細(xì)胞焦亡在風(fēng)濕免疫類疾病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

高晶月,劉維,王愛華,李培豪,張淑敏

天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院風(fēng)濕免疫科,國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心,天津 300193

細(xì)胞可以通過不同的生化途徑觸發(fā)死亡,從而產(chǎn)生不同的形態(tài)和生理結(jié)果。細(xì)胞凋亡(Apoptotic)可能是最廣為人知的細(xì)胞死亡方式,細(xì)胞凋亡的形態(tài)特征包括細(xì)胞質(zhì)和核的縮合,DNA裂解和細(xì)胞膜的完整。凋亡的細(xì)胞被包裝成凋亡小體,在體內(nèi)被吞噬和清除,不會導(dǎo)致炎癥因子的釋放[1-2]。而細(xì)胞焦亡(Pyroptosis)是一種新的程序性細(xì)胞死亡,由Brennan和Cookson[3]在2001年首次提出。不同于細(xì)胞凋亡,其特征是細(xì)胞膜出現(xiàn)孔洞、細(xì)胞腫脹破裂,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)促炎因子的釋放,導(dǎo)致強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)發(fā)生[4]。

細(xì)胞焦亡的觸發(fā)包括經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。經(jīng)典途徑由胱天蛋白酶-1(caspase-1)介導(dǎo),機(jī)體受到外來刺激時,NOD樣受體蛋白3(NLRP3)識別病原體相關(guān)分子模式(PAMPs),與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(ASC)聚合,并募集pro-caspase-1形成NLRP3炎性小體,隨后pro-caspase-1被水解為有活性的cleaved-caspase-1,活化的caspase-1進(jìn)一步切割GasderminsD(GSDMD),導(dǎo)致細(xì)胞打孔,白細(xì)胞介素(IL)-1β、IL-18等細(xì)胞因子釋放[5-7]。非經(jīng)典途徑由caspase-4和caspase-5(在小鼠中由caspase-11)介導(dǎo),革蘭陰性菌脂多糖(LPS) 誘導(dǎo)這些caspase的寡聚和激活,直接裂解GSDMD,使細(xì)胞成孔[8-9]。

Gasdermins蛋白家族是一類具有打孔效應(yīng)的蛋白,可使細(xì)胞膜打孔,導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生。目前發(fā)現(xiàn)該家族包括6個蛋白:GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME(也稱DFNA5)和PJVK(也稱DFNB59)。其中GSDMD是細(xì)胞焦亡的執(zhí)行蛋白,是所有炎性caspase的共同底物蛋白,GSDMD可被caspase切割為具有成孔作用的GSDMD-N和具有自抑制作用的GSDMD-C,GSDMD-N可與細(xì)胞上的脂質(zhì)結(jié)合,在膜上打孔進(jìn)而破壞細(xì)胞膜的完整性,使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)釋放[8-10]。近年來有研究顯示GSDME可被caspase-3切割,從而引起細(xì)胞焦亡,此途徑可被線粒體途徑激活[11-13]。

現(xiàn)已證實(shí)細(xì)胞焦亡與許多疾病密切相關(guān),如腫瘤[14]、感染性疾病[15]、心血管疾病[16]等。細(xì)胞焦亡在風(fēng)濕免疫類疾病的發(fā)病機(jī)制中也起到重要作用[17],如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、痛風(fēng)、骨關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等。本文就細(xì)胞焦亡在風(fēng)濕免疫類疾病發(fā)病機(jī)制中的作用進(jìn)行綜述,為闡明風(fēng)濕免疫類疾病的發(fā)病機(jī)制提供新的視角,也為風(fēng)濕免疫類疾病的治療提供新的可能靶點(diǎn)。

1 類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA)

RA是一種進(jìn)行性、侵蝕性多關(guān)節(jié)炎,以滑膜炎為主要病理特征,是造成我國人群勞動力喪失和致殘的主要病因之一,已有許多研究證實(shí)炎癥因子參與RA的發(fā)病[18-20]。Yang等[21]發(fā)現(xiàn)LPS可以通過NLRP3/caspase-1/GSDMD 和caspase-3/GSDME這2條信號通路誘導(dǎo)滑膜成纖維細(xì)胞焦亡,并且這2條信號通路可以相互促進(jìn)。Wu等[22]發(fā)現(xiàn),與健康對照者(HC)單核細(xì)胞相比,RA患者單核細(xì)胞中GSDMD-N的表達(dá)和乳酸脫氫酶(LDH)的釋放顯著增加,且在電鏡下細(xì)胞呈典型的腫脹,胞膜出現(xiàn)大氣泡。使用RA患者的血清培養(yǎng)HC單核細(xì)胞也得到相同結(jié)果。且與低疾病活動度的RA患者血清培養(yǎng)的細(xì)胞相比,高疾病活動度的RA患者血清培養(yǎng)的細(xì)胞GSDMD的表達(dá)更高,IL-1β、IL-6的釋放也更多。這表明細(xì)胞焦亡參與了RA的發(fā)病,且細(xì)胞焦亡的發(fā)生率可能與RA疾病活動度呈正相關(guān)。

