細胞焦亡與惡性腫瘤治療的研究進展

謝天裕，劉 云，廖世杰，羅曉婷，馮文宇，韋昌武，黃先盈，韋慶軍

(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院a.骨科；b.藥學部，南寧 530021)

細胞的死亡方式分為壞死(necrosis)和程序性細胞死亡(programmed cell death)，后者包括凋亡(apoptosis)、壞死性凋亡(necroptosis)、脹亡(oncosis)、自噬(autophagy)及焦亡(pyroptosis)[1]。與其他細胞死亡方式相比，細胞焦亡在細胞死亡的機制和形態(tài)變化上均表現出差異，其最具特征性的是細胞死亡過程中會觸發(fā)炎癥反應，而且與多種疾病關系密切。2001年由COOKSON等[2]首次使用細胞焦亡一詞報道該新型細胞死亡方式。隨著研究的不斷進展，發(fā)現細胞焦亡在多種疾病的治療研究中均扮演重要角色，尤其是細胞焦亡與惡性腫瘤的治療[3]更是近年來的研究熱點。細胞焦亡可通過促炎作用形成炎性微環(huán)境或影響某些信號通路的活性等促進惡性腫瘤生長；然而，目前不少研究[3-4]都已證實細胞焦亡具有抗惡性腫瘤作用，可通過調控某個靶點或某些信號通路的活性使細胞焦亡在惡性腫瘤的治療中發(fā)揮關鍵角色的作用。隨著人口的老齡化及致病因素的變化導致惡性腫瘤在發(fā)病率和死亡率方面的表現日益突出，無論人類發(fā)展水平如何，惡性腫瘤都是世界各地發(fā)病率和死亡率居高不下的重要原因[5]。目前臨床上針對惡性腫瘤的治療仍難以讓人滿意，患者的預后和5年生存率較差，所以對惡性腫瘤治療的研究已迫在眉睫，而細胞焦亡的抗惡性腫瘤作用提供了新的思路。

1 細胞焦亡的機制

1.1 細胞焦亡的經典路徑

2002年，經典炎癥小體被定義為由NOD樣受體(NOD-like receptor，NLR)、凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和caspase-1組成的多蛋白復合物；并且炎癥小體可為caspase-1的激活以及interleukin-1β(IL-1β)、interleukin-18(IL-18)等炎癥因子的催化成熟提供分子平臺[6]。在細胞焦亡的經典路徑中，當NLR等感知危險跡象時便會引發(fā)炎癥小體(如NOD樣受體蛋白3、NOD-like receptor protein 3、NLRP3等)的組裝并激活，接下來caspase-1的激活便是整個焦亡進程的關鍵[7]，與此同時還可促使IL-1β和IL-18的成熟并釋放[8-9]。隨后激活的caspase-1直接剪切Gasdermin D(GSDMD)以產生GSDMD-NT(帶有N端片段的GSDMD)，后者可以插入細胞膜脂質結構中形成質膜孔[10-12]，使得細胞膜的完整性被破壞后引起細胞內滲透壓增加而導致細胞腫脹、裂解及IL-1β和IL-18的釋放，殺傷細胞的同時提升炎癥反應的速度和規(guī)模。另有研究[13]發(fā)現，某些炎癥小體可不經過ASC的募集作用而直接結合并激活caspase-1以啟動細胞焦亡。

1.2 細胞焦亡的非經典路徑

與經典路徑不同的是，非經典路徑中的關鍵步驟為：caspase-4/5/11可不需要炎癥小體的分子平臺作用而在脂多糖等致炎因素的刺激下直接被激活，接著便將GSDMD剪切激活以產生GSDMD-NT而致使細胞膜穿孔、腫脹、溶解死亡。但由于caspase-4/5/11無法催化炎癥因子的成熟和分泌，所以這也被認為是經典路徑和非經典路徑的主要區(qū)別[13]。此外，非經典路徑的細胞焦亡也可通過激活經典炎癥小體和caspase-1以及釋放炎癥因子誘導經典路徑的細胞焦亡的發(fā)生，從而加速焦亡的進程[14]。另有研究[15-16]發(fā)現一種特殊的細胞焦亡路徑，也被稱為繼發(fā)性細胞焦亡，即caspase-3被激活后將Gasdermin E(GSDME)剪切并激活形成GSDME-NT(帶有N端片段的GSDME),后者也可引起質膜穿孔導致細胞焦亡。

