细胞焦亡在肿瘤中的研究进展

覃高升，李佳乐，王婉婉，孙达欣

桂林医学院附属医院乳腺甲状腺外科，广西 桂林 541000

近年来，恶性肿瘤的发病率逐年升高，世界卫生组织（WTO）统计数据显示，2018年全球新发恶性肿瘤共1810万例，病死960万例，且中国恶性肿瘤的发病率和病死率居全球首位[1]。随着工业化程度的不断提高、环境污染和不良生活习惯，肿瘤的发病率将会不断升高，早发现，早诊断，早治疗极其重要。细胞焦亡在肿瘤的发展转归中发挥重要作用，深入探究细胞焦亡与肿瘤关系有利于对肿瘤的发生、发展及新的预防治疗提供新思路，2000年，Molly等就证明了沙门氏菌通过一种依赖于caspase 1诱发的炎性坏死机制引起巨噬细胞凋亡，并提出这一概念为细胞焦亡[2]。2018年，细胞死亡命名委员会对细胞死亡的不同形态提出了统一的命名标准，将细胞死亡分为细胞凋亡、细胞自噬、细胞坏死和细胞焦亡等[3]。在医疗技术不断发展进步的同时，病原体也在不断地进化升级，可在机体细胞的保护环境中顽强生存和复制而不受免疫反应的影响；通过细胞焦亡在肿瘤中可能发生的分子机制，找到细胞焦亡的可能调控方式而达到控制或治疗肿瘤的方法，对于基础研究或临床治疗肿瘤均有重要作用。

1 细胞焦亡的定义及其机制

程序性细胞死亡指依赖于细胞内的遗传编码调控的死亡[3-4]，细胞焦亡和细胞凋亡均同属于程序性细胞死亡，但它们之间也有差别。细胞凋亡是当前研究得比较透彻的程序性死亡方式，凋亡一词在希腊语中用来表示“脱落”，指的是一种可控的生理过程，主要通过caspase 3、caspase 8、caspase 9介导，细胞凋亡的发生主要是为了维持内环境稳定，在没有组织破坏和炎症的情况下，由基因调控的细胞自发的有序死亡，其发生可以使细胞成分得到再次利用。细胞坏死则是由于炎性因子释放导致的内环境絮乱从而发生的被动的、意外的死亡。细胞自噬指细胞内细胞成分的降解，形态学特征包括空泡化、胞质内容物降解和染色质微凝[5]。细胞焦亡则是一种依赖于caspase 1、caspase 4、caspase 5、caspase 11，由Gasdermin D（GSDMD）蛋白介导的炎症性程序性死亡方式；固有免疫系统是抵御病原体的第一道防线，通过细胞分子机制对病原体产生有效的抗炎和抗菌作用，感染和细胞应激均可触发典型或非典型炎症小体的组装，从而激活caspase 1和caspase 11，活化的caspase则通过切割GSDMD蛋白使其转化为活化状态从而导致细胞焦亡，在固有免疫中发挥关键作用[6-8]。

Gasdermin家族包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、DFNA5和DFNB59，GSDMD由487种氨基酸构成，是 caspase 1、caspase 4、caspase 5、caspase 11诱发焦亡的共同底物，亦可称为成孔蛋白质。GSDMD稳态下保持自抑状态，可被裂解为与细胞膜相关的GSDMD-N端p30片段和GSDMD-C端片段，从而解除自抑状态，研究表明，其自抑状态是由于GSDND-C端靶向GSDMD-N末端残基导致的，GSDMD-N端p30片段具有固有的细胞膜毒性作用，其可靶向定位于细胞膜脂质双分子层上使其形成10～14 nm的孔隙，破坏细胞膜的完整性，消除膜内外的等离子浓度梯度，导致细胞肿胀破裂，大量内容物（溶酶体、炎性因子等）释放，最终导致细胞发生炎性死亡，有研究发现，GSDMD蛋白是在ASP-276位点被caspase裂解，而将ASP-276位点突变后，caspase则无法切割激活GSDMD而不能触发细胞焦亡，同时，GSDMD的缺失也将不能引起焦亡过程的发生，可见GSDMD蛋白在细胞焦亡中的重要作用[8-14]。

