李潤(rùn)琪，鄒偉，劉利

(南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院 附屬南華醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，湖南 衡陽(yáng) 421001)

神經(jīng)系統(tǒng)炎癥是機(jī)體拮抗中樞神經(jīng)系統(tǒng)遇到有害刺激時(shí)產(chǎn)生的一種免疫應(yīng)答反應(yīng)，其發(fā)病時(shí)常伴隨慢性炎癥。異常聚集的宿主蛋白沉積可通過(guò)激活核苷酸結(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)炎癥小體誘發(fā)機(jī)體固有免疫反應(yīng)，使機(jī)體炎癥損傷加重，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[1]。細(xì)胞焦亡是由病原體或非感染因素刺激引起的一種固有免疫方式，也是一種新型程序性細(xì)胞死亡模式。細(xì)胞焦亡可破壞有利于病原體生存的微環(huán)境，通過(guò)炎癥因子與細(xì)胞內(nèi)容物的釋放對(duì)免疫細(xì)胞進(jìn)行招募并激活免疫系統(tǒng)以清除機(jī)體內(nèi)的病原微生物[2]，但也會(huì)因?yàn)榧せ钸^(guò)度導(dǎo)致炎癥反應(yīng)加劇，造成組織器官損傷[3]。相關(guān)研究指出，細(xì)胞焦亡可參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程[4]，炎癥介質(zhì)的表達(dá)異常可促進(jìn)或抑制神經(jīng)退行性疾病的病變過(guò)程[5-7]。因此，靶向調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡可作為防治神經(jīng)退行性疾病的有效手段之一?，F(xiàn)就細(xì)胞焦亡在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)等神經(jīng)退行性疾病中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 細(xì)胞焦亡

1.1細(xì)胞焦亡的發(fā)現(xiàn) 細(xì)胞焦亡又稱細(xì)胞炎性死亡，于1992年被首次發(fā)現(xiàn)[8]，并在之后相關(guān)福氏志賀菌感染小鼠與人巨噬細(xì)胞的報(bào)道中相繼得到驗(yàn)證[9-10]。研究表明，巨噬細(xì)胞被福氏志賀菌感染后發(fā)生由胱天蛋白酶(caspase)-1介導(dǎo)并伴隨大量炎癥因子釋放的細(xì)胞死亡，且這種細(xì)胞死亡可通過(guò)caspase-1特異性抑制劑或敲除caspase-1基因靶向逆轉(zhuǎn)[11]。這種新型細(xì)胞死亡方式除了不依賴凋亡相關(guān)蛋白caspase-3外，在形態(tài)與機(jī)制等方面也有別于已知的其他細(xì)胞死亡方式。2001年，“細(xì)胞焦亡”的概念被首次提出[12-13]。當(dāng)機(jī)體遭受外界病原體感染或內(nèi)源性損傷時(shí)，危險(xiǎn)信號(hào)通過(guò)caspase-1依賴性(或caspase-4/5/11依賴性)焦亡途徑誘導(dǎo)胞質(zhì)內(nèi)炎癥小體形成[14-16]，一方面招募并激活下游的caspase-1 (或caspase-4/5/11)，破壞GSDMD(gasdermin D)分子內(nèi)自抑制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔、細(xì)胞內(nèi)外離子梯度紊亂及滲透壓改變；另一方面催化促炎性細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18等的成熟分泌[17]，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。此外，Sarhan等[18]研究表明，caspase-8可能是調(diào)控細(xì)胞焦亡的第3種關(guān)鍵分子，并在耶爾森菌感染過(guò)程中觀察到caspase-8誘導(dǎo)GSDMD切割引發(fā)的細(xì)胞焦亡現(xiàn)象。

1.2細(xì)胞焦亡的特征 細(xì)胞焦亡、壞死性凋亡與鐵死亡均是較常見(jiàn)的程序性細(xì)胞死亡方式，而細(xì)胞焦亡在某些特征方面與凋亡和壞死相似。

