細胞焦亡在腫瘤中的研究進展

龔乾，頡紅杰，雙衛(wèi)兵

（1.山西醫(yī)科大學第一臨床醫(yī)學院，山西 太原 030001；2.山西醫(yī)科大學第一醫(yī)院 泌尿外科，山西 太原 030001）

2001 年，LAWRENCE H.BOISE 和 BRAD COOKSON［1］實驗室發(fā)現(xiàn)并證實細菌感染引起的巨噬細胞死亡是一種依賴于半胱天冬酶-1（caspase-1）的且不同于細胞凋亡的程序性細胞死亡方式，并稱其為焦亡（pyroptosis）。細胞焦亡與細胞凋亡、鐵死亡、程序性壞死等不同，它在細胞死亡的機制和形態(tài)學變化上有明顯的自身特點，其中細胞焦亡產(chǎn)生的炎癥反應最具特征，并且與機體免疫和多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)焦亡在多種疾病的發(fā)生發(fā)展中都起到了重要的作用。尤其是在腫瘤方面，細胞焦亡對腫瘤的發(fā)生以及治療是近年來研究的熱點。本文就細胞焦亡的機制、與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系和在腫瘤治療中的研究進展做簡要綜述。

1 細胞焦亡的機制

細胞焦亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種細胞程序性死亡方式，表現(xiàn)為細胞膜上蛋白孔形成、細胞膨脹最終破裂并釋放細胞內(nèi)容物。在病原微生物入侵或內(nèi)部損傷因子作用下，機體內(nèi)固有免疫系統(tǒng)產(chǎn)生一系列反應包括：組裝和激活炎性小體（inflammasome）、激活 caspase、gasdermin D（GSDMD）的激活。其中，GSDMD 是細胞焦亡重要的效應物與焦亡的發(fā)生密切相關(guān)。GSDMD 在被caspase 切割后釋放出N 端結(jié)構(gòu)域后才具有成孔活性，暴露的N 端與質(zhì)膜上的心磷脂和磷酸肌醇相結(jié)合，使質(zhì)膜出現(xiàn)寡聚化蛋白孔洞最終導致細胞破壞。細胞焦亡通過外泄的細胞內(nèi)容物誘導強烈的炎癥反應，保護宿主免受微生物感染。

1.1 caspase-1 依賴的經(jīng)典途徑

細胞內(nèi)模式辨識受體（pattern recognition receptor,PRR）在受細菌、病毒刺激后，傳遞組裝炎性小體（NLRP1、NLRP3、NLRC4 等）的指令。炎性小體使caspase-1 活化，激活后的caspase-1 切割GSDMD 的N 端序列，使其成為具有成孔活性的GSDMD-NT［2］，GSDMD-NT 轉(zhuǎn)移到細胞膜結(jié)構(gòu)中形成質(zhì)膜孔，造成細胞膜的完整性破壞，從而引起細胞內(nèi)滲透壓增加最終導致細胞腫脹、破裂［3-4］。此外激活的caspase-1 能夠促進白介素-1β（IL-1β）、白介素-18（IL-18）的激活與釋放，進一步促進了機體的炎癥反應。同時炎性小體還可作為IL-1β 的加工平臺，促使IL-1β 的成熟和釋放［5］。

1.2 caspase-4/5/11 依賴的非經(jīng)典途徑

在非經(jīng)典途徑中，caspase-4/5/11 可直接被細菌脂多糖激活，活化后的caspase-4/5/11 剪切g(shù)asdermin D 的N 端序列產(chǎn)生有活性的GSDMD-NT，GSDMD-NT 轉(zhuǎn)移到細胞膜上使細胞膜穿孔、細胞腫脹，導致細胞焦亡［6］。caspase4/5 和caspase-11并不直接參與炎癥因子的激活，而是通過誘導caspase-1 的活化間接促進炎癥因子的釋放從而引起機體的炎癥反應。

1.3 caspase-3 介導的細胞焦亡途徑

與上述兩種途徑不同，與caspase-3 相關(guān)的細胞焦亡其效應物為GSDME 蛋白。GSDME 蛋白中同樣具有GSDM 家族共有的重要功能結(jié)構(gòu)域：gasdermin-N 域。通過GSDME 蛋白中存在caspase-3的切割位點，caspase-3 可使GSDME 蛋白具有穿孔活性。最近的研究表明某些化療藥物可以將caspase-3 依賴型的細胞凋亡轉(zhuǎn)化為caspase-1 依賴型的細胞焦亡［7-8］。北京生命科學研究所邵峰實驗室［9］發(fā)現(xiàn)，敲除海拉細胞中GSDMD 基因并補回帶有caspase-3 切割點位的gasdermin E（GSDME）基因，海拉細胞的凋亡過程轉(zhuǎn)變?yōu)榻雇觥Ｆ錂C制是被激活的caspase-3 切割GSDME 形成GSDMENT［10］，后者可特異性地結(jié)合細胞膜上的4、5-二磷酸磷脂酰肌醇，引起質(zhì)膜穿孔、炎癥物質(zhì)釋放、細胞焦亡。

