细胞焦亡以及其在心血管疾病中的研究进展

2018-03-20王焕焕吕勃

实用医学杂志 2018年22期

王焕焕吕勃

哈尔滨医科大学附属第二医院（哈尔滨 150000）

细胞死亡对调节机体内细胞的增殖和分化平衡、维持组织内环境的稳定至关重要［1］。许多因素均可导致细胞的意外死亡，但现在已经逐渐发现细胞在必要时也可以主动的参与细胞死亡，这种受调控的细胞死亡方式叫做程序性细胞死亡（PCD）。程序性细胞死亡对许多生理过程必不可少，包括器官的发育、上皮细胞的更新和淋巴细胞的分化等［1］，例如：人体大约由1014个细胞组成的，每天有数百万的细胞通过凋亡的方式被清除，代之以新生细胞以维持器官等的正常功能。细胞凋亡是第一种被广泛认知的真核细胞程序性死亡方式，其发生时有细胞皱缩、染色质聚集、DNA断裂、磷脂酰丝氨酸（PS）由质膜内侧翻转至外侧、释放凋亡小体且不伴随炎症反应等的特点，目前还发现有其他细胞死亡方式包括自噬、坏死、角化性细胞死亡、有丝分裂崩溃、失巢凋、沃勒变性、副凋亡、细胞焦亡、内亡、兴奋性中毒、铁死亡等［2］。例如细胞焦亡是近年新发现的一种依赖于不同于细胞凋亡关键分子caspase⁃3的caspase的能引起炎症的程序性细胞死亡方式，由于其炎性特质受到越来越多的关注。既往研究表明，炎症参与心脏病发生发展的整个过程，从冠状动脉粥样硬化症到冠状动脉粥样硬化性心脏病（冠心病）、心肌梗死进展到心室重构和心力衰竭的病理生理过程中始终贯穿着炎症因子的释放和炎症反应的发生，而细胞焦亡作为新发现的促炎性细胞死亡方式参与了以上疾病的发生发展过程，这一发现将成为临床心血管疾病治疗的新靶点。

1 细胞焦亡

细胞焦亡本质上一种程序性细胞坏死。细胞焦亡时，细胞膜形成孔洞，细胞逐渐膨胀至细胞膜破裂，最终导致大量细胞内容物释放，激活强烈的炎症反应［3］。

1.1细胞焦亡的发现2001年，COOKSON等［4］在沙门菌感染的巨噬细胞中发现了依赖于天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶1（Caspase⁃1）的细胞死亡方式，并首次提出了“细胞焦亡”来形容在这种不同于细胞凋亡的细胞死亡方式。和凋亡相似，焦亡也涉及caspase蛋白，也正是由于这个原因，细胞焦亡长时间被混淆为凋亡。尽管细胞焦亡中也会出现DNA断裂［5］、AnnexinV染色阳性［6］、PS分布异常，脱氧核苷酸末端转移酶介导的dUTP缺口末端标记（TU⁃NEL）染色阳性［5］，染色质聚集和依赖caspase等细胞凋亡的特点，但细胞焦亡是无论是从形态还是机制上都与其他细胞死亡方式不同。

1.2细胞焦亡的特征

1.2.1caspase⁃1依赖于caspase是细胞焦亡的特征，cas⁃pase⁃1是介导细胞焦亡的关键调节酶。虽然细胞凋亡也依赖于caspase，但caspase⁃1在细胞凋亡过程中不会出现，caspase⁃1基因敲除的小鼠的细胞凋亡不受影响且能正常发育［7⁃8］。细胞凋亡的特异性标志物 caspase⁃3、caspase⁃6、caspase⁃8 等不参与细胞焦亡［9］，凋亡 caspase的底物如：ADP、caspase活化相关的DNA酶抑制物（ICAD）等也不参与细胞焦亡［10］。能激活凋亡caspase的刺激因素如：线粒体完整性的缺失，细胞因子C的释放等在细胞焦亡中也同样不存在［11］。