1.2.1焦亡與凋亡 細(xì)胞膜完整性喪失是細(xì)胞焦亡區(qū)別于凋亡最顯著的形態(tài)學(xué)特征[19]。當(dāng)焦亡發(fā)生時(shí)，細(xì)胞出現(xiàn)核固縮與染色質(zhì)斷裂，但細(xì)胞膜卻不會(huì)與凋亡時(shí)一樣保持完整性并形成凋亡小體，而是在炎癥小體誘導(dǎo)下，由caspase激活引起細(xì)胞膜成孔、細(xì)胞脹破伴細(xì)胞內(nèi)容物外滲以及炎癥因子釋放等；同時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的磷脂酰絲氨酸由于質(zhì)膜表面的孔洞暴露于外界環(huán)境中與Annexin V染料作用發(fā)生陽(yáng)性反應(yīng)，而其他具有穿膜特性的染料也可滲入細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)陽(yáng)性染色[20-21]。

1.2.2焦亡與壞死性凋亡 與凋亡相比，壞死性凋亡和細(xì)胞焦亡均具備細(xì)胞膜成孔共性，但焦亡細(xì)胞在細(xì)胞膜成孔前存在質(zhì)膜出泡并生成焦亡小體的過(guò)程，且由于細(xì)胞內(nèi)容物滲出使細(xì)胞趨于扁平化，與壞死性凋亡細(xì)胞形似爆破的死亡模式不同。細(xì)胞焦亡執(zhí)行蛋白GSDMD與壞死性凋亡執(zhí)行蛋白混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白在細(xì)胞膜成孔中發(fā)揮關(guān)鍵作用，混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白形成的選擇性離子通道可使特定離子滲入細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)滲透壓變化，發(fā)生膨脹破裂，而GSDMD形成的非選擇性離子通道對(duì)細(xì)胞滲透壓的改變?nèi)狈?shí)質(zhì)性作用[20，22-23]。

1.3細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制

1.3.1caspase-1依賴性經(jīng)典焦亡途徑 當(dāng)機(jī)體遭受病原體刺激處于炎癥狀態(tài)時(shí)，損傷相關(guān)分子模式和病原體相關(guān)分子模式被機(jī)體細(xì)胞識(shí)別后通過(guò)激活NLRP3炎癥小體發(fā)生構(gòu)象變化，NLRP3炎癥小體N端的PYD結(jié)構(gòu)域可募集凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)并結(jié)合caspase-1前體的CARD結(jié)構(gòu)域組成NLRP3-ASC-caspase-1前體復(fù)合物，然后將caspase-1前體切割成具有酶活性的caspase-1-P20活性片段[24]。一方面，caspase-1通過(guò)激活GSDMD破壞GSDMD分子內(nèi)自抑制結(jié)構(gòu)，促使其N端活化，誘導(dǎo)細(xì)胞膜穿孔；另一方面，caspase-1可識(shí)別、催化促炎性細(xì)胞因子IL-18和IL-1β成熟并分泌至胞外[25-26]。

1.3.2caspase-4/5/11依賴性非經(jīng)典焦亡途徑 caspase-4/5(或caspase-11) 可識(shí)別人體(或小鼠)革蘭陰性菌產(chǎn)生的脂多糖，脂多糖與caspase-4/5/11結(jié)合發(fā)生寡聚化后直接誘導(dǎo)GSDMD切割并引發(fā)細(xì)胞焦亡[27]。同時(shí)，caspase-4/5/11刺激pannexin-1通道釋放ATP激活嘌呤能受體P2X7，使鉀離子大量外排，經(jīng)NLRP3/ASC/caspase-1通路間接調(diào)控IL-1β前體和IL-18前體成熟分泌，擴(kuò)大炎癥反應(yīng)[28]。

