細(xì)胞焦亡在肺部疾病中的研究進(jìn)展

楊陽 綜述 葉賢偉 校審

(遵義醫(yī)科大學(xué),貴州 遵義 563000)

細(xì)胞的程序性死亡,是指一個完全由基因所控制的細(xì)胞死亡模式,它包括細(xì)胞焦亡、細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死、鐵死亡和胞葬6種方式[1]。炎性壞死是細(xì)胞焦亡的基于炎性層面的一種說法,作為一種新的程序性細(xì)胞死亡模式在近年受到廣泛關(guān)注,據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道,細(xì)胞焦亡不僅已證實與炎癥[2]、腫瘤[3]、糖尿病腎病[4]、癲癇[5]等疾病的存在聯(lián)系,而且與多種肺部相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制和疾病轉(zhuǎn)歸有著緊密的聯(lián)系,參與到了COPD、哮喘、肺纖維化、肺癌、肺部炎癥等疾病過程中。

1 細(xì)胞焦亡的概念

細(xì)胞焦亡作為一種新的細(xì)胞程式化死亡模式,需要依靠Gasdermins蛋白家族在胞膜上的成孔能力。Gasdermins蛋白作為一種廣泛表達(dá)的家族蛋白,在人體中涵蓋Gasdermin A(GSDMA)、Gasdermin B(GSDMB)、Gasdermin C(GSDMC)、Gasdermin D(GSDMD)、Gasdermin E(GSDME)和DFNB59 [Pejvakin(PJVK)]六種家族成員[6]。其中,GSDMD是研究最廣泛的蛋白質(zhì),被認(rèn)為是細(xì)胞焦亡的執(zhí)行者。通過各種途徑被激活的GSDMD被切割成無活性的親水C端和有活性且親脂的N端[7],被切割出現(xiàn)N端表達(dá)其內(nèi)在致焦活性與細(xì)胞膜結(jié)合會在胞膜上形成大量孔隙,從而使細(xì)胞膜失去完整性,在水和鈣離子流入細(xì)胞內(nèi)的同時,大量的細(xì)胞內(nèi)容物和炎性因子外流,最終導(dǎo)致細(xì)胞破裂而發(fā)生焦亡。需要與凋亡區(qū)別,雖然都會出現(xiàn)核皺縮與DNA斷裂,但焦亡過程中細(xì)胞膜完整性被破壞并釋放出炎性因子,募集更多的炎性細(xì)胞,擴(kuò)大炎癥反應(yīng)。所以炎性壞死作為細(xì)胞焦亡的別稱不無道理,區(qū)別與其他死亡模式其具有獨(dú)特的機(jī)制與作用。

2 細(xì)胞焦亡的途徑

細(xì)胞焦亡不僅需要Gasdermins蛋白家族的成孔性,還有賴于Caspase家族的激活,被激活的Caspase是細(xì)胞焦亡的必要條件。根據(jù)被激活Caspase的種類,細(xì)胞焦亡分別經(jīng)典途徑與非經(jīng)典途徑。

2.1細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑 細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑依靠Caspase家族中的Caspase-1。Caspase-1的激活與炎癥小體密切關(guān)聯(lián),通過各種途徑被激活的炎癥小體能夠使Caspase-1活化并使其發(fā)揮相應(yīng)作用。炎癥小體是一種高分子蛋白質(zhì)復(fù)合體,其主要組成支架蛋白質(zhì)為胞漿內(nèi)的模式識別受體(PRRs)[8],主要含有五種,即NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2和IPAF,而目前最受關(guān)注且研究最為廣泛的是NLRP3。這些炎癥小體通過各種細(xì)胞內(nèi)外刺激而被組合啟動,進(jìn)而對胞漿內(nèi)的Caspase-1進(jìn)行切割使其從無活性的酶原變成“成熟的”Caspase-1,而“成熟的”Caspase-1進(jìn)一步對GSDMD進(jìn)行切割,最終釋放出具有成孔活性的N端片段對細(xì)胞膜進(jìn)行打孔造成胞膜裂解,最終完成細(xì)胞焦亡過程。

