細(xì)胞焦亡在免疫相關(guān)性皮膚病中的研究進(jìn)展

陳小敏，丁媛

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)研究生院，烏魯木齊 830000； 2.新疆維吾爾自治區(qū)人民醫(yī)院皮膚性病科，烏魯木齊 830000)

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)一詞來源于希臘詞根pyro，與火或熱有關(guān)，ptosis表示下降。細(xì)胞焦亡首先由Cookson等[1]在沙門菌感染的巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)并提出，用來描述伴隨炎癥反應(yīng)的細(xì)胞程序性死亡方式。細(xì)胞焦亡由細(xì)胞模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor，PRR)識(shí)別病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)，活化胱天蛋白酶(caspase)后裂解蛋白GSDMD(gasdermin-D)，促進(jìn)炎癥小體的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)以及炎癥因子白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18的分泌，最終導(dǎo)致細(xì)胞焦亡[2]。銀屑病、白癜風(fēng)、系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)、特應(yīng)性皮炎是皮膚科常見的自身免疫性疾病，發(fā)病機(jī)制尚不清楚，目前認(rèn)為是遺傳、環(huán)境、免疫、精神心理等因素共同作用的結(jié)果，尚無滿意的治療方法，且病情反復(fù)發(fā)作，對(duì)患者身心健康造成嚴(yán)重影響。近年研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞焦亡與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，包括免疫性疾病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、感染性疾病、腫瘤[3]?，F(xiàn)就細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征、機(jī)制及其在銀屑病、白癜風(fēng)、SLE、特應(yīng)性皮炎等自身免疫性皮膚病中的研究進(jìn)展予以綜述，以期為細(xì)胞焦亡治療皮膚病的研究提供新的思路。

1 細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征和機(jī)制

1.1細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征 在形態(tài)學(xué)上，細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死有區(qū)別也有共同點(diǎn)，見表1[4-5]。焦亡細(xì)胞的細(xì)胞核形態(tài)完整，無核碎裂，但有細(xì)胞核固縮、染色質(zhì)斷裂。在細(xì)胞形態(tài)上，焦亡細(xì)胞的細(xì)胞膜上孔隙形成導(dǎo)致細(xì)胞完整性喪失，細(xì)胞內(nèi)容物釋放、通透性增加和炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂和溶解[3]。通過caspase介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑，裂解GSDMD，在細(xì)胞膜上形成孔，引起細(xì)胞腫脹和滲透溶解。GSDMD是GSDM家族的一員，位于人第8號(hào)染色體，存在于細(xì)胞質(zhì)中，主要介導(dǎo)細(xì)胞焦亡。GSDMD被caspase活化后，裂解成可溶于細(xì)胞質(zhì)的親脂性N端以及可嵌入細(xì)胞膜的親水性C端。GSDMD-N端中心結(jié)構(gòu)為延伸的折疊，GSDMD-C端是一個(gè)α螺旋組成的袋狀結(jié)構(gòu)，對(duì)GSDMD-N端有抑制作用，因此未經(jīng)激活的GSDMD-C端對(duì)GSDMD-N端具有自抑制作用。裂解后的GSDMD-N端結(jié)構(gòu)域能特異性地識(shí)別并結(jié)合細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的膜脂，而后在細(xì)胞膜上形成10～14 nm 的GSDMD孔，引起細(xì)胞內(nèi)外滲透壓變化、細(xì)胞腫脹和細(xì)胞膜裂解，引起IL-1β和IL-18等炎癥因子滲出及誘發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[6]。

1.2細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑 細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑由炎癥小體活化的caspase-1介導(dǎo)。焦亡細(xì)胞的PRR與PAMPs或DAMPs結(jié)合后，激活炎癥小體，促進(jìn)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。炎癥小體由細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的PRR、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白和caspase-1前體組成，當(dāng)細(xì)胞受到內(nèi)源性或外源性損傷時(shí)，PRR可識(shí)別PAMPs或DAMPs，促進(jìn)炎癥小體的活化[7]。經(jīng)典炎癥小體的PRR主要有核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP)家族1、NLRP3、NLRP家族半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶募集域蛋白質(zhì)4、黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2，AIM2)受體和pyrin[8]。caspase-1前體被炎癥小體募集后，二聚化發(fā)生解朊反應(yīng)，生成2個(gè)亞單位p10a和p20，最終完成活化。caspase-1活化后可切割細(xì)胞焦亡的效應(yīng)蛋白GSDMD，產(chǎn)生GSDMD-N端和GSDMD-C端結(jié)構(gòu)域，GSDMD-N端結(jié)構(gòu)域具有脂選擇性，可與真核細(xì)胞膜特有的磷磷脂酰肌醇和原核細(xì)胞膜特有的含磷脂脂質(zhì)體的磷脂酰膽堿結(jié)合，聚合形成中空環(huán)狀低聚物，在細(xì)胞膜形成微孔，鉀外流鈉內(nèi)流引起細(xì)胞內(nèi)外滲透壓改變，進(jìn)而細(xì)胞腫脹破裂，細(xì)胞內(nèi)容物和IL-1β和IL-18等炎癥因子釋放，導(dǎo)致炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[9]。

