細胞焦亡以及其在心血管疾病中的研究進展

王煥煥 呂勃

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院（哈爾濱 150000）

細胞死亡對調(diào)節(jié)機體內(nèi)細胞的增殖和分化平衡、維持組織內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定至關(guān)重要［1］。許多因素均可導致細胞的意外死亡，但現(xiàn)在已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn)細胞在必要時也可以主動的參與細胞死亡，這種受調(diào)控的細胞死亡方式叫做程序性細胞死亡（PCD）。程序性細胞死亡對許多生理過程必不可少，包括器官的發(fā)育、上皮細胞的更新和淋巴細胞的分化等［1］，例如：人體大約由1014個細胞組成的，每天有數(shù)百萬的細胞通過凋亡的方式被清除，代之以新生細胞以維持器官等的正常功能。細胞凋亡是第一種被廣泛認知的真核細胞程序性死亡方式，其發(fā)生時有細胞皺縮、染色質(zhì)聚集、DNA斷裂、磷脂酰絲氨酸（PS）由質(zhì)膜內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)至外側(cè)、釋放凋亡小體且不伴隨炎癥反應(yīng)等的特點，目前還發(fā)現(xiàn)有其他細胞死亡方式包括自噬、壞死、角化性細胞死亡、有絲分裂崩潰、失巢凋、沃勒變性、副凋亡、細胞焦亡、內(nèi)亡、興奮性中毒、鐵死亡等［2］。例如細胞焦亡是近年新發(fā)現(xiàn)的一種依賴于不同于細胞凋亡關(guān)鍵分子caspase?3的caspase的能引起炎癥的程序性細胞死亡方式，由于其炎性特質(zhì)受到越來越多的關(guān)注。既往研究表明，炎癥參與心臟病發(fā)生發(fā)展的整個過程，從冠狀動脈粥樣硬化癥到冠狀動脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。?、心肌梗死進展到心室重構(gòu)和心力衰竭的病理生理過程中始終貫穿著炎癥因子的釋放和炎癥反應(yīng)的發(fā)生，而細胞焦亡作為新發(fā)現(xiàn)的促炎性細胞死亡方式參與了以上疾病的發(fā)生發(fā)展過程，這一發(fā)現(xiàn)將成為臨床心血管疾病治療的新靶點。

1 細胞焦亡

細胞焦亡本質(zhì)上一種程序性細胞壞死。細胞焦亡時，細胞膜形成孔洞，細胞逐漸膨脹至細胞膜破裂，最終導致大量細胞內(nèi)容物釋放，激活強烈的炎癥反應(yīng)［3］。

1.1細胞焦亡的發(fā)現(xiàn)2001年，COOKSON等［4］在沙門菌感染的巨噬細胞中發(fā)現(xiàn)了依賴于天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶1（Caspase?1）的細胞死亡方式，并首次提出了“細胞焦亡”來形容在這種不同于細胞凋亡的細胞死亡方式。和凋亡相似，焦亡也涉及caspase蛋白，也正是由于這個原因，細胞焦亡長時間被混淆為凋亡。盡管細胞焦亡中也會出現(xiàn)DNA斷裂［5］、AnnexinV染色陽性［6］、PS分布異常，脫氧核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導的dUTP缺口末端標記（TU?NEL）染色陽性［5］，染色質(zhì)聚集和依賴caspase等細胞凋亡的特點，但細胞焦亡是無論是從形態(tài)還是機制上都與其他細胞死亡方式不同。

1.2細胞焦亡的特征

1.2.1caspase?1依賴于caspase是細胞焦亡的特征，cas?pase?1是介導細胞焦亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶。雖然細胞凋亡也依賴于caspase，但caspase?1在細胞凋亡過程中不會出現(xiàn)，caspase?1基因敲除的小鼠的細胞凋亡不受影響且能正常發(fā)育［7?8］。細胞凋亡的特異性標志物 caspase?3、caspase?6、caspase?8 等不參與細胞焦亡［9］，凋亡 caspase的底物如：ADP、caspase活化相關(guān)的DNA酶抑制物（ICAD）等也不參與細胞焦亡［10］。能激活凋亡caspase的刺激因素如：線粒體完整性的缺失，細胞因子C的釋放等在細胞焦亡中也同樣不存在［11］。

1.2.2細胞膜完整性細胞凋亡的特征之一是細胞膜保持完整。而在caspase?1的影響下，細胞焦亡的發(fā)生過程中常伴隨著直徑1～2 nm的細胞膜孔洞形成［10-12］，這些孔洞允許小分子物質(zhì)通過，比如溴化乙錠（ethidium bromide）［13?14］、碘化丙錠（propidium iodide，PI），所以發(fā)生焦亡的細胞染色為陽性，而這一特點是細胞凋亡所沒有的。

