細(xì)胞焦亡與血管重塑相關(guān)疾病的研究進(jìn)展*

陳穎弘，李 倩，吳學(xué)銘 綜述，李鵬云 審校

(西南醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)電生理學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/四川省心血管疾病防治協(xié)同創(chuàng)新中心/心血管醫(yī)學(xué)研究所，四川瀘州 646000)

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)又叫細(xì)胞炎性壞死，是新近發(fā)現(xiàn)并證實(shí)的一種程序性細(xì)胞死亡方式，與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。其典型特征是細(xì)胞膜腫脹破裂，促炎因子和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物釋放到細(xì)胞外，引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。目前研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞焦亡廣泛參與感染性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病及動(dòng)脈粥樣硬化等疾病的發(fā)生、發(fā)展，靶向細(xì)胞焦亡可有效改善這些疾病相關(guān)的病理學(xué)過(guò)程。近年來(lái)研究證實(shí)，在心肌缺血、高血壓、糖尿病等血管重塑性疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小體、半胱天冬酶(caspase)、Gasdermin D (GSDMD)、白細(xì)胞介素(IL)-1β等細(xì)胞焦亡相關(guān)因子參與血管重塑過(guò)程。然而，細(xì)胞焦亡如何影響血管重塑性疾病的發(fā)生、發(fā)展需要進(jìn)一步研究。探究細(xì)胞焦亡在血管重塑方面的作用及其機(jī)制，可為靶向細(xì)胞焦亡治療心血管疾病提供潛在的治療靶點(diǎn)，為多種心血管疾病的臨床防治研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 細(xì)胞焦亡的分類及其機(jī)制

程序性細(xì)胞死亡是由基因調(diào)控的細(xì)胞主動(dòng)死亡過(guò)程。以往細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是程序性死亡的唯一形式，但近期研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞主動(dòng)死亡的方式還包括細(xì)胞焦亡和程序性壞死。細(xì)胞焦亡與凋亡、壞死等其他細(xì)胞死亡方式在形態(tài)特征、發(fā)生和調(diào)控機(jī)制上均有不同。細(xì)胞焦亡除了具有與細(xì)胞凋亡相似的細(xì)胞核皺縮、外吐小泡、DNA斷裂等現(xiàn)象之外，也可表現(xiàn)出細(xì)胞腫脹破裂、炎性內(nèi)容物釋放等細(xì)胞壞死的特征。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞焦亡是依賴caspase家族切割GSDMD蛋白導(dǎo)致細(xì)胞死亡的方式，包括依賴caspase-1的經(jīng)典途徑和依賴caspase-4/5/11的非經(jīng)典途徑[1]。

caspase是一類存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，具有同源性相似結(jié)構(gòu)特征、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶，為細(xì)胞焦亡信號(hào)通路的核心。在正常細(xì)胞中，caspase通常以非激活的酶原形式(pro-caspase)存在于細(xì)胞質(zhì)中，被激活后才能進(jìn)行底物識(shí)別和切割。迄今為止，在人體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了13種caspase，在小鼠中有11種caspase。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的差異，caspases主要可分為促凋亡類和促炎性類：其中凋亡類主要包括caspase-2/3/6/7/8/9/10，它們以級(jí)聯(lián)放大的方式對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白進(jìn)行高效切割，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡；促炎性類主要包括caspase-1/4/5/11/12/13，主要介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，可促進(jìn)細(xì)胞因子如IL-1β前體(pro-IL-1β)和IL-18前體(pro-IL-18)激活形成成熟有活性的IL-1β和IL-18，最終引起細(xì)胞焦亡[2]。