此外,研究發(fā)現(xiàn)PTX3(pentraxin-3)與補(bǔ)體C1q通過協(xié)同作用增加了RA細(xì)胞焦亡的發(fā)生[22]。Chen等[23]還發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNAhsa_circ_0044235在RA患者中表達(dá)被抑制,過表達(dá)hsa_circ_0044235可以抑制NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡的發(fā)生,此調(diào)控作用可能是通過miR-135b-5p/SIRT1調(diào)控軸來實(shí)現(xiàn)。

Wu等[24]發(fā)現(xiàn)酸敏感離子通道1a(ASIC1a)可能通過升高細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度([Ca2+]i),介導(dǎo)佐劑性關(guān)節(jié)炎(AA)大鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的細(xì)胞焦亡。用不同的pH水平刺激大鼠原代關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外酸中毒可增加ASIC1a、NLRP3炎性小體的蛋白表達(dá)升高,LDH的分泌增加;抑制ASIC1a表達(dá)可減少細(xì)胞焦亡相關(guān)分子的表達(dá)。Xie等[25]發(fā)現(xiàn)miRNA-33內(nèi)膜信號通路可能與RA細(xì)胞焦亡的發(fā)生相關(guān)。與健康對照者相比,RA患者外周血單核細(xì)胞中miRNA-33和NLRP3表達(dá)明顯升高。而抑制miRNA-33表達(dá)可抑制NLRP3的表達(dá),進(jìn)而抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生。Li等[26]發(fā)現(xiàn)MRE11A的缺乏加劇了RA患者細(xì)胞焦亡的發(fā)生。RA患者CD4+T細(xì)胞中DNA修復(fù)核酸酶MRE11A蛋白濃度比對照組低50%,抑制MRE11A活性導(dǎo)致caspase-1依賴的T 細(xì)胞病死率增加。Ge等[27]發(fā)現(xiàn),安石榴苷(Punicalagin)能夠降低CIA小鼠NLRP3炎性小體的表達(dá),抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生,從而起到改善炎癥的作用。

2 痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎

痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎是單鈉尿酸鹽(MSU)介導(dǎo)的晶體性關(guān)節(jié)病,由于機(jī)體血尿酸水平升高,尿酸鹽結(jié)晶析出,沉積于關(guān)節(jié),導(dǎo)致急性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[28-30]。Fabio等[31]發(fā)現(xiàn),MSU可激活NLRP3,促使ASC完成NLRP3炎性小體的裝配,從而激活caspase-1,促使IL-1β和IL-18的成熟與分泌。而在NLRP3、ASC、caspase-1缺乏的細(xì)胞中,MSU的刺激不能產(chǎn)生成熟的IL-1β。

Rashidi等[32]發(fā)現(xiàn),使用MSU刺激LPS預(yù)處理過的小鼠骨髓巨噬細(xì)胞(BMDMs)后,在細(xì)胞裂解液和上清液中同時檢測到GSDMD被切割至活性形式p30。而使用GSDMD抑制劑后,MSU刺激導(dǎo)致的caspase-1及IL-1β的活化均減少。這表明GSDMD在痛風(fēng)炎癥的發(fā)展中起到重要作用,但該研究也表明MSU晶體在體外誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和IL-1β的釋放并不完全依賴于GSDMD。Wang等[33]發(fā)現(xiàn)P2Y14R基因參與了痛風(fēng)細(xì)胞焦亡的調(diào)控,P2Y14R基因敲除的GA大鼠滑膜組織NLRP3炎性小體裝配被抑制,細(xì)胞焦亡發(fā)生減少。在隨后的人單核細(xì)胞系(THP-1)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中也得到了相同的結(jié)果。Tian等[34]發(fā)現(xiàn)miR-223-3p通過靶向抑制NLRP3從而減少M(fèi)SU誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡。MSU能夠加劇GA大鼠滑膜成纖維細(xì)胞(FLSs)中miR-223-3p的表達(dá)下調(diào),而miR-223-3p的模擬物可以抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生,過表達(dá)NLRP3可以抵消miR-223-3p模擬物的作用。

