細胞焦亡在呼吸系統(tǒng)疾病中作用的研究進展*

石伊寧，金永梅，楊 進，陸友金

（安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院呼吸內科，安徽合肥230601）

隨著全球化經濟的發(fā)展以及隨之而來的環(huán)境變化，氣象和環(huán)境因素對人類健康的影響逐漸增大。肺是一個擁有巨大表面積的器官，其結構精細，易受外界環(huán)境的影響。近年來的研究顯示，細胞焦亡（pyroptosis）廣泛存在于呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生過程中，抑制多種呼吸系統(tǒng)相關細胞焦亡的發(fā)生可以降低肺損傷時肺臟細胞的損傷程度，減少炎癥因子生成，減輕炎癥反應［1-6］。Tsai等［4］的研究表明，與核苷酸結合寡聚化結構域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）相關的炎癥小體（inflammasome）促進了支氣管上皮細胞的焦亡，近而引發(fā)了氣道上皮損傷和氣道重塑，促進了哮喘及慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的發(fā)生；Li等［2］證實了脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘發(fā)的肺組織焦亡加劇了肺纖維化的發(fā)展；除此之外，焦亡的發(fā)生還可以抑制肺癌細胞的活力及遷移能力［7-8］。因此，細胞焦亡在COPD、支氣管哮喘、肺纖維化、急性肺損傷（acute lung injury，ALI）/急性呼吸窘 迫 綜 合 征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）及肺癌等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展中可能發(fā)揮著重要的作用。本文就細胞焦亡的分類及其在多種呼吸系統(tǒng)疾病中的作用進行綜述。

1 細胞焦亡

細胞焦亡是由caspase-1或caspase-11介導的一種程序性細胞死亡方式，作為一種先天性免疫機制，對多種生物的發(fā)育至關重要［9］。與細胞凋亡相似的是，兩者都會發(fā)生胞核濃縮、DNA斷裂及TUNEL染色陽性，但與凋亡發(fā)生時細胞保持完整性相比，細胞發(fā)生焦亡時細胞膜會破裂，迅速形成膜孔樣結構，從而釋放大量的炎癥因子及細胞內容物［10］；其次，使用碘化丙啶可以通過膜孔樣結構使焦亡細胞核染色，而凋亡細胞核則不會染色；最后，凋亡的發(fā)生主要依賴于caspase-3、-6、-8等，伴隨著凋亡小體形成，而焦亡則依賴于caspase-1、-4、-5、-11。焦亡的發(fā)生主要由炎癥小體介導，當外源性微生物及應激產生由炎癥小體觸發(fā)并激活的caspase-1裂解gasdermin D（GSDMD），形成GSDMD N端片段（GSDMD N-terminal fragment，GSDMD-N），進一步誘導膜孔的形成及炎癥因子的釋放。目前，焦亡主要發(fā)生在單核細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞和血管內皮細胞［11-12］，于其他細胞也可觀察到［13］。

1.1 經典的細胞焦亡途徑細胞焦亡一般是通過經典的炎癥小體通路介導的［10］。炎癥小體是由NOD樣受體（NOD-like receptor，NLR）、含caspase募集結構域（caspase recruitment domain，CARD）的凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）和caspase-1前體（procaspase-1）組成的多蛋白復合體，有NLRP3、NLRP1、NLRC4、AIM2和TLR4等，其中NLRP3炎癥小體是炎癥反應的核心因子，是固有免疫細胞內的危險信號感受器之一，由3個部分組成：C端重復的亮氨酸區(qū)域（leucine-rich repeat，LRR），可識別各種危險因子；中間是核苷酸結合區(qū)域NACHT，N端是PYD結構域，可與同源結構域結合。研究表明，炎癥小體被包括病原體編碼的病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）和損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP）在內的不同刺激信號激活后，會將caspase-1前體裂解為p20和p10兩個亞基，亞基形成異二聚體并進一步形成四聚體，最終形成具有活性的caspase-1，進一步激活GSDMD，誘導細胞釋放白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18，募集更多的炎癥細胞聚集，從而擴大炎癥反應［14-16］。經典炎癥小體的形成是焦亡中的關鍵環(huán)節(jié)，能夠影響炎癥因子的組裝與活化，在焦亡的調控中發(fā)揮著重要作用［17］。

