细胞焦亡与心血管疾病研究进展

朱 坤，戴日蕾，朱文婷，李贞燕，曹春梅, ,3*

(1.首都儿科研究所 生理研究室，北京 100020； 2.北京市临床医学研究所 心血管实验室，北京 100050；3.首都医科大学附属北京友谊医院 心内科， 北京 100050)

在机体的生长发育过程中，细胞死亡是细胞不可避免的生命活动之一。其中，调节性细胞死亡(regulated cell death，RCD)作为一类可调控且依赖于特定分子机制的细胞死亡模式，在机体的多种病理生理环境下具有重要作用。一方面，RCD是已经分化的组织(如心肌、神经等)损伤的主要因素；另一方面，RCD的失调与细胞异常增殖(如自身免疫性疾病、肿瘤等)相关[1]。因此，RCD成为多种疾病治疗的主要靶点。细胞焦亡(pyroptosis)是近年来发现的一种调节性细胞死亡，与炎性小体、含半胱氨酸的天冬氨酸特异性蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinases，caspases)、gasdermin蛋白家族有非常密切的关系，并导致机体发生一系列炎性反应。炎性反应与心血管疾病的发生发展密切相关， 而细胞焦亡作为一种高度促炎性的细胞死亡如何参与心血管疾病的发生发展，受到科研工作者的广泛关注。本文就细胞焦亡及其在心血管疾病中的研究进展进行综述。

1 细胞焦亡

1.1 Caspases及其功能

Caspases是一类高度保守的胞内蛋白酶且在多种细胞中表达，哺乳动物caspases按功能可划分为两大类：凋亡(caspases)和炎性(caspases)。凋亡caspases分为启动型(caspase-8、-9和-10)和效应型(caspase-3、-6和-7)，炎性caspases包括caspase-1、-4、-5、-11和-12。生理状态下，大多数caspases呈组成性表达，且通常以没有活性的酶原状态(pro-caspases)存在，pro-caspases受到刺激后激活并转变成有活性的caspases发挥作用。在caspases活化的过程中，相邻的pro-caspases形成二聚体并进行自我剪切产生两个大、小亚基，同时暴露出活性位点，从而形成具有全酶活性的caspases[2-3]。启动型caspases扮演着蛋白水解信号放大器的角色，激活效应型caspases，从而触发凋亡。炎性caspases主要诱导细胞焦亡的发生。但凋亡caspase与炎性caspase所参与的信号通路并不具有严格的界限，例如caspase-8不仅可以通过切割GSDMD引发焦亡[4]，而且可以通过抑制RIPK1(receptor-interacting protein kinase 1)将细胞由程序性坏死转向凋亡[5]。由此可见，细胞在不同的病理生理环境下所激活的caspases的类型以及切割的底物蛋白均有所差异，而阐清背后的机制，还需要更深入的研究。

1.2 gasdermin蛋白家族

人类gasdermin家族由gasdermin A(GSDMA)、gasdermin B(GSDMB)、gasdermin C(GSDMC)、gasdermin D(GSDMD)、gasdermin E(GSDME) 和Pejvakin(PJVK)组成，不同gasdermin蛋白的表达具有组织特异性。对gasdermin蛋白家族的结构研究表明，除了PJVK外，其他成员均具有保守的双结构域：N末端结构域(GSDMNT)和C末端结构域(GSDMCT)，并且GSDMNT具有成孔活性，通常与GSDMCT通过自体封闭抑制这种活性。GSDMD是目前了解的较清楚的成员之一：2015年的两项独立研究[6-7]明确了炎性caspases可以通过剪切GSDMD诱导焦亡发生。随后继续发现caspase-3则特异性裂解GSDME，并且当GSDME表达含量增高时，可将caspase-3介导的细胞死亡从凋亡转变为焦亡[8]。这些关键的研究成果对深入研究gasdermin家族成员和焦亡的发生机制提供了重要的理论基础。

1.3 炎性小体的活化

1.3.1 典型炎性小体活化：炎性小体是机体受到各种刺激后形成的一种胞质内的大分子多蛋白复合物，包括典型炎性小体和非典型炎性小体。典型炎性小体一般是由感受器蛋白、ASC(apoptosis-associa-ted speck-like protein containing a CARD)以及效应器蛋白pro-caspase-1共3部分组成。