1.2.2细胞膜完整性细胞凋亡的特征之一是细胞膜保持完整。而在caspase⁃1的影响下，细胞焦亡的发生过程中常伴随着直径1～2 nm的细胞膜孔洞形成［10-12］，这些孔洞允许小分子物质通过，比如溴化乙锭（ethidium bromide）［13⁃14］、碘化丙锭（propidium iodide，PI），所以发生焦亡的细胞染色为阳性，而这一特点是细胞凋亡所没有的。

1.2.3细胞大小和炎症细胞焦亡细胞膜上的孔洞使胞内渗透压改变，水内流，细胞渗透性胀裂导致细胞内容物释放诱发炎症。而细胞凋亡中细胞膜内陷包裹形成凋亡小体阻止了细胞内容物的外溢从而避免了炎症反应的发生。在死亡细胞的大小来看，不同于胀大的焦亡细胞，细胞凋亡通常是皱缩的［10，15］。

1.2.4DNA降解无论是细胞焦亡还是细胞凋亡均发生DNA的降解。细胞凋亡时，caspase活化脱氧核糖核酸酶抑制剂（ICAD）水解使caspase活化脱氧核糖核酸酶（CAD）释放增加，CAD促使细胞染色质断裂为180 bp左右的DNA片段；而细胞焦亡的DNA降解是由一种未知的caspase活化的核酸酶介导的，而且降解的DNA产物也与细胞凋亡不同［10，16］。

1.2.5Gasdermin DGasdermin D（GSDMD）是一种典型的Gasdermin蛋白家族成员，也有人称之为打孔蛋白，近期发现在细胞焦亡中起到重要作用。研究发现［17］：GSDMD缺失的巨噬细胞中无论是炎症小体激活剂或是LPS刺激均不能启动细胞焦亡，且凋亡相关caspase⁃3无法激活GSDMD，而焦亡相关的caspase能直接或间接作用于GSDMD诱发细胞发生裂解。DING等［18］证明GSDMD是细胞焦亡的有效执行者，焦亡相关capsase1/4/5/11等能裂解GSDMD［19］，使其暴露其N端和C端，并促使其N端插入细胞膜脂质层形成细胞膜孔洞启动焦亡。

1.3细胞焦亡的分子机制细胞焦亡分为分子机制主要分为两种：依赖于caspase⁃1的经典途径和依赖caspase4/5/11的非经典途径。

1.3.1经典细胞焦亡途径依赖caspase⁃1的促炎性细胞死亡方式是细胞焦亡经典途径。caspase⁃1激活IL⁃1β和IL⁃18前体成为有活性的IL⁃1β和IL⁃18，而活化的IL⁃1β和IL⁃18能介导其他炎症因子的产生和释放从而放大炎症反应［20］。细胞能通过模式识别受体（PRRs）识别细胞病原体相关分子（PAMPs）和细胞死亡产生的损伤相关分子（DAMPs）触发细胞焦亡，如Toll样受体（TLRs），Nod样受体（NLRs）等。TLR在细胞外刺激的作用下介导肿瘤坏死因子（TNF）、白介素⁃6（IL⁃6）和干扰素等介导炎症细胞因子。NLR家族包括Nlrp3，Nlrp1b和Nlrc4等的成员能识别细菌，病毒和宿主分子衍生物质以及细胞外的毒素、尿酸、病毒相关的DNA、RNA，石棉和紫外线B辐射等的刺激［21］。这些PRRs通过同源配体的方式与凋亡相关斑点样蛋白（ASC）结合形成一个复合物，招募并趋化caspase成为炎症小体，然后激活caspase⁃1促进IL⁃1β和IL⁃18的成熟并激活炎症反应诱发焦亡［21］。此外caspase⁃1还可以激活GSDMD，诱导细胞焦亡的发生，使成熟的IL⁃1β和IL⁃18分泌到胞外。

1.3.2非经典细胞焦亡途径除了caspase⁃1诱发细胞焦亡外，caspase⁃11［22］和其人的同源性的caspase⁃4和caspase⁃5也能诱使巨噬细胞发生细胞焦亡。病原体细胞在鸟苷结合蛋白（GBP）作用下发生裂解，使细胞内的脂多糖（LPS）进入到细胞质中，或有高同型半胱氨酸血症（HHcy）［23］诱发的活性氧（ROS）等激活应激活化蛋白激酶（JNK）［24］作用并激活caspase⁃11，活化的caspase⁃11对GSDMD进行剪切，诱发细胞焦亡；这种不依赖于caspase⁃1的细胞焦亡途径称为非经典细胞焦亡途径。