Lin等[35]發(fā)現(xiàn)崗松提取物能夠減輕GA小鼠氧化應(yīng)激損傷,抑制NLRP3炎性小體的裝配,從而抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生。Wang等[36]也發(fā)現(xiàn)菊苣酸能夠顯著抑制MSU刺激的THP-1中核因子抑制蛋白(IκBα)的降解,抑制了核因子(NF-κB)信號通路的激活以及NLRP3炎性小體的活化,并降低了IL-1β、TNF-α等炎癥因子的水平。

3 骨關(guān)節(jié)炎(OA)

OA是常見的退行性病變,以關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行性破壞、軟骨下骨硬化、滑膜增生和骨贅形成為主要特征,現(xiàn)已證實(shí)IL-1β、IL-18、NF-κB等炎癥因子在OA發(fā)病中起著重要作用[37-38]。研究表明NLRP3在OA中被激活,NLRP3抑制劑CY-09能夠抑制細(xì)胞焦亡,從而達(dá)到維持細(xì)胞外基質(zhì)穩(wěn)態(tài)以及調(diào)節(jié)炎癥的作用[39]。Zhang等[40]發(fā)現(xiàn),KOA大鼠滑膜組織中焦亡相關(guān)分子表達(dá)上調(diào)。降低caspase-1的表達(dá),可減少巨噬細(xì)胞焦亡的發(fā)生,而降低GSDMD的表達(dá)可降低KOA滑膜成纖維細(xì)胞的纖維化標(biāo)志物水平。該團(tuán)隊(duì)另一項(xiàng)研究[41]發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)升高與KOA細(xì)胞焦亡發(fā)生相關(guān),抑制HIF-1α的表達(dá)可抑制KOA中FLSs細(xì)胞焦亡的發(fā)生,下調(diào)細(xì)胞焦亡相關(guān)分子的表達(dá),改善滑膜纖維化。表明細(xì)胞焦亡參與了OA的發(fā)病,且可能與纖維化的發(fā)生相關(guān)。Qian等[42]發(fā)現(xiàn)過表達(dá)miR-107可以抑制OA中細(xì)胞焦亡的發(fā)生,且miR-107可直接靶向于caspase-1從而起到抑制焦亡的作用。還有研究[43]表明病毒雙鏈RNA類似物polyI:C刺激人軟骨細(xì)胞(ACF)后,ACF細(xì)胞增殖受到抑制,NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18的mRNA表達(dá)顯著升高。且胞內(nèi)受體MDA5表達(dá)為對照組的118倍。提示MDA5受體通路是polyI:C誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞細(xì)胞焦亡重要通路之一。

Zhao等[44]發(fā)現(xiàn)除NLRP3外,NLRP1炎性小體與OA病理中細(xì)胞焦亡的發(fā)生也高度相關(guān)。膝骨關(guān)節(jié)炎(KOA)患者滑膜中NLRP1、NLRP3、ASC、caspase-1表達(dá)升高,LPS+ATP誘導(dǎo)的FLSs細(xì)胞中也發(fā)生NLRP1、NLRP3表達(dá)升高。敲低NLRP1和NLRP3的表達(dá)均能降低LPS+ATP誘導(dǎo)的FLSs中ASC、caspase-1、GSDMD和IL-18的表達(dá)。

Liu等[45]發(fā)現(xiàn)小劑量吲哚美辛聯(lián)合Hedgehog信號抑制劑GANT-61能夠下調(diào)OA中caspase-1、IL-1β、IL-18的表達(dá),提示吲哚美辛和GANT-61可協(xié)同抑制OA的細(xì)胞焦亡,從而達(dá)到改善炎癥的作用。Zu等[46]發(fā)現(xiàn)淫羊藿苷也能夠抑制NLRP3/caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡,從而達(dá)到改善OA的作用。

4 強(qiáng)直性脊柱炎(AS)

AS主要累及骶髂關(guān)節(jié)及脊柱關(guān)節(jié),其特征性病理改變?yōu)轺诀年P(guān)節(jié)炎、中軸關(guān)節(jié)炎、肌腱及韌帶附著點(diǎn)炎癥[47-48]。研究表明在AS患者的腸道、滑膜和骨髓樣本中均觀察到NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18的表達(dá)上調(diào),GSDMD的膜定位也證實(shí)了存在細(xì)胞焦亡的發(fā)生[49]。有研究[50]也發(fā)現(xiàn),AS患者外周血單核細(xì)胞(PBMC)中NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β、IL-17A和IL-23的表達(dá)均升高。體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)LPS可誘導(dǎo)PBMC表達(dá)NLRP3、caspase-1、ASC、IL-1β、IL-17A和IL-23。

