細胞焦亡與缺血性腦卒中的關(guān)系研究進展

楊小惠 陶陶 吳霜

腦卒中具有高經(jīng)濟負擔(dān)、高發(fā)病率、高復(fù)發(fā)率、高死亡率、高致殘率等特點，其中缺血性腦卒中(ischemic stroke，IS)的發(fā)病率最高。針對IS的臨床治療，目前主要是通過藥物溶栓或機械除栓等手段盡早恢復(fù)缺血區(qū)血流灌注。然而上述兩種治療方法具有嚴格的適應(yīng)證，治療時間窗窄，并存在一定的風(fēng)險，因此在臨床上應(yīng)用范圍有限[1]。另外，血流再通可能會加劇腦缺血后神經(jīng)功能缺損，即發(fā)生腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia reper-fusion injury，CIRI)。CIRI是腦缺血的病理生理基礎(chǔ)，其發(fā)生機制尚未完全揭示。因此，深入研究IS治療的新策略有重要意義。近年來研究發(fā)現(xiàn)，細胞焦亡可通過多種途徑參與IS的發(fā)展過程，提示其可能成為IS治療的重要靶點?，F(xiàn)就細胞焦亡的發(fā)生機制、其參與IS的發(fā)病機制和靶向細胞焦亡治療IS的新進展進行綜述。

1 細胞焦亡概述

細胞焦亡是Cookson等在2001年正式提出的一種促炎性調(diào)控細胞死亡方式[2]，其在形態(tài)及病理生理學(xué)上兼具細胞凋亡和壞死的部分特征，主要表現(xiàn)為細胞膜出現(xiàn)孔洞、細胞滲透性腫脹、細胞膜快速破裂、胞漿內(nèi)容物釋放。與細胞凋亡類似，細胞焦亡也是由分子定義和精細調(diào)控的生物過程，也會發(fā)生核染色體DNA降解，但兩者不同之處在于細胞焦亡有完整的核膜，而細胞凋亡有完整的細胞膜，不會引發(fā)炎癥反應(yīng)[3]。目前研究發(fā)現(xiàn)細胞焦亡途徑有經(jīng)典途徑、非經(jīng)典途徑和凋亡相關(guān)的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase)參與的途徑，其中對經(jīng)典途徑的研究較多。

1.1 依賴于caspase-1的經(jīng)典細胞焦亡途徑內(nèi)源性的損傷相關(guān)分子模式和外源性的病原體相關(guān)分子模式均可通過結(jié)合細胞的模式識別受體觸發(fā)細胞焦亡[4]。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)被認為與無菌性炎癥密切相關(guān)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中可表達于小膠質(zhì)細胞、神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞及血管內(nèi)皮細胞的胞漿中，是目前研究最廣泛的模式識別受體[5]。研究表明NLRP3的激活需要兩個信號過程：首先是啟動過程，損傷相關(guān)分子模式可與模式識別受體結(jié)合，通過激活核因子κB和絲裂原活化蛋白激酶通路，促進NLRP3、前體白細胞介素-1β(pro-interleukin-1β，pro-IL-1β)和pro-IL-18的表達增加；其次是損傷相關(guān)分子模式激活NLRP3，然后通過凋亡相關(guān)斑點樣蛋白募集pro-caspase-1形成炎癥小體，生成活化的caspase-1，進而將pro-IL-1β和pro-IL-18活化為IL-1β和IL-18[6]。caspase-1裂解消皮素D(gasdermin D，GSDMD)產(chǎn)生的N-末端結(jié)構(gòu)域可作用于細胞膜上的磷脂分子形成小孔，導(dǎo)致細胞滲透性腫脹、細胞膜破裂而焦亡，同時IL-1β和IL-18釋放到細胞外，擴大了局部炎癥反應(yīng)[4]。

1.2 依賴于caspase-4/5/11的非經(jīng)典細胞焦亡途徑脂多糖是革蘭陰性菌外膜的主要成分，可以以胞吞形式進入胞漿，然后與pro-caspase-4/5/11結(jié)合并將其活化為caspase-4/5/11，進而作用于 GSDMD，產(chǎn)生 GSDMD-N從而觸發(fā)細胞焦亡，同時跨膜孔洞的形成可激活NLRP3，最終導(dǎo)致IL-1β和IL-18的成熟和釋放[7]。

1.3 凋亡相關(guān)的caspase參與的細胞焦亡途徑研究發(fā)現(xiàn)，caspase-3裂解GSDM蛋白家族中的另一成員GSDME產(chǎn)生的GSDME-N可導(dǎo)致細胞膜孔洞形成而發(fā)生焦亡，這是一種輔助細胞死亡途徑，當?shù)蛲黾毎荒苡行劳龊捅磺宄龝r發(fā)生[8]。在NLRP3通路受阻的小鼠巨噬細胞中，ATP明顯激活凋亡的起始者caspase-8/9和凋亡的執(zhí)行者caspase-3/7，進而 GSDME被切割生成GSDME-N，執(zhí)行細胞焦亡[9]。在模擬耶爾森菌感染小鼠巨噬細胞的過程中，caspase-8可被活化進而作用于GSDMD觸發(fā)細胞焦亡[10]。近年研究證據(jù)表明，caspase-8可控制細胞凋亡、壞死性凋亡和焦亡之間的相互作用，并決定了細胞死亡信號出現(xiàn)后所觸發(fā)的死亡類型[11]。這些發(fā)現(xiàn)促使研究者思考不同細胞死亡途徑之間的相互作用。

