基于細胞焦亡機制的急性肺損傷研究進展

何培勇 黃玲

急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是以炎性細胞浸潤、肺泡毛細血管屏障通透性增加和急性彌漫性肺泡水腫為特征的急性進行性肺部炎癥,是一種危及生命的低氧性呼吸系統(tǒng)疾病。細胞焦亡(pyroptosis)是一種新發(fā)現(xiàn)的程序性細胞死亡形式,依賴于細胞質中半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase)觸發(fā)的gasdermin(GSDM)蛋白的切割,活化的GSDM的N-末端結構域(GSDM-NTD)在細胞膜上形成膜孔,最終導致細胞腫脹和破裂以及放大的炎癥反應[1]。最初認為細胞焦亡是一種特殊的凋亡形式,但細胞凋亡(apoptosis)是一種生理性基因調控的死亡,主要表現(xiàn)為細胞膜出泡,細胞固縮變小,凋亡小體形成,不伴有細胞的破裂及炎癥因子的釋放。越來越多的證據(jù)表明,細胞焦亡在ALI的肺部炎癥反應中起著重要作用,抑制細胞焦亡是ALI有前景的治療方式。本文將概述細胞焦亡機制參與ALI炎癥反應的最新進展,為ALI的發(fā)病機制及治療提供新的思路。

一、細胞焦亡機制

細胞焦亡是細胞死亡的一種特殊形式,主要包括典型炎癥小體誘導途徑、非典型炎癥小體誘導途徑以及GSDM相關誘導途徑,伴有細胞腫脹破裂,炎性細胞因子如白細胞介素-1(IL-1β)和白細胞介素-18(IL-18)的釋放。NOD樣受體蛋白3(NLRP3)炎癥小體主要在典型炎癥小體誘導途徑中發(fā)揮作用,其激活包含兩個步驟,步驟1是病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)刺激Toll樣受體(TLRs)/髓系分化因子88(MyD88)/核因子-κB (NF-κB)信號通路,導致NLRP3、凋亡相關斑點蛋白(ASC)、IL-1β前體和IL-18前體的轉錄上調。步驟2是活化的NLRP3炎癥小體激活caspase-1,GSDMD被caspase-1裂解并釋放GSDMD-NTD以形成膜孔,IL-1β和IL-18被caspase-1激活并從膜孔中分泌,導致下游的炎癥級聯(lián)反應[2]。caspase-4/5和caspase-11參與非經(jīng)典炎癥小體誘導途徑,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)通過Toll樣受體-4(TLR4)/高遷移組框1(HMGB1)/晚期糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)信號通路或外膜囊泡(OMV)誘導的內體的形成而轉移到細胞質中,細胞內LPS直接激活caspase-4/5/11,活化的caspase-4/5/11裂解GSDMD以誘導細胞焦亡,caspase-4/5/11可同時通過誘導鉀離子流出激活NLRP3炎癥小體[3]。GSDM相關誘導途徑包括由耶爾森菌通過TLR4/受體相互作用蛋白1(RIPK1)信號通路激活的caspase-8裂解GSDMD以驅動細胞焦亡[4]。中性粒細胞彈性蛋白酶和組織蛋白酶G直接激活GSDMD介導細胞焦亡[5]。GSDMA被A組鏈球菌的SpeB蛋白酶特異性切割,從而引發(fā)角質細胞的細胞焦亡[6]。GSDMB被caspase-1/3/6/7以及顆粒酶A裂解,發(fā)生細胞焦亡[7]。GSDMB可增強caspase-4裂解GSDMD,間接促進非典型炎癥小體誘導的細胞焦亡[8]。