Gu等[51]發(fā)現(xiàn)AS患者滑膜組織miR-204表達(dá)降低,NLRP3、caspase-1、caspase-11、GSDMD升高,過表達(dá)miRNA-204可抑制FLSs細(xì)胞焦亡發(fā)生率,降低FLSs中[Ca2+]i、NLRP3、caspase-1和caspase-11的水平。而過表達(dá)GSDMD可阻斷miR-204過表達(dá)對FLSs的保護(hù)作用。

5 系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)

SLE是自身免疫介導(dǎo)的彌漫性結(jié)締組織病。其病理特點(diǎn)是自身抗體的產(chǎn)生,免疫復(fù)合物的沉積,以及多系統(tǒng)的受累。程序性細(xì)胞死亡在SLE的發(fā)病中起到重要作用[52-53]。Fan等[54]發(fā)現(xiàn),狼瘡模型小鼠MRL/lpr小鼠胸腺和脾臟中NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18、TNF-α的mRNA表達(dá)均升高。免疫組化顯示5個指標(biāo)在脾臟的表達(dá)均高于胸腺,且脾臟/ 胸腺表達(dá)比值穩(wěn)定。Zhao等[55]發(fā)現(xiàn),與健康對照組小鼠相比,在MRL/lpr小鼠腎臟中嘌呤類受體P2X7、NLRP3、ASC、caspase-1(p20)的蛋白表達(dá)增強(qiáng),IL-1β水平升高。降低P2X7表達(dá)可減少M(fèi)RL/ lpr小鼠腎臟NLRP3、ASC和caspase-1(p20)的表達(dá),降低IL-1β水平,且能減輕MRL/lpr小鼠腎損傷的程度。并且在狼瘡性腎炎模型小鼠實(shí)驗(yàn)中得到了相似的結(jié)果。這提示了炎癥因子在SLE的發(fā)病中也起到重要作用。

有研究[56]表明GSDMD可通過不同機(jī)制促進(jìn)中性粒細(xì)胞胞外殺菌網(wǎng)絡(luò)NETs形成釋放,而后Kahlenberg等[57]發(fā)現(xiàn),NETs和LL-37(一種位于NETs上的抗菌蛋白)可以通過P2X7受體介導(dǎo)的鉀外流激活巨噬細(xì)胞NLRP3炎癥小體,使caspase-1活化,導(dǎo)致IL-1β和IL-18的釋放。IL-18又能進(jìn)一步刺激NETosis導(dǎo)致前饋炎癥循環(huán),以致疾病活動和(或)器官損傷。提示了GSDMD在SLE的炎癥產(chǎn)生中發(fā)揮作用,且可能參與SLE的器官損害,并可能起到加重疾病活動度的作用。

與既往研究不同,Wang等[58]發(fā)現(xiàn)在咪喹莫特誘導(dǎo)的SLE模型小鼠中,GSDMD(-/-)小鼠出現(xiàn)更高的病死率、更嚴(yán)重的腎臟和肺部炎癥,并加劇了自身抗體的產(chǎn)生；研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)GSDMD除了促進(jìn)炎癥反應(yīng)外,還可能在SLE中發(fā)揮以前未被重視的保護(hù)作用,其中的作用機(jī)制還需今后的研究繼續(xù)證實(shí)。

6 其他

6.1 多發(fā)性肌炎/皮肌炎 多發(fā)性肌炎(PM)和皮肌炎(DM)是一組累及橫紋肌為主的慢性非化膿性炎性肌病,以四肢近端肌肉、頸肌、咽喉肌、呼吸肌等肌群無力、壓痛,后期導(dǎo)致肌肉萎縮為主要表現(xiàn)。皮肌炎還伴有特征性皮膚表現(xiàn)[59-60]。已有研究證實(shí),GasderminE(GSDME)的過度表達(dá)可使細(xì)胞凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞焦亡[61]。有研究[62]發(fā)現(xiàn)caspase-3和GSDME依賴的線粒體焦亡與DM的致病有關(guān)。在DM/DM肌肉組織caspase-3,caspase-9,GSDME、IL-1α等蛋白表達(dá)及mRNA表達(dá)水平升高。GSDME陽性和IL-1α陽性染色主要定位在穿孔的液泡或肌膜周圍。