典型的NLRP3炎性小体由NLRP3、ASC和pro-caspase-1组成。NLRP3炎性小体活化一般需要两步。第一步为启动阶段：细胞通过模式识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)识别病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)或损伤相关分子模式(danger-associated molecular patterns，DAMPs)，激活NF-κB，驱动NLRP3炎性小体相关组分和pro-IL-1β的转录以及NLRP3的翻译后修饰；第二步为组装阶段，NLRP3可以对病原体、微生物毒素、核酸、胞外ATP和晶体等多种刺激导致的胞质内稳态失衡做出反应，从而得到活化。活化的NLRP3发生寡聚化并与ASC蛋白相互作用，聚集形成pro-caspase-1活化的平台-ASC斑点，随后ASC蛋白C端的CARD结构域与pro-caspase-1的CARD结构域连接从而完成NLRP3炎性小体的组装，pro-caspase-1得到活化。活化的caspase-1促进pro-IL-1β、pro-IL-18分别转化为IL-1β、IL-18，并切割GSDMD促进GSDMNT释放。GSDMNT通过形成环状低聚物在细胞膜上形成小孔，引起IL-1β、IL-18等细胞内容物的释放以及细胞死亡[6-7]。

1.3.2 非典型炎性小体活化：革兰阴性菌感染细胞时，细胞膜受体TLR4(Toll-like receptor 4)识别胞外细菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)，激活NF-κB和IRF3(interferon-regulatory factor-3)介导的基因转录，引起caspase-11、GBPs(guanylate binding proteins)、IRGB10(immunity-related GTPase family member b10)等基因表达上调；在GBPs和IRGB10的协同作用下促进LPS释放到胞质，胞内pro-caspase-11识别胞质LPS，形成非典型炎性小体，并活化caspases切割GSDMD，导致细胞焦亡[7]。

2 细胞焦亡与心血管疾病

2.1 心肌缺血和缺血再灌注损伤

心肌缺血往往引起心肌细胞损伤，而持续性心肌缺血则会导致心肌梗死(myocardial infarction，MI)。目前解决心肌缺血最好的方法是及时恢复血流，然而血流再灌注会加重组织的进一步损伤，称为“缺血/再灌注损伤”(ischemia-reperfusion injury，IRI)。IRI的病理生理机制复杂多样，包括离子平衡改变、代谢途径改变、炎性反应和线粒体功能障碍等。

随着对细胞焦亡的深入认识，越来越多的学者将缺血性心脏病与细胞焦亡的关系联系起来，并开展了一系列的研究。将心肌梗死患者的心肌组织进行病理观察，可见明显的炎性细胞浸润，并且ASC在这些炎性细胞中的表达水平高于心肌细胞和间质细胞，同时进一步的体外实验表明，缺氧/复氧处理可导致心脏成纤维细胞中炎性小体形成而非心肌细胞[9]。然而，有些研究发现心肌细胞同样可以发生炎性小体的组装和焦亡[10-13]。用LPS联合ATP或nigericin刺激成年小鼠心肌细胞，可以诱导炎性小体的形成、caspase-1活性增加，且与心肌细胞死亡呈正相关。由此可见，NLRP3炎性小体的激活在缺血的心脏中表现出细胞异质性，但心肌细胞中焦亡相关分子的表达水平非常低，因此在IRI过程中，焦亡在心脏的非心肌细胞群中可能发挥更重要的作用。

从细胞焦亡的发生机制来看，IR引起损伤的心肌细胞向胞外释放ATP，诱导成纤维细胞和心肌细胞中NLRP3炎性小体完成组装，一方面心肌细胞NLRP3炎性小体的激活诱导caspase-1依赖性细胞死亡，不伴IL-1β大量分泌，另一方面成纤维细胞NLRP3炎性小体的激活促进IL-1β的释放以及初始炎性反应的发生，成纤维细胞介导的初始炎性反应刺激其他炎性因子的释放，进一步加重心肌损伤。但是潜在的分子机制仍需进一步的研究，明确各类细胞在IRI中所发挥的作用，构建焦亡相关分子的细胞特异性敲除模型也许有助于解决这一问题。尽管如此，目前NLRP3炎性小体抑制剂和caspase-1抑制剂的保护作用在小鼠IR体内实验中均得到证实[14-15]。因此，总的来说，抑制炎性小体相关组分的激活可显著改善心功能，对抗心肌损伤。