1.2.3細胞大小和炎癥細胞焦亡細胞膜上的孔洞使胞內(nèi)滲透壓改變，水內(nèi)流，細胞滲透性脹裂導致細胞內(nèi)容物釋放誘發(fā)炎癥。而細胞凋亡中細胞膜內(nèi)陷包裹形成凋亡小體阻止了細胞內(nèi)容物的外溢從而避免了炎癥反應(yīng)的發(fā)生。在死亡細胞的大小來看，不同于脹大的焦亡細胞，細胞凋亡通常是皺縮的［10，15］。

1.2.4DNA降解無論是細胞焦亡還是細胞凋亡均發(fā)生DNA的降解。細胞凋亡時，caspase活化脫氧核糖核酸酶抑制劑（ICAD）水解使caspase活化脫氧核糖核酸酶（CAD）釋放增加，CAD促使細胞染色質(zhì)斷裂為180 bp左右的DNA片段；而細胞焦亡的DNA降解是由一種未知的caspase活化的核酸酶介導的，而且降解的DNA產(chǎn)物也與細胞凋亡不同［10，16］。

1.2.5Gasdermin DGasdermin D（GSDMD）是一種典型的Gasdermin蛋白家族成員，也有人稱之為打孔蛋白，近期發(fā)現(xiàn)在細胞焦亡中起到重要作用。研究發(fā)現(xiàn)［17］：GSDMD缺失的巨噬細胞中無論是炎癥小體激活劑或是LPS刺激均不能啟動細胞焦亡，且凋亡相關(guān)caspase?3無法激活GSDMD，而焦亡相關(guān)的caspase能直接或間接作用于GSDMD誘發(fā)細胞發(fā)生裂解。DING等［18］證明GSDMD是細胞焦亡的有效執(zhí)行者，焦亡相關(guān)capsase1/4/5/11等能裂解GSDMD［19］，使其暴露其N端和C端，并促使其N端插入細胞膜脂質(zhì)層形成細胞膜孔洞啟動焦亡。

1.3細胞焦亡的分子機制細胞焦亡分為分子機制主要分為兩種：依賴于caspase?1的經(jīng)典途徑和依賴caspase4/5/11的非經(jīng)典途徑。

1.3.1經(jīng)典細胞焦亡途徑依賴caspase?1的促炎性細胞死亡方式是細胞焦亡經(jīng)典途徑。caspase?1激活I(lǐng)L?1β和IL?18前體成為有活性的IL?1β和IL?18，而活化的IL?1β和IL?18能介導其他炎癥因子的產(chǎn)生和釋放從而放大炎癥反應(yīng)［20］。細胞能通過模式識別受體（PRRs）識別細胞病原體相關(guān)分子（PAMPs）和細胞死亡產(chǎn)生的損傷相關(guān)分子（DAMPs）觸發(fā)細胞焦亡，如Toll樣受體（TLRs），Nod樣受體（NLRs）等。TLR在細胞外刺激的作用下介導腫瘤壞死因子（TNF）、白介素?6（IL?6）和干擾素等介導炎癥細胞因子。NLR家族包括Nlrp3，Nlrp1b和Nlrc4等的成員能識別細菌，病毒和宿主分子衍生物質(zhì)以及細胞外的毒素、尿酸、病毒相關(guān)的DNA、RNA，石棉和紫外線B輻射等的刺激［21］。這些PRRs通過同源配體的方式與凋亡相關(guān)斑點樣蛋白（ASC）結(jié)合形成一個復合物，招募并趨化caspase成為炎癥小體，然后激活caspase?1促進IL?1β和IL?18的成熟并激活炎癥反應(yīng)誘發(fā)焦亡［21］。此外caspase?1還可以激活GSDMD，誘導細胞焦亡的發(fā)生，使成熟的IL?1β和IL?18分泌到胞外。

1.3.2非經(jīng)典細胞焦亡途徑除了caspase?1誘發(fā)細胞焦亡外，caspase?11［22］和其人的同源性的caspase?4和caspase?5也能誘使巨噬細胞發(fā)生細胞焦亡。病原體細胞在鳥苷結(jié)合蛋白（GBP）作用下發(fā)生裂解，使細胞內(nèi)的脂多糖（LPS）進入到細胞質(zhì)中，或有高同型半胱氨酸血癥（HHcy）［23］誘發(fā)的活性氧（ROS）等激活應(yīng)激活化蛋白激酶（JNK）［24］作用并激活caspase?11，活化的caspase?11對GSDMD進行剪切，誘發(fā)細胞焦亡；這種不依賴于caspase?1的細胞焦亡途徑稱為非經(jīng)典細胞焦亡途徑。

