焦亡與視網(wǎng)膜相關(guān)疾病

黃澤宇 管懷進(jìn) 季敏

焦亡是一種炎癥相關(guān)的程序性細(xì)胞死亡，其特征為細(xì)胞膜上孔洞形成，細(xì)胞迅速腫脹及膜破裂，以致大量胞質(zhì)內(nèi)容物漏出[1,2]。細(xì)胞死亡命名委員會(huì)(Nomenclature Committee on Cell Death ，NCCD)于2018年提議將細(xì)胞焦亡定義為：一種很大程度上依賴(lài)于Gasdermin(GSDM)蛋白家族形成質(zhì)膜孔，經(jīng)常但并不總是由炎性半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysterine-aspartic acid protease，caspase)活化導(dǎo)致的可調(diào)控的細(xì)胞死亡[3]。

焦亡由GSDM蛋白家族介導(dǎo)，其中Gasdermin D(GSDMD)和Gasdermin E(GSDME)是兩種相對(duì)確定的焦亡執(zhí)行者。目前已知的與焦亡相關(guān)的Caspase家族成員包括Caspase-1、3、4、5、8、11。其中Caspase-1能夠被吡啉結(jié)構(gòu)域蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain containing 3，NLRP3)、NLRP12、(absent in melanoma，AIM2)等經(jīng)典的炎癥小體活化，Caspase-4、-5、-8和-11能夠識(shí)別細(xì)菌脂多糖，Caspase-3則能夠被紫杉醇、5-氟尿嘧啶、順鉑等多種化療藥物激活。這些活化的Caspase會(huì)切斷GSDM中的氨基端(Gasdermin -N-terminal cleavage product, GSDM-NT)和羧基端( Gasdermin-C- terminal cleavage product, GSDM-CT)結(jié)構(gòu)域之間的連接，然后GSDM-NT可在細(xì)胞膜上齊聚形成膜孔，細(xì)胞由于滲透壓變化迅速膨脹，并釋放炎性細(xì)胞因子如白介素1β(Interleukin-1β, IL-1β)、白介素18 (Inter leukin-18，IL-18)等。而GSDM-CT可以折疊回GSDMD-NT以抑制其激活，對(duì)細(xì)胞焦亡具有抑制作用[3,4]。

焦亡對(duì)機(jī)體的作用猶如一把雙刃劍：一方面，作為細(xì)胞死亡的方式之一，它與許多炎癥性疾病的病理生理及預(yù)后具有明顯的相關(guān)性；并且越來(lái)越多的研究表明，細(xì)胞焦亡促成了炎癥性疾病的發(fā)生，會(huì)損害組織健康[6]。而另一方面，焦亡的積極作用表現(xiàn)在能夠通過(guò)釋放炎性細(xì)胞因子招募免疫細(xì)胞消除感染的病原體[7,8]；另外經(jīng)研究表明，GSDME還可作為一種腫瘤抑制因子抑制腫瘤的生長(zhǎng)[9]。

近年來(lái)，隨著抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(anti-vascular endothelial growth factor，anti-VEGF)等藥物的廣泛應(yīng)用，視網(wǎng)膜疾病引起的視力受損有所減少，尤其是年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration，AMD,)和糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)。然而DR仍然是目前工作年齡人群首要的致盲性眼?。辉S多AMD患者仍會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)視力下降[10-13]。因此，為視網(wǎng)膜疾病尋找新型的治療靶點(diǎn)是廣大學(xué)者的重要使命。伴隨著研究者對(duì)細(xì)胞死亡方式的理解進(jìn)一步加深，自噬依賴(lài)性死亡、線(xiàn)粒體通透性轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)的壞死、焦亡、鐵死亡等死亡方式為許多疾病的治療提供了新的思路。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)焦亡過(guò)程及調(diào)控機(jī)制的深入研究，一些能夠作用于焦亡及焦亡通路中重要調(diào)控因子的藥物正在逐漸被發(fā)掘并臨床試驗(yàn)中。下文就近年來(lái)焦亡在視網(wǎng)膜相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、焦亡與DR

