炎癥反應造成慢性胃炎，并誘發(fā)胃癌。Kim等［53］的研究表明，幽門螺桿菌感染的樹突狀細胞協(xié)同Toll樣受體 2（toll like receptor 2，TLR2)/核苷酸結合寡聚化結構域2（nucleotide binding oligomerization domain containing 2，NOD2）和NLRP3產生IL-1β；隨后Semper等［54］研究發(fā)現(xiàn)，幽門螺桿菌通過激活NLRP3介導IL-1β的產生；幽門螺桿菌的重要致病因素細胞毒素相關基因A（cytotoxin-associated gene A，CagA）通過NLRP3通路介導了胃癌細胞的侵襲和遷移［55］。此外，NLRP3本身也與胃癌發(fā)生關系密切。胃癌組織中NLRP3表達顯著上調，促進了IL-1β的分泌，從而加速上皮細胞增殖和腫瘤發(fā)展；并且幽門螺桿菌能夠降低NLRP3抑制因子miR-22表達，增強NLRP3表達［56］。但也有研究對于NLRP3在胃癌中的作用有不同見解。黃獨素B（diosbulbin-B）可有效提高胃癌細胞對抗癌藥物順鉑的敏感性，其作用機制是下調細胞程序性死亡-配體1（programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1）以激活NLRP3介導的細胞焦亡，并抑制癌癥干細胞的特性，從而使順鉑耐藥的胃癌細胞對順鉑敏感［57］；LncRNA ADAMTS9-AS2可通過miR-223-3p激活NLRP3介導的細胞焦亡，從而在胃癌細胞中充當腫瘤抑制因子并增強順鉑敏感性［58］。NLRP3在胃癌的發(fā)展和治療中的這種“兩面性”，其可能的原因是：①在早期胃癌發(fā)生發(fā)展過程中，炎性浸潤發(fā)揮了重要作用，因此NLRP3介導的炎癥反應能加速胃癌發(fā)生；②在治療胃癌過程中，則可利用NLRP3介導的細胞焦亡誘導癌細胞死亡，達到抗癌目的。

3.4 細胞焦亡與肝癌

肝癌是一種常見的惡性癌變。在我國，肝癌是僅次于肺癌的第二大癌癥相關死亡原因［47，59］。NLRP3炎性小體及其介導產生的炎癥因子在肝疾病和肝癌的發(fā)生中發(fā)揮了重要作用。Wei等［61］的研究表明，肝細胞癌中NLRP3表達顯著下調甚至完全喪失，且缺失有利于癌癥的發(fā)展［60］；隨后此團隊又發(fā)現(xiàn)17β-雌二醇可通過上調NLRP3抑制肝細胞癌進一步發(fā)展，這是由于上調NLRP3激活了其介導的細胞焦亡［62］，最終引起癌細胞死亡而發(fā)揮抗癌作用。另一方面，有研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3的過度激活與肝炎、肝纖維化和肝硬化密切相關［63-65］，而這些肝部病變會增加肝癌風險；此外，敲除IL-1受體相關激酶1通過抑制NLRP3阻斷絲裂原活化蛋白激酶/IL-1β通路從而阻止肝細胞癌的進展［66］；山莨菪堿（anisodamine）通過抑制NLRP3的激活來抑制肝癌細胞的生長、誘導細胞凋亡并調節(jié)炎癥因子的水平［67］；直接靶向NLRP3炎性小體同樣能抑制肝細胞癌增殖、轉移和侵襲［68］。上述研究表明，炎癥小體和細胞焦亡在肝癌發(fā)生發(fā)展和治療中發(fā)揮重要作用，但結論并不統(tǒng)一，其具體作用機制仍待進一步闡明。

3.5 細胞焦亡與乳腺癌

乳腺癌已成為我國女性中最為常見的癌癥，細胞焦亡與乳腺癌的發(fā)展和治療同樣密切相關。多種抗生素可通過上調PD-L1和GSDMC的表達，激活胱天蛋白酶8，誘導乳腺癌細胞焦亡［10］；二十二碳六烯酸活化胱天蛋白酶1和GSDMD誘發(fā)乳腺癌細胞焦亡從而發(fā)揮抗癌作用，這一作用可被胱天蛋白酶1抑制劑所消除［69］；含有分泌因子的人臍帶間充質干細胞上清液（human umbilical cord mesenchymal stem cell-conditioned medium，hUCMSCCM）可同時介導NLRP1和胱天蛋白酶4誘導的人乳腺癌細胞MCF7焦亡，當敲低MCF7細胞中胱天蛋白酶4表達時，hUCMSC-CM通過NLRP1介導的經典途徑誘導MCF7細胞焦亡；當敲低NLRP1表達時，hUCMSC-CM通過胱天蛋白酶4介導的非經典途徑誘導細胞焦亡［70］。另一方面，炎癥小體和其介導的炎癥反應又與乳腺癌發(fā)生發(fā)展密切相關。GSDMB在乳腺癌細胞中高表達，且與癌細胞誘導侵襲和轉移相關［71］；炎癥小體激活和細胞焦亡所產生的IL-1β對乳腺癌細胞的增殖、侵襲和遷移必不可少［72］；而NLRP3敲除小鼠的腫瘤生長和轉移顯著降低，原發(fā)性和轉移性腫瘤組織與IL-1β水平升高有關，使用IL-1受體拮抗劑阻斷IL-1β可抑制乳腺癌模型中腫瘤的生長和轉移［73］。肥胖會增加罹患乳腺癌風險。Kolb等［74］研究發(fā)現(xiàn)，肥胖背景下的腫瘤微環(huán)境通過NLRC4炎癥小體誘導腫瘤浸潤性骨髓細胞增加，進而激活IL-1β，IL-1β通過脂肪細胞介導的血管內皮生長因子A表達和血管生成來驅動乳腺癌發(fā)展。

4 結語

癌癥嚴重威脅人類健康，對于細胞焦亡的深入研究有望為治療癌癥提供新的策略。但炎癥小體和細胞焦亡在癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用仍有爭論。一些研究表明，激活炎癥小體或細胞焦亡通路有利于形成腫瘤微環(huán)境并加速癌癥的發(fā)展［31-33，66-68，75］；另外一些研究則表明，藥物可通過激活炎癥小體和細胞焦亡，誘導癌細胞死亡而實現(xiàn)抗癌目的［22-24，75］。炎癥小體和細胞焦亡在癌癥中呈現(xiàn)的這種“兩面性”并不完全矛盾。一方面，由于炎癥對于腫瘤的形成和發(fā)展有巨大的促進作用，腫瘤早期進行抗炎治療能有效抑制腫瘤發(fā)展和惡性轉化［76］，因此炎癥小體介導的炎癥反應極有可能參與了早期腫瘤的形成和發(fā)展，阻斷炎癥小體以降低炎癥反應可在早期發(fā)揮抗癌作用；另一方面，藥物通過激活炎癥小體和細胞焦亡通路，誘導癌細胞死亡，從而達到抗癌效果。但此類藥物絕大部分的研究僅限于腫瘤細胞系，體內研究尚待完善。藥物激活炎癥小體和細胞焦亡通路雖然在體外實驗中能有效殺傷腫瘤細胞，但在體內實驗中是否會加劇癌旁組織和正常組織的炎癥反應、加速腫瘤微環(huán)境形成而促使其向癌組織轉化仍需深入探究。因此，如何提高此類藥物對癌組織的“靶向性”、減少對正常組織的作用至關重要?？傊?，細胞焦亡與各類癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關，對其深入研究有望為治療癌癥、研發(fā)新型抗癌藥物提供新思路。