程序性細(xì)胞死亡在膿毒癥發(fā)生發(fā)展中的研究進(jìn)展

薛晉芳，宋海飛，陳國兵,*

(1.昆明理工大學(xué) 醫(yī)學(xué)院， 云南 昆明 650500； 2.云南省第一人民醫(yī)院 急診內(nèi)科， 云南 昆明 650032)

膿毒癥(sepsis)通過炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激、免疫抑制等多種方式導(dǎo)致細(xì)胞死亡，從而對機(jī)體造成不可逆損傷。程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death)是細(xì)胞死亡的重要方式，它參與了膿毒癥病理生理發(fā)展的各個(gè)過程，涉及信號通路的激活、炎性因子的釋放、機(jī)體的自我調(diào)節(jié)與修復(fù)等。調(diào)節(jié)各種類型的程序性細(xì)胞死亡，有助于恢復(fù)細(xì)胞的正常生理功能，因此調(diào)控細(xì)胞程序性死亡對膿毒癥可能發(fā)揮保護(hù)作用。本文綜述了程序性細(xì)胞死亡在膿毒癥中的調(diào)控作用，并討論了這一研究領(lǐng)域可能存在的治療意義。

1 膿毒癥與程序性細(xì)胞死亡

膿毒癥是患者機(jī)體免疫反應(yīng)失衡進(jìn)而引起多器官功能障礙的全身性炎性反應(yīng)綜合征。膿毒癥的啟動(dòng)由單核-巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞通過表達(dá)的模式識別受體(pattern recognition receptors, PRRs)、識別病原表面的病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)、應(yīng)激及損傷組織細(xì)胞釋放的危險(xiǎn)相關(guān)分子模式(danger-associated molecular patterns, DAMPs)，活化免疫細(xì)胞、激活信號通路、誘發(fā)炎性反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，后期發(fā)展為炎性反應(yīng)風(fēng)暴和免疫抑制，導(dǎo)致多器官功能衰竭[1]。在膿毒癥早期，細(xì)胞死亡能夠調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)細(xì)胞的增殖、分化，對維持組織內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；后期不可控的炎性反應(yīng)、免疫抑制、細(xì)胞死亡三者之間形成惡性循環(huán)，對機(jī)體造成不可逆的損傷。程序性細(xì)胞死亡是細(xì)胞死亡的重要方式，包括細(xì)胞凋亡、程序性細(xì)胞壞死、細(xì)胞焦亡、細(xì)胞鐵死亡等[2]。本文將探討膿毒癥與程序性細(xì)胞死亡的關(guān)系，并著重討論程序性細(xì)胞壞死、細(xì)胞焦亡、鐵死亡3種新的細(xì)胞死亡方式在膿毒癥中的作用機(jī)制，以期完善膿毒癥的發(fā)生發(fā)展機(jī)制并為膿毒癥的治療提供新思路。