DR是一種糖尿病微血管并發(fā)癥，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球糖尿病患病率為9.3%(4.63億人)，2030年將上升到10.2%(5.78億)，到2045年將上升到10.9%(7億)[14]。隨著糖尿病患者的增多，DR的防治任務(wù)日益嚴(yán)峻。越來(lái)越多的證據(jù)表明，DR可使視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞、視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelial, RPE)細(xì)胞等發(fā)生線(xiàn)粒體功能障礙、線(xiàn)粒體自噬失調(diào)、NLRP3炎癥小體激活及焦亡[15-17]。

近年來(lái)，硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein，TXNIP)被認(rèn)為與炎癥小體激活、促氧化應(yīng)激、促凋亡作用相關(guān)。而TXNIP基因沉默或藥物抑制可減輕NLRP3炎癥小體激活，使線(xiàn)粒體自噬通量趨于正?；?，防止或減緩DR的進(jìn)展[18]。Gu等[19]在高糖(high glucose，HG)培養(yǎng)的人視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human retinal microvascular endothelial cells，HRMECs)中觀(guān)察到miR-590-3p下調(diào)，通過(guò)作用于還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 4，NOX4)和NLRP1誘導(dǎo) HRMECs焦亡。并且IL-1β由細(xì)胞內(nèi)釋放亦可誘導(dǎo)miR-590-3p的下調(diào)，從而正反饋激活NOX4/ROS/TXNIP/NLRP3通路，促進(jìn)炎癥聯(lián)級(jí)反應(yīng)。Xi等[20]用高糖處理細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高糖可促進(jìn)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor alpha，TNF-α)表達(dá)和活性氧(reactive oxygen species,，ROS)產(chǎn)生，降低超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1,SOD1) 的水平，并觸發(fā)了NLRP3炎癥小體激活及焦亡。此外，上調(diào)miR-130a可通過(guò)調(diào)節(jié)TNF-α/SOD1/ROS軸介導(dǎo)的RPE細(xì)胞焦亡，減輕高糖對(duì)RPE細(xì)胞的毒性作用。因此干擾miR-590-3p、miR-130a可能是預(yù)防和治療DR的有效靶點(diǎn)。

二、焦亡與AMD

AMD是一種威脅視力的視網(wǎng)膜疾病，目前治療效果并不令人滿(mǎn)意。據(jù)估計(jì)，到2050年，全球AMD患者的數(shù)量將從2020年的1.96億增加到2.88億[21,22]。早期干預(yù)對(duì)防止AMD病情加重至關(guān)重要。視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelial，RPE)細(xì)胞作為黃斑區(qū)的免疫防御細(xì)胞，其功能障礙是AMD重要的發(fā)病因素[23]。