2.2細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑 非經(jīng)典的細(xì)胞焦亡路徑與經(jīng)典的細(xì)胞焦亡路徑有著本質(zhì)的不同,它依賴于Caspase-4/5/11的活化。當(dāng)病原菌感染宿主后,細(xì)胞內(nèi)可大量出現(xiàn)由細(xì)菌入侵釋放的脂多糖(LPS),上述3個Caspase家族成員可直接被胞內(nèi)的LPS活化,從而使GSDMD蛋白發(fā)生裂解,并產(chǎn)生大量炎性細(xì)胞因子,如IL-1β和IL-18,誘導(dǎo)機(jī)體迅速的啟動天然免疫體系,從而引起“瀑布樣式”的炎癥反應(yīng)。需要與經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑相鑒別,非經(jīng)典的細(xì)胞焦亡途徑繞開了炎癥小體,不再依賴其活化后的激活刺激。

3 焦亡與常見肺部疾病的關(guān)系

肺臟作為人體直接與外界聯(lián)系的內(nèi)在臟器之一,空間中各種有害顆粒及氣體成分進(jìn)入呼吸系統(tǒng)第一時間與氣道上皮細(xì)胞接觸。氣道上皮是抵御包括空氣污染、過敏原和病毒在內(nèi)的吸入性環(huán)境損傷的第一道防線。NLRP3是目前研究細(xì)胞焦亡中的主要炎癥小體。吸入氣道的有害物質(zhì),例如香煙煙霧、硫化氫、PM2.5、PM10等均可導(dǎo)致NLRP3炎癥小體的激活,從而啟動焦亡的經(jīng)典途徑。近年來越來越多的研究證實焦亡這種死亡模式在呼吸系統(tǒng)疾病中占據(jù)重要位置。例如X.Y.He等[9]在研究LPS誘導(dǎo)的IL-1β釋放和IL-1RI上調(diào)與肺部炎癥之間關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)在肺纖維化小鼠模型中,支氣管肺泡灌洗液中的Caspase-1、IL-18、IL-1β和中性粒細(xì)胞表達(dá)水平在NLRP3被抑制組中出現(xiàn)顯著降低,表明NLRP3參與肺纖維化的疾病進(jìn)程。同時發(fā)現(xiàn)NF-κB的活化對肺成纖維細(xì)胞合成膠原起著重要的調(diào)節(jié)作用,它可以激活TNF-α、IL-1β、IL-8、轉(zhuǎn)化生長因子-β和血小板細(xì)菌源性生長發(fā)育因素(PDGF)等細(xì)胞因子的基因表達(dá),促進(jìn)了肺泡炎和肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展。

3.1細(xì)胞焦亡與肺癌 肺癌作為發(fā)病率榜首的常見呼吸系統(tǒng)腫瘤,按組織病理分類以非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)為主。研究人員F.J.Wang等[10]發(fā)現(xiàn)辛伐他汀可以通過增加體外細(xì)胞模型及異種移植小鼠模型模型中的NLRP3含量來激活Caspase-1,從而促進(jìn)細(xì)胞焦亡經(jīng)典路徑的啟動,從而有效地抑制NSCLC癌細(xì)胞的生長,為辛伐他汀作為一種新的非小細(xì)胞肺癌治療藥物提供了分子機(jī)制上的實驗依據(jù)。Q.Li等[11]研究表明,作為蓽茇酰胺(PL)類似物的L50377,除了比PL有更大的抑癌潛力外,還可以刺激腫瘤細(xì)胞中活性氧(ROS)的生成增加,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)可能通過ROS介導(dǎo)的NF-κB抑制途徑促進(jìn)腫瘤細(xì)胞焦亡從而使L50377發(fā)揮抗癌作用。相關(guān)文獻(xiàn)[12]表明,p53的表達(dá)水平與NSCLC細(xì)胞的焦亡存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,這一結(jié)論得到了動物和細(xì)胞實驗的支持。R.L.Jiang等[13]在研究魚腥草素鈉(SNH)對NSCLC治療潛力實驗中發(fā)現(xiàn),在NSCLC細(xì)胞中SNH可激活NLRP3炎癥小體,進(jìn)而導(dǎo)致焦亡路徑下游的Caspase-1、IL-1β和GSDMD的裂解,促進(jìn)細(xì)胞在經(jīng)典途徑上的焦亡,為SNH抑制NSCLC細(xì)胞生長提供分子機(jī)制依據(jù),確定了治療NSCLC新的靶點。