2 細胞焦亡參與IS的發(fā)病機制

CIRI是IS的病理生理基礎(chǔ)，其發(fā)生機制主要與興奮性氨基酸毒性、細胞內(nèi)鈣超載、線粒體損傷、氧化應(yīng)激、細胞凋亡及炎癥反應(yīng)等方面有關(guān)[12]。目前許多研究結(jié)果表明細胞焦亡也參與了CIRI的過程，進而加重腦組織損傷，并與以上機制密不可分。

2.1 細胞內(nèi)鉀離子濃度降低腦缺血時，葡萄糖和氧氣向大腦輸送不足，細胞氧化磷酸化能力減弱，ATP合成減少，Na+-K+-ATP酶活性降低，導(dǎo)致Na+內(nèi)流和 K+外流增多，致使細胞內(nèi)K+濃度降低[13]。研究發(fā)現(xiàn)，缺血中心的壞死細胞釋放的ATP可影響Na+-K+-ATP酶的功能，導(dǎo)致K+外流增多，從而激活NLRP3炎癥小體[5]。另外，嘌呤能離子通道型受體7是一種與K+外流相關(guān)的受體，細胞外ATP可與之結(jié)合，導(dǎo)致K+外流增多，激活NLRP3炎癥小體，進而誘發(fā)細胞焦亡[14]。

2.2 細胞內(nèi)鈣超載腦缺血時，細胞內(nèi)外Na+、K+失衡，將導(dǎo)致細胞廣泛缺氧去極化；這種去極化導(dǎo)致電壓依賴性鈣通道開放，引起大量Ca2+內(nèi)流，進而引起興奮性氨基酸囊泡釋放大量神經(jīng)遞質(zhì)到突觸間隙；突觸后膜的N-甲基-D-天冬氨酸受體在神經(jīng)遞質(zhì)的作用下激活，進而引起大量Ca2+內(nèi)流[4，13]。同時，質(zhì)膜相關(guān)鈣泵因ATP缺乏活性而降低，導(dǎo)致Ca2+向胞外轉(zhuǎn)移減少，也會導(dǎo)致鈣超載[15]。研究發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)鈣超載會刺激NLRP3炎癥小體，進而誘發(fā)細胞焦亡[16]；而維持細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)可抑制細胞焦亡[17]。

2.3 線粒體損傷腦缺血時，線粒體電子傳遞鏈的功能發(fā)生障礙，從而促進線粒體活性氧(mitochondrial reactive oxygen species，mtROS)釋放入細胞質(zhì)，而高水平的mtROS可激活NLRP3炎癥小體信號通路[6]。另外，動力相關(guān)蛋白1在腦缺血時表達增加，可導(dǎo)致線粒體過度分裂，功能發(fā)生障礙，進而產(chǎn)生大量mtROS，激活NLRP3，誘導(dǎo)細胞焦亡[18]。除mtROS外，功能障礙的線粒體還將線粒體DNA、心磷脂釋放到細胞質(zhì)中，在NLRP3炎癥小體的激活中亦發(fā)揮重要作用[6]。

2.4 其他腦缺血時，透過血-腦屏障的外周炎性細胞與中樞系統(tǒng)活化的小膠質(zhì)細胞均可釋放促炎性細胞因子，誘導(dǎo)細胞焦亡，從而加重CIRI[19]。同時，溶酶體破壞釋放的組織蛋白酶B也參與了激活NLRP3炎癥小體的啟動過程[20]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激亦可通過鈣代謝、ROS的產(chǎn)生等多種效應(yīng)影響NLRP3激活[21]。此外，凋亡可通過激活縫隙連接蛋白-1推動NLRP3炎癥小體的組裝[22]。

