細(xì)胞焦亡機(jī)制及其在多種腎臟病中的作用

孫曉怡 姜玉勤 唐余燕 劉何晶 陸 迅 魏明剛

1.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院腎內(nèi)科，江蘇蘇州 215006；2.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院中醫(yī)科，江蘇蘇州 215006；3.江蘇省蘇州市立醫(yī)院北區(qū)中醫(yī)科，江蘇蘇州 215000

細(xì)胞焦亡的主要特征為完整的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞、細(xì)胞腫脹及細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物的釋放[1]。根據(jù)細(xì)胞焦亡的發(fā)生過(guò)程可將其分為兩類：經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡及非經(jīng)典途徑的細(xì)胞焦亡。在多種原因所致的腎臟疾病中炎癥反應(yīng)均可發(fā)揮作用。近年研究顯示，以炎癥小體為核心介導(dǎo)的無(wú)菌性炎癥反應(yīng)細(xì)胞焦亡為腎臟疾病進(jìn)展的重要原因[2-5]。因此根據(jù)細(xì)胞焦亡的特點(diǎn)，采取針對(duì)炎癥反應(yīng)的干預(yù)措施將會(huì)在多種腎臟病的防治中提供優(yōu)異的作用效果，為臨床診療帶來(lái)新的靶點(diǎn)。

1 細(xì)胞焦亡產(chǎn)生的機(jī)制

1.1 經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡

經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡為依賴caspase-1 的細(xì)胞焦亡，其起始原件為炎癥小體，炎癥小體主要包括模式識(shí)別受體（pattern recongnition receptor，PRRs），前活化半胱天冬酶-1（caspase-1）及凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing，ASC）組成[6]。PRRs 作為炎癥小體的感受器，有多種表達(dá)形式，在細(xì)胞焦亡過(guò)程中起主要參與作用的為NOD 樣受體（NOD-like receptors，NLRs）[7]，NLRs 包括NLRP1、NLRP2、NLRP3 和NLRC4 等，其具有共同分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：位于中心的核苷酸結(jié)合和寡聚化結(jié)構(gòu)域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD），可以發(fā)生自身的寡聚；羧基末端亮氨酸重復(fù)區(qū)（leucinerichrepeat，LRR）發(fā)揮識(shí)別配體及自我調(diào)節(jié)的功能；N 末端有可變結(jié)構(gòu)域等[8]。NLRs 可以識(shí)別外源性微生物攜帶的病原相關(guān)分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）或內(nèi)源性細(xì)胞損傷釋放的相關(guān)分子模式（danger-associated molecular pattern，DAMPs），并激活下游促炎癥信號(hào)級(jí)聯(lián)通路，引起機(jī)體的防御或炎癥反應(yīng)[9-13]。

當(dāng)PRRs 識(shí)別外源性信號(hào)后作用于NLRs，NLRs通過(guò)LRR 進(jìn)行信號(hào)的接受及傳遞，后通過(guò)ACS 信號(hào)識(shí)別及傳遞，使NOD 結(jié)構(gòu)參與到炎癥小體組裝調(diào)節(jié)過(guò)程中，從而間接募集caspase-1 前體激活caspase-1，并進(jìn)一步作用于下級(jí)效應(yīng)分子gasdermin 家族蛋白D（GSDMD）[14]。GSDMD 為半胱氨酸天冬酶切割的底物，一般情況下保持自抑制構(gòu)象，其C 末端結(jié)構(gòu)域掩蓋了N 末端壞死域中的脂質(zhì)結(jié)合部分，自抑制現(xiàn)象的解除需要外部作用消除C 末端抑制結(jié)構(gòu)域從而暴露出N 末端壞死域后才可進(jìn)行[15]。在炎癥小體的激活過(guò)程中，這種C 末端抑制結(jié)構(gòu)域的解除過(guò)程即是由炎癥性胱天蛋白酶的水解作用實(shí)現(xiàn)[16]。N 端壞死域暴露后即可轉(zhuǎn)移至質(zhì)膜并聚集形成跨膜通道引起細(xì)胞腫脹裂解，細(xì)胞內(nèi)容物及炎癥因子釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。

