李潤琪，鄒偉，劉利

(南華大學衡陽醫(yī)學院 附屬南華醫(yī)院神經內科，湖南 衡陽 421001)

神經系統炎癥是機體拮抗中樞神經系統遇到有害刺激時產生的一種免疫應答反應，其發(fā)病時常伴隨慢性炎癥。異常聚集的宿主蛋白沉積可通過激活核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體誘發(fā)機體固有免疫反應，使機體炎癥損傷加重，從而導致細胞死亡[1]。細胞焦亡是由病原體或非感染因素刺激引起的一種固有免疫方式，也是一種新型程序性細胞死亡模式。細胞焦亡可破壞有利于病原體生存的微環(huán)境，通過炎癥因子與細胞內容物的釋放對免疫細胞進行招募并激活免疫系統以清除機體內的病原微生物[2]，但也會因為激活過度導致炎癥反應加劇，造成組織器官損傷[3]。相關研究指出，細胞焦亡可參與神經退行性疾病的發(fā)生發(fā)展過程[4]，炎癥介質的表達異常可促進或抑制神經退行性疾病的病變過程[5-7]。因此，靶向調節(jié)細胞焦亡可作為防治神經退行性疾病的有效手段之一。現就細胞焦亡在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)等神經退行性疾病中的研究進展予以綜述。

1 細胞焦亡

1.1細胞焦亡的發(fā)現 細胞焦亡又稱細胞炎性死亡，于1992年被首次發(fā)現[8]，并在之后相關福氏志賀菌感染小鼠與人巨噬細胞的報道中相繼得到驗證[9-10]。研究表明，巨噬細胞被福氏志賀菌感染后發(fā)生由胱天蛋白酶(caspase)-1介導并伴隨大量炎癥因子釋放的細胞死亡，且這種細胞死亡可通過caspase-1特異性抑制劑或敲除caspase-1基因靶向逆轉[11]。這種新型細胞死亡方式除了不依賴凋亡相關蛋白caspase-3外，在形態(tài)與機制等方面也有別于已知的其他細胞死亡方式。2001年，“細胞焦亡”的概念被首次提出[12-13]。當機體遭受外界病原體感染或內源性損傷時，危險信號通過caspase-1依賴性(或caspase-4/5/11依賴性)焦亡途徑誘導胞質內炎癥小體形成[14-16]，一方面招募并激活下游的caspase-1 (或caspase-4/5/11)，破壞GSDMD(gasdermin D)分子內自抑制結構，導致細胞膜穿孔、細胞內外離子梯度紊亂及滲透壓改變；另一方面催化促炎性細胞因子如白細胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18等的成熟分泌[17]，導致細胞焦亡。此外，Sarhan等[18]研究表明，caspase-8可能是調控細胞焦亡的第3種關鍵分子，并在耶爾森菌感染過程中觀察到caspase-8誘導GSDMD切割引發(fā)的細胞焦亡現象。

1.2細胞焦亡的特征 細胞焦亡、壞死性凋亡與鐵死亡均是較常見的程序性細胞死亡方式，而細胞焦亡在某些特征方面與凋亡和壞死相似。

1.2.1焦亡與凋亡 細胞膜完整性喪失是細胞焦亡區(qū)別于凋亡最顯著的形態(tài)學特征[19]。當焦亡發(fā)生時，細胞出現核固縮與染色質斷裂，但細胞膜卻不會與凋亡時一樣保持完整性并形成凋亡小體，而是在炎癥小體誘導下，由caspase激活引起細胞膜成孔、細胞脹破伴細胞內容物外滲以及炎癥因子釋放等；同時，細胞膜內側的磷脂酰絲氨酸由于質膜表面的孔洞暴露于外界環(huán)境中與Annexin V染料作用發(fā)生陽性反應，而其他具有穿膜特性的染料也可滲入細胞內出現陽性染色[20-21]。