Gasdermins是細(xì)胞焦亡的效應(yīng)執(zhí)行蛋白，普遍表達(dá)于多種細(xì)胞和組織類型中。人類的Gasdermins由Gasdermin A(GSDMA)、Gasdermin B(GSDMB)、Gasdermin C(GSDMC)、GSDMD、Gasdermin E(GSDME)和Pejvakin(PJVK)組成[3]。除PJVK外，大多數(shù)Gasdermins都有兩個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域，N末端成孔結(jié)構(gòu)域和C端阻遏物結(jié)構(gòu)域。Gasdermins的N末端具有細(xì)胞毒性，可插入細(xì)胞膜并形成較大的寡聚孔，破壞質(zhì)膜完整性，引起胞內(nèi)鉀離子(K+)外流、細(xì)胞外鈉離子(Na+)和鈣離子(Ca2+)內(nèi)流，破壞正常的離子穩(wěn)態(tài)和滲透屏障。滲透壓變化一旦超過(guò)細(xì)胞的代償能力，大量液體進(jìn)入細(xì)胞，最終導(dǎo)致細(xì)胞膨脹、破裂和死亡，即細(xì)胞焦亡[4-5]。

1.1 經(jīng)典途徑

由caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡是焦亡的經(jīng)典途徑(圖1)。細(xì)胞通過(guò)病原體相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式識(shí)別危險(xiǎn)信號(hào)(damage associated molecular patterns,DAMPs)，激活細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors，PRRs)。PRRs被激活后，其熱蛋白結(jié)構(gòu)域可以募集細(xì)胞質(zhì)中的凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a carboxy-terminal，ASC)，并與之結(jié)合成復(fù)合體，共同招募pro-caspase-1，組裝形成炎性小體[6-7]。該炎性小體使相鄰的兩個(gè)pro-caspase-1發(fā)生水解，成為具有酶活性的caspase-1分子，繼而活化pro-IL-1β和pro-IL-18，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。激活后的caspase-1分子，不僅能介導(dǎo)促炎癥細(xì)胞因子IL-1β和IL-18的成熟和分泌，還可以進(jìn)一步切割下游GSDMD目的蛋白，將GSDMD蛋白分割成親脂性N端結(jié)構(gòu)域和親水性C端結(jié)構(gòu)域，其中N端結(jié)構(gòu)域與生物膜結(jié)合，在膜內(nèi)側(cè)聚集形成孔道，使水分子進(jìn)入細(xì)胞，觸發(fā)細(xì)胞焦亡[8]。

1.2 非經(jīng)典途徑

非經(jīng)典焦亡途徑依賴于caspase-4/5/11的激活(圖1)。在細(xì)菌等信號(hào)刺激下，小鼠的caspase-11或人類的caspase-4/5/11被活化，識(shí)別并結(jié)合脂多糖，進(jìn)一步切割GSDMD形成含有切割活性的N端結(jié)構(gòu)域，促進(jìn)細(xì)胞焦亡[9]。雖然caspase4/5/11并不直接介導(dǎo)IL-1β和IL-18的產(chǎn)生，但GSDMD介導(dǎo)的K+外流可誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生和IL-1β的激活[10]。同時(shí)，激活的caspase-4/5/11在NLRP3和ASC存在下可以與caspase-1相互作用，促進(jìn)其激活，引起經(jīng)典途徑的細(xì)胞焦亡。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜上的縫隙連接蛋白-1 (pannexin-1)在調(diào)控小分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜方面起著關(guān)鍵性的作用。活化的caspase-11通過(guò)裂解細(xì)胞膜通道蛋白pannexin-1導(dǎo)致ATP的釋放并激活細(xì)胞膜上的P2X7通道，細(xì)胞內(nèi)外離子平衡被打破，促進(jìn)細(xì)胞焦亡[11]。

圖1 細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑

2 細(xì)胞焦亡與血管重塑性疾病

2.1 細(xì)胞焦亡與動(dòng)脈粥樣硬化

動(dòng)脈粥樣硬化時(shí)管壁內(nèi)常有炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，這些炎癥細(xì)胞分泌的基質(zhì)金屬蛋白酶可以降解彈性蛋白和膠原，導(dǎo)致動(dòng)脈中膜變薄，使血管發(fā)生正性重塑。正性重塑雖然可以代償管腔的狹窄，但由于其斑塊內(nèi)含大量的巨噬細(xì)胞、壞死核心及薄纖維帽，更容易發(fā)生破裂，導(dǎo)致心腦血管突發(fā)事件。以往研究認(rèn)為細(xì)胞凋亡與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。然而，凋亡的重要成分caspase-3在晚期動(dòng)脈硬化病變中卻很少被激活，敲除caspase-3不能改善動(dòng)脈粥樣硬化病變[12]。提示有新的細(xì)胞死亡方式參與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。