1.2 非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡

研究發(fā)現(xiàn)除了由caspase-1 介導(dǎo)的經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡外，由人源性caspase-4/5 及鼠源性caspase-11 可介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡途徑稱為非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡[17]。非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡是細(xì)胞焦亡概念的進(jìn)一步延伸，Kayagaki 研究團(tuán)隊(duì)使用霍亂毒素B、大腸埃希菌、嚙齒類念珠菌和霍亂弧菌誘導(dǎo)小鼠炎癥反應(yīng)，在caspase-11 基因缺乏的小鼠中細(xì)菌所觸發(fā)的白細(xì)胞介素-1α（interleukin-1α，IL-1α）和高遷移率族蛋白-1的釋放明顯抑制，提示caspase-11 為這一途徑的關(guān)鍵因子，此途徑可以誘發(fā)IL-18 及IL-1β 大量產(chǎn)生從而引起細(xì)胞焦亡[18-19]。

圖1 細(xì)胞焦亡機(jī)制圖

2 細(xì)胞焦亡機(jī)制及其在多種急慢性腎臟病中的作用

2.1 腎臟結(jié)石類腎病

腎臟結(jié)石類腎病是指尿草酸鈣（calcium oxalate，CaOx）負(fù)荷過(guò)大超過(guò)腎臟腎小球?yàn)V過(guò)和分泌功能，從而導(dǎo)致CaOx 晶體在腎臟中沉積形成腎臟結(jié)石或引起彌漫性腎臟鈣化[20]。通過(guò)分別建立NLRP3 缺乏，ASC缺乏和caspase-1缺乏的小鼠模型，且使用CaOx 晶體與NLRP3 激動(dòng)劑ATP 進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CaOx 晶體是通過(guò)NLRP3/ASC/caspase-1 途徑從而誘導(dǎo)IL-1β 表達(dá)，且這一過(guò)程需要使用細(xì)胞預(yù)刺激劑脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），提示LPS 預(yù)刺激是誘導(dǎo)pro-IL-1β 表達(dá)的先決條件。在非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡中，LPS 亦為發(fā)生該機(jī)制的必要條件，因此或許在草酸鹽結(jié)晶所致的腎臟病中也會(huì)有非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡的參與，對(duì)實(shí)驗(yàn)中caspase-4/5/11 的檢測(cè)有助于進(jìn)一步研究[21]。

2.2 急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）

AKI 是臨床常見的由各種原因?qū)е碌哪I功能短時(shí)間內(nèi)快速減退的一種臨床綜合征，可以由血容量減少、缺血再灌注、造影劑使用及藥物原因等多種情況引起，而在以這些因素為始動(dòng)刺激引起AKI 的過(guò)程中，也有細(xì)胞焦亡的密切參與。缺血再灌注腎損傷產(chǎn)可通過(guò)Toll 樣受體降解及其下游所致核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB）炎癥及細(xì)胞焦亡免疫反應(yīng)參與AKI的發(fā)生過(guò)程[22-23]。在使用造影劑主要成分碘丙啶（propidium iodide，IOP）誘導(dǎo)AKI 實(shí)驗(yàn)中，可以檢測(cè)到體內(nèi)外caspase-1、IL-1β 和IL-18 水平均有顯著升高，同時(shí)伴有LDH、NLRP3、ASC 和GSDMD 產(chǎn)生，均可提示IOP 可通過(guò)細(xì)胞焦亡誘導(dǎo)AKI[24]。而在常見的抗腫瘤藥物的使用過(guò)程中，AKI 作為藥物使用的副作用也不罕見，細(xì)胞焦亡同樣參與其中。在順鉑誘導(dǎo)的小鼠AKI 過(guò)程中，腎臟組織及腎小管細(xì)胞中均檢測(cè)到GSDMD 片段的產(chǎn)生，且使用順鉑處理GSDMD 基因缺失小鼠，小鼠發(fā)生AKI 及相關(guān)炎癥反應(yīng)均較前有所減輕，而活躍或增加GSDMD 片段的操作則可起到相反的作用[25]。

