細胞焦亡在重要器官缺血再灌注損傷中的研究進展*

仝琳鴿 綜述，秦 燕 審校

(大理大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理與病理生理學(xué)教研室，云南大理 671000)

細胞焦亡是1種新的細胞死亡方式，于1992年在感染了福氏志賀菌的巨噬細胞中被首次發(fā)現(xiàn)[1]，并于2001年首次被提出。細胞焦亡是由Gasdermin(GSDM)介導(dǎo)的程序性細胞死亡，由炎性半胱天冬氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)介導(dǎo)并有大量炎性因子釋放。細胞焦亡是1種重要的炎癥小體效應(yīng)機制，它控制炎癥小體依賴的細胞因子的分泌，其過度激活誘發(fā)的無菌炎癥，可致嚴重的組織器官損傷。焦亡與多種疾病密切相關(guān)，廣泛參與感染性疾病[2]、動脈粥樣硬化[3]、中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病[4]的發(fā)生和發(fā)展，近年來細胞焦亡及其相關(guān)蛋白廣泛存在于缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury，IRI)過程中，與IRI的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[5]。IRI的發(fā)病機制尚未徹底闡明，目前研究認為主要與自由基的生成增多、鈣超載和炎性反應(yīng)過度激活等有關(guān)。IRI引起的組織損傷和器官衰竭是患者術(shù)后死亡的主要原因，其可繼發(fā)于諸多病理過程，如心肌梗死、肝移植、急性腎損傷等因血流恢復(fù)而引起的功能代謝障礙及結(jié)構(gòu)損傷。臨床治療既要盡早恢復(fù)缺血組織的血流，又要減輕或防止再灌注繼發(fā)損傷的發(fā)生，而目前尚無安全有效的藥物來抑制IRI。這是IRI防治中亟待解決的重要問題[6]。本文就近些年關(guān)于細胞焦亡在重要器官IRI過程中作用機制的相關(guān)研究作一綜述，為IRI提供新的治療思路。

1 細胞焦亡相關(guān)蛋白

誘發(fā)炎性反應(yīng)是細胞焦亡不同于凋亡的一大特征，焦亡依賴于Caspase和炎癥小體，炎癥小體的活化誘導(dǎo)白細胞介素和促炎因子的合成和釋放，從而誘發(fā)或放大炎性反應(yīng)。

1.1 炎癥小體

炎癥小體是由模式識別受體(pattern recognition receptor，PRRs)在細胞質(zhì)中組裝而成的多蛋白復(fù)合物，可通過識別病原相關(guān)分子(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)和非病原相關(guān)宿主來源的危險信號分子(danger associated molecular patterns，DAMPs)的信號刺激從而觸發(fā)細胞焦亡[7]。其在細胞焦亡中起著承上啟下的作用，由NOD樣受體(NLRs)蛋白承接上游相關(guān)活化信號，與凋亡相關(guān)斑點蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing，ASC)相互作用，從而招募Caspase-1前體(pro-Caspase-1)進入復(fù)合物，組裝形成炎癥小體作用于炎癥細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)、IL-18的前體，使其成熟后裂解并釋放，擴大炎性反應(yīng)。通過激活Caspase-1將焦亡信號傳遞到下游焦亡執(zhí)行蛋白，最終誘導(dǎo)細胞焦亡[8]。

1.2 Caspase

Caspase根據(jù)其行使功能的不同分成2個大類，即凋亡性Caspase和炎性Caspase。與細胞焦亡相關(guān)的主要是Caspase-1、4、5、11，活化的炎性Caspase可特異性切割焦亡的最終執(zhí)行蛋白Gasdermin D(GSDMD)的鉸鏈區(qū)，誘導(dǎo)細胞焦亡。Caspase-3一直被認為是細胞凋亡的標志物，WANG等[9]發(fā)現(xiàn)在使用化療藥物治療時，高表達Gasdermin E(GSDME)的細胞可將腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)誘導(dǎo)的細胞凋亡轉(zhuǎn)化為由Caspase-3切割所致的細胞焦亡。