近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明細(xì)胞焦亡在促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的不穩(wěn)定中發(fā)揮重要的作用。動(dòng)脈粥樣硬化早期病變主要涉及血管內(nèi)皮功能受損、脂肪沉積和單核細(xì)胞的招募聚集和浸潤(rùn)。研究表明血管內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡可通過(guò)激活caspase-1通路促進(jìn)單核細(xì)胞向內(nèi)膜和血管炎癥處募集，而抑制caspase-1可顯著減少外周血中單核細(xì)胞招募到血管內(nèi)膜中[13]。在晚期病變中，巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的焦亡可使斑塊的不穩(wěn)定性增加。研究證實(shí)，巨噬細(xì)胞吞噬氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein，ox-LDL)和膽固醇晶體后可產(chǎn)生NLRP3炎性小體和caspase-1，激活I(lǐng)L-1β和IL-18，進(jìn)而發(fā)生細(xì)胞焦亡[14-16]。此外，TNF-α可通過(guò)抑制NLRP3和IL-1β的激活來(lái)調(diào)控人平滑肌細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，延緩動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成。焦亡的平滑肌細(xì)胞還可釋放ox-LDL和促炎細(xì)胞因子，如IL-1β和IL-18，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展[17-18]。大量的細(xì)胞焦亡和炎性因子的釋放使炎癥加劇，促進(jìn)了斑塊核心的形成，增加其不穩(wěn)定性，故動(dòng)脈斑塊中的細(xì)胞焦亡與血管炎癥反應(yīng)和斑塊破裂有密切聯(lián)系。以上研究結(jié)果提示，NLRP3炎癥小體與動(dòng)脈粥樣硬化關(guān)系密切，靶向NLRP3治療可能成為動(dòng)脈粥樣硬化的一種代替策略。