2 膿毒癥與細(xì)胞凋亡

程序性細(xì)胞死亡中研究最多、最透徹的為細(xì)胞凋亡(apoptosis)。在膿毒癥中，細(xì)胞凋亡可發(fā)生于各個(gè)器官[3]。其信號傳導(dǎo)通路有細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的通路、死亡受體介導(dǎo)的外源性通路、線粒體介導(dǎo)的內(nèi)源性凋亡通路和穿孔素-顆粒酶介導(dǎo)的通路。在細(xì)胞凋亡發(fā)生發(fā)展的過程中也受到諸多基因的調(diào)控，如：Bcl-2 家族、caspase家族、抑癌基因 p53等[4]。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)硫氧還蛋白-1(thioredoxin-1, Trx-1)可以抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，用盲腸結(jié)扎穿孔(cecal ligation and perforation，CLP)制造膿毒癥動(dòng)物模型，Trx-1轉(zhuǎn)基因小鼠生存期較野生型小鼠明顯延長[5]。抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，降低NF-κB的活性能夠減輕膿毒癥小鼠的肺損傷、肺水腫，降低膿毒癥小鼠細(xì)胞凋亡水平及抑制炎性因子的釋放，對膿毒癥的治療有重要意義。隨著對細(xì)胞凋亡機(jī)制研究的深入，其在膿毒癥中的作用開始引起科研人員的注意。膿毒癥時(shí)心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡進(jìn)而誘發(fā)心功能障礙，其機(jī)制可能為線粒體功能受損，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore mPTP)的異常開放，膜電位崩潰、氧化磷酸化解偶聯(lián)、活性氧家族的產(chǎn)生及凋亡蛋白的釋放，這都將引起心肌細(xì)胞的凋亡的發(fā)生[6]。另外膿毒癥患者出現(xiàn)急性腎損傷，其病理組織學(xué)可表現(xiàn)為不同程度的腎小管損傷，腎小管以及免疫細(xì)胞的凋亡。若抑制作為新型連接蛋白家族的pannexin1，或可減少膿毒癥急性腎損傷中 IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的產(chǎn)生，以及腎小管細(xì)胞凋亡。另外在實(shí)驗(yàn)中還提到抑制pannexin1可進(jìn)一步抑制NLRP3，從而能夠抑制炎性細(xì)胞因子的釋放和細(xì)胞凋亡的發(fā)生[7]。膿毒癥患者機(jī)體中各個(gè)環(huán)節(jié)相互誘導(dǎo)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，進(jìn)而造成多器官功能障礙。

3 膿毒癥與程序性細(xì)胞壞死

程序性細(xì)胞壞死(necroptosis)是近期新發(fā)現(xiàn)的、可調(diào)控的細(xì)胞死亡方式，并且在心血管、腎臟、肝臟、神經(jīng)系統(tǒng)感染的發(fā)生發(fā)展中均有參與[8]。在膿毒癥后期參與多器官功能衰竭的的發(fā)生發(fā)展。受體相互作用蛋白激酶1、3(receptor-interacting protein kinase 1、3，RIPK1、RIPK3)介導(dǎo)程序性細(xì)胞壞死，并通過連接混合激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白 (mixed-lineage kinase domain-like protein，MLKL)執(zhí)行[9]。MLKL募集和激活后，與RIPK1、RIPK3復(fù)合形成的壞死小體，使離子通道開放，打破細(xì)胞內(nèi)外穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹破裂，釋放大量細(xì)胞炎性因子，造成嚴(yán)重的組織損傷，加重膿毒癥發(fā)生發(fā)展。

炎性反應(yīng)與氧化應(yīng)激作為膿毒癥發(fā)生發(fā)展的中心環(huán)節(jié)，若能抑制其相關(guān)通路，將會為膿毒癥的治療帶來重大意義。程序性細(xì)胞壞死在宿主防御和炎性反應(yīng)中發(fā)揮重要功能。ATM酪氨酸激酶受體家族(Tyro3/Axl/Mer receptor tyrosine kinase ATM)為程序性壞死的啟動(dòng)子，ATM基因的敲除或抑制，將有效控制小鼠全身炎性反應(yīng)的發(fā)生[10]。程序性細(xì)胞壞死的抑制劑 necrostatin-1(Nec-1)，它可以減輕炎性和氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而可能為治療膿毒癥帶來新的方向[11]。若下調(diào)RIPK1-RIPK3-MLKL信號通路的關(guān)鍵蛋白 RIPK1 及 RIPK3，可對膿毒癥病理生理有顯著的改善，臨床實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn) RIP3水平與膿毒癥并發(fā)癥、病死率成正相關(guān)。更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在膿毒癥發(fā)生發(fā)展過程中抑制RIPK3活性可減少血管內(nèi)皮細(xì)胞、肺泡上皮程序性細(xì)胞壞死，間接抑制促炎因子的產(chǎn)生，避免急性呼吸窘迫綜合征的發(fā)生，從而改善膿毒癥的病理生理過程[12]；以上研究顯示抑制程序性細(xì)胞壞死可能是一種潛在的膿毒癥治療靶點(diǎn)，但因其機(jī)制的復(fù)雜性，還有待進(jìn)一步深入研究。