1.3.3caspase-8依賴性焦亡途徑 有報(bào)道顯示，凋亡關(guān)鍵分子caspase-8也參與細(xì)胞焦亡過(guò)程，在致病性耶爾森菌感染情況下，caspase-8激活與炎癥細(xì)胞死亡一致，且caspase-8激活可導(dǎo)致GSDMD在D276位點(diǎn)進(jìn)行分子內(nèi)切割，從而生成與caspase-1激活后切割GSDMD得到相同的P30片段[29]。耶爾森菌感染可抑制轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β活化激酶1的表達(dá)，并活化受體相互作用蛋白激酶1，而受體相互作用蛋白激酶1可通過(guò)誘導(dǎo)caspase-8活化直接驅(qū)動(dòng)GSDMD切割生成具有活性的GSDMD-N分子，造成細(xì)胞膜穿孔；同時(shí)，caspase-8活化可促進(jìn)Pannexin-1通道開(kāi)放并釋放大量ATP，從而激活嘌呤能受體P2X7，導(dǎo)致鉀離子外流增加，進(jìn)而間接激活下游NLRP3/caspase-1通路引起細(xì)胞焦亡[18]。

2 細(xì)胞焦亡與神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病是一類由腦與脊髓神經(jīng)元死亡導(dǎo)致的主要影響患者認(rèn)知與運(yùn)動(dòng)功能的疾病，其中先天免疫的重要組分NLRP3炎癥小體參與了AD、PD等神經(jīng)退行性疾病的調(diào)控，表明細(xì)胞焦亡也參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展。

2.1細(xì)胞焦亡與AD AD是一類以損害老年患者記憶、認(rèn)知功能為主的漸進(jìn)性不可逆性神經(jīng)退行性疾病，其病理生理學(xué)機(jī)制可能與炎癥反應(yīng)過(guò)度激活有關(guān)[30]。β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉積形成的老年斑和由tau蛋白構(gòu)成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)是AD的主要病理特征。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的固有免疫細(xì)胞，參與Aβ的清除。研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3、ASC和caspase-1主要在腦小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，表明NLRP3炎癥小體與Aβ可能存在緊密聯(lián)系[31-32]。Aβ被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬后可誘導(dǎo)AD患者腦組織、腦脊液以及外周血中IL-1β分泌，同時(shí)，腦部存在Aβ斑塊的小鼠以及AD患者的腦組織及神經(jīng)元中的caspase-1活化片段均增加[33]。此外，中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥微環(huán)境改變也會(huì)影響小膠質(zhì)細(xì)胞清除 Aβ的能力[34]，即炎癥可降低AD小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的清除能力，AD轉(zhuǎn)基因小鼠海馬組織過(guò)表達(dá)IL-1β可加重中樞神經(jīng)系統(tǒng)慢性炎癥反應(yīng)，而敲除NLRP3或ASC可改善AD模型小鼠的老年斑沉積[35-36]。以上研究表明，Aβ與焦亡關(guān)鍵成分NLRP3炎癥小體、IL-1β均密切相關(guān)。

還有研究發(fā)現(xiàn)，額顳葉癡呆患者皮質(zhì)組織中的焦亡相關(guān)蛋白caspase-1與炎癥因子IL-1β均高表達(dá)[37-38]。深入研究后發(fā)現(xiàn)，功能缺失的NLRP3炎癥小體減弱tau過(guò)度磷酸化及異常聚集通過(guò)調(diào)節(jié)tau激酶和磷酸酶水平實(shí)現(xiàn)；向腦內(nèi)注射含原纖維淀粉樣蛋白Aβ的腦組織勻漿也可誘導(dǎo)NLRP3依賴性tau蛋白的病理改變[39]，表明炎癥小體在額顳葉癡呆發(fā)展過(guò)程中具有重要作用。另有研究顯示，核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)與P2X7/NLRP3/caspase-1通路的激活在AD相關(guān)神經(jīng)炎癥發(fā)展過(guò)程中具有重要作用，即活化的P2X7受體可通過(guò)NLRP3/caspase-1通路介導(dǎo)神經(jīng)炎癥，而引發(fā)神經(jīng)變性過(guò)程的關(guān)鍵因素是NLRP3炎癥小體活化[40-41]。因此，靶向抑制NF-κB、P2X7/NLRP3/caspase-1可以為神經(jīng)炎癥誘導(dǎo)的AD患者的早期治療提供新的臨床策略。