2.2 細(xì)胞焦亡與冠心病

冠心病是由于冠狀動(dòng)脈狹窄、缺血引起的心臟功能異常的器質(zhì)性病變。冠狀動(dòng)脈的重塑在冠心病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。冠心病早期的偏心性斑塊增加了血管壁的局部剪切力，刺激血管內(nèi)皮擴(kuò)張，伴有不穩(wěn)定斑塊的形成，使冠狀動(dòng)脈發(fā)生正性重塑，以維持正常的管腔面積和功能。隨著病變的發(fā)展，斑塊被纖維成分替代，并有鈣鹽沉積，使動(dòng)脈管壁變硬，此時(shí)逐漸轉(zhuǎn)為失代償狀態(tài)，表現(xiàn)為負(fù)性重塑[19]。細(xì)胞焦亡在冠心病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中涉及經(jīng)典和非經(jīng)典兩種途徑。目前為止，大多數(shù)研究從細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑中各個(gè)環(huán)節(jié)釋放的炎癥因子含量、其是否增厚冠狀動(dòng)脈內(nèi)壁面積、心臟功能能否得到改善等多方面來(lái)探討與冠心病的聯(lián)系。相關(guān)研究證實(shí)，隨著冠脈血管病變程度的加重，血清中炎癥小體NLRP3的水平也逐漸升高，進(jìn)而促使冠狀動(dòng)脈血管壁IL-1β水平增加，激活caspase-1介導(dǎo)細(xì)胞焦亡參與冠心病的發(fā)生和發(fā)展[20-21]。相關(guān)研究證實(shí)，急性冠脈綜合征患者外周血中的NLRP3小體表達(dá)量顯著增多，且與冠狀動(dòng)脈病變程度及分叉病變的數(shù)目呈正相關(guān)[20-21]。NLRP3的高表達(dá)激活了caspase-1的活性，引起其下游IL-1β、IL-18等炎癥因子通過(guò)GSDMD-NT細(xì)胞膜打孔作用大量釋放，引起細(xì)胞焦亡，導(dǎo)致較為劇烈的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)一步破壞血管內(nèi)皮細(xì)胞并促進(jìn)平滑肌細(xì)胞的遷移，增加冠狀動(dòng)脈壁厚度，促進(jìn)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展[22-23]。其他研究也發(fā)現(xiàn)，炎癥小體caspase-1活性明顯增強(qiáng)也會(huì)誘導(dǎo)促炎因子IL-1β、IL-18的激活，增加冠心病患者體內(nèi)脂蛋白、膽固醇的水平，增強(qiáng)炎癥反應(yīng)和組織損傷[22，24]。抑制caspase-1的表達(dá)后，IL-1β、IL-18水平降低，進(jìn)而抑制細(xì)胞焦亡和局部炎癥反應(yīng)，減輕冠脈血管損傷并改善心臟功能。提示靶向caspase-1抑制其下游的炎癥通路可作為治療冠心病的潛在靶點(diǎn)。此外，由于GSDMD是細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑的共同底物，IL-1β等其他炎癥因子可通過(guò)GSDMD-NT打孔作用大量釋放，引起細(xì)胞焦亡和炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致多種缺血性疾病的發(fā)生。目前有發(fā)現(xiàn)靶向抑制GSDMD和GSDMD-NT的一些藥物，可通過(guò)抑制細(xì)胞焦亡進(jìn)而減緩冠心病的進(jìn)展[23-24]。以上研究表明，靶向細(xì)胞焦亡信號(hào)通路中的NLRP3，caspase-1及GSDMD等可有效改善冠心病的病程，有望成為研究冠心病發(fā)生發(fā)展機(jī)制的重要切入點(diǎn)。由于目前細(xì)胞焦亡非經(jīng)典途徑研究較少，在冠心病發(fā)生發(fā)展中的作用和機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

2.3 細(xì)胞焦亡與高血壓

高血壓病早期血流動(dòng)力學(xué)異常，血管隨之發(fā)生適應(yīng)性改變。然而，長(zhǎng)期慢性高血壓會(huì)導(dǎo)致不良的血管重塑。在高血壓發(fā)病過(guò)程中，大中動(dòng)脈重構(gòu)主要是通過(guò)增加內(nèi)膜中層厚度、增大中心彈性動(dòng)脈腔徑來(lái)適應(yīng)增加的周圍血管壁應(yīng)力，而遠(yuǎn)側(cè)的肌性動(dòng)脈腔徑無(wú)變化。微循環(huán)障礙主要表現(xiàn)為小動(dòng)、靜脈數(shù)量減少，造成終端微循環(huán)組織缺失[25]。大動(dòng)脈順應(yīng)性下降促進(jìn)斑塊形成，甚至管腔狹窄導(dǎo)致血流動(dòng)力學(xué)異常[26]。血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)是血管壁的主要結(jié)構(gòu)細(xì)胞之一，在高血壓等病理?xiàng)l件下，VSMCs的增殖遷移和表型改變導(dǎo)致血管重塑[27]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞焦亡參與調(diào)控高血壓病血管重塑。研究發(fā)現(xiàn)，高血壓大鼠VSMCs的NLRP3炎癥小體和IL-1β表達(dá)明顯增加，促進(jìn)了大鼠VSMCs的增殖和表型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致主動(dòng)脈中膜厚度增加和血管管腔狹窄，引起外周阻力增加，血壓上升又進(jìn)一步加重了血管重塑，血管結(jié)構(gòu)和功能受損，形成惡性循環(huán)[28-29]。另有研究發(fā)現(xiàn)，pro-caspase-1 mRNA的表達(dá)在高血壓大鼠的主動(dòng)脈和腎動(dòng)脈中有上調(diào)趨勢(shì)，這也間接證明了細(xì)胞焦亡在高血壓引起的血管重塑中發(fā)揮了重要作用[20]。以上研究表明，引起細(xì)胞焦亡的NLRP3炎癥小體在高血壓狀態(tài)下大中動(dòng)脈VSMCs的表型轉(zhuǎn)化引起的血管重塑中發(fā)揮重要作用。早期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)高血壓VSMCs相關(guān)焦亡小體的表達(dá)增加，提示VSMCs焦亡可成為高血壓病的一個(gè)診斷和治療靶點(diǎn)。