Liu等[63]發(fā)現(xiàn),DM/PM肌纖維中丙酮酸激酶同工酶M2(PKM2)和NLRP3炎性小體表達(dá)上調(diào),并呈正相關(guān)。此外,DM/PM肌纖維中細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白表達(dá)增強(qiáng)?？剐盘栕R別顆粒(SRP)抗體陽性患者肌肉組織中的PKM2水平和血漿中的IL-1β水平更高。且PKM2抑制劑可以減少DM/PM的NLRP3炎性小體激活,并隨后抑制了細(xì)胞焦亡的發(fā)生。

6.2 干燥綜合征(SS) SS是一種主要累及外分泌腺體的慢性炎癥性自身免疫病,主要臨床表現(xiàn)為涎腺和淚腺受損導(dǎo)致的口干、眼干,也可出現(xiàn)其他系統(tǒng)受累。病理特征為外分泌腺淋巴細(xì)胞浸潤[64-65]。Hong等[66]發(fā)現(xiàn),與健康對照相比較,SS患者血清/唾液中IL-18水平升高,唾液中cleaved-caspase-1蛋白表達(dá)升高。與僅有干燥癥狀的患者對比發(fā)現(xiàn),SS 患者小唾液腺caspase-1,GSDMD,黑素瘤缺乏因子2(AIM2)和IL-18的mRNA表達(dá)顯著升高,且1型干擾素(IFN-1)基因表達(dá)顯著升高。相關(guān)性分析顯示caspase-1和GSDMD的表達(dá)與干擾素誘導(dǎo)蛋白44樣蛋白(IFI44L),三角形四肽重復(fù)干擾素誘導(dǎo)蛋白3(IFIT3),和干擾素誘導(dǎo)基因15(ISG15)相關(guān)。在人頜下腺(HSG)細(xì)胞中,IFN-1的刺激也增加了caspase-1和GSDMD的表達(dá)。這提示了SS中的細(xì)胞焦亡可能受到IFN-1的調(diào)控,IFN-1可能是SS治療的靶點(diǎn)之一。

6.3 川崎病 川崎病(Kawasaki disease)是一種常見的兒童風(fēng)濕性疾病,表現(xiàn)為全身中小血管血管炎,最易累及冠狀動脈,是兒童后天性心臟病的主要原因[67-68]。李真真等[69]發(fā)現(xiàn),與對照組相比,川崎病患兒急性期血清中細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑信號通路重要信號分子pro-caspase-1、cleaved-caspase-1,及非經(jīng)典途徑信號通路重要信號分子caspase-4及caspase-5的蛋白表達(dá)均明顯增加。細(xì)胞焦亡關(guān)鍵效應(yīng)分子GSDMD、GSDMD-N蛋白表達(dá)及炎癥因子IL-1β和IL-18蛋白表達(dá)均增加。提示細(xì)胞焦亡參與了川崎病的發(fā)病,為川崎病的治療提供新的思路。

7 小結(jié)

細(xì)胞焦亡是近年新發(fā)現(xiàn)的程序性細(xì)胞死亡方式,其特點(diǎn)是細(xì)胞膜穿孔,細(xì)胞完整性被破壞,細(xì)胞內(nèi)容物釋放,導(dǎo)致強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。而炎癥因子及炎癥反應(yīng)與風(fēng)濕免疫類疾病的發(fā)病關(guān)系密切,現(xiàn)已有許多研究證實(shí)了在RA、GA、OA等關(guān)節(jié)炎中細(xì)胞焦亡都起到了重要的作用,影響著疾病的活動和進(jìn)展,抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生可以減輕關(guān)節(jié)炎的炎癥反應(yīng)。細(xì)胞焦亡的發(fā)生也受到了HIF-1α、P2X7等上游因子的調(diào)控,也提示這些因子可能成為疾病治療的靶點(diǎn)。

細(xì)胞焦亡在SLE、SS、PM/DM等系統(tǒng)疾病中研究目前還較少,尤其在SLE中細(xì)胞焦亡相關(guān)分子GSDMD的作用機(jī)制還存在不同的研究結(jié)果。且目前對細(xì)胞焦亡靶向抑制藥物的研究較少,因此也期待有更多的研究,能更深入地闡述細(xì)胞焦亡在風(fēng)濕免疫類疾病中的分子機(jī)制,也期待細(xì)胞焦亡的靶向抑制可能為風(fēng)濕免疫類疾病的治療開辟全新途徑。