2 細胞焦亡與惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的關系

通常，惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展由多方面的因素決定，包括原癌基因與抑癌基因的相對活性、免疫微環(huán)境和炎性微環(huán)境等。而細胞焦亡的促炎本質使其與許多慢性炎癥性疾病的發(fā)病機制有關[17]，因此細胞焦亡進程中釋放大量炎癥因子所形成的炎性微環(huán)境有可能促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展。有研究[18]發(fā)現，NLRP3及其介導產生的IL-18β可促進炎癥性腸病(如克羅恩病和潰瘍性結腸炎等)的發(fā)生發(fā)展，而炎癥性腸病最終有可能發(fā)展為胃腸道惡性腫瘤，由此可知細胞焦亡在此過程中起重要作用。另有多項研究[19-21]表明，NLRP3在病毒性肝炎的發(fā)病機制中起關鍵角色作用，且有研究[20]報道未經治療的活動期慢性乙肝患者肝組織中NLRP3、caspase-1和IL-1β的表達量明顯高于緩解期慢性患者；此外由NLRP3介導分泌的IL-1β促進Th17細胞分泌IL-17，使得炎癥反應和肝纖維化持續(xù)惡性循環(huán)[22]，而肝炎肝硬化是肝癌發(fā)生的重要病因，所以細胞焦亡極可能促進了惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展。然而，有研究[23-24]發(fā)現，雖然NF-κB信號通路和惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關，NF-κB信號通路的異常激活使得細胞有能力抗程序性細胞死亡的同時進行增殖、入侵和轉移，從而促進惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展；但在抑制NF-κB通路的活性后可促進包括細胞焦亡在內的程序性細胞死亡而抑制惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展。此外，在食管癌的研究中使用PLK1抑制劑(BI2536)和順鉑(DDP)共同處理細胞時發(fā)現caspase-3表達增加，接著引起細胞質中的GSDME增加而導致食管鱗狀細胞癌(esophagealsquamouscarcinoma，ESCC)發(fā)生細胞焦亡，同時還發(fā)現GSDME的過表達與ESCC患者較好的預后有關，因此細胞焦亡的抗癌作用得到證實[25]。另有研究[26]發(fā)現，洛鉑(lobaplatin)可通過活性氧/應激活化蛋白激酶(ROS/JNK)信號通路誘導細胞焦亡，即lobaplatin引起ROS的升高而使JNK發(fā)生磷酸化，后者的磷酸化使caspase-3被激活，隨后GSDME被剪切激活生成GSDME-NT，最后介導細胞焦亡的發(fā)生。還有研究[26-28]發(fā)現，惡性腫瘤細胞在誘導凋亡的化療藥物的刺激下,可通過激活BAX/caspase-3/GSDME信號通路使細胞由凋亡轉向焦亡而達到抑制腫瘤生長的目的。綜上所述，細胞焦亡可能促進了惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展，但其抑制作用是值得肯定和利用的，且細胞焦亡與凋亡之間的轉化機制以及二者是否能起到協(xié)同抗惡性腫瘤的作用仍需進一步研究。

3 細胞焦亡在惡性腫瘤治療中的研究進展

根據2018年全球癌癥統(tǒng)計數據分析發(fā)現在不分男女性別時，發(fā)病率最高的是肺癌，大腸癌位于其后；而死亡率最高的是大腸癌，接著是肝癌；發(fā)病率和死亡率位列前茅的還有胃癌、乳腺癌和前列腺癌等[5]。以上皆是人類如今所面臨的常見惡性腫瘤，對于晚期患者來說往往已失去手術機會，其余的治療方法難以取得滿意的效果。然而，根據目前的研究進展發(fā)現，細胞焦亡與多種惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展緊密相關，且常見的惡性腫瘤如肺癌、肝癌、結直腸癌等更是研究的熱點。相反，關于細胞焦亡在其他相對少見的惡性腫瘤(如骨肉瘤等)治療的研究非常少，而骨肉瘤最常見于兒童及青少年，惡性程度與死亡率很高，所以關于這方面的研究也是值得關注的。在傳統(tǒng)的手術及放化療都無法取得令人滿意的治療效果的情況下，細胞焦亡極有可能是下一個可靠的研究治療惡性腫瘤的新方向。

