細胞焦亡與心血管疾病研究進展

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)學研究所 心血管實驗室，北京 100050；3.首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院 心內科， 北京 100050)

在機體的生長發(fā)育過程中，細胞死亡是細胞不可避免的生命活動之一。其中，調節(jié)性細胞死亡(regulated cell death，RCD)作為一類可調控且依賴于特定分子機制的細胞死亡模式，在機體的多種病理生理環(huán)境下具有重要作用。一方面，RCD是已經分化的組織(如心肌、神經等)損傷的主要因素；另一方面，RCD的失調與細胞異常增殖(如自身免疫性疾病、腫瘤等)相關[1]。因此，RCD成為多種疾病治療的主要靶點。細胞焦亡(pyroptosis)是近年來發(fā)現(xiàn)的一種調節(jié)性細胞死亡，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系，并導致機體發(fā)生一系列炎性反應。炎性反應與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關， 而細胞焦亡作為一種高度促炎性的細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注。本文就細胞焦亡及其在心血管疾病中的研究進展進行綜述。

1 細胞焦亡

1.1 Caspases及其功能

Caspases是一類高度保守的胞內蛋白酶且在多種細胞中表達，哺乳動物caspases按功能可劃分為兩大類：凋亡(caspases)和炎性(caspases)。凋亡caspases分為啟動型(caspase-8、-9和-10)和效應型(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，且通常以沒有活性的酶原狀態(tài)(pro-caspases)存在，pro-caspases受到刺激后激活并轉變成有活性的caspases發(fā)揮作用。在caspases活化的過程中，相鄰的pro-caspases形成二聚體并進行自我剪切產生兩個大、小亞基，同時暴露出活性位點，從而形成具有全酶活性的caspases[2-3]。啟動型caspases扮演著蛋白水解信號放大器的角色，激活效應型caspases，從而觸發(fā)凋亡。炎性caspases主要誘導細胞焦亡的發(fā)生。但凋亡caspase與炎性caspase所參與的信號通路并不具有嚴格的界限，例如caspase-8不僅可以通過切割GSDMD引發(fā)焦亡[4]，而且可以通過抑制RIPK1(receptor-interacting protein kinase 1)將細胞由程序性壞死轉向凋亡[5]。由此可見，細胞在不同的病理生理環(huán)境下所激活的caspases的類型以及切割的底物蛋白均有所差異，而闡清背后的機制，還需要更深入的研究。

1.2 gasdermin蛋白家族

人類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蛋白的表達具有組織特異性。對gasdermin蛋白家族的結構研究表明，除了PJVK外，其他成員均具有保守的雙結構域：N末端結構域(GSDMNT)和C末端結構域(GSDMCT)，并且GSDMNT具有成孔活性，通常與GSDMCT通過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年的兩項獨立研究[6-7]明確了炎性caspases可以通過剪切GSDMD誘導焦亡發(fā)生。隨后繼續(xù)發(fā)現(xiàn)caspase-3則特異性裂解GSDME，并且當GSDME表達含量增高時，可將caspase-3介導的細胞死亡從凋亡轉變?yōu)榻雇鯷8]。這些關鍵的研究成果對深入研究gasdermin家族成員和焦亡的發(fā)生機制提供了重要的理論基礎。

1.3 炎性小體的活化

1.3.1 典型炎性小體活化：炎性小體是機體受到各種刺激后形成的一種胞質內的大分子多蛋白復合物，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。第一步為啟動階段：細胞通過模式識別受體(pattern recognition receptors, PRRs)識別病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)或損傷相關分子模式(danger-associated molecular patterns，DAMPs)，激活NF-κB，驅動NLRP3炎性小體相關組分和pro-IL-1β的轉錄以及NLRP3的翻譯后修飾；第二步為組裝階段，NLRP3可以對病原體、微生物毒素、核酸、胞外ATP和晶體等多種刺激導致的胞質內穩(wěn)態(tài)失衡做出反應，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-ASC斑點，隨后ASC蛋白C端的CARD結構域與pro-caspase-1的CARD結構域連接從而完成NLRP3炎性小體的組裝，pro-caspase-1得到活化?；罨腸aspase-1促進pro-IL-1β、pro-IL-18分別轉化為IL-1β、IL-18，并切割GSDMD促進GSDMNT釋放。GSDMNT通過形成環(huán)狀低聚物在細胞膜上形成小孔，引起IL-1β、IL-18等細胞內容物的釋放以及細胞死亡[6-7]。