3 細胞焦亡可能是IS的新治療靶點

隨著人們對細胞焦亡及其參與IS發(fā)病研究的進一步加深，通過靶向細胞焦亡途徑治療IS逐漸被發(fā)現(xiàn)。

3.1 臨床藥物近年來中醫(yī)藥抑制細胞焦亡改善腦缺血損傷的研究成果逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，石斛生物堿可通過降低caspase-1等焦亡相關(guān)蛋白的表達水平，抑制在體和體外模型的細胞焦亡，改善CIRI后的神經(jīng)功能[23]。人參和當歸復(fù)合制劑可通過抑制NLRP3炎癥小體激活和小膠質(zhì)細胞焦亡發(fā)揮減輕缺血性腦損傷作用[18]。注射用丹酚酸可通過改變小膠質(zhì)細胞M1/M2表型，抑制NLRP3炎癥小體及細胞焦亡，減輕CIRI[24]。補陽還五湯總苷和天麻素均可明顯下調(diào)經(jīng)典細胞焦亡途徑相關(guān)蛋白的表達，抑制細胞焦亡，在大鼠發(fā)生CIRI時發(fā)揮神經(jīng)保護作用[25-26]。瓜簍桂枝顆?？山閷?dǎo)磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路，下調(diào)經(jīng)典細胞焦亡途徑相關(guān)蛋白的表達，抑制細胞焦亡，從而減輕氧糖剝奪/復(fù)糖復(fù)氧誘導(dǎo)的神經(jīng)損傷[27]。羥基紅花黃色素A是具有神經(jīng)保護作用的一種臨床藥物，瑞加德松可輔助其通過血-腦屏障增加在腦內(nèi)的蓄積，兩者聯(lián)合應(yīng)用能抑制經(jīng)典細胞焦亡途徑及凋亡通路的激活，并募集腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，從而減輕CIRI[28]。除中醫(yī)藥外，近年來其他一些臨床藥物也被發(fā)現(xiàn)可抑制細胞焦亡改善腦缺血損傷。褪黑素可介導(dǎo)Toll樣受體4/核因子κB通路，增強血漿外泌體對腦缺血細胞焦亡的抑制作用，從而改善神經(jīng)功能[29]。吡格列酮通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ來抑制高遷移率族蛋白B1/晚期糖基化終末產(chǎn)物受體和 Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1/ROS通路，從而抑制缺血誘導(dǎo)的細胞焦亡，發(fā)揮腦神經(jīng)保護作用[30]?？拱d癇藥物丙戊酸可通過下調(diào)焦亡相關(guān)蛋白抑制CIRI后的海馬神經(jīng)元焦亡，減輕認知功能障礙[31]。另外，吲哚布芬和阿司匹林及其聯(lián)合氯吡格雷或替卡格雷的預(yù)處理可通過抑制核因子κB/NLRP3通路減輕IS后的細胞焦亡[32]。

3.2 分子抑制劑針對大鼠腦缺血模型的研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3特異性抑制劑MCC950可抑制動力相關(guān)蛋白1的表達，減少線粒體分裂，進而抑制NLRP3及小膠質(zhì)細胞焦亡，改善大鼠神經(jīng)功能缺損[18]。近年來研究發(fā)現(xiàn)某些微小核糖核酸能抑制腦缺血模型細胞焦亡，發(fā)揮神經(jīng)保護作用[33]。LP17可抑制髓系細胞觸發(fā)受體-1，進而抑制氧化應(yīng)激和細胞焦亡，從而減輕腦缺血誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷[34]。組氨酸可通過調(diào)節(jié)腺苷酸活化蛋白激酶/糖原合成酶激酶-3β信號通路來抑制NLRP3介導(dǎo)的細胞焦亡從而發(fā)揮抗CIRI的神經(jīng)保護作用[35]。低密度脂蛋白受體可抑制NLRP3介導(dǎo)的CIRI后的神經(jīng)元焦亡[36]。中脂醇介導(dǎo)過氧化物酶體增殖物激活受體α-谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶1軸可抑制IS后內(nèi)皮細胞的焦亡，改善缺血性腦損傷[37]。過表達CHRFAM7A可抑制NLRP3/caspase-1途徑依賴的小膠質(zhì)細胞焦亡，減輕CIRI[38]。TP53誘導(dǎo)的糖酵解和凋亡調(diào)節(jié)因子可緩解腦缺血誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細胞焦亡和缺血性腦損傷[39]。

3.3 其他來自缺氧骨髓間充質(zhì)干細胞的外泌體可調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞M1/M2表型減輕CIRI誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞焦亡[40]。低氧預(yù)適應(yīng)的嗅黏膜間充質(zhì)干細胞通過激活缺氧誘導(dǎo)因子-1α，抑制腦缺血所致的小膠質(zhì)細胞焦亡和凋亡，從而減輕CIRI[41]。

綜上所述，細胞焦亡可通過多種途徑參與IS的發(fā)展過程，抑制細胞焦亡可能成為一種可行的神經(jīng)保護策略。大量研究證實IS的發(fā)病機制有經(jīng)典細胞焦亡途徑的參與，但由于其發(fā)病機制的復(fù)雜性，其確切機制尚不完全清楚，其中NLRP3炎癥小體誘導(dǎo)的細胞焦亡受到最廣泛的關(guān)注，但其他細胞焦亡途徑以及其他炎癥小體在IS后細胞焦亡中的作用尚需進一步研究。另外，現(xiàn)階段許多靶向細胞焦亡治療IS的方法機制欠清晰，且處于臨床前階段，其臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用仍需大量研究。