1.2 非經典的細胞焦亡途徑不依賴caspase-1的焦亡被稱為非經典焦亡途徑，即被caspase-4、-5、-11激活，前兩者源自人，后者源自小鼠［18-19］。與典型焦亡途徑不同的是，caspase-11被描述為細胞質中內毒素（即LPS）的傳感器和內毒素血癥易感性的關鍵調節(jié)劑，LPS的脂質A部分與這些炎性caspase（即caspase-4、-5、-11）的CARD結合，然后促進其寡聚和活化，最終 導 致GSDMD的 裂 解［20-22］，裂 解 產 生 的GSDMD-N在質膜上形成可引起焦磷酸化的孔，進一步放大炎癥反應。

不論是經典的焦亡途徑還是非經典的焦亡途徑，都要經過gasdermin家族的GSDMD來執(zhí)行功能，GSDMD依賴性焦亡抑制了凋亡中的caspase-8活化，在GSDMD缺陷細胞中caspase-1介導的IL-1β成熟有效，但IL-1β的快速、規(guī)范分泌并不能與非缺陷相比［23］。該家族成員還包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、DFNB59（GSDME）等。Shi等［24］的研究證明，GSDMD缺陷細胞能抵抗LPS及已知的典型炎癥小體配體誘導的焦亡。在焦亡過程中，GSDMD被裂解為C端片段（GSDMD-C）和GSDMD-N，其中GSDMD-N特異性結合到真核或原核細胞膜上，隨后發(fā)生寡聚化，從而形成膜孔，導致細胞腫脹并發(fā)生焦亡［25-26］。

2 細胞焦亡與呼吸系統(tǒng)疾病

肺和支氣管在呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展中占有重要的地位，在發(fā)生許多呼吸疾病時，往往伴隨著多種細胞的病理性變化，其中肺血管內皮細胞、支氣管上皮細胞、肺泡巨噬細胞等最易受累。近年來，焦亡作為細胞死亡的一種調節(jié)方式，因其特殊的病理特征越來越受到人們的關注。細菌產生的LPS可以誘導焦亡的發(fā)生，呼吸道是人體直接與外界環(huán)境相通的部位之一，正常情況下，由于黏膜的屏障作用，許多細菌不致病，但隨著周圍環(huán)境的惡變，尤其是長期吸煙與生活方式不當，往往會造成呼吸道黏膜菌群失調，誘導COPD等疾病的出現(xiàn)。研究表明，細胞焦亡不但可以促進肺損傷［1，3，27］，而且可以抑制肺癌細胞增殖［28］。炎癥因子作為胞內物質被釋放到細胞外，能夠活化存在于細胞外間隙的procaspase-1，周圍正常的巨噬細胞通過內化這些游離的炎癥因子，促進胞內caspase-1的活化［3］，表現(xiàn)于細胞間的相互影響，發(fā)生大規(guī)模的焦亡現(xiàn)象，進而加重疾病進程。此外，Gao等［29］報道了GSDMD缺陷的肺癌細胞通過NLRP3炎癥小體刺激并不能發(fā)生焦亡，GSDMD與癌細胞增殖有關。因此，焦亡的發(fā)生對呼吸疾病的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。

