細(xì)胞焦亡與肺部疾病的研究進(jìn)展*

周其其，閔 清**，白育庭

(1.湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院)

細(xì)胞程序性死亡(programmed cell death，PCD)是一種由基因調(diào)控的細(xì)胞死亡方式，它包括細(xì)胞凋亡(apoptosis)、細(xì)胞壞死(necrosis)、細(xì)胞焦亡(pyroptosis)、鐵死亡(ferroptosis)、自噬(autophagy)和胞葬(efferocytosis)6種方式[1]。自2001年Cookson提出并定義了細(xì)胞焦亡是一種新的細(xì)胞程序性死亡后，細(xì)胞焦亡受到大家的廣泛關(guān)注，據(jù)現(xiàn)階段文獻(xiàn)報(bào)道，細(xì)胞焦亡已涉及癌癥[2]、炎癥[3]、癲癇[4]、膿毒癥[5]等疾病的病變過(guò)程。研究表明，細(xì)胞焦亡在肺部疾病的發(fā)生發(fā)展中同樣具有重要的作用，包括肺癌、慢性阻塞性肺疾病、肺部炎癥以及肺結(jié)核。本文回顧近年來(lái)相關(guān)報(bào)道，對(duì)細(xì)胞焦亡在肺部疾病中的作用進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞焦亡的概述

細(xì)胞焦亡是一種新型細(xì)胞程序性死亡，常伴隨著炎癥的發(fā)生，故又稱為細(xì)胞炎性壞死。細(xì)胞焦亡早期會(huì)出現(xiàn)染色質(zhì)濃縮和DNA斷裂，之后細(xì)胞膜會(huì)形成大量壞死性孔隙，導(dǎo)致細(xì)胞膜喪失其完整性，一方面使得鈣離子和水進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，另一方面大量的細(xì)胞內(nèi)含物和炎性因子向外漏(如IL-1β，IL-18等)，最終導(dǎo)致細(xì)胞破裂而發(fā)生焦亡。與細(xì)胞凋亡相比，雖然兩者都將發(fā)生核皺縮與DNA斷裂，但兩者本質(zhì)區(qū)別在于細(xì)胞凋亡時(shí)細(xì)胞膜是完整的，不會(huì)釋放出炎性因子，而細(xì)胞焦亡則相反。故細(xì)胞焦亡具有獨(dú)特的分子機(jī)制與應(yīng)用，具有研究?jī)r(jià)值。

2 細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制

細(xì)胞焦亡與Caspases家族密切相關(guān)，Caspases家族為一種高度保守的天冬氨酸特異性半胱氨酸家族，目前已經(jīng)有超過(guò)10個(gè)以上的成員。細(xì)胞焦亡最初被認(rèn)為是半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶1(cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase-1)介導(dǎo)的細(xì)胞死亡，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)Caspase-3、4、5、8和11也能介導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為細(xì)胞焦亡發(fā)生的機(jī)制主要分為Caspase-1依賴的經(jīng)典途徑和Caspase-3、4、5、8和11依賴的非經(jīng)典途徑。另外，有學(xué)者將細(xì)胞焦亡稱為由Gasdermins(GSDM)介導(dǎo)的炎性PCD，GSDM蛋白家族是介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的一組重要蛋白，其在誘導(dǎo)細(xì)胞死亡和炎癥中具有重要作用。Caspases被激活后切割GSDM蛋白家族，GSDM釋放N末端結(jié)構(gòu)域識(shí)別并在細(xì)胞膜上打孔，其改變了細(xì)胞滲透壓，使膜內(nèi)外電解質(zhì)失衡引起細(xì)胞腫脹破裂，進(jìn)而釋放大量炎性因子和細(xì)胞內(nèi)容物，招募免疫細(xì)胞進(jìn)一步擴(kuò)大炎癥反應(yīng)，使細(xì)胞發(fā)生炎癥性死亡[6]。