1.3細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑 人caspase-4、caspase-5，鼠的caspase-11介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑。革蘭陰性菌的脂多糖刺激細(xì)胞后，caspase-4、caspase-5、caspase-11直接與脂多糖的脂質(zhì)A結(jié)合，或者通過NLRP3炎性小體通路來活化caspase-1，裂解GSDMD成為GSDMD-N端和GSDMD-C端，進(jìn)而引起細(xì)胞膜破裂溶解及炎癥因子IL-1β和IL-18等分泌釋放[10]。此外，細(xì)胞膜上小分子出入的pannexin-1通道被活化的caspase-4、caspase-5、caspase-11激活后，釋放ATP，激活A(yù)TP依賴的細(xì)胞膜通道P2X7在細(xì)胞膜上形成微孔，或通過促進(jìn)NLRP3炎癥小體的激活，誘發(fā)細(xì)胞焦亡[11-12]。

表1 細(xì)胞凋亡、壞死、焦亡鑒別表

2 細(xì)胞焦亡與相關(guān)自身免疫性皮膚病

2.1銀屑病 銀屑病是一種與遺傳、自身免疫、環(huán)境等因素有關(guān)的慢性炎癥性皮膚病，臨床主要表現(xiàn)為紅斑、鱗屑，病理特征為角質(zhì)形成細(xì)胞角化不全、大量免疫細(xì)胞浸潤(rùn)、血管生成過度。銀屑病發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，目前尚無令人滿意的治療方法，因此深入研究銀屑病的發(fā)病機(jī)制十分重要。細(xì)胞焦亡可能參與銀屑病的發(fā)生發(fā)展。NLRP1、NLRP3炎癥小體是胞質(zhì)型NOD樣受體家族的典型代表，各種內(nèi)外因素引起NLRP1、NLRP3炎癥小體與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白結(jié)合或直接激活caspase-1引起IL-1β及IL-18釋放，引發(fā)細(xì)胞焦亡[9]。多項(xiàng)研究表明，多種細(xì)胞焦亡相關(guān)炎癥小體及重要細(xì)胞因子在銀屑病患者皮損及外周血中高表達(dá)，Salskov-Iversen等[13]檢測(cè)到銀屑病皮損中NLRP1的高表達(dá)，免疫組織化學(xué)顯示，NLRP3在銀屑病皮損角質(zhì)層和真皮乳頭層高度表達(dá)，實(shí)時(shí)熒光定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)和蛋白印跡法顯示，銀屑病皮損中NLRP3的表達(dá)水平是正常組織的4.5～5.3倍，銀屑病皮損中caspase-1的表達(dá)水平是正常組織的3.2～4.4倍，IL-1β在銀屑病皮損中的表達(dá)是正常組織的3.7～5.6倍[14]。此外，NLRP3還可通過CD100-PlxnB2途徑參與銀屑病的發(fā)病，銀屑病患者皮損角質(zhì)形成細(xì)胞上PlxnB2的表達(dá)明顯增加，血清及皮損角質(zhì)形成細(xì)胞中的可溶性CD100和膜結(jié)合CD100水平均升高，CD100和PlxnB2結(jié)合通過激活核因子κB和NLRP3炎癥小體，促進(jìn)銀屑病角質(zhì)形成細(xì)胞的炎癥反應(yīng)[15]。

角質(zhì)形成細(xì)胞中AIM2炎癥小體的激活是炎癥性皮膚病發(fā)展和維持的另一個(gè)潛在觸發(fā)因素。Dombrowski等[16]研究發(fā)現(xiàn)，銀屑病患者皮損中的AIM2信使RNA表達(dá)量較健康對(duì)照組及非皮損區(qū)高，且γ干擾素是AIM2引發(fā)銀屑病必不可少的細(xì)胞因子。AIM2炎癥小體是細(xì)胞焦亡的重要參與者，銀屑病角質(zhì)形成細(xì)胞表達(dá)的功能性AIM2炎癥小體，通過與細(xì)胞質(zhì)雙鏈DNA結(jié)合引起IL-1釋放[17]。