3.2細(xì)胞焦亡與慢性阻塞性肺疾病 與吸煙者相比,AECOPD患者的NLRP3炎癥小體持續(xù)激活,導(dǎo)致下游的與焦亡相關(guān)的Caspase-1、IL-1β和IL-18表達(dá)水平顯著增加,這一發(fā)現(xiàn)由H.Y.Wang等[14]研究為探究NLRP3炎癥小體與COPD之間的關(guān)聯(lián)性提供了重要的線索,當(dāng)患者的COPD病情穩(wěn)定時,相關(guān)指標(biāo)也顯著下降,這表明NLRP3的活性與AECOPD有關(guān);在慢性阻塞性肺病的急性加重期,NLRP3可以作為一個新的監(jiān)測指標(biāo)和提示病情的晴雨表用來預(yù)測病情的發(fā)展。C.Colarusso等[15]闡明炎癥小體(NLRP3)與慢性阻塞性肺疾病的相關(guān)性,通過炎癥小體與慢阻肺關(guān)系的動物實驗中發(fā)現(xiàn)NLRP3的失活可抑制長期吸煙慢阻肺老鼠的肺功能惡化,認(rèn)為炎癥小體NLRP3對慢阻肺發(fā)展至關(guān)重要,進(jìn)而推測阻斷NLRP3的活化,可成為治療慢阻肺的新策略。在中藥對慢阻肺影響的研究[16]中,選取慢阻肺穩(wěn)定期的患者隨機(jī)分為兩組,服用自擬調(diào)肺飲的患者血液中NLRP3/IL-1β的表達(dá),與對照組相比顯著降低,其機(jī)制可能與降低焦亡通路的表達(dá)相關(guān),該研究為慢阻肺的中藥治療提供了依據(jù)。

3.3細(xì)胞焦亡與肺部炎癥

3.3.1細(xì)胞焦亡與非特異性肺部炎癥 X.Y.He等[9]發(fā)現(xiàn)在肺部感染細(xì)菌時,細(xì)菌會釋放細(xì)胞質(zhì)病原相關(guān)分子模板,并與肺巨噬細(xì)胞(AM)上的NLR融合并激活炎癥小體,進(jìn)而使作為炎性細(xì)胞因子的IL-1β、IL-18表達(dá)增加。同時受細(xì)菌LPS刺激的細(xì)胞可上調(diào)IL-1RI(白細(xì)胞介素-1受體I型)信號,這會導(dǎo)致AM細(xì)胞更敏感于IL-1β,從而引起焦亡小體的形成,這表明肺部感染中AM細(xì)胞的焦亡和對LPS的應(yīng)答與IL-1RI的上調(diào)有關(guān)。韓蓉等[17]研究表明,在使用X射線構(gòu)成放射性肺炎的動物模型中,受到檢測的肺部組織中NLRP3、Caspase-1、IL-1β、IL-18的轉(zhuǎn)錄水平顯著升高,提示細(xì)胞焦亡參與到放射性肺炎的進(jìn)展中。相關(guān)動物實驗[18]表明,在人為盲腸結(jié)扎穿孔處理下誘導(dǎo)的膿毒血癥小鼠模型中肺泡灌洗液里的NLRP3、ASC、Caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18的表達(dá)水平可以依靠二氫楊梅素顯著降低,證明依賴Caspase-1的經(jīng)典焦亡途徑在急性肺損傷中的作用。N.Li等[19]發(fā)現(xiàn)在以脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的膿毒血癥小鼠急性肺損傷模型中,通過芒果苷治療可以降低細(xì)胞上清液中IL-1β和IL-18的水平,證明非經(jīng)典途徑的細(xì)胞焦亡亦在肺部炎癥發(fā)揮中的重要作用。