2 細胞焦亡與心血管疾病

2.1冠狀動脈粥樣硬化冠狀動脈粥樣硬化是冠狀動脈血管發(fā)生粥樣硬化病變從而引起冠狀動脈管腔狹窄而引起的疾病。高齡、血脂異常、高血壓、吸煙、糖尿病、肥胖等都是動脈血管粥樣硬化（AS）的危險因素，尤其是氧化型低密度脂蛋白（ox?LDL）是促使AS發(fā)生的強而有力的因素。既往認為AS中的ox?LDL誘導的細胞死亡是細胞凋亡，但是這僅是通過TUNEL染色陽性來作為依據(jù)，而給予細胞凋亡抑制劑后，ox?LDL感染的巨噬細胞的死亡并沒有減少［25］，且死亡細胞中伴隨著高表達的caspase?1，而且caspase?3也很少在AS晚期病變中表達［26］，這些均證明ox?LDL誘導的細胞死亡不是細胞凋亡而是焦亡。近期有研究證明ox?LDL能誘導caspase?1活化、裂解產(chǎn)生IL?1β和IL?18，檢測TUNEL染色陽性等特點［27］，這些結(jié)果均證明細胞焦亡參與AS中巨噬細胞死亡過程。

2.2急性心肌梗死和心肌缺血再灌注損傷急性心肌梗死（AMI）目前仍是許多國家病死率居高不下的原因之一，早期缺血再灌注（I/R）是最有效的治療方法［28］。AMI時，心肌細胞的急性缺血損傷迅速激活炎癥反應(yīng)，通過多種途徑發(fā)出信號傳導組織損傷，這在AMI中發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。這些信號中就包括TLRs，其能啟動多種炎癥級聯(lián)，包括釋放 pro?IL?1b和 pro?IL?18，此外還能促進含 cas?pase?1的炎癥小體的產(chǎn)生。炎癥小體進一步活化caspase?1并促進pro?IL?1b和pro?IL?18 的成熟從而刺激許多炎癥途徑。此外急性缺血性損傷也導致活性氧（ROS）的快速生成［29］。此外還有人通過比較了AMI患者、穩(wěn)定性心絞痛患者、健康人的血液分析，發(fā)現(xiàn)AMI患者血中的caspase?1、IL?1和IL?18等較其他組明顯升高，這進一步說明急性心肌梗死時細胞焦亡的參與。

盡管I/R是目前治療AMI的有效方法，但再灌注可能會惡化或加速心肌的損傷，這被稱為心肌缺血再灌注損傷。TAKAHASHI［30］曾經(jīng)用 caspase?1 基因敲除的小鼠行冠狀動脈前降支結(jié)扎然后解除的心肌缺血再灌注模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)caspase?1基因敲除的小鼠炎癥反應(yīng)明顯較正常小鼠減弱，且AMI的面積大小、心肌纖維化程度以及心室射血分數(shù)等都顯著減低。這表明抑制AMI后I/R的炎癥反應(yīng)能有效改善AMI患者的預(yù)后。

2.3缺血性心肌病心肌細胞功能喪失或死亡等是代償性心肌重構(gòu)向失代償性心肌重構(gòu)、心力衰竭的關(guān)鍵因素。缺血性心肌病發(fā)生細胞死亡是心肌為了適應(yīng)缺血的一種機制。而更多學者認為發(fā)生心力衰竭至少有部分是心肌細胞進行性喪失的結(jié)果，而細胞焦亡有可能是細胞進行性喪失的原因之一。

2.4心力衰竭心肌損傷后炎癥反應(yīng)會導致心臟功能紊亂［31］，尤其是會促進心臟發(fā)生病理性重塑，進而發(fā)展為心力衰竭。對于受損傷的心肌來說，炎癥反應(yīng)是一把雙刃劍，一方面，炎癥反應(yīng)能修復AMI等的損傷，另一方面，過度的炎癥反應(yīng)加重心室重構(gòu)。曾有研究在心室重構(gòu)的心肌纖維細胞中檢測到NLRP3炎癥小體的活化［32］，NLRP3由心肌損傷后的ROS刺激活化［33］，在其形成炎癥小體后進一步募集其他炎癥因子進一步擴大炎癥反應(yīng)從而形成惡性循環(huán)，加重心室重塑和心力衰竭。

3 小結(jié)

細胞死亡既是維持正常組織和器官功能所必需的，又是臨床疾病發(fā)生的主要原因。有效調(diào)節(jié)細胞死亡能給疾病的治療帶來新思路，細胞焦亡作為一種促炎性的細胞死亡方式在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用，所以對細胞焦亡的調(diào)節(jié)可能成為心血管疾病治療的新策略。