细胞焦亡与脑卒中关系的研究进展

唐琼燕， 陈勇军

(南华大学附属南华医院神经内科，湖南省衡阳市421000)

在人的生长发育过程中，随时都在发生细胞死亡，这是生物世界中普遍存在的一种生命现象，对多细胞生物的生长、发育和内环境平衡起着重要作用。在以往人们的认识中，细胞死亡主要有两种方式，即细胞坏死和细胞程序性死亡，后者包括程序性细胞坏死和细胞凋亡[1]。近年来，研究人员发现了许多细胞程序性死亡的新方式，如细胞自噬、铁死亡和细胞焦亡。细胞焦亡是研究人员在使用志贺氏菌感染的小鼠巨噬细胞中首次发现的一种不同于以往的细胞死亡形式，其后研究表明其依赖于半胱天冬酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase 1，Caspase-1)和Caspase-4/5/11，并最终定义为细胞焦亡[2]。

近年来，越来越多的研究表明细胞焦亡与脑卒中的发生发展密切相关。因此，深入了解细胞焦亡在脑卒中发病进程中的作用，有助于提高脑卒中诊断和治疗水平。现拟对细胞焦亡与脑卒中的最新研究进展做一综述，以期为脑卒中的治疗提供新策略。

1 细胞焦亡

1.1 细胞焦亡的形态学特征

细胞焦亡与细胞凋亡有一些相似的特征，如DNA损伤、细胞核浓缩和Caspase依赖性，但从形态学上看，其与凋亡有许多不同之处。首先，虽然细胞发生焦亡时同样会发生细胞核变化和DNA损伤，但细胞焦亡过程中细胞核始终保持完整。其次，凋亡细胞的DNA损伤依赖于Caspase激活的DNA酶(Caspase-activated deoxyribonuclease,CAD)的激活和CAD抑制剂(inhibited Caspase-activated deoxyribonuclease,ICAD)的抑制，而细胞发生焦亡不需要CAD，即使Caspase-1也可以裂解CAD；此外，焦亡发生后以Caspase-1依赖性的方式使细胞膜的通透性增加、细胞肿胀直至破裂，而凋亡发生过程中的细胞始终保持细胞膜的完整性。再次，Caspase虽然既可以激活凋亡又可以激活焦亡，但与凋亡相关的主要是Caspase-3/6/7/8，而只有激活炎性Caspase如Caspase-4/5/11才能诱导焦亡发生[3]。最后，细胞凋亡受到ATP水平的影响，DNA损伤可激活Poly(ADP-核糖)聚合酶(PARP)，最终使ATP耗竭，因此，在凋亡发生过程中，Caspases为了维持ATP的平衡会剪切和下调PARP，而细胞焦亡的发生却与PARP无关，即使Caspase-1也可以剪切PARP[4]。

1.2 细胞焦亡的分子学特征

炎性小体是含有模式识别受体(pattern-recognition receptor,PRR)的多分子复合物，PRR激活后通过激活炎症引发焦亡。PRR可以识别入侵病原体诱导的特定病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)和内源性病原体诱导的特定损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)[5]。PRR家族包括Toll样受体(TLRs)、核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列的受体(NLRs)。PRRs识别DAMPs和PAMPs后，诱导ASC形成一个巨大的超分子组合，将NLR与Caspase-1连接起来。该复合物通过激活Caspase-1介导经典炎症小体通路和Caspase-11/4/5介导的非典型炎症小体通路而触发焦亡[6]。

1.3 细胞焦亡的经典途径

经典的细胞焦亡途径是由炎症小体介导的依赖于Caspase-1的促炎性程序性细胞死亡方式。炎症小体是由NLR、凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和Caspase-1组成的多蛋白复合物。Caspase-1被炎性小体激活后，一方面可剪切白细胞介素-1β前体(pro-IL-1β)和白细胞介素-18前体(pro-IL-18)，分别使之活化成为IL-1β和IL-18；另一方面，可特异性切割Gasdermin D(GSDMD)，产生一个有活性的N-端片段(GSDMD-N)，该片段能与细胞膜紧密结合使之形成穿孔、最终导致细胞焦亡，同时可促进IL-1β和IL-18的释放，最终导致细胞死亡[7]。

1.4 细胞焦亡的非经典途径

非经典途径的细胞焦亡通常是胞质脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)直接激活Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11介导焦亡，该类因子被胞内革兰氏阴性菌LPS直接刺激，然后会激活并水解自身蛋白酶活性。一方面，活化的Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可作用于GSDMD，产生与Caspase-1相同的使细胞膜裂解的作用，导致细胞膜穿孔；另一方面，在NLRP3和ASC存在的情况下，活化的Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可以与Caspase-1相互作用，从而激活Caspase-1，而Caspase-1可以裂解IL-1β和IL-18前体形成活性的IL-1β和IL-18，并通过GSDMD-N形成的膜通道释放，引起细胞焦亡[8]。与经典途径不同的是，在非经典细胞焦亡途径中，只有IL-1β和IL-18前体的裂解依赖于Caspase-1，GSDMD的裂解由其他活化的炎性Caspase完成。

2 细胞焦亡与脑卒中

脑卒中(stroke)是神经系统第一大疾病，是血管病变引起的中枢神经系统急性局灶性损伤造成神经功能缺陷，脑卒中主要分为两种类型，即缺血性脑卒中和出血性脑卒中，出血性卒中又分为脑出血和蛛网膜下腔出血两类，脑卒中所致的大脑功能损害会导致患者长期或终身残疾，甚至死亡[9]。