3.3.2細(xì)胞焦亡與肺結(jié)核 肺結(jié)核一直是對全球公眾健康的主要威脅,其發(fā)病率及耐藥率呈現(xiàn)增長趨勢,尤其在第三世界國家尤為明顯,相關(guān)的結(jié)核傳播控制措施的研究也較多。研究[20]表明,在結(jié)核菌中作為效應(yīng)因子的PPE60與LUBAC、NF-κB等信號通路共同調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞的焦亡,而且在結(jié)核感染中,NLRP3、GSDMD和Caspase-1/4的表達(dá)量顯著增加,這為PPE60參與結(jié)核感染的宿主細(xì)胞焦亡提供了分子機(jī)制上的支持。同時也有研究認(rèn)為在肺結(jié)核中結(jié)核菌不僅可導(dǎo)致細(xì)胞壞死、凋亡還能可引起細(xì)胞焦亡、細(xì)胞自噬等多種細(xì)胞死亡模式并存的情況發(fā)生[21]。J.N.Qian等[22]在探尋結(jié)核PE/PEE家族與宿主-病原體相互作用關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),PE_PGRS19可通過激活Caspase-11啟動非經(jīng)典焦亡途徑,并進(jìn)一步誘導(dǎo)GSDMD體現(xiàn)出成孔活性,從而導(dǎo)致成熟的IL-1β、IL-18啟動免疫反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。展現(xiàn)PE/PPE家族蛋白可通過非經(jīng)典途徑激活細(xì)胞焦亡,為抗結(jié)核治療的提供潛在的藥物靶點。

3.4細(xì)胞焦亡與肺纖維化 肺纖維化好發(fā)于五十歲以上的中老年患者,在肺纖維化早期可出現(xiàn)各種炎癥細(xì)胞的聚集、浸潤,不僅是肺毛細(xì)血管壁結(jié)構(gòu)的完整性的破壞及肺泡上皮細(xì)胞的缺失,更加有賴于肺泡巨噬細(xì)胞活化。J.M.Lyu等[23]在博來霉素誘導(dǎo)小鼠纖維化的模型中發(fā)現(xiàn),與正常組對照,博來霉素處理組小鼠肺組織中不僅纖維化相關(guān)膠原纖維(Col-1、FN1、α-SMA)的增多,而且焦亡相關(guān)的Caspase-1、GSDMD、NLRP3在蛋白層面上也出現(xiàn)升高,提示細(xì)胞焦亡模式參與肺纖維化的進(jìn)展。王鵬飛等[24]發(fā)現(xiàn)在以博來霉素誘導(dǎo)纖維化的動物模型中,黃芪甲苷干預(yù)組的小鼠測得與纖維化相關(guān)的膠原纖維及與焦亡相關(guān)聯(lián)的Caspase-1、細(xì)胞因子明顯降低,進(jìn)一步表明焦亡與肺纖維化之間的關(guān)系。Q.H.Hong等[25]在衣霉素誘導(dǎo)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞纖維化實驗中發(fā)現(xiàn)受刺激應(yīng)激的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可使NLRP3炎癥小體被激活以及IL-1β、IL-18、GSDMD-N的轉(zhuǎn)錄增加,從而加劇肺纖維化;而cAMP/PKA通路是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體激活的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子,激活該通路可抑制Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞焦亡并最終減輕肺纖維化,揭示了肺纖維化與焦亡之間的關(guān)系。

4 展 望

焦亡作為一種近年來備受關(guān)注的細(xì)胞程序性死亡模式,其在肺部疾病的研究中愈發(fā)深入,本綜述列舉了常見肺部疾病與細(xì)胞焦亡關(guān)系的最新進(jìn)展。作為研究最廣泛的焦亡經(jīng)典途徑啟動者NLRP3炎癥小體,其在肺部疾病的焦亡中扮演重要角色,同時強(qiáng)大免疫功能特性體現(xiàn)出兩面性。目前對細(xì)胞焦亡的機(jī)理,以及焦亡與肺部疾病的分子機(jī)制研究還需加強(qiáng),希望通過深入的探討,尋求有助于針對焦亡的生物標(biāo)志物、治療靶點。