二、細胞焦亡機制與ALI

1 肺內皮細胞(endothelial cells,EC)焦亡參與ALI 肺內皮細胞覆蓋在肺微血管的內壁上,稱為肺內皮屏障,EC焦亡產(chǎn)生IL-1β可誘導肺內皮屏障的損傷和炎癥,肺內皮完整性喪失,肺血管通透性增加導致肺水腫和ALI[9],抑制肺內皮細胞焦亡,可能是治療ALI的重要治療策略。肺內皮細胞損傷和死亡發(fā)生在ALI的各個階段,LPS可通過NLRP3/caspase-1/GSDMD途徑誘導內皮細胞焦亡[10]。LPS通過TLR4上調小鼠肺內皮細胞中caspase-11的表達,激活NLRP3/caspase-11/GSDMD途徑誘導內皮細胞焦亡[11]。LPS通過HMGB1/RAGE信號通路促進炎癥小體的形成,裂解的caspase-1可激活下游通路caspase-3和caspase-9,并激活caspase-3介導的焦亡通路[12]。NF-κB是一種促炎基因,可激活細胞核中的多種基因,包括NLRP3,抑制NF-κB-NLRP3介導的內皮細胞焦亡,可減輕LPS誘導的ALI[13]。LPS通過TLR4/NF-κB通路激活NLRP1炎癥小體,募集caspase-1蛋白,誘導肺微血管內皮細胞焦亡,激活下游IL-1β等炎癥因子的產(chǎn)生,導致肺間質水腫,引發(fā)ALI[14]。補體中心分子C3a通過其C3aR受體介導肺內皮細胞焦亡,C3a-C3aR軸的抑制可以阻斷肺血管內皮細胞NLRP3/caspase-1和caspase-11焦亡通路,減輕膿毒癥相關ALI,是治療ALI的潛在靶點[15]。lncRNA OIP5-AS1通過miR-223/NLRP3軸加重LPS誘導的ALI,敲低OIP5-AS1可減輕LPS處理的人肺微血管內皮細胞(human pulmonary microvascular endothelial cells,HPMEC)焦亡、炎癥反應和氧化應激[16]。

2 肺泡巨噬細胞(alveolar macrophage,AM)焦亡參與ALI AM是先天免疫和宿主防御所必需的,通過釋放炎性細胞因子和調節(jié)其他免疫細胞誘導的持續(xù)過度炎癥反應是ALI的關鍵,AM焦亡參與ALI炎癥反應的發(fā)生[17]。LPS誘發(fā)ALI進程中會激活AM等免疫細胞并生成多種炎癥分子,促進TLR-4受體的表達和活性氧(ROS)的產(chǎn)生,激活TLR4/NLRP3/caspase-1途徑誘導GSDMD依賴性AM細胞焦亡,導致嚴重的ALI[18]。LPS誘導的ALI早期伴有大量1-5μm焦蛋白體(PyrBDs)釋放,AM焦亡是PyrBDs的主要來源,PyrBDs的形成和釋放依賴于caspase-1,并作為PAMP促進上皮細胞活化,引發(fā)血管間質水腫和中性粒細胞募集,觸發(fā)ALI中增強的炎癥反應[19]。NLRP3介導的AM焦亡途徑可誘導AM分泌HMGB1,HMGB1作為PAMP可促進NLRP3和caspase-1的激活,正反饋促進AM焦亡,加重ALI的程度[20]。Wang等人發(fā)現(xiàn),HMGB1可通過激活AM中AIM2(Absent in melanoma)炎癥小體,誘導AM焦亡,參與LPS誘導的ALI[21]。同時LPS可通過激活NF-κB信號通路增加AM細胞中NLRP3的表達誘導細胞焦亡,介導ALI發(fā)生[22]。血漿來源的外泌體介導的NLRP3-炎癥途徑,通過觸發(fā)AM中NLRP3依賴性焦亡,是急性胰腺炎(acute pancreatitis,AP)繼發(fā)性肺損傷的原因,是治療AP相關ALI的潛在治療靶點[23]。炎癥小體依賴性AM焦亡會導致缺血/再灌注損傷引起的器官損傷,HMGB1蛋白可以激活產(chǎn)生ROS并誘導氧化應激,導致一系列炎癥反應誘發(fā)ALI,重組HMGB1(rHMGB1)通過凱爾奇樣相關蛋白1(Keap1)/NF-E2相關因子-2(Nrf2)/血紅素加氧酶1(HO-1)信號通路,抑制AM焦亡,改善肺缺血再灌注損傷[24]。NLRP3介導的AM焦亡通過加重炎癥和氧化應激來促進PM2.5誘導的肺損傷,靶向抑制NLRP3介導AM焦亡為研究PM2.5暴露誘導的肺損傷提供了一種新的方法[25]。