2.1 細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑

Caspase-1依賴的細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑，其關(guān)鍵蛋白與炎性小體緊密相關(guān)，炎性小體復(fù)合物是天然免疫防御過(guò)程中的重要組成部分，Caspase-1在細(xì)胞質(zhì)中是以無(wú)活性的酶原形式(pro-caspase-1)存在，而炎性小體可以將其激活而發(fā)揮作用[7]。炎性小體是由模式識(shí)別受體(particular pattern recognition receptors,PRRs)作為支架蛋白構(gòu)成的大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物[8]，主要包括4個(gè)主要原型NLR家族的吡啶域,即NLRP1、NLRP3、NLRC4、黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2,AIM2)和吡啶(Pyrin)，這些炎癥小體通過(guò)各種刺激誘導(dǎo)焦磷酸化而使細(xì)胞發(fā)生焦亡。NLRP3作為細(xì)胞焦亡研究最廣泛的炎性小體之一而備受關(guān)注，其受體蛋白含有PYD、NACHT和LRR三個(gè)結(jié)構(gòu)域，可以被一系列微生物和宿主來(lái)源的觸發(fā)因素激活，包括細(xì)菌、病毒和成孔毒素等。NLRP1介導(dǎo)的炎性小體是第一個(gè)被識(shí)別的分子平臺(tái)，可觸發(fā)Caspase-1激活人類巨噬細(xì)胞中IL-1β的分泌，主要參與針對(duì)炭疽芽孢桿菌的宿主防御機(jī)制[9]。與NLRP1類似，NLRC4(也稱為IPAF，CLAN和CARD12)包含CARD，可以直接與Caspase-1的CARD域相互作用，能被病原菌激活，是入侵細(xì)菌的關(guān)鍵胞質(zhì)監(jiān)視系統(tǒng)[10]。AIM2主要在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)，屬于HIN-200家族，能夠通過(guò)PYD結(jié)構(gòu)域和ASC相互作用，感測(cè)胞質(zhì)細(xì)菌雙鏈DNA，AIM2感應(yīng)DNA是非特異性的識(shí)別，當(dāng)細(xì)菌病原體入侵后可以激活Caspase-1，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡，這在感染和慢性炎癥中發(fā)揮著作用[11]。

2.2 細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑

細(xì)胞焦亡非經(jīng)典途徑中，革蘭氏陰性細(xì)菌產(chǎn)生的外膜囊泡(OMV)將細(xì)菌脂多糖(LPS)分子傳遞到細(xì)胞質(zhì)中，并在體內(nèi)和體外觸發(fā)人細(xì)胞中的Caspase-4或Caspase-5或在小鼠細(xì)胞中的Caspase-11依賴性效應(yīng)反應(yīng)。在LPS的作用下，裂解的Caspase-4或Caspase-5和Caspase-11也能激活Gasdermin-D在細(xì)胞膜上形成孔，然后在細(xì)胞外釋放IL-1β和IL-18，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生[12]。同時(shí)，Gastermin-D的N端片段激活NLRP3炎性體并通過(guò)經(jīng)典途徑誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[13]。

2.3 GSDMD蛋白

GSDM蛋白家族由GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME和DFNB59組成[14]，其中，GSDMD是細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵蛋白，參與了細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑?；罨腃aspase-1和Caspase-11能夠在Asp276位點(diǎn)上切割GSDMD形成N端和C端兩個(gè)片段，即GSDMD-NT和GSDMD-CT，前者為主要的功能結(jié)構(gòu)域，參與細(xì)胞的焦亡，后者具有自體抑制功能。重組的GSDMD可被視化為脂質(zhì)體上的孔狀結(jié)構(gòu)，這些孔可以使焦磷酸細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)含物流出[15]，具體體現(xiàn)在當(dāng)GSDMD被切割后，GSDMD-NT可能通過(guò)Caspase移除GSDMD-CT的抑制性結(jié)構(gòu)域而從單體變成寡聚物轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜，GSDMD-NT與膜上的磷脂酰肌醇、磷脂酸和磷脂酰絲氨酸連接而發(fā)生低聚化，產(chǎn)生氣孔使得炎癥因子很容易通過(guò)細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生腫脹最終誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。另外，也有研究表明[16]，Caspase-8也可以切割GSDMD誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡。