1.1 经典细胞焦亡通路

当机体受到自身或病原体的各种刺激后，固有免疫细胞会对病原体迅速做出免疫应答，这种识别模式主要是通过模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）来实现的，PRR主要包括黑色素瘤缺乏因子2受体（absent in melanoma 2 like receptor，ALR）、Nod样受体（Nod-like receptor，NLR）、Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）、C型凝集素受体（C-type lectin receptors，CLR）[15-17]，PRR可识别细胞表面和核内的微生物结构，称为病原体相关分子 模 式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）；识别受损机体细胞释放的内容物信号，称为危险相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP），PAMP和DAMP均可激活多种信号通路，从而引起典型炎症小体复合物的组装，这些炎症小体是一种高分子复合物，主要包括一个传感器（ALR/NLR/TLR/CLR）、一个接头蛋白[凋亡相关点状蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）]和一个效应体[半胱氨酸蛋白酶1前体蛋白（pro-cysteiny laspartate specific proteinase 1，pro-caspase 1）]构成，ASC是由热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）和胱天蛋白酶激活募集结构域（caspase activation and recruitment domain，CARD）组成，并通过PYD-PYD结构方式与传感器结合，通过CARD-CARD结构方式与效应体结合，组装成为一个炎症小体[18-19]。这些炎症小体可激活pro-caspase 1，一方面活化的caspase 1可切割GSDMD蛋白，形成具有膜毒性的GSDMDN端p30片段引起焦亡；另一方面caspase 1可活化白细胞介素前体（pro-IL-1β和pro-IL-18），使其成熟为有活性的炎性因子白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18，并进一步扩大炎性反应。由此可见，这些依赖于caspase 1的炎症小体称为经典炎症小体，主要包括 NLRP1、NLRP3、NLRC4和AIM2，由此引起的焦亡通路则称为经典焦亡通路[9,20-21]。

1.2 非经典细胞焦亡通路

革兰阴性菌感染时，小鼠体内由caspase 11（人体内由caspase 4/caspase 5）介导非典型炎症小体信号导致感染细胞焦亡，革兰阴性菌的细胞壁成分——脂多糖，是激活caspase 4/caspase 5/caspase 11的关键，caspase 4/caspase 5/caspase 11是脂多糖的受体，脂多糖可以直接与caspase 4/caspase 5/caspase 11的CARD结构域结合使其活化，蛋白水解GSDMD，形成GSDMD-N端p30片段诱导细胞焦亡[8,12,22-23]。研究显示，活化的caspase 11也可通过诱导NLRP3炎症小体的组装参与经典焦亡通路，激活caspase 1，活化并分泌pro-IL-1β和pro-IL-18，进一步扩大炎性反应。此外，有研究表明，活化的caspase 4/caspase 5/caspase 11可激活细胞膜上控制小分子物质进出的通道Pannexin-1，释放出单价阳离子、阴离子和ATP，参与导致细胞肿胀破裂过程，同时，释放的大量ATP可激活细胞膜上对ATP敏感的P2X7通道，P2X7相关孔道的打开，进一步破坏细胞膜的完整性，诱导细胞焦亡[16,24-25]。