2 細胞焦亡與腫瘤

焦亡對腫瘤影響有雙面性。一方面，細胞焦亡過程中的關(guān)鍵炎癥小體如NLRP3（NLR family pyrin domain protein 3）能夠促進腫瘤細胞死亡、抑制腫瘤細胞的增殖和轉(zhuǎn)移［11］；另一方面，細胞焦亡過程中炎癥小體的累積和炎性因子的過量釋放對于形成腫瘤微環(huán)境又是有利因素［12］。

2.1 細胞焦亡與肺癌

肺癌是導致死亡人數(shù)最多的呼吸系統(tǒng)腫瘤，嚴重威脅著人類的生命健康。在組織學上，肺癌通?？煞譃樾〖毎伟╯mall-cell lung cancer,SCLC）和非小細胞肺癌（non-small-cell lung cancer,NSCLC）。在肺癌的治療中，NSCLC 對化療相對不敏感，靶向治療是對NSCLC 的重要治療方法，但獲得性耐藥在NSCLC 患者中常見［13］。而焦亡作為近年來發(fā)現(xiàn)程序性細胞死亡方式有可能成為治療NSCLC 的有效方法［14］。最近研究發(fā)現(xiàn)：某些藥物對細胞殺傷作用的機制包括細胞焦亡，如辛伐他汀通過激活炎性小體NLRP3—caspase-1—IL-1β、IL-18 通路誘導H1299 和A549 細胞發(fā)生細胞焦亡［15］。另外，常用的化療藥物紫杉醇和順鉑由caspase-3/GSDME 通路誘導A549 細胞發(fā)生細胞焦亡［16］。另一項研究表示，細胞焦亡是一種免疫性細胞死亡，GSDME 是一種腫瘤抑制因子，能夠增強腫瘤相關(guān)巨噬細胞的吞噬作用，促進NK 細胞和CD8+T 淋巴細胞的浸潤和活化，對于腫瘤生長具有抑制作用［8］。在腫瘤的免疫治療中，CHENG等［17］研究發(fā)現(xiàn)一種新型嵌合PD1-NKG2D-41BB 受體通過觸發(fā)細胞焦亡可增強NK92 細胞對肺癌H1299 細胞的抗腫瘤活性。WANG 等［18］基于細胞焦亡的免疫學作用，利用生物正交系統(tǒng)和gasdermin 蛋白激活細胞焦亡，重塑腫瘤微環(huán)境并激活和增強T 細胞介導的抗腫瘤免疫反應，因此細胞焦亡可能突破PD-1 治療的局限性，并與PD-1發(fā)揮協(xié)同作用。

2.2 細胞焦亡與消化系統(tǒng)腫瘤

食道癌是常見的消化系統(tǒng)腫瘤。一項研究發(fā)現(xiàn)在同時應用PLK1 抑制劑和順鉑處理細胞時，細胞中caspase-3 表達增加，隨后引起胞質(zhì)中的GSDME 增加而導致癌細胞發(fā)生焦亡，同時通過對食管癌患者的一項隨訪研究顯示GSDME 的過表達也與食管鱗狀細胞癌患者較好的預后有關(guān)［19］。

隨著細胞焦亡研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)炎性小體在肝臟疾病中起到雙向作用。一方面炎性小體可以保護肝臟免受病原體感染和參與干細胞抗氧化應激及抑制腫瘤生長；另一方面，炎性小體的過度免疫反應可能促進各種肝臟疾病的發(fā)生［20-21］。肝細胞癌（hepatocellular carcinoma,HCC）是我國高發(fā)的消化系統(tǒng)惡性腫瘤，因其早期癥狀不典型，故多數(shù)患者確診時已經(jīng)為中晚期，根治性切除的機會小，傳統(tǒng)放化療治療效果一般［22］。在HCC 組織中發(fā)現(xiàn)炎性小體NLRP3 的表達顯著下降甚至不表達，并且NLRP3 的表達量與HCC 的病理分級和臨床分期呈負相關(guān)，這說明NLRP3 炎癥小體參與了HCC 的發(fā)展過程［23］。在一項研究中，WEI等［24］發(fā)現(xiàn)17β-雌二醇對HCC 細胞具有抑制作用，具體表現(xiàn)為17β-雌二醇通過靶向NLRP3 激活了HCC 細胞中的caspase-1 依賴型細胞焦亡途徑，從而誘導HCC 細胞死亡。細胞焦亡在HCC 的免疫治療中同樣發(fā)揮作用，一方面炎癥小體NLRP3 的激活通過AMPK/mToR 通路抑制了HCC 細胞中的保護性自噬，減弱了HCC 細胞的免疫逃逸能力；另一方面，在巨噬細胞發(fā)生caspase-1 依賴型細胞焦亡后，共同培養(yǎng)的NK 細胞被激活并對HCC 細胞產(chǎn)生細胞毒性并且殺傷HCC 細胞［25］。由此可見，細胞焦亡具有直接殺傷和促進機體自身免疫細胞對抗HCC 細胞的作用，因此細胞焦亡對于HCC 的治療具有重要意義，也為HCC 的靶向治療及藥物研發(fā)帶來新的思路。