1.2.2焦亡與壞死性凋亡 與凋亡相比，壞死性凋亡和細胞焦亡均具備細胞膜成孔共性，但焦亡細胞在細胞膜成孔前存在質膜出泡并生成焦亡小體的過程，且由于細胞內容物滲出使細胞趨于扁平化，與壞死性凋亡細胞形似爆破的死亡模式不同。細胞焦亡執(zhí)行蛋白GSDMD與壞死性凋亡執(zhí)行蛋白混合譜系激酶結構域樣蛋白在細胞膜成孔中發(fā)揮關鍵作用，混合譜系激酶結構域樣蛋白形成的選擇性離子通道可使特定離子滲入細胞，導致細胞內滲透壓變化，發(fā)生膨脹破裂，而GSDMD形成的非選擇性離子通道對細胞滲透壓的改變缺乏實質性作用[20，22-23]。

1.3細胞焦亡的分子機制

1.3.1caspase-1依賴性經典焦亡途徑 當機體遭受病原體刺激處于炎癥狀態(tài)時，損傷相關分子模式和病原體相關分子模式被機體細胞識別后通過激活NLRP3炎癥小體發(fā)生構象變化，NLRP3炎癥小體N端的PYD結構域可募集凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)并結合caspase-1前體的CARD結構域組成NLRP3-ASC-caspase-1前體復合物，然后將caspase-1前體切割成具有酶活性的caspase-1-P20活性片段[24]。一方面，caspase-1通過激活GSDMD破壞GSDMD分子內自抑制結構，促使其N端活化，誘導細胞膜穿孔；另一方面，caspase-1可識別、催化促炎性細胞因子IL-18和IL-1β成熟并分泌至胞外[25-26]。

1.3.2caspase-4/5/11依賴性非經典焦亡途徑 caspase-4/5(或caspase-11) 可識別人體(或小鼠)革蘭陰性菌產生的脂多糖，脂多糖與caspase-4/5/11結合發(fā)生寡聚化后直接誘導GSDMD切割并引發(fā)細胞焦亡[27]。同時，caspase-4/5/11刺激pannexin-1通道釋放ATP激活嘌呤能受體P2X7，使鉀離子大量外排，經NLRP3/ASC/caspase-1通路間接調控IL-1β前體和IL-18前體成熟分泌，擴大炎癥反應[28]。

1.3.3caspase-8依賴性焦亡途徑 有報道顯示，凋亡關鍵分子caspase-8也參與細胞焦亡過程，在致病性耶爾森菌感染情況下，caspase-8激活與炎癥細胞死亡一致，且caspase-8激活可導致GSDMD在D276位點進行分子內切割，從而生成與caspase-1激活后切割GSDMD得到相同的P30片段[29]。耶爾森菌感染可抑制轉化生長因子-β活化激酶1的表達，并活化受體相互作用蛋白激酶1，而受體相互作用蛋白激酶1可通過誘導caspase-8活化直接驅動GSDMD切割生成具有活性的GSDMD-N分子，造成細胞膜穿孔；同時，caspase-8活化可促進Pannexin-1通道開放并釋放大量ATP，從而激活嘌呤能受體P2X7，導致鉀離子外流增加，進而間接激活下游NLRP3/caspase-1通路引起細胞焦亡[18]。

2 細胞焦亡與神經退行性疾病

神經退行性疾病是一類由腦與脊髓神經元死亡導致的主要影響患者認知與運動功能的疾病，其中先天免疫的重要組分NLRP3炎癥小體參與了AD、PD等神經退行性疾病的調控，表明細胞焦亡也參與神經退行性疾病的發(fā)生發(fā)展。