Yang等[24]用淀粉樣蛋白(Amyloidβ1-40 ，Aβ1-40)作用于RPE細(xì)胞模擬AMD病理狀態(tài)，掃描電鏡顯示細(xì)胞腫脹呈氣泡狀，伴細(xì)胞膜破裂，為焦亡的典型形態(tài)學(xué)特征。酶聯(lián)免疫吸附法檢測(cè)IL-1β和IL-18水平升高。他們還發(fā)現(xiàn)枸杞多糖(lycium barbarum polysaccharides, LBP)可改善RPE細(xì)胞活力及形態(tài)，可通過(guò)抗齊聚和抗焦亡作用挽救Aβ1-40誘導(dǎo)的RPE細(xì)胞損傷，表明枸杞多糖可能成為有效的AMD治療藥物。Gao等[25]發(fā)現(xiàn)X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein, XIAP )的降低會(huì)使RPE細(xì)胞發(fā)生焦亡，IL-18和IL-1β的分泌增多，揭示了caspase-1/XIAP/IL-18/ IL-1β軸可能成為AMD治療中的應(yīng)用靶點(diǎn)。Huang等[26]發(fā)現(xiàn)氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein, ox-LDL)激活了人RPE細(xì)胞系A(chǔ)RPE-19的NLRP3炎性小體，caspase-1的表達(dá)和IL-1β的釋放顯著增加，而三聯(lián)基序蛋白(tripartite motif-containing protein 31，TRIM31)可增強(qiáng)NLRP3泛素化，從而抑制人RPE細(xì)胞的NLRP3炎性小體和焦亡，TRIM31基因過(guò)表達(dá)可保護(hù)RPE細(xì)胞免受炎性小體活化和焦亡的影響。Sun等[27]觀(guān)察到黃芩苷(baicalin)既可通過(guò)miR-223/NLRP3炎癥小體減輕Aβ1-40誘導(dǎo)的RPE細(xì)胞焦亡及活力下降，又可減輕脈絡(luò)膜新生血管(choroidal neovascularization，CNV)的發(fā)生。這表明黃芩苷可能是一種潛在的AMD治療候選者。Wooff等[28]在A(yíng)MD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)caspase -1相關(guān)的光感受器細(xì)胞死亡在很大程度上獨(dú)立于NLRP3、Aim2等炎性小體，即抑制單個(gè)炎癥小體不足以抑制炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)所致的焦亡。以caspase-1為靶點(diǎn)的治療可能為延緩AMD的進(jìn)展提供了更有希望的方法。RPE細(xì)胞中全反式視黃醛(All-trans Retinal，atRAL)異常聚集是AMD及Ⅰ型Stargardt病中RPE萎縮的原因。Liao等[29]發(fā)現(xiàn)atRAL異常積累時(shí)，活性氧(reactive oxygen，ROS)和組織蛋白酶釋放增多會(huì)導(dǎo)致NLRP3炎性體活化，caspase-1/GSDMD、caspase-3/GSDME、IL-1β、IL-18等焦亡相關(guān)蛋白表達(dá)上升。并且通過(guò)抑制ROS，NLRP3炎性小體，caspase-1，組織蛋白酶B或組織蛋白酶D的產(chǎn)生均可保護(hù)RPE細(xì)胞免受atRAL相關(guān)的細(xì)胞毒性作用。

三、焦亡與視網(wǎng)膜脫離

視網(wǎng)膜脫離(retinal detachment，RD)是以視網(wǎng)膜神經(jīng)感覺(jué)層與色素上皮層分離為特征的疾病，雖能使用視網(wǎng)膜復(fù)位手術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位，但60%的孔源性視網(wǎng)膜脫離患者術(shù)后視力低于20/40，且持續(xù)存在較差的視覺(jué)相關(guān)生活質(zhì)量問(wèn)題[30]。

Li等[31]在大鼠RD模型中觀(guān)察到視網(wǎng)膜中焦亡水平升高。由于GSDMD-CT能夠折疊回GSDMD-NT以抑制質(zhì)膜孔的形成，對(duì)細(xì)胞焦亡具有抑制作用。因此他們?cè)诖笫笠暰W(wǎng)膜下注射重組腺相關(guān)病毒2/8 GSDMD-C(rAAV2/8-GSDMD-C, recombinant adeno-associated virus 2/8-GSDMD-C)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)注射rAAV2/8 GSDMD- C組較對(duì)照組IL-1、TNF-α等表達(dá)降低，視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞的激活亦減輕。表明rAAV2/8 GSDMD- C可降低RD后視網(wǎng)膜光感受器的壞死和凋亡，保護(hù)視網(wǎng)膜功能。此外，RD后rAAV2/8 GSDMD-C還可減輕視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞的激活。GSDMD參與RD后光感受器的壞死，GSDMD- C過(guò)表達(dá)可阻斷GSDMD的切割，減輕光感受器損傷。這表明作用于GSDMD-CT能夠通過(guò)抑制焦亡減輕RD對(duì)視網(wǎng)膜的損傷。

四、焦亡與青光眼視神經(jīng)損傷

青光眼是一組以杯狀視神經(jīng)乳頭和視野損害為特征的異質(zhì)性疾病。它是全世界最常見(jiàn)的導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)失明的原因。所有類(lèi)型青光眼的共同特征是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells，RGCs)喪失，視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層變薄，視盤(pán)呈杯狀。研究表明，青光眼性RGCs及其軸突的丟失伴隨著視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞群的改變，并且焦亡水平被檢測(cè)到在青光眼動(dòng)物模型視網(wǎng)膜中顯著上升[32].