2.4 細(xì)胞焦亡與糖尿病

血管重塑是始于糖尿病早期并貫穿糖尿病整個(gè)病理過(guò)程的血管結(jié)構(gòu)和功能性的變化。在糖尿病早期，由于高血糖、胰島素抵抗等因素的影響，血管內(nèi)皮損傷激活內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞釋放大量炎癥因子，NO分泌減少和內(nèi)皮素表達(dá)增加進(jìn)一步加重血管內(nèi)皮細(xì)胞和VSMCs損傷。糖尿病血管的病理變化與動(dòng)脈粥樣硬化類似。糖尿病時(shí)，病變的小血管以VSMCs增生為主，從血管壁中膜遷移進(jìn)入內(nèi)皮下層的VSMCs異常增殖并合成大量的細(xì)胞外基質(zhì)，導(dǎo)致微循環(huán)結(jié)構(gòu)和功能改變；此外小血管還出現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞損傷、基底膜增厚，血管壁有無(wú)定型的玻璃樣物質(zhì)沉積等現(xiàn)象，造成小動(dòng)脈的硬化[30]。

細(xì)胞焦亡介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)在此階段發(fā)揮了重要作用，在患有微血管和大血管并發(fā)癥的患者中，細(xì)胞內(nèi)線粒體的分解代謝增加，活性氧積聚增多，觸發(fā)NLRP3炎性小體通路，一些炎癥因子如caspase-1、IL-6等均有所增加[31]。另有研究發(fā)現(xiàn)，VSMCs中的糖基化終產(chǎn)物與其受體相互作用可激活細(xì)胞內(nèi)GSDMD介導(dǎo)的焦亡信號(hào)通路，促進(jìn)炎癥和血栓形成[32-33]：細(xì)胞焦亡釋放的炎癥因子導(dǎo)致細(xì)胞焦亡相關(guān)因子IL-6、IL-8等分泌增加，進(jìn)而促進(jìn)糖尿病微血管的炎性病變和病理性重構(gòu)。此外，當(dāng)炎癥小體被抑制后caspase-1水平會(huì)相應(yīng)降低，一方面使糖尿病心肌對(duì)缺血再灌注損傷的敏感性降低，減緩心肌缺血再灌注損傷，緩解血管失代償狀態(tài)，減少了高糖、高胰島素等造成細(xì)胞焦亡的危險(xiǎn)因素。另一方面也減少了胰島素抵抗，從而緩解糖尿病病理癥狀[34]。上述研究表明，靶向NLRP3、caspase-1等細(xì)胞焦亡相關(guān)的信號(hào)通路蛋白將為糖尿病的防治策略提供新思路。

3 小 結(jié)

血管重塑是多種疾病的代償反應(yīng)之一，在心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中至關(guān)重要。 細(xì)胞焦亡釋放的炎癥因子及激活的炎癥反應(yīng)是動(dòng)脈粥樣硬化、冠心病、高血壓、糖尿病等血管重塑性疾病的重要發(fā)病機(jī)制。盡管目前多項(xiàng)動(dòng)物研究證實(shí)，抑制細(xì)胞焦亡過(guò)程中的GSDMDs、NLRP3、caspase-1等關(guān)鍵蛋白可減輕炎癥反應(yīng)，有效延緩相關(guān)疾病的進(jìn)展。GSDMDs激動(dòng)劑或拮抗劑的研發(fā)將有可能改善血管重塑伴隨的炎癥反應(yīng)。然而，對(duì)細(xì)胞焦亡和GSDMDs家族的研究還尚未成熟，具體的分子機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。