2.3 細胞焦亡與乳腺癌

2020 年全球最新癌癥負擔數(shù)據(jù)顯示，乳腺癌取代肺癌成為全球第一大癌癥［26］，乳腺癌的治療也從“一刀切”的方法到個性化治療模式的轉(zhuǎn)變。據(jù)GUO 等［27］報道，在乳腺癌組織中炎癥小體NLRP3 表達下調(diào)或缺失可促進乳腺腫瘤細胞的生長和轉(zhuǎn)移，因此細胞焦亡在乳腺癌治療中的應用越來越受到人們的關(guān)注。相關(guān)研究表明，Omega-3脂肪酸，如二十二碳六烯酸（DHA）通過誘導caspase-1 和gasdermin D 的活化及IL-1β 的分泌，介導了乳腺癌細胞MDA-MB-231 發(fā)生焦亡且DHA誘導乳腺癌細胞發(fā)生焦亡效應比在非癌細胞中高得多［28］。caspase-1、IL-1β 在乳腺癌組織中表達越高，腫瘤病理分級越低，腫瘤體積越小，臨床分期越低，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的可能性也越低［29］。上述結(jié)果提示細胞焦亡相關(guān)蛋白caspase-1 和IL-1β 的表達情況可能影響乳腺癌患者的發(fā)展和預后。

2.4 細胞焦亡與泌尿系腫瘤

關(guān)于細胞焦亡與泌尿系腫瘤治療近年來研究較少，是未來具有較大潛力的研究方向之一。在腎細胞癌（renal cell carcinoma,RCC）的研究中，TAN 等［30］發(fā)現(xiàn)通過基因敲低或使用溴結(jié)構(gòu)域抑制劑JQ1 抑制BRD4，抑制RCC 中的癌細胞增殖和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）。該過程由NLRP3 炎癥小體誘導caspase-1 依賴的細胞焦亡產(chǎn)生。在前列腺癌（prostatic cancer）的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，與正常前列腺相比前列腺癌組織中caspase-3 的表達量明顯下降［31］。非編碼RNA（PVT1）參與前列腺癌的發(fā)生發(fā)展，而PVT1 的敲除使小鼠前列腺癌組織中的caspase-3 的表達量顯著上調(diào)，這說明PVT1 的促癌作用可能與抑制caspase-3 的表達有關(guān)［32］?？梢?，caspase-3 細胞焦亡通路與前列腺癌有著密切的聯(lián)系。另一項回顧性研究表示caspase-3 在前列腺癌組織中的表達與其病理分級（Gleason 評分）有關(guān)，但與術(shù)前PSA 和臨床分期與是否存在遠處轉(zhuǎn)移無關(guān)［33］。NIU 等［34］報道，抗炎藥雙聯(lián)芐類化合物（Marchantin M）作為佐劑可提高多西紫杉醇對前列腺癌細胞凋亡誘導作用，部分細胞凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎雇?，并且發(fā)生焦亡的細胞系對紫杉醇仍具有良好的敏感性。該研究結(jié)果為以細胞焦亡改善腫瘤微環(huán)境并抑制腫瘤細胞的免疫逃逸，及細胞焦亡調(diào)控炎癥介質(zhì)影響藥物的作用途徑從而減少腫瘤細胞的獲得性耐藥提供了新的研究方向。

3 展望

細胞焦亡作為一種促炎性程序性細胞死亡方式，與多種病理生理過程密切相關(guān)，其對腫瘤的殺傷作用已被證實。因此細胞焦亡作為未來應用于腫瘤臨床治療的探索方向，有巨大的研究空間。但細胞焦亡的研究也將面臨許多難題，例如在疾病狀態(tài)下細胞死亡的方式可能是多種并存的，如何準確區(qū)分不同細胞死亡的類型及它們之間的相互影響；如何精確地調(diào)控焦亡的表達水平，以避免在殺傷腫瘤細胞時引起炎癥因子風暴；并且目前細胞焦亡對于各種腫瘤的調(diào)控機制尚未闡明，該領(lǐng)域的探索還有很多的工作要做。