1.3 Gasdermin(GSDM)家族

Gasdermin家族蛋白最初被鑒定為在皮膚和上消化道高水平表達的蛋白，其家族包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD和GSDME。其中GSDMD是一種含有487個氨基酸的細胞質(zhì)蛋白，作為Caspase-1、4、5、11的底物，是焦亡的最終執(zhí)行蛋白?；罨蟮难仔訡aspase可切割GSDMD，形成C端和N端2個結(jié)構(gòu)域，形成的N端肽段可與細胞膜特異性結(jié)合致使細胞膜穿孔，誘導(dǎo)細胞焦亡。此外，ORNING等[10]研究表明，GSDMD活性的調(diào)節(jié)并不局限于Caspase 1、4、5、11，中性粒細胞彈性蛋白酶和Caspase-8也在Caspase-1、11裂解位點或同一接頭中的相鄰位點切割GSDMD。

2 細胞焦亡的機制

人和小鼠細胞受到不同的刺激，會以不同的途徑啟動細胞焦亡[11]。根據(jù)所依賴的Caspase的不同，可以把細胞焦亡分為經(jīng)典和非經(jīng)典途徑。

2.1 經(jīng)典的細胞焦亡途徑

經(jīng)典的細胞焦亡途徑是依賴于Caspase-1的細胞死亡方式。在病原體或炎性因子刺激下，模式識別受體可作為感受器識別信號，促進ASC與pro-Caspase-1結(jié)合，形成炎癥小體，從而活化Caspase-1[12]?；罨腃aspase-1一方面通過切割 GSDMD，形成含有N端活性域的肽段與質(zhì)膜中的磷酸肌醇和心磷脂結(jié)合，有效裂解膜質(zhì)體，形成質(zhì)孔膜，破壞細胞離子梯度和滲透壓，致使細胞腫脹并最終裂解，釋放出炎癥性細胞內(nèi)容物[13-14]；另一方面活化的Caspase-1還可以對 IL-1β和 IL-18 的前體進行切割，使其成熟后裂解并釋放，擴大炎性反應(yīng)[15]。

2.2 非經(jīng)典的細胞焦亡途徑

在非經(jīng)典的細胞焦亡途徑中，革蘭陰性細菌釋放到細胞質(zhì)中的脂多糖(LPS)直接與pro-Caspase-4、5、11結(jié)合使其活化，從而切割GSDMD，同樣形成N端肽段致使細胞膜穿孔，啟動細胞焦亡[16]。此外，細胞內(nèi)LPS誘導(dǎo)Caspase-11活化，導(dǎo)致縫隙連接蛋白1通道裂解，ATP釋放使膜通道P2X7開放，K+外排，進而激活含NLR家族Pyrin域蛋白3(NLRP3)炎癥小體使Caspase-1活化，從而產(chǎn)生活性成熟的IL-1β，擴大炎性反應(yīng)引起細胞焦亡[17-18]。

3 細胞焦亡與IRI

IRI是由于恢復(fù)某些缺血組織、器官的血液灌注及氧供而加重相應(yīng)組織或器官功能障礙和結(jié)構(gòu)損傷的1種現(xiàn)象。IRI可繼發(fā)于許多病理過程，如心肌梗死、缺血性腦卒中等，也會出現(xiàn)在溶栓治療、器官移植后血流恢復(fù)而引起的多器官損傷[19]。研究顯示細胞焦亡在IRI中有著至關(guān)重要的作用，其炎性反應(yīng)及相關(guān)蛋白與肝、心、腎、腦等重要器官IRI的發(fā)生機制密切相關(guān)[20-23]。深入研究細胞焦亡對了解IRI的發(fā)生機制有著十分重要的生物學(xué)意義。

3.1 細胞焦亡與肝缺血再灌注損傷(hepatic ischemia reperfusion injury，HIRI)