Chen等[33]發(fā)現(xiàn)焦亡在急性高眼壓誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜缺血性損傷和RGCs死亡中起關(guān)鍵作用，并且由NLRP12與NLRP3、NLRC4協(xié)同，以依賴(lài)Caspase-8-HIF -1α通路誘導(dǎo)IL-1β成熟。此外，成熟的IL-1β通過(guò)促進(jìn)Caspase-8- HIF-1α- NLRP12/ NLRP3/ NLRC4通路和GSDMD的切割啟動(dòng)神經(jīng)炎癥正反饋回路，放大視網(wǎng)膜缺血損傷期間的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)。該研究為焦亡和神經(jīng)炎癥在急性高眼壓誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜缺血損傷中的作用提供了新的見(jiàn)解，并提示靶向抑制Caspase-8-HIF-1α-NLRP12/ NLRP3/ NLRC4引發(fā)的神經(jīng)炎癥和焦亡可能是一種有前景的急性青光眼治療策略。Zhang等[34]在急性高眼壓大鼠模型中發(fā)現(xiàn)Caspase-1信號(hào)增多分布在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層(GCL)和內(nèi)叢狀層(IPL)，并與神經(jīng)標(biāo)記物微管相關(guān)蛋白(microtubule- associated protein，Map2)共定位，由此得出結(jié)論急性高眼壓可誘導(dǎo)大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)元焦亡，并且給予適當(dāng)劑量的褪黑素(melatonin,MT)可減輕視網(wǎng)膜神經(jīng)元焦亡水平。Wan等[35]觀(guān)察到LncRNA-H19在視網(wǎng)膜缺血/再灌注損傷(Ischemia- reperfusion，I/R)中會(huì)引發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞lncRNA- H19表達(dá)增多，顯著激活NLRP3/6炎癥小體，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞焦亡與神經(jīng)元死亡。這些損傷被lncRNA- H19基因敲除有效抑制。因此lncRNA H19可以作為視網(wǎng)膜I/R損傷的關(guān)鍵治療靶點(diǎn)。

Xue、Zhang等[36,37]在小鼠慢性高眼壓模型中發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞(包括小膠質(zhì)細(xì)胞及Müller細(xì)胞)被明顯激活，細(xì)胞內(nèi)大量ATP被釋放到細(xì)胞外基質(zhì)，再通過(guò)ATP-P2X7R-NLRP3-Caspase-1炎性通路，誘導(dǎo)焦亡并釋放大量細(xì)胞因子如TNF-α,CXC趨化因子配體1(C-X-C motifchemokine ligand-1，CXCL-1)、集落刺激因子1(colony-stimulating factor-1，CSF-1)、IL-6, IL-1β, IL-18, and IL-11等，啟動(dòng)炎癥聯(lián)級(jí)反應(yīng)，并促成了RGCs的死亡。并且自噬作為一種代謝和一般穩(wěn)態(tài)過(guò)程，在其中通過(guò)抑制NLRP3炎癥小體的累積起到抗炎作用，能夠保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞及視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)與功能。因此我們認(rèn)為抑制視網(wǎng)膜中ATP-P2X7R-NLRP3- Caspase-1誘導(dǎo)的焦亡通路，或提高視網(wǎng)膜中細(xì)胞的自噬水平可能是保護(hù)RGCs和青光眼視神經(jīng)損傷的有效方法[38-41]。

五、展望

焦亡作為由Gasdermin介導(dǎo)的細(xì)胞炎性死亡方式，通過(guò)GSDMD-NT在細(xì)胞膜中齊聚形成膜孔致胞膜破裂及胞質(zhì)漏出。焦亡參與了許多感染性和慢性炎癥性疾病的發(fā)病過(guò)程，但在某些條件下也可發(fā)揮積極作用。伴隨著研究者對(duì)焦亡等細(xì)胞程序性死亡認(rèn)識(shí)的不斷深入，焦亡已經(jīng)成為視網(wǎng)膜相關(guān)疾病新的治療靶點(diǎn)，且應(yīng)用價(jià)值已嶄露頭角。但目前的許多研究仍停留在臨床實(shí)驗(yàn)階段，需進(jìn)一步深入研究我們期待其能盡早應(yīng)用于各種視網(wǎng)膜相關(guān)疾病的治療。