2.2 心力衰竭

心力衰竭是各种心血管疾病失代偿的结果，其中炎性反应发挥着重要作用。急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)后心室往往发生重构，心室重构可分为炎性反应期、增殖期和成熟期3个阶段。炎性反应期，心肌缺血产生的DAMPs可以诱导炎性小体的组装并激活caspase-1，促进IL-1β分泌，进而增强组织损伤和炎性反应；增殖期，成纤维细胞进一步增殖且胶原纤维合成增加，瘢痕形成；成熟期，心室壁压力增加、变薄、心室扩张和左室偏心性肥大，导致心功能障碍和心力衰竭。体内和体外的AMI模型表明急性心肌梗死7 d后，小鼠心脏炎性小体的形成会导致心脏病理性重构和心力衰竭[12]。

除了缺血性疾病，非缺血性疾病如高血压或主动脉狭窄等，往往造成心脏压力过负荷，引起心肌肥厚，最终失代偿导致心衰。在心肌肥厚的患者和小鼠、大鼠心肌肥厚模型中，一方面发现心脏中肌LIM蛋白的巯基亚硝基化水平明显增高，可以促进TLR3(Toll-like receptor 3)和RIP3 (receptor-interacting protein 3) 的结合，进而激活下游p65-NLRP3-IL-1β信号通路，加重心肌肥厚；另一方面发现，给予小鼠IL-1β中和抗体处理后，心肌肥厚减轻，心功能改善，心力衰竭得到遏制[16]。扩张型心肌病也是心力衰竭常见的病因之一。虽然其潜在的机制仍不清楚，但值得注意的是，在扩张型心肌病患者心肌组织中出现高度活化的NLRP3炎性小体并伴随着心肌细胞的炎性死亡，且与心功能呈负相关，体内体外实验进一步证实了caspase-1介导的NLRP3炎性小体激活引起的心肌细胞焦亡是导致心功能障碍和扩张型心肌病发病的原因之一[17]。因此，无论是在缺血性心脏病还是非缺血性心脏病导致的心力衰竭中，炎性小体信号通路均扮演着重要角色。

2.3 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)是造成心肌梗死最常见的原因。血脂异常和血管炎性反应是AS发展的重要因素。内皮细胞作为血管的最内层，不仅在调控血管稳态中具有重要作用，而且内皮细胞的死亡是AS发展的关键和初始阶段。内皮细胞损伤常伴有不同类型的死亡方式，其中内皮细胞的焦亡作为一种炎性死亡在AS的病生理过程中发挥着重要作用[18-19]，抑制内皮细胞的焦亡可有效减缓动脉粥样硬化斑块的形成。

吸烟是AS的主要危险因素，尼古丁可以直接靶向人主动脉内皮细胞并诱导其发生焦亡，进一步加重动脉粥样硬化斑块形成[19]。氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein, ox-LDL)是AS的又一重要危险因素，可导致内皮细胞功能障碍，促进血管平滑肌细胞增殖迁移和刺激泡沫细胞形成等。并且ox-LDL可以诱导血管内皮细胞发生焦亡，进一步促进AS的发展[20]。除此之外，IL-1在AS中也扮演着重要角色，一方面在AS患者的动脉或斑块组织中，发现NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1和IL-18水平明显升高；另一方面，部分临床实验表明，靶向IL-1β的抗炎治疗能够有效降低心肌梗死患者的主要心血管事件发生风险[21-22]。由此可见，降脂和抗炎协同进行将是动脉粥样硬化未来的治疗方向，而细胞焦亡作为一种促炎性细胞死亡将有着重要的研究价值。

3 问题与展望

心血管疾病是危害人类健康的第一大疾病，各种心血管疾病造成的心肌细胞死亡是疾病进展的重要因素，但目前的治疗策略仍不能有效保护受损的心肌。细胞焦亡是先天免疫系统对病原体产生的重要免疫反应，心血管系统作为一类非免疫器官，对于其发生的免疫反应的认识，仍处于初步阶段，还需深入研究。同时，明确细胞焦亡在心血管疾病(尤其是缺血性心脏病)中参与的细胞类型以及与凋亡、程序性坏死等信号通路的交互作用，并在此基础上寻找相关信号通路的抑制剂以及施行相关的临床实验，将有望为心血管疾病的治疗提供新思路。因此，深入研究细胞焦亡的发生和调控机制以及其在心肌损伤中的作用，对于明确心血管疾病的发生、发展和转归具有重要意义。