3.1 細胞焦亡與肺癌

在對非小細胞肺癌的研究中發(fā)現，辛伐他汀能顯著降低癌細胞的活力并抑制其增殖和遷移，其作用機制為辛伐他汀通過激活NLRP3后使caspase-1激活，從而介導經典路徑的細胞焦亡，進而發(fā)揮抗惡性腫瘤的作用[29]。此外，有研究[30-31]發(fā)現LncRNA-XIST是多種癌癥的致癌基因，可促進非小細胞肺癌的發(fā)展[32-33]，且有研究[34]證實氧化應激與細胞焦亡密切相關，ROS可通過特定信號通路激活NLRP3誘導細胞焦亡[35]。根據一項關于LncRNA-XIST與非小細胞肺癌的研究[36]可知，LncRNA-XIST在癌細胞中為過表達狀態(tài)，但LncRNA-XIST的過表達對癌細胞的氧化應激能力沒有影響，所以當敲除LncRNA-XIST后使得癌細胞內丙二醛(MDA)和ROS的水平增高，促進了超氧化物的釋放，最后誘導細胞焦亡的發(fā)生而抑制非小細胞肺癌的發(fā)生發(fā)展。同時，該研究的Western Blot結果也表明,下調LncRNA-XIST的表達可激活NLRP3和增加caspase-1以及IL-1β在癌細胞內的表達量，結合細胞計數的結果可知，通過下調LncRNA-XIST的表達可誘導經典途徑的細胞焦亡來抑制癌細胞增殖，而過表達可促進癌細胞的增殖[36]。由此可知，LncRNA-XIST可抑制炎癥小體的激活并下調癌細胞內炎癥因子、氧化物和超氧化物等的水平，從而減弱或抑制氧化應激使得癌細胞自身能一定程度地避免發(fā)生細胞焦亡等炎性程序細胞死亡，最終促進非小細胞肺癌的發(fā)生發(fā)展。因此，利用細胞焦亡對癌細胞的殺傷來治療非小細胞肺癌的關鍵在于如何下調LncRNA-XIST的表達并抑制其激活以及研發(fā)能有效激活癌組織細胞焦亡的藥物。

3.2 細胞焦亡與肝癌

肝癌最常見的亞型是肝細胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)，一旦確診往往已發(fā)展為晚期，傳統(tǒng)手術及放化療的效果一般，導致5年生存率及預后較差且患者的生活質量大幅度下降。有研究[37]發(fā)現，經17β-雌二醇(17β-estradiol，E2)處理后的HCC細胞表現為活力逐步下降，死亡率逐步上升，ELISA檢測發(fā)現癌細胞中的caspase-1和IL-1β含量成劑量依賴性增加，然而經caspase-1特異性抑制劑(YVAD-cmk)預處理后，由E2誘導的抑制癌細胞生長的作用被顯著逆轉；同時還發(fā)現E2可激活NLRP3，后者通過E2/ERβ/AMPK/mTOR信號通路抑制HCC細胞的保護性自噬。此外，有證據表明細胞焦亡的缺乏是人類惡性腫瘤的一個重要特征[29]。另有研究[38]發(fā)現，無論是caspase-1和IL-1β、IL-18，亦或是前三者的mRNA，在經酮類化合物(euxanthone)處理后的HCC細胞中的表達量都顯著高于正常肝細胞中的，由此可知caspase-1介導的細胞焦亡參與了euxanthone抑制HCC細胞增殖、轉移及侵襲的作用。還有研究[39]發(fā)現，索拉非尼(sorafenib)可通過誘導巨噬細胞發(fā)生細胞焦亡，接著觸發(fā)并增強自然殺傷細胞針對HCC細胞的免疫反應，最后起到抗癌作用。由此可知，細胞焦亡對HCC細胞的殺傷作用對于HCC的治療研究意義重大，若能有效地應用到臨床中，將有可能大幅度地減輕患者因接受傳統(tǒng)治療所帶來的痛苦和增加患者的5年生存率及改善生活質量。

3.3 細胞焦亡與結腸癌

目前針對結腸癌的主要治療手段仍為傳統(tǒng)的手術切除，在其他治療方面的研究進展仍較慢。有研究[40]發(fā)現，Liver X Receptorβ(LXRβ)具有一定的抗癌作用，LXRβ主要定位于結腸癌細胞的細胞質中，且對特異的激動劑治療敏感。而激動劑與LXRβ的結合使縫隙連接蛋白1(pannexin 1，PX1)通道打開，釋放ATP并作用于其受體P2X7而引起NLRP3的組裝并激活，后者將caspase-1激活后誘導了細胞焦亡而導致結腸癌細胞死亡[40-41]。另有研究[42]發(fā)現，炎癥小體如NLRP3及AIM2等在結腸癌細胞中的表達水平相對于正常細胞來說是降低的，且炎癥小體介導的細胞焦亡對結腸癌的進展有明顯的抑制作用。所以，如何有效地激活LXRβ及提高炎癥小體的表達量是利用細胞焦亡治療結腸癌的關鍵，而在LXRβ介導的信號通路的上下游可能還存在有效的治療靶點。