2.2細(xì)胞焦亡與PD PD的主要特征是中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性喪失與神經(jīng)元內(nèi)α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)異常聚集。PD的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，主要涉及氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙以及慢性神經(jīng)炎癥等。目前的證據(jù)表明，慢性神經(jīng)炎癥反應(yīng)過(guò)度可釋放大量炎癥介質(zhì)，從而進(jìn)一步加重PD，而小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的慢性無(wú)菌性神經(jīng)炎癥是PD發(fā)展的關(guān)鍵因素[42-43]。

不同來(lái)源的毒性物質(zhì)均可誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞激活、促使神經(jīng)炎癥發(fā)生，進(jìn)而促進(jìn)多巴胺能神經(jīng)元丟失與α-Syn聚集；細(xì)胞內(nèi)的α-Syn釋放至細(xì)胞外后通過(guò)Toll樣受體/NF-κB通路激活小膠質(zhì)細(xì)胞與NLRP3炎癥小體，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[44-46]。細(xì)胞焦亡過(guò)程中招募的caspase-1可誘導(dǎo)α-Syn聚集，從而生成以毒性α-Syn原纖維為主要成分的路易小體[47]，而路易小體的形成可導(dǎo)致神經(jīng)元壞死與多巴胺缺乏[38]。此外，caspase-1還可催化IL-1β與IL-18成熟并分泌至細(xì)胞外，進(jìn)一步損害多巴胺能神經(jīng)元，促使PD的發(fā)生發(fā)展。如有研究發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠相比，NLRP3基因敲除的1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(1-methyl-4-pheny 1-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)誘導(dǎo)的PD模型小鼠發(fā)生多巴胺能神經(jīng)元丟失和小膠質(zhì)細(xì)胞激活的情況有所緩解[48]，且體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，MPTP刺激原代小膠質(zhì)細(xì)胞可促進(jìn)caspase-1與IL-1β的活化成熟[49]。有研究表明，敲除NLRP3或caspase-1可在一定程度上抑制魚藤酮或MPTP誘導(dǎo)的小鼠PD的進(jìn)展[43，50-51]，表明以NLRP3/caspase-1/IL-1β為主的細(xì)胞焦亡途徑可能是加劇PD進(jìn)展的危險(xiǎn)因素。此外，許多PD患者的多巴胺能神經(jīng)元中存在NLRP3高表達(dá)，且NLRP3的遺傳變異性與PD風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)[52]。雖然以NLRP3炎癥小體激活為主的細(xì)胞焦亡方式與PD發(fā)展過(guò)程存在相關(guān)性，且在PD患者腦部多巴胺能神經(jīng)元丟失部位觀察到NLRP3炎癥小體激活與ASC、caspase-1表達(dá)上調(diào)[53]，但炎癥小體的強(qiáng)效抑制劑羥基丁酸酯并不能抑制α-Syn誘導(dǎo)的炎癥小體活化[38]。由此可見(jiàn)，細(xì)胞焦亡通路中的NLRP3/caspase-1/IL-1β各組分雖然可以成為PD治療的靶點(diǎn)，但仍需未來(lái)大量理論數(shù)據(jù)與臨床實(shí)踐驗(yàn)證細(xì)胞焦亡與PD的關(guān)系。