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

2 細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胞損傷，而持續(xù)性心肌缺血則會導致心肌梗死(myocardial infarction，MI)。目前解決心肌缺血最好的方法是及時恢復血流，然而血流再灌注會加重組織的進一步損傷，稱為“缺血/再灌注損傷”(ischemia-reperfusion injury，IRI)。IRI的病理生理機制復雜多樣，包括離子平衡改變、代謝途徑改變、炎性反應和線粒體功能障礙等。

隨著對細胞焦亡的深入認識，越來越多的學者將缺血性心臟病與細胞焦亡的關系聯(lián)系起來，并開展了一系列的研究。將心肌梗死患者的心肌組織進行病理觀察，可見明顯的炎性細胞浸潤，并且ASC在這些炎性細胞中的表達水平高于心肌細胞和間質細胞，同時進一步的體外實驗表明，缺氧/復氧處理可導致心臟成纖維細胞中炎性小體形成而非心肌細胞[9]。然而，有些研究發(fā)現(xiàn)心肌細胞同樣可以發(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胞，可以誘導炎性小體的形成、caspase-1活性增加，且與心肌細胞死亡呈正相關。由此可見，NLRP3炎性小體的激活在缺血的心臟中表現(xiàn)出細胞異質性，但心肌細胞中焦亡相關分子的表達水平非常低，因此在IRI過程中，焦亡在心臟的非心肌細胞群中可能發(fā)揮更重要的作用。

從細胞焦亡的發(fā)生機制來看，IR引起損傷的心肌細胞向胞外釋放ATP，誘導成纖維細胞和心肌細胞中NLRP3炎性小體完成組裝，一方面心肌細胞NLRP3炎性小體的激活誘導caspase-1依賴性細胞死亡，不伴IL-1β大量分泌，另一方面成纖維細胞NLRP3炎性小體的激活促進IL-1β的釋放以及初始炎性反應的發(fā)生，成纖維細胞介導的初始炎性反應刺激其他炎性因子的釋放，進一步加重心肌損傷。但是潛在的分子機制仍需進一步的研究，明確各類細胞在IRI中所發(fā)揮的作用，構建焦亡相關分子的細胞特異性敲除模型也許有助于解決這一問題。盡管如此，目前NLRP3炎性小體抑制劑和caspase-1抑制劑的保護作用在小鼠IR體內實驗中均得到證實[14-15]。因此，總的來說，抑制炎性小體相關組分的激活可顯著改善心功能，對抗心肌損傷。

2.2 心力衰竭

心力衰竭是各種心血管疾病失代償?shù)慕Y果，其中炎性反應發(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，心室重構可分為炎性反應期、增殖期和成熟期3個階段。炎性反應期，心肌缺血產生的DAMPs可以誘導炎性小體的組裝并激活caspase-1，促進IL-1β分泌，進而增強組織損傷和炎性反應；增殖期，成纖維細胞進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、心室擴張和左室偏心性肥大，導致心功能障礙和心力衰竭。體內和體外的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導致心臟病理性重構和心力衰竭[12]。

除了缺血性疾病，非缺血性疾病如高血壓或主動脈狹窄等，往往造成心臟壓力過負荷，引起心肌肥厚，最終失代償導致心衰。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TLR3(Toll-like receptor 3)和RIP3 (receptor-interacting protein 3) 的結合，進而激活下游p65-NLRP3-IL-1β信號通路，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]。擴張型心肌病也是心力衰竭常見的病因之一。雖然其潛在的機制仍不清楚，但值得注意的是，在擴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胞的炎性死亡，且與心功能呈負相關，體內體外實驗進一步證實了caspase-1介導的NLRP3炎性小體激活引起的心肌細胞焦亡是導致心功能障礙和擴張型心肌病發(fā)病的原因之一[17]。因此，無論是在缺血性心臟病還是非缺血性心臟病導致的心力衰竭中，炎性小體信號通路均扮演著重要角色。

2.3 動脈粥樣硬化

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

吸煙是AS的主要危險因素，尼古丁可以直接靶向人主動脈內皮細胞并誘導其發(fā)生焦亡，進一步加重動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的又一重要危險因素，可導致內皮細胞功能障礙，促進血管平滑肌細胞增殖遷移和刺激泡沫細胞形成等。并且ox-LDL可以誘導血管內皮細胞發(fā)生焦亡，進一步促進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，部分臨床實驗表明，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)生風險[21-22]。由此可見，降脂和抗炎協(xié)同進行將是動脈粥樣硬化未來的治療方向，而細胞焦亡作為一種促炎性細胞死亡將有著重要的研究價值。

3 問題與展望

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