3 細(xì)胞焦亡與肺部疾病之間的聯(lián)系

肺是人體中氣體交換的主要器官,在呼吸過(guò)程中，肺部可能遭受各種環(huán)境侵害，包括暴露于煙霧和微粒和病原體(如細(xì)菌、病毒和真菌)形式的異物。因此，氣道細(xì)胞(如肺泡巨噬細(xì)胞)常暴露于這些損傷下，可引發(fā)炎性體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，單獨(dú)或與易感遺傳因素結(jié)合會(huì)導(dǎo)致肺臟發(fā)生病理改變[8]。越來(lái)越多的證據(jù)表明炎性小體在各種肺部疾病的發(fā)病機(jī)理具有關(guān)鍵作用，盡管炎性體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)(包括焦磷酸化和細(xì)胞因子分泌)對(duì)于宿主防御至關(guān)重要，但過(guò)量的炎性體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)會(huì)加劇組織損傷。

3.1 細(xì)胞焦亡與肺癌

肺癌是一種常見(jiàn)的惡性腫瘤，是全球范圍內(nèi)與癌癥相關(guān)死亡的主要原因，其預(yù)后不佳且5年生存率低于15%[17]，根據(jù)細(xì)胞起源和表型可將肺癌分為小細(xì)胞肺癌(small cell lung cancer，SCLC)和非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)，其中，NSCLC占肺癌病例的85%。Wang 等[18]研究辛伐他汀治療非小細(xì)胞肺癌可以通過(guò)激活NLRP3/Caspase-1/IL-1β和/IL-18而導(dǎo)致細(xì)胞焦亡，后續(xù)研究也建立了異種移植小鼠模型，結(jié)果表明，辛伐他汀通過(guò)激活Caspase-1誘導(dǎo)的焦亡來(lái)抑制異種移植小鼠模型中NSCLC腫瘤的生長(zhǎng)，這為辛伐他汀作為抗腫瘤藥提供分子機(jī)制參考。Li 等[19]研究新型派隆清(PL)類似物L(fēng)50377，除了比PL有更大的抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的潛力外，還發(fā)現(xiàn)L50377可以刺激細(xì)胞中活性氧(ROS)的生成，而ROS是維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的活性小分子，可以介導(dǎo)焦亡、凋亡等各種細(xì)胞程序性死亡；該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)ROS介導(dǎo)的NF-κB抑制與L50377誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的機(jī)制有關(guān)，但是否與細(xì)胞焦亡的其他途徑相關(guān)并未闡明。Zhang 等[20]通過(guò)體內(nèi)和體外研究腫瘤抑制基因(p53)對(duì)NSCLC細(xì)胞焦亡的機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)p53表達(dá)水平與NSCLC細(xì)胞焦亡呈正相關(guān)，即p53的過(guò)表達(dá)增加了焦磷酸化水平，包括mRNA和蛋白質(zhì)水平上的NLRP3，ASC和Caspase-1的上調(diào)，此外，使用了p53激動(dòng)劑來(lái)激活p53，并且獲得了類似的結(jié)果；另外，該研究還用LPS處理人類肺癌細(xì)胞A549，結(jié)果表明LPS提高了p53水平，形成的NLPR3顯著增加，從而誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡發(fā)生。盡管如此，p53作為細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵因子還需要做進(jìn)一步全面的研究。