HIRI常見于肝臟切除手術(shù)、肝移植和休克等疾病中[24]。肝臟枯否(Kupffer)細胞的活化產(chǎn)生一系列炎性因子，成為HIRI中啟動細胞焦亡的必要條件[25]。Kupffer細胞的激活在IL-1β的產(chǎn)生中起重要作用，體外單核吞噬細胞暴露于缺氧和復(fù)氧后可產(chǎn)生大量IL-1β。而炎癥細胞分泌IL-1β在很大程度上依賴于炎癥小體的組裝和Caspase-1激活。ZHEN等[20]研究提示NLRP3炎癥小體參與了小鼠HIRI模型中IL-1β的產(chǎn)生。此外，高遷移率家族蛋白1(high mobility group box-1 protein，HMGB1)作為細胞質(zhì)信號分子可激活Caspase-1和HIRI的炎性反應(yīng)，而甘草甜素能直接與HMGB1結(jié)合抑制其活性，減少IL-1β的產(chǎn)生從而抑制Kupffer細胞焦亡及HIRI期間的肝組織損傷和中性粒細胞浸潤。在缺氧復(fù)氧模型中，甘草甜素可抑制Caspase-1的活化和GSDMD的激活，從而抑制炎性反應(yīng)，減少損傷。ZIYI等[26]研究證明，二十二碳六烯酸可以在體內(nèi)外通過磷脂酰肌醇-3-羥激酶(PI3K)/蛋白激酶(AKT)通路抑制NLRP3、ASC和Caspase-1的表達及體內(nèi)炎性因子的產(chǎn)生，表現(xiàn)出抗細胞焦亡能力，保護肝臟免受HIRI。此外，Toll樣受體4(TLR4)/核因子-κB(NF-κB)/NLRP3炎癥小體通路在HIRI的發(fā)病機制中起重要作用，而奧曲肽可通過抑制TLR4/NF-κB/NLRP3炎癥小體通路介導(dǎo)的焦亡，減輕過度炎性反應(yīng)，表現(xiàn)出肝臟保護作用，且奧曲肽(25 μg/kg)較奧曲肽(50 μg/kg)或褪黑激素更有效，加入褪黑激素后，其作用不能通過下調(diào)TLR4/NF-κB/NLRP3炎性小體通路而增強[27]。由此可見，炎性因子是HIRI介導(dǎo)細胞焦亡的始動因素，通過抑制其活化，可有效阻斷細胞焦亡從而減輕HIRI。在HIRI過程中，不僅有Caspase-1 介導(dǎo)的細胞焦亡經(jīng)典途徑，還會激活依賴Caspase-11的非經(jīng)典細胞焦亡途徑。王小瑩等[28]發(fā)現(xiàn)HIRI后，Caspase-1和Caspase-11的表達增加，使用異氟醚預(yù)處理后可減輕HIRI，而這一作用與細胞焦亡密切相關(guān)。FAGENSON等[29]使用缺血預(yù)處理(IPC)和后處理(IPO)可誘導(dǎo)經(jīng)典和非經(jīng)典炎癥調(diào)節(jié)因子上調(diào)。且Caspase 1在HIRI時被激活，Caspase1/Caspase11雙基因敲除小鼠HIRI減輕。因此，針對Caspase1/Caspase11的新型治療藥物的開發(fā)可能有助于減輕HIRI。但至今，在HIRI過程中細胞焦亡的作用機制還不是很明了，因而從介導(dǎo)細胞焦亡經(jīng)典和非經(jīng)典途徑的不同靶點出發(fā)，對HIRI及機制的探究十分重要。

3.2 細胞焦亡與心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia reperfusion injury，MIRI)

