細(xì)胞焦亡在肝損傷微環(huán)境中的作用研究進(jìn)展

張 釗,葛乃嘉,馬新月,刁佳雯,全吉淑

(延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院,吉林 延吉 133002)

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)是一種新型的細(xì)胞程序性死亡機(jī)制,其分子機(jī)制及形態(tài)學(xué)特征與凋亡,壞死,自噬等其他形式的細(xì)胞死亡機(jī)制有著顯著的差別[1]。細(xì)胞焦亡以形成細(xì)胞微孔、細(xì)胞腫脹、胞膜破裂、最終導(dǎo)致炎癥因子和細(xì)胞內(nèi)容物的釋放為主要特征。細(xì)胞焦亡激活后細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生焦亡相關(guān)炎癥因子及炎癥小體,最終引發(fā)局部或全身的炎癥反應(yīng)[2]。一方面,細(xì)胞焦亡可以協(xié)助機(jī)體免疫系統(tǒng)及時清除病原體[3]。另一方面,過度的炎癥小體激活可引起強(qiáng)烈的炎性反應(yīng),并最終導(dǎo)致疾病的加劇[3]。肝作為人體最大的腺器官,在維持機(jī)體代謝和免疫穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著極其重要的作用[4]。而肝組織中的許多細(xì)胞均能發(fā)生細(xì)胞焦亡,從而參與肝的免疫防御反應(yīng),但是細(xì)胞焦亡的過度發(fā)生將會導(dǎo)致肝損傷的加劇,危害機(jī)體的健康[5]。本文主要就細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制及其對肝損傷微環(huán)境中的多種細(xì)胞如免疫細(xì)胞、肝細(xì)胞、肝星狀細(xì)胞的影響加以綜述。

1 細(xì)胞焦亡的激活途徑

細(xì)胞焦亡依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase),細(xì)菌感染以及細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)均能夠激活炎性小體而引起細(xì)胞焦亡[6],其特征是caspase-1/4/5/11 被激活后,其下游蛋白如白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-18(IL-18)隨之釋放,并誘導(dǎo)打孔蛋白消皮素D(gasdermin D,GSDMD)的活化成熟,使細(xì)胞膜微孔形成,細(xì)胞快速腫脹破裂,細(xì)胞內(nèi)容物及炎癥因子釋放,從而參與機(jī)體的免疫炎性反應(yīng)[7]。細(xì)胞焦亡主要分為依賴caspase-1 激活的經(jīng)典途徑,以及依賴caspase-4/5/11 激活的非經(jīng)典途徑[8]。

1.1 經(jīng)典途徑

細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑大多是由胞內(nèi)多聚蛋白復(fù)合物炎癥小體(inflammasome)介導(dǎo)完成[9],其起始于炎癥小體識別各種外源性和內(nèi)源性危險信號,包括病原相關(guān)分子模式(PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)[10]。炎癥小體系統(tǒng)的受體成分是由核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域(NOD)樣受體(NLRs)形成的,根據(jù)不同的胞質(zhì)模式識別受體(PRR)蛋白,NLRs 可分為 NLRP1 (NLR family pyrin domain containing 1)、NLRP3 (NLR family pyrin domain containing 3)、NAIPs(NLR family apoptosis inhibitory proteins)、NLRC4 (NOD-like receptor containing a caspase activating and recruitment domain 4)或黑色素瘤缺乏因子-2(absent in melanoma 2,AIM2)。這些受體蛋白與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosisassociated speck-like protein containing caspase recruitment domains,ASCs)相結(jié)合,ASC 包含兩個結(jié)構(gòu)域:分別是與PRR 相互作用的pyrin 結(jié)構(gòu)域(PYD),以及與caspase-1 相互作用的caspase 招募結(jié)構(gòu)域(CARD)[11]。通過這兩個結(jié)構(gòu)域,ASC 可以與PRR 和caspase 前體蛋白相互結(jié)合,最終組成炎癥小體[12]。

其中caspase-1 是目前唯一確認(rèn)的參與細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑的caspase 蛋白,而NLRP3 炎癥小體由NLRP3 蛋白、ASC 和caspase-1 組成[13],是目前研究較為深入,且能夠接收病原體、毒素等多種刺激信號的一種炎癥小體。NLRP3 炎癥小體激活caspase-1 導(dǎo)致IL-1β 前體和IL-18 前體的裂解,并使其產(chǎn)生成熟的、具有生物活性的細(xì)胞因子[13]。此外,活化的caspase-1 也將GSDMD 切割成具有活性的片段,并使其轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜磷脂層,在胞膜上形成大小不等的蜂窩狀孔洞,繼而引起細(xì)胞腫脹破裂,最終導(dǎo)致IL-1β、IL-18、乳酸脫氫酶(LDH)及其他可溶性胞質(zhì)內(nèi)容物的大量釋放,引起細(xì)胞發(fā)生焦亡[14]。因此,這證明了細(xì)胞焦亡是由炎癥小體激活并通過GSDMD 介導(dǎo)的細(xì)胞炎性壞死。