2.1 细胞焦亡与脑梗死

脑梗死(ischemic stroke)又称缺血性脑卒中，是脑血管疾病最常见的一种类型，指各种脑血管病变所致大脑血液供应障碍，导致局部脑组织缺血缺氧性坏死，而迅速出现相应神经功能缺失的一类临床综合征[10]。目前，脑梗死有多种治疗选择，包括溶栓治疗、血管内取栓和神经保护药物治疗。然而，由于治疗时间窗狭窄，这些治疗方法的应用在临床实践中受到限制[11]。因此，研究脑梗死新的发病机制，寻找更加有效的治疗方法迫在眉睫。

Poh等[12]发现脑梗死缺血核心区的坏死细胞在激活Caspase-1后，诱导IL-1β和IL-18的释放，引发一系列炎症级联反应，介导了脑梗死的发生。而Cao等[13]在大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)的大鼠脑梗死模型发现，NLRP1介导的炎症反应明显升高，包括增加Caspase-1、IL-1β和IL-18的水平。Li等[14]证实环磷酸鸟苷-腺苷合成酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)拮抗剂A151可以降低脑梗死小鼠脑组织中Caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18的水平，并可显著减少脑梗死面积、减轻神经功能损伤。此外，有研究发现，静脉注射人免疫球蛋白(intravenous immune globulin，IVIg)显著降低缺血再灌注(ischaemia/reperfusion，I/R)诱导的初级皮层神经元及脑组织中NLRP1、NLRP3、ASC、Caspase-1、Caspase-11、IL-1β、IL-18和cleaved Caspase-3水平，提示细胞焦亡在脑梗死患者神经元细胞死亡及神经功能损害起着重要的作用[15]。另有研究表明，ASC以NLRP3依赖的方式加重了复发性缺血性脑卒中的梗死后神经缺损症状[16]。而最新的研究也发现，抑制Caspase-1的水平可以提高脑梗死后缺血带中神经细胞的存活率[17]。因此，细胞焦亡可能是治疗脑梗死的一种新策略，而其相关因子也许是将来治疗脑梗死的新靶点。

2.2 细胞焦亡与脑出血

脑出血(intracerebral hemorrhage，ICH)是指主要因高血压和脑动脉硬化引起的原发性非外伤性脑实质出血，是脑血管疾病中第二大常见的类型，脑出血后导致脑组织移位和破坏，从而导致继发性脑损伤[18]。

Ma等[19]发现NLRP3炎症体通过释放IL-1β和促进中性粒细胞浸润增强脑出血后炎症反应，抑制NLRP3炎症体可以有效减轻脑出血后的炎症反应及脑水肿。Yang等[20]证明在大鼠诱导脑出血前30天及术后3天连续给予低剂量0.5 μg/g非马沙坦灌服，可以减轻NLRP3、Caspase-1、ASC的激活及IL-1β的释放，并且在不影响大鼠血压的情况下，减轻脑血肿及脑水肿的范围，改善脑出血大鼠的神经功能。Lin等[21]发现抑制Caspase-1的活化降低脑出血后细胞焦亡的水平，可以改善脑出血后神经功能障碍。Chen等[22]发现通过降低脑出血后神经元NLRP1依赖的细胞焦亡途径，可以改善脑出血后神经功能。目前在临床上应用广泛的药物依达拉奉也是通过抑制小胶质细胞NLRP3的表达，在脑出血后发挥神经保护作用，提示细胞焦亡的水平与脑出血后的神经功能呈负相关[23]。以上表明，细胞焦亡与脑出血的预后相关，而对细胞焦亡的抑制将可能成为治疗脑出血的新方案。

2.3 细胞焦亡与蛛网膜下腔出血

蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)是指脑底部或脑表面的病变血管破裂导致血液直接流入蛛网膜下腔的一种临床综合征[24]，其中脑动脉瘤破裂是自发性蛛网膜下腔出血最常见的发病原因。

Zhang等[25]发现NLRP3、Caspase-1在人脑动脉瘤管壁中表达丰富，且在破裂动脉瘤组织中过表达，表明细胞焦亡参与蛛网膜下腔出血的发生发展。Xu等[26]发现NLRP3介导的小胶质细胞焦亡加重蛛网膜下腔出血模型大鼠的神经功能损害及脑水肿程度。而降低蛛网膜下腔出血模型大鼠小胶质细胞中NLRP3-ASC炎症小体的激活，可以减轻蛛网膜下腔出血后的脑水肿和神经炎症，短期内的神经功能也得到改善[27]。Wu等[28]使用蛋白质免疫印迹法分析显示蛛网膜下腔出血患者脑脊液中焦亡关键炎性蛋白NLRP1、ASC和Caspase-1水平较对照组升高，严重患者术后3个月炎性蛋白水平升高与预后差有关，其中高水平NLRP1是蛛网膜下腔出血后预后不良的独立危险因素。以上表明，细胞焦亡在蛛网膜下腔出血的发生发展中具有重要的作用。

3 结语与展望

综上所述，细胞焦亡在脑卒中的发生发展过程中有着重要的作用，通过调节细胞焦亡关键因子的水平可减轻脑卒中后细胞焦亡水平。脑卒中的高发病率、高致残率和高死亡率给全人类带来沉重的负担，而现有的治疗方法在临床上的应用受到限制。目前的研究表明通过阻止细胞焦亡的发生可减轻脑卒中的发生发展，通过靶向细胞焦亡有望使脑卒中在治疗上取得新突破，有可能在未来成为阻断脑卒中进展的有效治疗方法，但目前的研究多以机制研究为主，且多在细胞水平和动物水平上进行，接下来可完善已有的研究成果，进一步加强细胞焦亡相关过程与脑卒中关系的临床研究，为脑卒中的治疗提供更有效的策略。