2.3 糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）

DN 為多種致病因子所致的代謝性疾病，其為一種以糖尿病為基礎(chǔ)疾病的微血管并發(fā)癥。在DN 發(fā)病過(guò)程中，由炎癥小體NLRP3、caspase-1、GSDMD 介導(dǎo)的經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡發(fā)揮重要作用[26]。研究顯示，在肥胖條件下模擬成年小鼠2 型糖尿病模型，內(nèi)源性大麻素作為外周血CB1 受體激活劑可以通過(guò)激活CB1受體并且引起胰島β 細(xì)胞的衰竭，而在NLRP3 缺失的小鼠模型中，β 細(xì)胞衰竭現(xiàn)象未明顯觀察到[27]。另外，在NLRP3 炎癥小體缺乏的野生型小鼠中反復(fù)低劑量的予以四氧嘧啶可抵抗缺氧及氧化應(yīng)激所致的細(xì)胞損傷，這與胰島β 細(xì)胞衰竭減少及巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)減少相關(guān)，而NLRP3 在這一實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過(guò)程中扮演著中間介質(zhì)的角色，NLRP3 缺乏降低了四氧嘧啶誘導(dǎo)的糖尿病患者的β 細(xì)胞丟失和胰島炎癥[26,28]。因此，對(duì)于這一級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行更為詳盡地探索并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的干預(yù)性措施，可能對(duì)DN 的診療具有重大的意義。

2.4 腎臟纖維化

腎臟纖維化是慢性腎臟病不斷發(fā)展至終末期的關(guān)鍵機(jī)制，腎組織內(nèi)炎癥因子與抗炎因子之間的失衡，引起組織內(nèi)過(guò)度代謝反應(yīng)及組織損傷，纖維組織不斷增生的同時(shí)伴隨腎臟固有細(xì)胞轉(zhuǎn)化，不斷加重腎臟纖維化的進(jìn)展[29]。研究顯示，NLRP3 缺失對(duì)于介導(dǎo)線粒體調(diào)解腎臟纖維化具有保護(hù)作用[30-31]。微生物分子或細(xì)胞內(nèi)危險(xiǎn)因子作用于腎組織時(shí)，可檢測(cè)到腎組織中NLRP3、pro-IL-1β 和pro-IL-18 的表達(dá)，這可能由NF-κB 通路介導(dǎo)[32]，這一過(guò)程中伴有活性氧產(chǎn)生，再次作用于NLRP3 引起細(xì)胞焦亡，研究顯示，TGF-β/Smad 可激活NLRP3，而NLRP3 又可進(jìn)一步作用于Smad磷酸化過(guò)程導(dǎo)致進(jìn)一步的腎臟纖維化[33]，在這一過(guò)程中，細(xì)胞焦亡過(guò)程與腎臟纖維化機(jī)制相互作用形成加重細(xì)胞損傷的惡性循環(huán)[34-35]。

綜上所述，細(xì)胞焦亡機(jī)制為細(xì)胞程序性死亡的形式之一，細(xì)胞焦亡的發(fā)病機(jī)制包括經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡及非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡，而NLRs、caspase-1、IL-1 及GSDMD 為細(xì)胞焦亡通路的關(guān)鍵因子，在多種腎臟病發(fā)病及進(jìn)展過(guò)程中均有所參與。在對(duì)多種腎臟病中細(xì)胞焦亡機(jī)制的研究可知氧化應(yīng)激所致活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生增加、炎癥小體激活及炎癥因子的釋放均有較大作用，在針對(duì)ROS 產(chǎn)生增加或減少炎癥小體的激活對(duì)細(xì)胞焦亡的進(jìn)展可起到至關(guān)重要的作用，而基于細(xì)胞焦亡機(jī)制進(jìn)行更加深入地探索并尋找可能延緩疾病進(jìn)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)于明確腎臟病的發(fā)病機(jī)制，并且對(duì)于多種腎臟病的診療亦大有裨益。