1.2 非經(jīng)典途徑

與典型的焦亡相比,焦亡的非經(jīng)典途徑是由caspase-4/5(小鼠中的caspase-11)激活介導(dǎo)的,它可以直接被脂多糖(LPS)激活[15]。LPS 的lipidA 部分可以識別并與CARD 結(jié)構(gòu)域結(jié)合,然后促進(jìn)caspase-4/5/11 寡聚和激活,使其切割并激活GSDMD,這一過程類似于焦亡經(jīng)典途徑[16]。caspase-4/5/11 也可以激活泛連接通道蛋白1(pannexin-1),隨后打開膜通道P2X7,導(dǎo)致細(xì)胞膜上形成微孔。此外,激活的pannexin-1 可以通過K+外排激活NLRP3 炎癥小體,導(dǎo)致caspase-1 活化及IL-1β 的產(chǎn)生和釋放[16]。通過GSDMD 和pannexin-1,細(xì)胞焦亡的經(jīng)典與非經(jīng)典途徑將協(xié)同發(fā)揮作用。

細(xì)胞膜上的GSDMD 孔對細(xì)胞是有害的,但如果質(zhì)膜中的孔隙數(shù)量較少,細(xì)胞正常的修復(fù)能力可以填補(bǔ)這些孔道。然而,如果GSDMD 孔的數(shù)量超過細(xì)胞的自我修復(fù)能力,Na+和水將進(jìn)入細(xì)胞,細(xì)胞體積將逐漸增大,最終引起細(xì)胞的腫脹破裂[14]。此外,通過GSDMD 孔釋放的IL-18 與IL-1β,可以招募免疫細(xì)胞至炎癥部位,IL-18 可以刺激T 細(xì)胞增殖,加強(qiáng)NK 細(xì)胞活性,誘導(dǎo)細(xì)胞因子的生成并觸發(fā)炎癥急性期信號反應(yīng)[17]。而IL-1β 能夠引起肝中主要的促纖維化細(xì)胞肝星狀細(xì)胞(HSCs)的增殖和反分化,導(dǎo)致肝纖維化組織的積累[18]。

2 細(xì)胞焦亡在肝損傷微環(huán)境中的作用

肝是機(jī)體抵御血液循環(huán)系統(tǒng)中各種病原微生物及毒素的第一道防線,而炎癥小體作為焦亡的受體,在肝中的免疫細(xì)胞、肝細(xì)胞、肝星狀細(xì)胞等多種細(xì)胞中均高表達(dá)[5]。這些細(xì)胞的焦亡途徑激活后,可以及時發(fā)揮肝正常的免疫防御反應(yīng),也可以直接或間接導(dǎo)致肝損傷的進(jìn)一步加劇。

2.1 免疫細(xì)胞

肝組織中的免疫細(xì)胞主要包括巨噬細(xì)胞和粒細(xì)胞,其中巨噬細(xì)胞可以第一時間檢測到肝中存在的危險信號[19],因此巨噬細(xì)胞的焦亡是導(dǎo)致肝病發(fā)展的重要原因之一。Pelegrin 等[20]研究表明LPS 與ATP 協(xié)同作用可以誘導(dǎo)J774a.1 巨噬細(xì)胞焦亡,并激活P2X7 受體,使其快速釋放大量IL-1β。庫普弗細(xì)胞(Kupffer cell)是肝組織中可以自我更新的一種巨噬細(xì)胞,它可以清除內(nèi)毒素,并釋放IL-1β、IL-18等炎癥因子以維持肝組織微環(huán)境的免疫穩(wěn)態(tài)[21]。Mirshafiee 等[22]研究表明稀土氧化物可以引起NLRP3 炎性小體和caspase-1 的激活,導(dǎo)致庫普弗細(xì)胞及其他巨噬細(xì)胞系,如J774A.1 和RAW264.7 細(xì)胞的焦亡。因此,肝組織中巨噬細(xì)胞焦亡對肝損傷微環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在兩方面:一是巨噬細(xì)胞的焦亡可以影響免疫防御系統(tǒng)及時對病原體,內(nèi)毒素等危險信號作出應(yīng)答；另一方面,巨噬細(xì)胞焦亡產(chǎn)生的IL-1β 等炎癥因子可以進(jìn)一步加深肝損傷的程度。