3 中性粒細胞(neutrophils,NE)焦亡參與ALI 在LPS誘導的急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)小鼠模型中和 ARDS患者NE中GSDMD的裂解上調,GSDMD被切割成N末端片段,在中性粒細胞膜中形成孔隙,并促進中性粒細胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)的釋放,NETs是染色質纖維與顆粒衍生的抗菌肽和酶混合的網(wǎng)狀物,可在細胞外捕獲并殺死細菌,中性粒細胞中切割的GSDMD片段在NETs形成介導的ARDS發(fā)展中發(fā)揮重要作用[26]。NETs啟動ROS的產(chǎn)生,在翻譯后水平上促進NLRP3炎癥小體的激活,NLRP3炎癥小體組裝和caspase-1/GSDMD的激活,介導AM 焦亡并參與膿毒癥小鼠的ALI[27]。多形核中性粒細胞(polymorphonuclear neutrophils,PMNs)是哺乳動物中最豐富的白細胞,在敗血癥相關ARDS的發(fā)病機制中發(fā)揮著至關重要的作用[28]。PMNs和AM之間在調節(jié)炎癥方面的相互作用,NETs由去致密的染色質組成,而HMGB1是染色質蛋白之一,NET衍生的HMGB1通過RAGE和動力蛋白依賴性信號傳導,觸發(fā)AM溶酶體釋放組織蛋白酶B(CatB),隨后激活caspase-1,誘導AM焦亡[29]。PMNs的外泌體miR-30d-5p通過靶向細胞因子信號抑制因子SOCS-1和SIRT1激活NF-κB信號傳導,上調NLRP3炎癥小體的表達,引發(fā)巨噬細胞焦亡,并誘導巨噬細胞M1極化,導致敗血癥相關ALI,揭示了PMN-M在膿毒癥相關ALI的協(xié)同作用[30]。

4 BEAS-2B細胞焦亡參與ALI lncRNA NEAT1通過靶向miR-26a-5p/含卷曲螺旋蛋白激酶1(ROCK1)軸介導LPS誘導的BEAS-2B細胞焦亡,導致膿毒癥相關ALI[31]。厚樸酚(HKL)通過激活BEAS-2B細胞中核因子-紅細胞2型相關因子2(Nrf2)基因抑制NLRP3炎癥小體介導細胞焦亡,減輕LPS誘導的ALI。百草枯(Paraquat,PQ)誘導caspase-3/GSDME通路激活介導BEAS-2B細胞焦亡,同時在細胞中誘導活性氧(ROS)積累、線粒體去極化和線粒體功能障礙,加重ALI[32]。富馬酸二甲酯(DMF)可以通過抑制NLRP3炎癥小體相關BEAS-2B細胞焦亡來減輕LPS誘導的ALI,同時小鼠腹腔注射DMF顯著減少了LPS誘導的肺損傷、肺水腫和炎癥介質的浸潤[33]。成纖維細胞生長因子-10(FGF-10)是一種旁分泌的成纖維細胞生長因子,可通過磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt蛋白激酶/Nrf2途徑抑制氧化應激介導的BEAS-2B細胞焦亡,保護顆粒物(PM)引起的肺損傷[34]。