4 膿毒癥與細(xì)胞焦亡

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)在膿毒癥中的研究備受關(guān)注。現(xiàn)研究較為清楚的細(xì)胞焦亡是以Gasdermin D(GSDMD)介導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡，分為由半胱天冬酶-1(caspase-1)介導(dǎo)的經(jīng)典途徑、半胱天冬酶-4、5、11(caspase-4，5，11) 介導(dǎo)的非經(jīng)典途經(jīng)。在經(jīng)典途徑中，NLRP3/caspase-1/GSDMD信號通路參與了細(xì)胞焦亡的發(fā)生，炎性小體NLRP3可觸發(fā)caspase-1的激活。激活的caspase-1切割 IL-1β、IL-18 的前體，使其活化，同時(shí)切割執(zhí)行蛋白GSDMD，暴露GSDMD-N毒性片段，并移動(dòng)到細(xì)胞膜上進(jìn)行打孔，使IL-1、IL-18 可以自由通過，打破細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的平衡，細(xì)胞發(fā)生腫脹、進(jìn)而死亡。釋放到細(xì)胞外的炎性因子則發(fā)生級聯(lián)反應(yīng)，放大炎性效應(yīng)，加重組織、器官的損傷[13]。由此可見，細(xì)胞焦亡可能在膿毒癥所誘發(fā)的炎性反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。另有，非經(jīng)典通路可由脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)作為觸發(fā)因子，能夠高效的與caspase-4、5、11結(jié)合并誘導(dǎo)其自組裝、激活，促進(jìn)GSDMD暴露毒性片段，引發(fā)細(xì)胞焦亡[14]。

細(xì)胞焦亡中的關(guān)鍵分子GSDMD參與了膿毒癥的發(fā)生發(fā)展過程，GSDMD過度活化后，可誘導(dǎo)白介素-1(IL-1)大量釋放，進(jìn)一步激活炎性反應(yīng)[15]。經(jīng)GSDMD激活后， IL-1與其受體結(jié)合，誘發(fā)級聯(lián)反應(yīng)，IL-6和TNF等促炎因子大量激活、釋放，加重膿毒癥的病理生理過程[16]。GSDMD會誘導(dǎo)膿毒癥患者發(fā)生凝血功能障礙，進(jìn)一步加重病情。巨噬細(xì)胞中GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡會進(jìn)一步觸發(fā)組織因子的釋放，啟動(dòng)凝血過程，耗竭凝血因子，導(dǎo)致膿毒癥合并彌漫性血管內(nèi)凝血(disseminated intravascular coagula-tion，DIC)的發(fā)生[17]。非經(jīng)典型焦亡途徑在膿毒癥中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，GSDMD 基因缺陷或抑制 GSDMD 的生成，小鼠將更少發(fā)生DIC、肺、腸、肝和腎損傷[18]。

在膿毒癥期發(fā)生的早期，細(xì)胞焦亡可以起到抵御細(xì)菌感染的作用，但是過度的細(xì)胞焦亡可導(dǎo)致膿毒性休克、多器官功能障礙等嚴(yán)重狀態(tài)的發(fā)生，抑制過度的細(xì)胞焦亡將成為膿毒癥治療的新思路。此外 GSDMD 作為IL-1的上游分子，可能是治療炎性反應(yīng)、自身免疫、細(xì)胞焦亡相關(guān)疾病最有效的靶點(diǎn)，將來在精準(zhǔn)抗感染、靶向治療膿毒癥中具有廣闊前景。