研究表明許多慢性肝損傷疾病的明顯特征是免疫反應(yīng)失調(diào)和肝細(xì)胞死亡[23]。Palacios-Macapagal 等[24]的體內(nèi)模型研究發(fā)現(xiàn)壞死肝細(xì)胞能夠誘導(dǎo)嗜酸性粒細(xì)胞的募集,使其分泌IL-1β 和IL-18,并伴有脫顆粒和細(xì)胞死亡現(xiàn)象,而caspase-1 抑制劑能夠阻斷所有這些反應(yīng)。進(jìn)一步研究表明曼氏血吸蟲感染小鼠肝竇中的曼氏菌卵可導(dǎo)致肝細(xì)胞死亡、炎癥和進(jìn)行性肝纖維化,從中可以分離出大量嗜酸性粒細(xì)胞,并證實(shí)其發(fā)生了由caspase-1 介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡。這表明,細(xì)胞焦亡是嗜酸性粒細(xì)胞用來應(yīng)對大規(guī)模肝細(xì)胞死亡的一種重要途徑。

2.2 肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞

除免疫細(xì)胞外,細(xì)胞內(nèi)在炎癥小體的激活可以引起肝細(xì)胞焦亡并加劇肝組織炎癥及纖維化[25]。Lebeaupin 等[26]用LPS 誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,引起NLRP3 炎癥小體的激活,從而導(dǎo)致肝細(xì)胞焦亡及炎癥的發(fā)生。而Chen YL 用盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)誘導(dǎo)小鼠肝膿毒癥模型,引起NLRP3 及caspase-1 上調(diào),進(jìn)而使肝細(xì)胞發(fā)生焦亡,并且其研究表明肝損傷程度與焦亡相關(guān)蛋白如NLRP3、caspase-1 表達(dá)量等呈正相關(guān)[27]。肝細(xì)胞可以感知循環(huán)系統(tǒng)中的PAMPs,如LPS,隨后將高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)釋放到細(xì)胞外結(jié)合LPS,并通過晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end-products,RAGE)內(nèi)化到巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的溶酶體中。隨后HMGB1 在溶酶體的酸性環(huán)境中使磷脂雙分子層通透性增強(qiáng),導(dǎo)致LPS 泄漏到細(xì)胞質(zhì)中引起caspase-11 的激活,繼而引起肝損傷的進(jìn)一步惡化[28]。這一結(jié)果也證實(shí)了肝細(xì)胞焦亡在肝損傷微環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。

2.3 肝星狀細(xì)胞

肝星狀細(xì)胞中炎癥小體的激活在肝纖維化的發(fā)展中起著重要作用[29]。肝纖維化的特征是細(xì)胞外基質(zhì)的沉積,而肝星狀細(xì)胞是主要儲存細(xì)胞外基質(zhì)的細(xì)胞[30]。Boaru 等[31]研究表明NLRP3 炎癥小體激活后釋放的促炎細(xì)胞因子(IL-1β 和IL-18)可以在體外激活肝星狀細(xì)胞和組織成纖維細(xì)胞的焦亡。Watanabe 等[32]研究證實(shí)從損傷的肝細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中釋放的細(xì)胞因子和DAMPs 可以激活肝星狀細(xì)胞的焦亡并誘導(dǎo)肝纖維化。Wree 等[25]的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,NLRP3 突變小鼠高表達(dá)的NLRP3 誘導(dǎo)肝星狀細(xì)胞發(fā)生焦亡,使其結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF)和基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑1 (tissue inhibitor of matrix metalloproteinase1,TIMP1)表達(dá)增高,致肝組織膠原沉積增多,引起較為嚴(yán)重的肝炎及肝纖維化。因此,肝組織中肝星狀細(xì)胞焦亡的激活是肝炎,肝纖維化發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 總結(jié)與展望

綜上所述,細(xì)胞焦亡對肝組織在抵御病原體及各種危險信號時發(fā)揮的免疫防御作用極其重要,但過度的焦亡會促進(jìn)肝損傷的進(jìn)一步加劇。然而細(xì)胞焦亡過程復(fù)雜,其在肝多種細(xì)胞中的詳細(xì)分子機(jī)制以及不同細(xì)胞間的竄擾作用有待進(jìn)一步研究。近年來,抗細(xì)胞焦亡藥物以及針對焦亡的靶點(diǎn)治療在肝損傷的治療上有著非常可觀的發(fā)展前景。我們可以通過阻斷相關(guān)分子(如NLPR3、caspases 和IL-1 等)來抑制焦亡對肝損傷的影響,這對于肝病來說是一種潛在的治療方法。但是細(xì)胞焦亡是抵御病原體及危險信號的一道重要防線,抑制焦亡可能影響機(jī)體正常的免疫反應(yīng),進(jìn)而增加機(jī)會性感染的風(fēng)險。因此,如何在維持機(jī)體正常免疫的情況下,抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生,并達(dá)到動態(tài)的平衡,仍需要更多的研究。所以,對于細(xì)胞焦亡機(jī)制的進(jìn)一步探索將有助于抗細(xì)胞焦亡藥物與細(xì)胞焦亡相關(guān)靶點(diǎn)治療的研究與利用。