2.1細胞焦亡與AD AD是一類以損害老年患者記憶、認知功能為主的漸進性不可逆性神經退行性疾病，其病理生理學機制可能與炎癥反應過度激活有關[30]。β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉積形成的老年斑和由tau蛋白構成的神經原纖維纏結是AD的主要病理特征。小膠質細胞是中樞神經系統的固有免疫細胞，參與Aβ的清除。研究發(fā)現，NLRP3、ASC和caspase-1主要在腦小膠質細胞中表達，表明NLRP3炎癥小體與Aβ可能存在緊密聯系[31-32]。Aβ被小膠質細胞吞噬后可誘導AD患者腦組織、腦脊液以及外周血中IL-1β分泌，同時，腦部存在Aβ斑塊的小鼠以及AD患者的腦組織及神經元中的caspase-1活化片段均增加[33]。此外，中樞神經系統炎癥微環(huán)境改變也會影響小膠質細胞清除 Aβ的能力[34]，即炎癥可降低AD小鼠小膠質細胞對Aβ的清除能力，AD轉基因小鼠海馬組織過表達IL-1β可加重中樞神經系統慢性炎癥反應，而敲除NLRP3或ASC可改善AD模型小鼠的老年斑沉積[35-36]。以上研究表明，Aβ與焦亡關鍵成分NLRP3炎癥小體、IL-1β均密切相關。

還有研究發(fā)現，額顳葉癡呆患者皮質組織中的焦亡相關蛋白caspase-1與炎癥因子IL-1β均高表達[37-38]。深入研究后發(fā)現，功能缺失的NLRP3炎癥小體減弱tau過度磷酸化及異常聚集通過調節(jié)tau激酶和磷酸酶水平實現；向腦內注射含原纖維淀粉樣蛋白Aβ的腦組織勻漿也可誘導NLRP3依賴性tau蛋白的病理改變[39]，表明炎癥小體在額顳葉癡呆發(fā)展過程中具有重要作用。另有研究顯示，核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)與P2X7/NLRP3/caspase-1通路的激活在AD相關神經炎癥發(fā)展過程中具有重要作用，即活化的P2X7受體可通過NLRP3/caspase-1通路介導神經炎癥，而引發(fā)神經變性過程的關鍵因素是NLRP3炎癥小體活化[40-41]。因此，靶向抑制NF-κB、P2X7/NLRP3/caspase-1可以為神經炎癥誘導的AD患者的早期治療提供新的臨床策略。

2.2細胞焦亡與PD PD的主要特征是中腦黑質多巴胺能神經元進行性喪失與神經元內α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)異常聚集。PD的發(fā)病機制復雜，主要涉及氧化應激、線粒體功能障礙以及慢性神經炎癥等。目前的證據表明，慢性神經炎癥反應過度可釋放大量炎癥介質，從而進一步加重PD，而小膠質細胞介導的慢性無菌性神經炎癥是PD發(fā)展的關鍵因素[42-43]。

不同來源的毒性物質均可誘導中樞神經系統小膠質細胞激活、促使神經炎癥發(fā)生，進而促進多巴胺能神經元丟失與α-Syn聚集；細胞內的α-Syn釋放至細胞外后通過Toll樣受體/NF-κB通路激活小膠質細胞與NLRP3炎癥小體，誘導細胞焦亡[44-46]。細胞焦亡過程中招募的caspase-1可誘導α-Syn聚集，從而生成以毒性α-Syn原纖維為主要成分的路易小體[47]，而路易小體的形成可導致神經元壞死與多巴胺缺乏[38]。此外，caspase-1還可催化IL-1β與IL-18成熟并分泌至細胞外，進一步損害多巴胺能神經元，促使PD的發(fā)生發(fā)展。如有研究發(fā)現，與野生型小鼠相比，NLRP3基因敲除的1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(1-methyl-4-pheny 1-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)誘導的PD模型小鼠發(fā)生多巴胺能神經元丟失和小膠質細胞激活的情況有所緩解[48]，且體外實驗也證實，MPTP刺激原代小膠質細胞可促進caspase-1與IL-1β的活化成熟[49]。有研究表明，敲除NLRP3或caspase-1可在一定程度上抑制魚藤酮或MPTP誘導的小鼠PD的進展[43，50-51]，表明以NLRP3/caspase-1/IL-1β為主的細胞焦亡途徑可能是加劇PD進展的危險因素。此外，許多PD患者的多巴胺能神經元中存在NLRP3高表達，且NLRP3的遺傳變異性與PD風險呈負相關[52]。雖然以NLRP3炎癥小體激活為主的細胞焦亡方式與PD發(fā)展過程存在相關性，且在PD患者腦部多巴胺能神經元丟失部位觀察到NLRP3炎癥小體激活與ASC、caspase-1表達上調[53]，但炎癥小體的強效抑制劑羥基丁酸酯并不能抑制α-Syn誘導的炎癥小體活化[38]。由此可見，細胞焦亡通路中的NLRP3/caspase-1/IL-1β各組分雖然可以成為PD治療的靶點，但仍需未來大量理論數據與臨床實踐驗證細胞焦亡與PD的關系。