3.2 細(xì)胞焦亡與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是由呼吸道暴露于吸入刺激物(例如香煙煙霧)引起的，并導(dǎo)致呼吸道進(jìn)行性炎癥性疾病，炎性體與COPD的發(fā)病機(jī)理密切相關(guān)，尤其是NLRP3研究較多。Wang 等[21]探討了全身和局部氣道NLRP3激活與COPD急性加重(AECOPD)之間的相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)包括32位吸煙者，65位AECOPD患者，50位處于恢復(fù)期COPD患者和30位處于穩(wěn)定期COPD患者，結(jié)果表明與吸煙者相比，AECOPD患者發(fā)現(xiàn)NLRP3、Caspase-1、ASC、IL-18、IL-1β的mRNA水平明顯升高，當(dāng)同一組中的COPD患者變得臨床穩(wěn)定時(shí)，這些NLRP3炎性體介質(zhì)明顯減少，表明了全身和局部氣道NLRP3炎性小體激活與急性加重有關(guān)，NLRP3可成為COPD患者急性加重和臨床診斷的生物標(biāo)志。Colarusso 等[22]研究炎性小體在COPD中的作用時(shí)提及NLRP3激活與COPD中氣道炎癥有關(guān)，而NLRP3炎性體激活劑中包括香煙煙霧，該文章指出NLRP3可能作為COPD發(fā)病機(jī)理中炎癥反應(yīng)與免疫反應(yīng)之間的聯(lián)系，但炎癥激活的確切機(jī)制仍不清楚，需要進(jìn)一步研究。Yang 等[23]研究NLRP3在COPD過(guò)程中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)在COPD的小鼠模型中，NLRP3基因的缺乏阻止了長(zhǎng)期吸煙的小鼠中COPD的發(fā)展，因此，作者提出NLRP3炎性體對(duì)于COPD的發(fā)展至關(guān)重要，而NLRP3的阻斷是COPD的一種可能的治療策略。

3.3 細(xì)胞焦亡與肺部炎癥

作為病原體傳感器，炎性體復(fù)合物在宿主防御肺部感染中具有特別突出的作用。當(dāng)肺部感染細(xì)菌性肺炎時(shí)，細(xì)菌顆粒會(huì)提供胞質(zhì)病原相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular，PAMP)，其與肺巨噬細(xì)胞上的NLR結(jié)合并激活不同的炎癥小體復(fù)合物，從而導(dǎo)致IL-1β和IL-18的產(chǎn)生。除了觸發(fā)肺中的炎性細(xì)胞因子外，多種炎癥小體復(fù)合物還引發(fā)焦磷酸化[24]。He 等[25]探討了LPS誘導(dǎo)的IL-1β釋放和白細(xì)胞介素-1受體I型(interleukin-1 receptor I type，IL-1RI)上調(diào)對(duì)肺部炎癥發(fā)展的影響，該研究證明在肺泡巨噬細(xì)胞(alveolar macrophage,AM)中，LPS-TLR4信號(hào)不僅激活NLRP3炎性小體，導(dǎo)致細(xì)胞釋放IL-1β，而且也可通過(guò)MyD88和NF-κB依賴性信號(hào)上調(diào)AM表面的IL-1RI表達(dá)。因此，上調(diào)的IL-1RI使AM對(duì)IL-1β敏感并導(dǎo)致焦小體形成，進(jìn)而導(dǎo)致AM焦磷酸化，這是一種Caspase-1依賴性炎性細(xì)胞焦亡。該研究證明了IL-1β-IL-1RI信號(hào)的繼發(fā)上調(diào)是AM焦亡和LPS應(yīng)答引起肺損傷的重要原因。Ceballos-Olvera 等[26]用了大量的實(shí)驗(yàn)探討了假小芽孢桿菌與炎癥小體的相互作用，采用類鼻疽病的基因敲除小鼠模型，結(jié)果顯示兩種不同炎癥小體被假性麥芽孢桿菌感染激活，一種是Nod樣受體NLRP3，可介導(dǎo)IL-1β和IL-18；另一種是NLRC4的NLR，可介導(dǎo)焦磷酸化，細(xì)胞焦亡和IL-18的產(chǎn)生對(duì)抵抗假芽孢桿菌同樣重要。NLRP3和NLRC4炎性小體在類鼻疽病中具有獨(dú)有的作用，NLRC4主要在感染的早期和誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，而NLRP3主要調(diào)控IL-1β和IL-18的分泌。Zhao 等[27]提出當(dāng)免疫功能低下的宿主暴露于革蘭氏陰性細(xì)菌(如銅綠假單胞菌)時(shí)，肺巨噬細(xì)胞中Caspase-1通過(guò)NLRC4炎性小體復(fù)合物被激活，使得IL-1β和IL-18增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