3.4 細胞焦亡與骨肉瘤

骨肉瘤好發(fā)于兒童和青少年，預后和5年生存率較差且死亡率高。有研究[43]發(fā)現，薯蕷皂甙(Dioscin)可通過誘導細胞焦亡而抑制骨肉瘤的生長；骨肉瘤細胞經Dioscin處理后GSDME-NT的表達劑量及細胞死亡率成劑量依賴性增加，而經caspase-3特異性抑制劑(Z-DEVD-FMK)處理后，GSDME-NT及caspase-3的表達量顯著下降的同時恢復了骨肉瘤細胞的活力；同時還發(fā)現經特異性的siRNA敲除骨肉瘤細胞中GSDME后，GSDME-NT的含量及Dioscin對骨肉瘤細胞的促焦亡作用顯著下降，同時明顯下降的還有Dioscin對骨肉瘤的促凋亡作用。另有研究[44]發(fā)現，細胞凋亡路徑可分為內源性路徑和外源性路徑，前者也稱為線粒體凋亡路徑，由Bcl-2家族的促凋亡和抗凋亡蛋白控制[45]，其關鍵的啟動步驟是caspase-9的激活，而后者則通過激活caspase-8而觸發(fā)細胞凋亡。同時，細胞凋亡的內外源路徑在下游的caspase-3處交匯[46]，且因caspase-3可剪切激活GSDME產生GSDME-NT誘導細胞焦亡，故使得caspase-3既是細胞焦亡的關鍵通路，也是細胞內外源凋亡路徑的共同通路。此外，由于GSDME-NT可通過增加線粒體膜的通透性使細胞色素C釋放至細胞質，從而增加激活的caspase-3的量而誘導細胞凋亡[47]，可知細胞焦亡在某些條件下可觸發(fā)細胞凋亡使得二者之間通過協(xié)同作用共同發(fā)揮抗骨肉瘤能力，但二者之間具體的聯動協(xié)同機制仍需進一步研究明確。雖然目前針對細胞焦亡在骨肉瘤中的研究極少，但前者依然有希望成為研究治療后者的有效切入點。

3.5 細胞焦亡在其他惡性腫瘤中的研究進展

根據最新的研究[48]發(fā)現，牙周炎可通過由細胞焦亡產生的IL-1β介導下游的信號通路激活，隨后可在轉移早期部分募集髓系抑制性細胞，最后促進乳腺癌的轉移，由此說明了IL-1β在促進乳腺癌轉移進程中的作用，也提示了控制牙周炎(老年乳腺癌患者普遍存在的疾病)的必要性。另有研究[42]發(fā)現，下調介導細胞焦亡的炎性小體的表達后導致了胃癌細胞的增殖，同時GSDMD在胃癌中的表達量較低，且有實驗[49]結果表明下調GSDMD的表達后可顯著促進胃癌的體內外增殖。還有研究[50]發(fā)現，細胞焦亡相關指標NLRP3可作為評估鼻咽癌患者預后的重要標志物。此外，細胞焦亡在其他惡性腫瘤的治療研究中亦能發(fā)揮抑制惡性腫瘤細胞增殖及轉移的作用?？梢妼τ趷盒阅[瘤的治療，細胞焦亡為人們提供了極有希望的方向。

4 展望

細胞焦亡的促炎性質可能對惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展有促進作用，但其對惡性腫瘤的殺傷作用已得到研究證實，且在未來極有可能運用到臨床治療中。目前細胞焦亡在惡性腫瘤治療方面的研究空間極大，許多問題丞待解決。然而，在已發(fā)現的與細胞焦亡密切相關的炎癥小體、caspase家族蛋白、GSDM家族蛋白及相關信號通路等的基礎上尋找有效的治療靶點及研發(fā)針對性的藥物，可為如何利用細胞焦亡治療惡性腫瘤找到突破點。