IL-1β、IL-18是細(xì)胞焦亡的重要效應(yīng)細(xì)胞因子，同時(shí)也與銀屑病的發(fā)生、發(fā)展有重要關(guān)系，IL-1β與真皮T細(xì)胞的IL-1受體結(jié)合誘導(dǎo)其增殖，產(chǎn)生IL-17以及刺激角質(zhì)形成細(xì)胞分泌趨化因子[18]。IL-17是銀屑病發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵因子，針對(duì)IL-17的多種生物制劑已廣泛用于銀屑病的治療，且取得良好療效。IL-18作為細(xì)胞焦亡的另一效應(yīng)細(xì)胞因子，其在銀屑病患者血清中的水平與銀屑病面積及嚴(yán)重程度相關(guān)，早期活躍和進(jìn)展期斑塊型銀屑病皮損中的IL-18表達(dá)水平較正常對(duì)照和穩(wěn)定期高[19]。多種細(xì)胞焦亡相關(guān)炎癥小體和效應(yīng)細(xì)胞因子參與銀屑病的發(fā)病。

2.2白癜風(fēng) 白癜風(fēng)是一種常見的慢性自身免疫性皮膚病，其特征是T細(xì)胞介導(dǎo)的黑素細(xì)胞破壞，細(xì)胞焦亡相關(guān)炎癥小體及細(xì)胞因子與白癜風(fēng)的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。Levandowski等[20]對(duì)家族性白癜風(fēng)患者NLRP1測(cè)序的關(guān)聯(lián)分析顯示，rs12150220(L155H)是與白癜風(fēng)相關(guān)最顯著的單一變體，L155H是高風(fēng)險(xiǎn)單倍型2A和3共有的預(yù)測(cè)的唯一有害替代，M1184V能顯著提高NLRP1多肽翻譯后自蛋白水解激活率。NLRP1啟動(dòng)子和編碼區(qū)中的單核苷酸多態(tài)性與白癜風(fēng)遺傳易感性相關(guān)[21]。此外，NLRP1構(gòu)象變化引發(fā)caspase-1過度激活，導(dǎo)致免疫細(xì)胞中IL-1β和IL-18生成增加[22]。

NLRP3炎癥小體的激活見于多種炎癥性疾病，也參與白癜風(fēng)的發(fā)病。Li等[23]研究發(fā)現(xiàn)，白癜風(fēng)患者皮損角質(zhì)形成細(xì)胞中NLRP3和IL-1β表達(dá)持續(xù)增高，且IL-1β水平與疾病活動(dòng)性和嚴(yán)重程度相關(guān)。氧化應(yīng)激通過瞬時(shí)受體電位陽離子通道亞家族M成員2促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞NLRP3炎癥小體的激活，經(jīng)IL-1β通路參與黑素細(xì)胞的死亡，有可能成為白癜風(fēng)的治療靶點(diǎn)。靶向和抑制NLRP3炎癥小體相關(guān)作用途徑可能成為白癜風(fēng)的一種治療方法。曲尼司特可以通過干擾NLRP3寡聚作用阻止角質(zhì)形成細(xì)胞分泌IL-1β，減少黑素細(xì)胞死亡，促進(jìn)黑素生成及優(yōu)化黑素小體的移位。此外，曲尼司特可減輕氧化應(yīng)激下角質(zhì)形成細(xì)胞分泌IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α和IL-18等炎癥細(xì)胞因子，可能成為治療白癜風(fēng)的有效方法[24]。

2.3SLE SLE是一種可累及多系統(tǒng)的自身免疫疾病，其特征為全身性炎癥和器官損傷相關(guān)的抗核抗體的產(chǎn)生，與遺傳和感染誘發(fā)有關(guān)。感染誘發(fā)SLE時(shí)，激活炎癥小體誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，釋放的細(xì)胞內(nèi)容物作為DAMPs引起進(jìn)一步的炎癥反應(yīng)。細(xì)胞焦亡可導(dǎo)致完整細(xì)胞核的釋放，可能與狼瘡細(xì)胞形成有關(guān)[25]。Yang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，SLE男性患者免疫細(xì)胞中AIM2基因表達(dá)水平升高，而女性SLE患者AIM2表達(dá)增加或減少。此外，與健康同胞兄弟姐妹相比，SLE患者AIM2基因的甲基化降低，表明AIM2差異表達(dá)或表觀遺傳學(xué)變化可能與SLE的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。在小鼠模型中，AIM2與SLE的發(fā)病機(jī)制亦有關(guān)，AIM2蛋白對(duì)炎癥小體的激活起重要作用，介導(dǎo)IL-1β、IL-18的分泌和細(xì)胞焦亡。此外，AIM2基因缺乏也增加了β干擾素的組成性表達(dá)和p202蛋白的表達(dá)，而p202蛋白在雌性小鼠中的表達(dá)增加與SLE的發(fā)生有關(guān)[27]。