2.1 細胞焦亡與COPDCOPD一直以高患病率、發(fā)病率和死亡率備受全球關注，其特征是不可逆的呼氣氣流受限，表現(xiàn)為慢性炎癥失調和肺氣腫性破壞。接觸香煙煙霧是其主要危險因素，有動物研究表明，經常接觸香煙煙霧可引起肺泡間隙及肺實質中大量炎癥因子如腫瘤壞死因子α、IL-1β、IL-6、IL-8和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子聚集［30-31］，進而引起細胞死亡。Mizumura等［32］的研究顯示，香煙煙霧誘導的線粒體活性氧簇可以使BEAS-2B細胞中PINK1、RIPK3及DRP1蛋白的表達增多，被線粒體靶向的抗氧化劑米托醌明顯抑制，證明了依賴PINK1的線粒體可作為壞死的上游調節(jié)劑。Pouwels等［33］的研究也證實，香煙煙霧暴露會在體外誘發(fā)氣道上皮BEAS-2B細胞壞死性硬化。硫氧還蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）與NLRP3在COPD過程中結合成復合物，通過TXNIP的過表達啟動焦亡，促進炎癥反應［34-35］；而抑制TXNIP的表達則減少炎癥小體的形成，提高了細胞的存活率，緩解了COPD的進展，在COPD的治療方面具有良好的應用前景。

2.2 細胞焦亡與支氣管哮喘支氣管哮喘是一種慢性炎性疾病，其顯著特點是氣道高反應性、反復發(fā)作性及可逆性。研究表明NLRP3炎癥小體的激活在氣道中過敏原驅動的炎癥反應的啟動和傳播中發(fā)揮著重要的作用。無佐劑卵清蛋白和佐劑氫氧化鋁相偶聯(lián)致過敏性哮喘小鼠模型的研究顯示，氣道中巨噬細胞及支氣管上皮細胞釋放的IL-18、IL-1β等炎癥因子與使用PBS處理的對照組相比明顯升高［36-37］。此外，Tsai等［4］也表明過敏原Der f1刺激的支氣管哮喘中發(fā)生的是caspase-1依賴性焦亡，并且此過程是通過NLRP3途徑發(fā)生的。GSDMB已被證明與哮喘及一些胃腸道疾病有關，且在與炎癥小體caspase-1共表達時，可以被切割成數個短片段，其中N片段（GSDMB-N）可以誘導有效的細胞焦亡［38-39］。因此，通過抑制炎癥小體形成及GSDMB表達而減少支氣管上皮細胞的焦亡，能夠減輕支氣管哮喘的炎癥反應，從而減少哮喘的發(fā)作頻率，達到有效的控制。

2.3 細胞焦亡與ALI/ARDS ARDS是由多種肺內外致病因素引起的急性進行性低氧血癥，其主要臨床特征為肺微血管的通透性增高，進而導致內皮細胞及肺泡上皮細胞損傷，從而引發(fā)進行性呼吸窘迫甚至呼吸衰竭［40-43］。Li等［30］的研究表明，阻斷絲裂原活化蛋白激酶信號傳導途徑可部分緩解巨噬細胞焦亡，從而減輕ALI和ARDS引起的肺部炎癥。體外研究證明，caspase-1特異性抑制劑Ac-YVAD-CMK可以抑制LPS誘導的小鼠ALI/ARDS模型中肺泡中巨噬細胞的焦亡及炎癥因子的釋放［27］。在ARDS患者中檢測到不同數量的裂解的p30 GSDMD，并且證實了GSDMD和caspase-1包裹成的微粒在血管內皮細胞焦亡的發(fā)生中起著關鍵作用；Kerr等［44］的研究還表明，將顱腦外傷患者血清來源的細胞外囊泡傳遞給人肺內皮細胞會導致caspase-1活化和GSDMD裂解，說明焦亡在顱腦外傷誘發(fā)的肺損傷中至關重要。因此，進一步研究焦亡與肺血管內皮細胞的關系，能夠增加人們對ALI/ARDS的認識，為診療提供幫助。