5 膿毒癥與鐵死亡

鐵死亡(ferroptosis)是一種依賴鐵離子的氧化損傷，可以引起細(xì)胞死亡，是一種新型的程序性細(xì)胞死亡。在腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病、器官缺血再灌注等方面有深入研究。其機(jī)制可能為細(xì)胞攝取胱氨酸受到抑制后，引起細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(glutathione，GSH)減少以及谷胱甘肽過氧化物酶4 (glutathione peroxi-dase 4，GPX4)失活，導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)氧化還原體系平衡狀態(tài)失衡，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物過量蓄積而引發(fā)細(xì)胞死亡，其形態(tài)學(xué)特征是細(xì)胞質(zhì)和脂質(zhì)過氧化物增多，胞質(zhì)內(nèi)存在體積小于正常的線粒體、其形態(tài)為膜密度濃縮、增高，線粒體嵴的減少、線粒體外膜破裂[19-20]。

生理狀態(tài)下，鐵死亡可能對機(jī)體產(chǎn)生保護(hù)作用；病理情況下，機(jī)體受到強(qiáng)烈刺激，鐵死亡程度增加，將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。2019年有研究顯示鐵死亡可能也參與了膿毒癥的炎性反應(yīng)與氧化應(yīng)激，利用腹腔注射脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)建立大鼠炎性反應(yīng)相關(guān)性腦病(inflammatory reaction-related encephalopathy)模型并設(shè)置對照組，實(shí)驗(yàn)組的大鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞氧化應(yīng)激水平及脂質(zhì)過氧化物含量較對照組升高，神經(jīng)細(xì)胞鐵死亡增加，大鼠行為學(xué)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)組大鼠認(rèn)知功能降低；劑量為30 mg/kg LPS組，鏡下可見廣泛錐體細(xì)胞水腫變性，部分胞質(zhì)疏松淡染呈氣球樣，大量嗜堿性顆粒，并伴有大量炎性細(xì)胞浸潤[21]。膿毒癥患者血清鐵含量降低、感染指標(biāo)及脂質(zhì)過氧化物含量升高與遠(yuǎn)期病死率和認(rèn)知功能障礙發(fā)生率升高顯著相關(guān)[22]。因此，降低細(xì)胞內(nèi)鐵沉積，減輕炎性反應(yīng)及脂質(zhì)過氧化水平，阻斷細(xì)胞鐵死亡的相關(guān)信號傳導(dǎo)通路或?qū)槟摱景Y的治療帶來新的思路。

6 問題與展望

膿毒癥患者機(jī)體內(nèi)可能存在各種細(xì)胞死亡形式，而抑制過度的細(xì)胞死亡，降低劇烈的炎性反應(yīng),同時(shí)避免免疫細(xì)胞死亡導(dǎo)致的免疫低下將是未來精準(zhǔn)治療的方式。然而在膿毒癥發(fā)生發(fā)展過程中，不同的細(xì)胞類型可能出現(xiàn)不同的細(xì)胞死亡方式，精準(zhǔn)治療將是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。程序性細(xì)胞死亡在膿毒癥中的研究進(jìn)展是新的臨床熱點(diǎn)。其中程序性細(xì)胞壞死、細(xì)胞焦亡、細(xì)胞鐵死亡在膿毒癥中的分子機(jī)制不斷深入，針對各種細(xì)胞死亡的干預(yù)措施也逐漸增多，但因在膿毒癥不同時(shí)期，細(xì)胞死亡發(fā)揮不同的作用。膿毒癥早期，各類細(xì)胞死亡方式通過代償方式對膿毒癥發(fā)揮保護(hù)作用，但后期，不可控的炎性反應(yīng)，氧化應(yīng)激等機(jī)制的出現(xiàn)對機(jī)體將造成不可逆的損傷。在膿毒癥發(fā)展的不同時(shí)期，各類細(xì)胞死亡方式對膿毒癥的調(diào)節(jié)作用有時(shí)難以進(jìn)行有效鑒別。調(diào)控程序性細(xì)胞死亡治療膿毒癥仍在探索之中。深入研究膿毒癥不同時(shí)期的細(xì)胞凋亡機(jī)制以及調(diào)控方式，必將對膿毒癥的治療帶來新的思路和方向。