2.3細胞焦亡與MS MS是一類特殊的神經退行性疾病，以中樞神經系統神經元脫髓鞘、神經膠質細胞增生以及軸突損傷為主要病理特征。輔助性T細胞(helper T cell，Th細胞)1和Th17細胞在MS發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用[54]。適度的NLRP3表達有助于體內Th1和Th17細胞發(fā)育，而細胞焦亡產物IL-18和IL-1β可通過上調CD4+T相關趨化因子受體的表達促使Th1和Th17細胞向中樞神經系統遷移[55]；此外，IL-1β還可誘導粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子表達，進而加重神經炎癥[56]，表明細胞焦亡的主要成分NLRP3炎癥小體及其效應分子均參與了MS的發(fā)病過程。

研究顯示，MS患者血清尿酸水平異常升高，體內高水平尿酸長期慢性刺激可誘導NLRP3、ASC、IL-18等焦亡相關因子信使RNA與蛋白表達上調，而NLRP3炎癥小體被激活可促使IL-18長期處于高水平狀態(tài)，從而導致持續(xù)的炎癥信號通路激活與炎癥因子產生[57]。此外，McKenzie等[58]研究發(fā)現，MS患者的中樞神經系統與實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)模型的髓樣細胞(巨噬細胞/小膠質細胞)和髓鞘形成少突膠質細胞存在GSDMD介導的炎癥小體激活與細胞焦亡，且caspase-1抑制劑VX-765可顯著抑制EAE模型動物中樞神經系統中炎癥小體和焦亡相關蛋白的表達，減輕軸突損傷，改善神經行為表現。

臨床上通常采用疾病修飾治療方式延緩MS疾病進展[59]，其中β干擾素是一種常見的一線疾病修飾治療藥物。研究表明，β干擾素僅對NLRP3依賴性EAE治療有效，對于ASC-/-和NLRP3-/-的EAE則療效不佳，提示β干擾素對于MS治療的局限性取決于是否存在NLRP3炎癥小體[60]。因此，NLRP3炎癥小體可作為預測與診治MS的生物標志物之一。

3 問題與展望

細胞焦亡參與神經退行性疾病發(fā)生發(fā)展的調控，靶向細胞焦亡途徑的關鍵因子可改善中樞神經系統疾病的進展，但目前關于細胞焦亡與神經退行性疾病關系的研究仍不夠深入。此外，治療神經退行性疾病的新藥研發(fā)也可從細胞焦亡途徑入手，如甘草苷與雌激素受體結合可發(fā)揮雌激素樣作用，從而通過NF-κB信號通路抑制細胞焦亡[61]；蟲草素對脂多糖誘導的PD模型多巴胺能神經元的保護作用與抑制Toll樣受體4/NF-κB/NLRP3信號通路的激活、神經炎癥和細胞焦亡有關[62]。此外，格列本脲可預防百草枯暴露環(huán)境中的PD樣行為也與抑制神經元焦亡有關[63]。因此，未來深入了解細胞焦亡的特征及發(fā)生機制以及神經退行性疾病的發(fā)生發(fā)展與轉歸，有益于臨床相關疾病潛在治療靶點的研究，同時還可為開發(fā)相關治療藥物、深入研究神經炎癥在中樞神經系統疾病中的作用提供理論支持。