2 细胞焦亡与肿瘤关系

2.1 细胞焦亡与结直肠癌

结肠癌是全球常见的恶性肿瘤，病死率高，预后极差。肝X受体（LXR）被认为具有某种抗癌特性，在LXR受体激动剂作用下，LXRβ诱导结肠癌细胞发生细胞焦亡，为结肠癌的治疗提供了新的可能性。Derangère等[26]通过在人结肠癌细胞HCT116、HT29、HCT8和 SW480细胞系中使用LXR受体激动剂——T0901317，结果发现，该受体激动剂的剂量和作用时间影响了结肠癌细胞的存活能力，并证明T0901317是通过诱导NLRP3炎症小体的组装激活caspase 1，从而引起肿瘤细胞的焦亡，并阻止其进一步扩散。此外，通过免疫荧光检测发现，人结肠癌HCT116细胞中的LXRβ定位于细胞膜，并与Pannexin-1相互作用产生大量的ATP，进而打开ATP介导的P2X7相关通路，加速焦亡的发生，在小鼠结肠癌模型中表现出了抗肿瘤作用[26]。综上所述，诱导肿瘤细胞焦亡是治疗肿瘤的一个有效途径。Dupaul-Chicoine等[27]研究发现，NLRP3炎症小体成分缺失的结肠癌肝转移小鼠，其IL-18信号通路和FasL通路的受损，将影响自然杀伤细胞的成熟过程并启动其杀伤功能，细胞焦亡途径的缺失促进了肿瘤的进展。Dihlmann等[28]通过检测并分析414例结肠癌患者肿瘤组织内黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）表达情况，结果发现，AIM2的表达与肿瘤分级和微卫星不稳定性状态成明显负相关，与性别、年龄、肿瘤位置、国际抗癌联盟（Union for International Cancer Control，UICC）分期无相关性，超过50%的AIM2表达缺失的结直肠癌患者在2年内复发，近50%的AIM2阴性肿瘤患者在确诊5年内死亡，相比之下，AIM2特异性表达的患者中，80%患者2年内无复发情况，5年后仍有70%生存。表明AIM2表达缺失，即不能通过焦亡途径杀死肿瘤细胞，与结直肠癌患者预后不良密切相关。Chen等[29]通过在结直肠癌HCT116细胞中重建AIM2的表达，结果发现，结直肠癌细胞的活性受到了抑制，肿瘤细胞死亡增加；通过其细胞周期分析发现，AIM2抑制了肿瘤细胞从G1期向S期的转变，从而达到抑癌作用。上述研究有力地证明了细胞焦亡与肿瘤的相关性。

2.2 细胞焦亡与胃癌

Wang等[30]发现，GSDMD在胃癌中的表达水平较低，GSDMD沉默可显著促进肿瘤细胞的增殖，还可通过抑制胃癌细胞外信号调节激酶、信号转导器和转录激活因子3、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路和调节细胞周期相关蛋白来抑制S/G2转变，促进肿瘤细胞焦亡，表明利用GSDMD作为胃癌诊断和治疗依据有一定的可能性。

2.3 细胞焦亡和肝癌

Wei等[31]对NLRP3炎症小体在肝癌进展中的作用展开了研究，共纳入128例肝癌患者，采用免疫组化技术对128例肝癌患者的肝癌组织和相应的癌旁组织进行NLRP3炎症小体成分的表达分析，结果发现，NLRP3、ASC、caspase 1、IL-1β表达阳性，表明均存在有细胞焦亡，统计分析显示，与肝炎和肝硬化组织相比，肝癌组织中NLRP3炎症小体成分的表达明显较低，而与正常肝组织无显著差异，提示NLRP3炎症小体在正常组织中的表达水平较低。此外，肝癌患者肝癌组织中NLRP3的表达水平与其病理分级、临床分期呈负相关，由此推测细胞焦亡可能抑制了肝癌的发生发展。Ma等[32]纳入了113例肝癌患者，结果发现，与癌旁正常组织相比，肝癌细胞中AIM2炎症小体的表达明显较少，肝癌患者AIM2炎症小体的表达与肿块体积、Edmonson分级、TNM分期呈负相关，证实了AIM2炎症小体以诱导肿瘤细胞焦亡的方式对肝癌细胞产生抗肿瘤的作用。此外，Chu等[33]研究发现，黄连素可通过激活caspase 1，引起肝癌细胞焦亡从而达到抑制肝癌进展的作用。Chen等[34]在对247例肝癌患者肝癌组织的研究发现，肝癌细胞焦亡参与了肿瘤进展，并通过实验验证了黄酮类药物可明显升高NLRP3炎症小体的表达，进而诱导肝癌细胞焦亡，发挥抗肝癌作用。此外，有研究者证实了激活丙肝病毒感染患者NLRP3炎症小体，可引起细胞焦亡，通过用caspase 1抑制剂特异性阻断细胞焦亡过程，可逆转细胞焦亡引起的肝细胞损伤[35]。