MIRI主要與鈣超載、自由基及活性氧(ROS)增多、線粒體功能障礙等有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)[30]，TLR4可被再灌注產(chǎn)生的ROS激活，從而通過TLR4/MyD88/NF-κB/NLRP3通路介導(dǎo)細胞焦亡。木犀草素[31]、大黃素[32]可通過此信號通路來降低細胞焦亡相關(guān)蛋白和炎性細胞因子的表達，繼而抑制MIRI誘導(dǎo)的細胞焦亡，提高細胞體外存活率，減少心肌缺血的面積，改善心臟功能。ZHEN等[20]證明由ROS介導(dǎo)的NLRP3炎癥小體激活引起的細胞焦亡在糖尿病大鼠的炎性反應(yīng)和MIRI中也有重要作用，抑制NLRP3炎癥小體的激活可降低糖尿病大鼠的MIRI。相似的，尿酸促進ROS的生成加重MIRI誘導(dǎo)的NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的細胞焦亡，導(dǎo)致進一步損傷[33]。此外，炎性反應(yīng)在MIRI的研究中越來越受關(guān)注，細胞焦亡逐漸被認為是MIRI炎性反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子，而缺血再灌注引起的各種刺激可以增強細胞焦亡過程。研究顯示β-細辛腦處理后可明顯抑制炎性反應(yīng)，NLRP3炎癥小體表達減少，Caspase-1和GSDMD活性降低，心肌細胞焦亡被抑制[34]。而YUE等[35]研究發(fā)現(xiàn)，MIRI后心肌細胞中ASC、NLRP3等炎癥相關(guān)蛋白表達增高；相反，用siRNA沉默鈣蛋白酶可抑制NLRP3/ASC/Caspase-1通路的激活，減少小鼠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，改善了由MIRI引起的心肌功能障礙。天麻素[36]也可通過抑制NLRP3/ASC/Caspase-1通路阻斷心臟微血管內(nèi)皮細胞焦亡，減少炎性細胞浸潤。LIN等[37]研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-149可以通過結(jié)合3′-非翻區(qū)域(3′UTR)負性調(diào)節(jié)叉形頭轉(zhuǎn)錄因子O亞型3(FOXO3)的表達，上調(diào)NLRP3、Caspase-1等炎癥相關(guān)蛋白的表達水平，加重細胞焦亡。而二甲雙胍可增強腺苷酸活化的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)通路的激活，抑制NLRP3炎癥小體，進而減輕MIRI誘導(dǎo)的炎性反應(yīng)發(fā)揮心臟保護作用[38]。這說明ROS的激活和機體的炎性反應(yīng)在細胞焦亡中起重要作用，通過對其調(diào)控可減輕MIRI，改善心臟功能。

3.3 細胞焦亡與腎缺血再灌注損傷(renal isehemia reperfusion injury，RIRI)

由腎移植、敗血癥及心臟手術(shù)等引起的RIRI是急性腎衰竭(acute kidney injury，AKI)的主要原因[39]。YANG等[21]研究表明在小鼠RIRI模型中細胞焦亡相關(guān)蛋白Caspase-1、11及IL-1β的表達增加。同樣，缺氧-復(fù)氧損傷也會在腎小管上皮NRK-52E細胞中引起細胞焦亡，使膜失去完整性，進而乳酸脫氫酶(LDH)和炎性因子IL-1β釋放，擴大炎性反應(yīng)。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標志物C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)的表達在RIRI模型中和缺氧復(fù)氧處理的細胞發(fā)生細胞焦亡之前明顯上調(diào)，使用siRNA干擾CHOP基因表達，可顯著減少NRK-52E細胞焦亡及IL-1β、Caspase-11的生成，減輕中性粒細胞浸潤和腎功能損傷，表明RIRI可激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)通路，誘導(dǎo)細胞焦亡。除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激外，還有其他因素也與RIRI介導(dǎo)的細胞焦亡有關(guān)。在HK-2細胞缺氧復(fù)氧模型和RIRI組織中miRNA-155表達顯著增加，并通過下調(diào)FOXO3a和下游蛋白Caspase富集功能域的凋亡抑制因子在細胞焦亡中的抑制作用，導(dǎo)致Caspase-1和促炎細胞因子的表達上調(diào)，加重腎損傷[40]。TAJIMA等[41]的研究發(fā)現(xiàn)，β-羥基丁酸可增加上游FOXO3的表達來抑制細胞焦亡，從而減輕RIRI。RIRI不僅會引起自身的損傷，還會導(dǎo)致遠端器官的損傷。 LIU等[42]建立腎缺血再灌注誘導(dǎo)的急性肺損傷(acute lung injury，ALI)模型，發(fā)現(xiàn)RIRI可激活肺組織中NLRP3、ASC、Caspase-1等焦亡相關(guān)蛋白，引起大量肺損傷和炎性細胞浸潤，而異丙酚可顯著抑制RIRI所致的ALI和細胞焦亡，上調(diào)Sirtuin 1(SIRT1)的表達，減輕RIRI誘導(dǎo)的ALI。ZHAO等[43]利用異體腎移植大鼠模型，證明了腎臟同種異體移植物中缺血再灌注釋放的大量組蛋白會與TLR4結(jié)合并激活炎癥小體，從而引發(fā)細胞焦亡，導(dǎo)致急性肝功能損害，血管內(nèi)皮生長因子可減輕組蛋白誘導(dǎo)的細胞焦亡。以上表明細胞焦亡加重了RIRI，進而導(dǎo)致腎功能嚴重受損，通過抑制焦亡可減輕腎組織損傷。