與健康對(duì)照組相比，SLE患者外周血NIMA相關(guān)蛋白激酶7、NLPR3和凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白水平較健康對(duì)照組低，caspase-1、IL-1β和IL-18的表達(dá)水平較高。NIMA相關(guān)蛋白激酶7、NLRP3和凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白的信使RNA水平與疾病活動(dòng)性呈負(fù)相關(guān)，而與IL-1β和IL-18呈正相關(guān)，且與普通狼瘡組相比，狼瘡性腎炎的上述特征更明顯[28]。狼瘡性腎炎是由SLE引起的腎臟炎癥性疾病，是SLE死亡的主要原因。NLRP3炎癥小體的激活與狼瘡性腎炎的發(fā)病有關(guān)，提示其可能是治療狼瘡性腎炎的潛在靶點(diǎn)[29]。NLRP3炎癥小體在SLE的發(fā)展中起關(guān)鍵作用，調(diào)節(jié)NLRP3信號(hào)通路可能有助于控制SLE的炎性損害[30]。有關(guān)NLRP3炎癥小體多條通路的小鼠模型及體外實(shí)驗(yàn)表明，抑制NLRP3相關(guān)通路可減輕小鼠SLE病情并降低相關(guān)細(xì)胞因子水平[31-32]。

細(xì)胞焦亡效應(yīng)分子GSDMD也參與了SLE的發(fā)病。通過對(duì)咪喹莫特誘導(dǎo)的小鼠模型的研究顯示，Gsdmd-/-小鼠的死亡率增加，GSDMD對(duì)組織損傷后自身抗原的產(chǎn)生和免疫失調(diào)有負(fù)性調(diào)節(jié)作用，可能在SLE中起著重要的保護(hù)作用[33]。

2.4特應(yīng)性皮炎 特應(yīng)性皮炎是以反復(fù)發(fā)作的慢性濕疹樣皮疹為主要表現(xiàn)的自身免疫性疾病，與遺傳、皮膚屏障改變、免疫功能異常、環(huán)境等因素有關(guān)，具體發(fā)病機(jī)制尚不十分明確。Macalus等[34]通過德國(guó)特應(yīng)性皮炎患者與正常人群的7個(gè)NLR基因(CARD4、CARD15、CARD12、NALP1、NALP3、NALP12、MHC2TA)中的23個(gè)單核苷酸多態(tài)性的基因分型分析發(fā)現(xiàn)，NLRP1與特應(yīng)性皮炎的嚴(yán)重程度有關(guān)。病例對(duì)照研究顯示，NLRP1 rs12150220與特應(yīng)性皮炎的總體易感性有很強(qiáng)的相關(guān)性[35]。

NLRP3炎癥小體在特應(yīng)性皮炎中的作用尚存在爭(zhēng)議，Niebuhr等[36]研究發(fā)現(xiàn)，特應(yīng)性皮炎患者皮損組織中NLRP3和caspase-1的表達(dá)水平明顯降低，γ干擾素可上調(diào)NLRP3。中波紫外線通過NLRP3炎癥小體途徑可加重特應(yīng)性皮炎小鼠的炎癥反應(yīng)，而caspase-1抑制劑可以部分逆轉(zhuǎn)照射的影響[37]。但Schwartz等[38]研究發(fā)現(xiàn)，特應(yīng)性皮炎小鼠模型的炎癥不依賴于NLRP3炎癥小體的激活，但需要IL-1β和IL-1受體1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)?？笽L-1β抗體治療可減輕皮膚炎癥反應(yīng)，而NLRP3炎癥小體抑制劑MC950治療并不能改善皮膚炎癥。

3 小 結(jié)

隨著細(xì)胞焦亡的發(fā)現(xiàn)及其深入研究，細(xì)胞焦亡分子機(jī)制及其在多種疾病中的作用機(jī)制逐漸被了解，為疾病的診斷、治療、預(yù)防提供更多的可能，但其具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步探討。多種細(xì)胞焦亡相關(guān)的炎癥小體、細(xì)胞因子參與了銀屑病、白癜風(fēng)、SLE、特應(yīng)性皮炎的發(fā)病。各種針對(duì)細(xì)胞因子的生物制劑已用于臨床皮膚病的治療，且臨床治療效果良好。針對(duì)細(xì)胞焦亡過程的含有多種炎癥小體和細(xì)胞因子的小分子藥物治療效果的實(shí)驗(yàn)性研究的結(jié)果良好。因此，深入研究細(xì)胞焦亡的機(jī)制、重要焦亡相關(guān)因子caspase-1、caspase-4、caspase-5、caspase-11、炎癥小體NLRP1/NLRP3/AIM2、細(xì)胞焦亡的執(zhí)行者GSDMD、細(xì)胞因子IL-1β/18，有助于加深對(duì)其在皮膚病發(fā)生發(fā)展和轉(zhuǎn)歸中作用的認(rèn)識(shí)，為探索系統(tǒng)性、難治性自身免疫性皮膚病的病因、發(fā)病機(jī)制及防治提供新的靶點(diǎn)和方向。