2.3細(xì)胞焦亡與MS MS是一類特殊的神經(jīng)退行性疾病，以中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元脫髓鞘、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生以及軸突損傷為主要病理特征。輔助性T細(xì)胞(helper T cell，Th細(xì)胞)1和Th17細(xì)胞在MS發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮重要作用[54]。適度的NLRP3表達(dá)有助于體內(nèi)Th1和Th17細(xì)胞發(fā)育，而細(xì)胞焦亡產(chǎn)物IL-18和IL-1β可通過(guò)上調(diào)CD4+T相關(guān)趨化因子受體的表達(dá)促使Th1和Th17細(xì)胞向中樞神經(jīng)系統(tǒng)遷移[55]；此外，IL-1β還可誘導(dǎo)粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子表達(dá)，進(jìn)而加重神經(jīng)炎癥[56]，表明細(xì)胞焦亡的主要成分NLRP3炎癥小體及其效應(yīng)分子均參與了MS的發(fā)病過(guò)程。

研究顯示，MS患者血清尿酸水平異常升高，體內(nèi)高水平尿酸長(zhǎng)期慢性刺激可誘導(dǎo)NLRP3、ASC、IL-18等焦亡相關(guān)因子信使RNA與蛋白表達(dá)上調(diào)，而NLRP3炎癥小體被激活可促使IL-18長(zhǎng)期處于高水平狀態(tài)，從而導(dǎo)致持續(xù)的炎癥信號(hào)通路激活與炎癥因子產(chǎn)生[57]。此外，McKenzie等[58]研究發(fā)現(xiàn)，MS患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)模型的髓樣細(xì)胞(巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞)和髓鞘形成少突膠質(zhì)細(xì)胞存在GSDMD介導(dǎo)的炎癥小體激活與細(xì)胞焦亡，且caspase-1抑制劑VX-765可顯著抑制EAE模型動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中炎癥小體和焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，減輕軸突損傷，改善神經(jīng)行為表現(xiàn)。

臨床上通常采用疾病修飾治療方式延緩MS疾病進(jìn)展[59]，其中β干擾素是一種常見(jiàn)的一線疾病修飾治療藥物。研究表明，β干擾素僅對(duì)NLRP3依賴性EAE治療有效，對(duì)于ASC-/-和NLRP3-/-的EAE則療效不佳，提示β干擾素對(duì)于MS治療的局限性取決于是否存在NLRP3炎癥小體[60]。因此，NLRP3炎癥小體可作為預(yù)測(cè)與診治MS的生物標(biāo)志物之一。

3 問(wèn)題與展望

細(xì)胞焦亡參與神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的調(diào)控，靶向細(xì)胞焦亡途徑的關(guān)鍵因子可改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進(jìn)展，但目前關(guān)于細(xì)胞焦亡與神經(jīng)退行性疾病關(guān)系的研究仍不夠深入。此外，治療神經(jīng)退行性疾病的新藥研發(fā)也可從細(xì)胞焦亡途徑入手，如甘草苷與雌激素受體結(jié)合可發(fā)揮雌激素樣作用，從而通過(guò)NF-κB信號(hào)通路抑制細(xì)胞焦亡[61]；蟲(chóng)草素對(duì)脂多糖誘導(dǎo)的PD模型多巴胺能神經(jīng)元的保護(hù)作用與抑制Toll樣受體4/NF-κB/NLRP3信號(hào)通路的激活、神經(jīng)炎癥和細(xì)胞焦亡有關(guān)[62]。此外，格列本脲可預(yù)防百草枯暴露環(huán)境中的PD樣行為也與抑制神經(jīng)元焦亡有關(guān)[63]。因此，未來(lái)深入了解細(xì)胞焦亡的特征及發(fā)生機(jī)制以及神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展與轉(zhuǎn)歸，有益于臨床相關(guān)疾病潛在治療靶點(diǎn)的研究，同時(shí)還可為開(kāi)發(fā)相關(guān)治療藥物、深入研究神經(jīng)炎癥在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用提供理論支持。