3.4 細胞焦亡與腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI)

CIRI可在多種臨床環(huán)境下發(fā)生，缺血再灌注可誘導(dǎo)炎癥小體的活化，這些炎癥小體廣泛影響神經(jīng)炎癥，進而影響神經(jīng)元的生存能力[44]。目前，NLRP3炎癥小體是神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究最廣泛的復(fù)合體，缺血再灌注誘導(dǎo)的神經(jīng)元細胞死亡和神經(jīng)系統(tǒng)損傷與NLRP3的激活密切相關(guān)。Hispidulin通過調(diào)節(jié)AMPK/GSK3β信號通路抑制NLRP3介導(dǎo)的細胞焦亡，明顯改善CIRI后大鼠的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，減少梗死面積和神經(jīng)功能障礙，在體內(nèi)外發(fā)揮神經(jīng)保護作用[45-46]。據(jù)報道，抗癲癇藥丙戊酸可明顯降低HIR后NLRP3、Caspase-1等炎性因子的表達，抑制體外海馬神經(jīng)元細胞焦亡，減輕認知功能障礙和IRI[43]。腹腔注射吡格列酮[47]可通過激活PPAR-γ抑制HMGB-1/RAGE和RAC1/ROS通路降低ROS水平，ROS水平的降低抑制NLRP3炎癥小體和HMBG1/RAGE途徑的激活，從而最終抑制促細胞焦亡信號通路，降低大鼠大腦梗死面積，改善神經(jīng)功能缺損。SHE等[22]通過經(jīng)典大腦中動脈閉塞建立CIRI模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)補陽還五湯的活性成分糖苷能抑制CIRI大鼠海馬NLRP3和IL-1β等細胞焦亡相關(guān)蛋白的表達，從而抑制神經(jīng)元細胞焦亡而發(fā)揮神經(jīng)保護作用，增加腦缺血再灌注大鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元細胞的存活。SUN等[48]發(fā)現(xiàn)CIRI后低密度脂蛋白受體(low-density lipoprotein receptor，LDLR)表達下調(diào)，而LDLR基因敲除增加了Caspase-1和GSDMD的激活，并導(dǎo)致嚴重的神經(jīng)元細胞焦亡，LDLR的缺乏還導(dǎo)致NLRP3介導(dǎo)的IL-1β和IL-18過度成熟和釋放，由此導(dǎo)致了嚴重的神經(jīng)缺陷和長期的認知功能障礙。由此可見，細胞焦亡在CIRI過程發(fā)揮重要作用，NLRP3炎癥小體是細胞焦亡中的關(guān)鍵蛋白，通過抑制其表達可抑制下游焦亡相關(guān)蛋白的表達，減少炎性反應(yīng)進而減輕CIRI。

4 展 望

GSDM介導(dǎo)的細胞焦亡在針對病原體相關(guān)分子模式和先天免疫防御中有重要作用。細胞焦亡相關(guān)蛋白及途徑，與IRI的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，目前的研究主要集中在焦亡相關(guān)成分如NLRP3在各器官IRI中的作用，多數(shù)研究表明NLRP3的激活誘導(dǎo)了焦亡，通過抑制細胞焦亡的發(fā)生可減輕各重要器官的IRI，但目前對細胞焦亡的研究多數(shù)局限于動物及體外細胞水平，焦亡在各個器官是如何引起IRI，它在疾病進展中的作用如何，有關(guān)焦亡相關(guān)蛋白的抑制劑是否適合臨床應(yīng)用等問題依然不清楚。還需要進行臨床試驗來分析單獨與聯(lián)合使用焦亡相關(guān)抑制劑的效用。因此，對細胞焦亡相關(guān)通路的調(diào)控和炎性因子的深入探究，可能為細胞焦亡在各重要器官的IRI中機制的闡明及防治措施的探尋提供新思路。