3.4 細(xì)胞焦亡與肺纖維化

肺部纖維化疾病不是特定的疾病實(shí)體，而是代表不同病理過(guò)程的異質(zhì)集合的最終結(jié)果。肺纖維化的發(fā)展與年齡的增加密切相關(guān)，大多數(shù)病例是發(fā)生在50歲以上的中年人，肺纖維化早期，肺部炎癥表現(xiàn)為各種炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，肺泡巨噬細(xì)胞活化，毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞損傷[28]，Hussain 等[29]研究發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管MWCNT以時(shí)間和劑量依賴性方式誘導(dǎo)HBE細(xì)胞中NLRP3炎性體依賴性焦亡，來(lái)自MWCNT處理的HBE細(xì)胞的條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)人肺成纖維細(xì)胞中促纖維化標(biāo)記物(如TIMP-1、腱生蛋白C、前膠原1和骨橋蛋白)的mRNA表達(dá)顯著增加，而TGF-β的表達(dá)卻沒(méi)有隨之變化。當(dāng)將IL-1β、IL-18和IL-8中和抗體添加到條件培養(yǎng)基中或使用來(lái)自NLRP3 siRNA轉(zhuǎn)染的HBE細(xì)胞的條件培養(yǎng)基時(shí)，促纖維化標(biāo)記物的誘導(dǎo)顯著降低，表明NLRP3可能參與了肺纖維化的發(fā)生發(fā)展。王鵬飛等[30]研究黃芪甲苷對(duì)特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)小鼠時(shí)測(cè)定了Caspase-1、IL-1β和IL-18的表達(dá)，結(jié)果表明黃芪甲苷能降低Caspase-1、IL-1β和IL-18蛋白表達(dá)的表達(dá)水平，其機(jī)制可能與抑制細(xì)胞焦亡有關(guān)。

3.5 細(xì)胞焦亡與肺結(jié)核

結(jié)核病是由結(jié)核桿菌引起的慢性傳染病，結(jié)核桿菌主要入侵肺部，稱為肺結(jié)核。目前，由結(jié)核分枝桿菌感染引起的結(jié)核病仍然是全球公共衛(wèi)生的威脅，Gong 等[31]研究了結(jié)核分枝桿菌PPE60在分枝桿菌的存活中發(fā)揮作用，并且這種能力與LUBAC、NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)和宿主細(xì)胞焦亡有關(guān)，該研究分別測(cè)定了細(xì)胞凋亡與細(xì)胞焦亡的相關(guān)蛋白，發(fā)現(xiàn)Caspase-1/4、NLRP3和GASDERMIND的mRNA水平顯著增加，而與線粒體破裂相關(guān)的標(biāo)記蛋白Mfn2未出現(xiàn)明顯增加，表明Ms-PPE60可能促進(jìn)細(xì)胞焦亡而不是細(xì)胞凋亡。Danelishvili 等[32]研究結(jié)核分枝桿菌在被吞噬細(xì)胞攝取后會(huì)過(guò)表達(dá)操縱子Rv3361c，可分泌Rv3364c，Rv3364c蛋白與膜上的絲氨酸蛋白酶組織蛋白酶G結(jié)合，抑制Caspase-1激活，從而抑制宿主細(xì)胞的焦亡。另外，也有學(xué)者提出肺結(jié)核與多種細(xì)胞死亡方式有關(guān)，結(jié)核分枝桿菌可通過(guò)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死、自噬和細(xì)胞焦亡等方式影響細(xì)胞[33]。

4 展 望

肺臟作為人類的呼吸器官，關(guān)于治療肺部相關(guān)疾病有非常重要的意義，而肺部疾病的發(fā)生發(fā)展卻是非常復(fù)雜的病理過(guò)程，其發(fā)病機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，細(xì)胞焦亡在作為近年來(lái)新型的細(xì)胞程序性死亡方式，其肺部疾病的研究中備受關(guān)注。特別是炎性小體，但炎性小體的強(qiáng)大免疫功能可能是有益的或有害的，根據(jù)不同的肺部疾病可能其功能是不一致的，因此，需要在其臨床背景下考慮該途徑的治療作用。鑒于細(xì)胞焦亡在疾病的發(fā)病機(jī)理中具有廣泛而有效的作用，因此，進(jìn)一步研究細(xì)胞焦亡的確切機(jī)制可能為治療和診斷多種肺部疾病提供新的可能性和新的靶點(diǎn)。