三、細胞焦亡是ALI的治療靶標

1 細胞焦亡途徑是ALI靶藥開發(fā)的潛在靶標 靶向細胞焦亡途徑為ALI的治療提供了新的思路。半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-8(Casp-8)通過調控NLRP3炎癥小體介導的細胞焦亡減輕膿毒癥相關ALI[35]。信號轉導和轉錄激活因子6(STAT6)是一種細胞內轉錄因子,AM中STAT6缺乏將激活NLRP3/p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)信號通路而加劇小鼠ALI[36]。p38 MAPK信號通路的選擇性抑制劑SB203580可抑制AM中NLRP3/caspase-1依賴性細胞焦亡,從而改善肺部炎癥[37]。CircEXOC5,是ALI中一種顯著上調的環(huán)狀RNA,可以抑制LPS刺激的小鼠HPMEC中的Nrf2調節(jié)因子來促進細胞焦亡,減輕LPS相關ALI[38]。肝細胞生長因子(HGF)已被證明具有抗細胞凋亡和抗壞死作用,在敗血癥動物模型中,HGF通過激活雷帕霉素靶點(mTOR)信號通路來保護線粒體生理,降低了ROS的產(chǎn)生,改善肺內皮細胞焦亡[39]。線粒體自噬可通過降低胞質mtDNA水平誘導miR-138-5p啟動子去甲基化,隨后抑制NLRP3炎癥小體、AM焦亡和膿毒癥相關ALI[40]。熱休克因子1(HSF1)作為一種重要的轉錄因子,HSF1可以通過抑制NF-κB磷酸化來抑制NLRP3的表達,促進NLRP3泛素化來抑制caspase-1激活和IL-1β成熟,發(fā)揮內源性抗炎作用,減輕膿毒癥相關ALI[41]。4-羥基壬烯醛(HNE)是脂質過氧化的主要內源性產(chǎn)物,可抑制AM中NLRP3炎癥小體活化,減少膿毒癥小鼠焦亡相關ALI[42]。在LPS誘導的ALI中,GSDMD介導的細胞焦亡在肺和腸粘膜組織中都被激活,雙硫侖可抑制細胞焦亡水平,減輕LPS誘導的ALI和相關腸粘膜屏障損傷[43]。

2 天然產(chǎn)物抑制細胞焦亡途徑可減輕ALI 大黃素通過抑制NLRP3/caspase-1/GSDMD介導的AM焦亡,減輕急性肺損傷[44]。冷誘導型RNA結合蛋白(CIRP)是一種炎癥介質,也是PAMP之一,大黃素通過抑制CIRP介導的NLRP3/IL-1β/CXCL1(趨化因子配體-1)信號傳導的激活來減輕嚴重急性胰腺炎相關的ALI[45]。川芎嗪通過抑制TLR4/NF-κB/NLRP3/caspase-1和TLR4/caspase-8/caspase-3信號通路來逆轉AM極化及焦亡,從而減輕ALI[46]。褪黑素通過激活Nrf2/HO-1信號軸抑制NLRP3-GSDMD通路,對LPS誘導的ALI和細胞焦亡發(fā)揮保護作用[47]。瓜氨酸通過抑制ROS/NLRP3炎癥小體依賴性細胞焦亡來提供對抗ALI的保護[48]。多酚Ⅰ通過抑制NF-κB信號通路抑制LPS誘導的BEAS-2B細胞焦亡,同時減輕氧化應激及炎癥[49]。海明調節(jié)HO-1/NLRP3途徑誘導的肺內皮細胞焦亡,減輕LPS誘導的小鼠ALI[50]。西培明(Sip)是貝母中的一種甾體生物堿,具有抗氧化和抗炎作用,Sip通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/AKT途徑抑制NLRP3介導的細胞焦亡,減輕PM2.5誘導的肺損傷[51]。

四、總結及展望

細胞焦亡機制作為一種伴有炎癥反應的程序性細胞死亡類型,參與ALI炎癥進程,炎性胱天蛋白酶等焦亡途徑重要因子的靶向,為減輕ALI炎癥反應提供了新的思路,天然藥物靶向細胞焦亡途徑同樣顯示出不錯的抗炎療效。但ALI炎癥反應受諸多炎癥途徑的串擾,肺組織中典型或非典型細胞焦亡機制及靶向應用在ALI中的作用值得進一步探討。