2 细胞焦亡与心血管疾病

2.1冠状动脉粥样硬化冠状动脉粥样硬化是冠状动脉血管发生粥样硬化病变从而引起冠状动脉管腔狭窄而引起的疾病。高龄、血脂异常、高血压、吸烟、糖尿病、肥胖等都是动脉血管粥样硬化（AS）的危险因素，尤其是氧化型低密度脂蛋白（ox⁃LDL）是促使AS发生的强而有力的因素。既往认为AS中的ox⁃LDL诱导的细胞死亡是细胞凋亡，但是这仅是通过TUNEL染色阳性来作为依据，而给予细胞凋亡抑制剂后，ox⁃LDL感染的巨噬细胞的死亡并没有减少［25］，且死亡细胞中伴随着高表达的caspase⁃1，而且caspase⁃3也很少在AS晚期病变中表达［26］，这些均证明ox⁃LDL诱导的细胞死亡不是细胞凋亡而是焦亡。近期有研究证明ox⁃LDL能诱导caspase⁃1活化、裂解产生IL⁃1β和IL⁃18，检测TUNEL染色阳性等特点［27］，这些结果均证明细胞焦亡参与AS中巨噬细胞死亡过程。

2.2急性心肌梗死和心肌缺血再灌注损伤急性心肌梗死（AMI）目前仍是许多国家病死率居高不下的原因之一，早期缺血再灌注（I/R）是最有效的治疗方法［28］。AMI时，心肌细胞的急性缺血损伤迅速激活炎症反应，通过多种途径发出信号传导组织损伤，这在AMI中发展过程中发挥重要作用。这些信号中就包括TLRs，其能启动多种炎症级联，包括释放 pro⁃IL⁃1b和 pro⁃IL⁃18，此外还能促进含 cas⁃pase⁃1的炎症小体的产生。炎症小体进一步活化caspase⁃1并促进pro⁃IL⁃1b和pro⁃IL⁃18 的成熟从而刺激许多炎症途径。此外急性缺血性损伤也导致活性氧（ROS）的快速生成［29］。此外还有人通过比较了AMI患者、稳定性心绞痛患者、健康人的血液分析，发现AMI患者血中的caspase⁃1、IL⁃1和IL⁃18等较其他组明显升高，这进一步说明急性心肌梗死时细胞焦亡的参与。

尽管I/R是目前治疗AMI的有效方法，但再灌注可能会恶化或加速心肌的损伤，这被称为心肌缺血再灌注损伤。TAKAHASHI［30］曾经用 caspase⁃1 基因敲除的小鼠行冠状动脉前降支结扎然后解除的心肌缺血再灌注模型，结果发现caspase⁃1基因敲除的小鼠炎症反应明显较正常小鼠减弱，且AMI的面积大小、心肌纤维化程度以及心室射血分数等都显著减低。这表明抑制AMI后I/R的炎症反应能有效改善AMI患者的预后。

2.3缺血性心肌病心肌细胞功能丧失或死亡等是代偿性心肌重构向失代偿性心肌重构、心力衰竭的关键因素。缺血性心肌病发生细胞死亡是心肌为了适应缺血的一种机制。而更多学者认为发生心力衰竭至少有部分是心肌细胞进行性丧失的结果，而细胞焦亡有可能是细胞进行性丧失的原因之一。

2.4心力衰竭心肌损伤后炎症反应会导致心脏功能紊乱［31］，尤其是会促进心脏发生病理性重塑，进而发展为心力衰竭。对于受损伤的心肌来说，炎症反应是一把双刃剑，一方面，炎症反应能修复AMI等的损伤，另一方面，过度的炎症反应加重心室重构。曾有研究在心室重构的心肌纤维细胞中检测到NLRP3炎症小体的活化［32］，NLRP3由心肌损伤后的ROS刺激活化［33］，在其形成炎症小体后进一步募集其他炎症因子进一步扩大炎症反应从而形成恶性循环，加重心室重塑和心力衰竭。