2.4 细胞焦亡和乳腺癌

Pizato等[36]对乳腺癌MDA-MB-231细胞系使用二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）时观察到了caspase 1的激活和膜孔的形成，形成了经典焦亡通路，介导了乳腺癌细胞的死亡，揭示了DHA的抗癌作用，指出诱导细胞焦亡的发生是抗癌治疗的新靶点。然而，在一些报道中，焦亡相关炎症小体在某些微环境下反而可促进疾病进展。肥胖是乳腺癌的高危因素，NLRC4炎症小体在肥胖乳腺癌患者的乳腺癌组织中表达上调，Kolb等[37]在肥胖的乳腺癌小鼠中发现了NLRC4炎症小体的激活和IL-1β的活化，后者作用于脂肪组织，诱导脂肪细胞来源的血管内皮生长因子和新生血管生成，从而有可能促进乳腺癌的进展。Guo等[38]研究表明，NLRP3炎症小体激活和IL-1β产生营造的炎症微环境促进了乳腺癌的进展，而在炎症小体缺失的乳腺癌小鼠中，肿瘤细胞的生长和转移能力明显降低。综上所述，细胞焦亡在不同肿瘤、肿瘤的不同阶段或不同的肿瘤微环境中，对肿瘤的作用有可能是不一样的。

2.5 细胞焦亡和肺癌

Gao等[39]研究发现，非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者的肺癌组织中GSDMD蛋白表达水平明显高于癌旁组织，通过MTT和菌落实验证明，GSDMD缺失可抑制非小细胞肺癌PC9、H1703和H1975细胞系的生长，采用膜联蛋白Ⅴ（AnnexinⅤ）和碘化丙啶（propidium iodide，PI）联合染色方法区分细胞凋亡和细胞焦亡后，NLRP3炎症小体在GSDMD缺失的情况下诱导了细胞凋亡，使用GSDMD抑制剂可在一定程度上抑制NSCLC的进展。Wang等[40]使用脂多糖和ATP刺激肺腺癌A549细胞系后，观察到了NLRP3炎症小体的组装和活化，活化的NLRP3炎症小体促进蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又称AKT）、细胞外信号调节激酶1（extracellular signal-regulated kinase 1，ERK1）/ERK2和cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）的磷酸化从而促进了疾病的进展，在使用caspase 1抑制剂来阻断NLRP3炎症小体的组装后，肺癌A549细胞系的增殖受到了抑制。此外，Zou等[41]研究显示，白藜芦醇葡萄糖甙可通过抑制NLRP3炎症小体的组装和活化进而抑制了NSCLC的进展。另一方面，Wang等[42]使用辛伐他汀治疗NSCLC小鼠，结果发现，辛伐他汀可诱导NLRP3炎症小体的组装，诱导了NSCLC细胞焦亡，抑制了疾病进展。

2.6 细胞焦亡和皮肤癌

Drexler等[43]研究了ASC在炎性环境下的启动和功能，结果发现，ASC在骨髓细胞中表达时为肿瘤发生的驱动因子，而在角质形成细胞中表达时则是肿瘤抑制因子，ASC在皮肤癌中的表达可以抑制皮肤癌的进展。

3 细胞焦亡与其他疾病

目前，临床对细胞焦亡在糖尿病、人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIⅤ）、自身免疫疾病和心血管疾病中均已经非常深入[44-47]，如组氨酸可以通过抑制NLRP3炎症小体的表达，来阻断在缺血再灌注损伤中神经细胞的焦亡而发挥治疗作用[48]。也有研究显示，天麻素可用于治疗心肌梗死，其作用也是通过抑制NLRP3/caspase 1相关通路介导的细胞焦亡的发生[49]。

4 小结与展望

细胞焦亡是一种新近发现的依赖于caspase 1活化由GSDMD执行的程序性死亡方式，是近年来非常热门的研究方向，从本综述中概括的证据也可以清楚看出，对细胞焦亡途径中的任何一个环节的调控均可能在肿瘤的发生发展过程中发挥不同的作用。细胞焦亡参与肿瘤发展中的炎症过程是复杂的，不仅仅与焦亡本身机制有关，也可能与不同肿瘤进展阶段和不同类型的肿瘤有关，因此，精心设计的针对不同肿瘤的后续实验是有必要的，深入理解和研究焦亡的机制在相关肿瘤中的作用将可以为肿瘤的预防和治疗提供全新的思路。