2.4 細胞焦亡與肺纖維化肺纖維化是一種慢性肺間質炎癥及纖維化為主的疾病，主要是由肺泡上皮損傷引起的細胞外基質膠原蛋白沉積，從而導致不可逆性損傷的纖維化疾?。?5-46］。研究顯示，炎癥小體的活化能夠導致肺上皮細胞焦亡，并能進一步誘發(fā)肺部炎癥及肺纖維化［30］。

肺組織損傷時，壞死的肺血管內皮細胞能募集巨噬細胞等炎癥細胞，導致其分泌IL-18及IL-1β，甚至死亡，同時進一步誘發(fā)肺內皮細胞死亡、周圍組織炎癥及肺纖維化進展。體外實驗證明，caspase-1抑制劑（Ac-YVAD-CMK和VX-765）具有緩解肺纖維化的能力，并可逆轉肺動脈高壓引起的肺纖維化［23-24，47］。此外，Hussain等［48］證實，多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotube，MWCNT）誘導的支氣管上皮細胞焦亡通過激活NLRP3炎癥小體來啟動纖維化反應；在博來霉素誘導的纖維化模型中，Nlrp3-/-小鼠肺中性粒細胞流入減少，IL-1β水平降低，而普伐他汀作用于P2X7受體，可增強炎癥小體的活化，從而增加肺纖維化風險［49-50］。所以，調控炎癥小體的形成可能成為緩解肺纖維化的一個突破點。

2.5 細胞焦亡與肺癌肺癌作為全球范圍內嚴重威脅人類健康的惡性腫瘤之一，在組織學上分為小細胞肺癌（small-cell lung cancer，SCLC）和非小細胞肺 癌（non-small-cell lung cancer，NSCLC），其 中NSCLC約占85%。在過去的幾十年中，靶向治療是肺癌的重要治療手段之一。焦亡作為一種新檢測到的程序性細胞死亡形式，可能成為除細胞自噬和凋亡之外的新的肺癌治療方法。Wang等［8］報道了辛伐他汀可以通過激活caspase-1誘導的焦亡來抑制異種移植小鼠模型中NSCLC腫瘤的生長。Song等［51］觀察到氧化鋅納米顆粒處理可誘導A549細胞焦亡。Duan［52］報道了let-7a-5p相關靶基因的異常表達改變了肺癌細胞的生存能力，而它并沒有改變肺癌細胞的凋亡/焦亡，但其他文獻證明NSCLC中的ROS產生促進了焦亡。在肺腺癌和鱗癌相關的淋巴細胞中觀察到GSDMD高表達，且被激活的caspase分割［53-55］。Xie等［28］證明槐耳清膏通過激活經典焦亡途徑來抑制NSCLC的進展，提示細胞焦亡可能參與肺癌發(fā)生機制的調節(jié)，促進炎癥小體形成及GSDMD表達有助于肺癌的預防及治療。

3 結語

肺臟作為人體重要的器官之一，長期吸煙及不健康的生活方式會導致COPD、哮喘及ALI的發(fā)生，加上全球氣候日益變暖，大氣污染日益加重，肺臟的健康狀況受到了極大的挑戰(zhàn)。如果缺乏有效的治療及干預措施，這些疾病的發(fā)生將趨于年輕化。焦亡作為一種機體免疫方式，具有提呈及抗病原體的作用，然而過度的焦亡在肺臟血管內皮細胞、支氣管上皮細胞、肺泡巨噬細胞及淋巴細胞等細胞中卻促進了呼吸系統(tǒng)疾病的進展?，F(xiàn)有研究顯示焦亡主要通過裂解gasdermin蛋白家族而形成膜孔，從而釋放炎癥因子，部分因子如TXNIP可能在焦亡發(fā)生過程中發(fā)揮作用。然而，影響呼吸系統(tǒng)疾病的焦亡相關具體通路機制尚未被完全闡釋，深入探究其通路機制，是開展以焦亡為靶點的臨床治療的關鍵。