细胞焦亡在心血管系统疾病中的研究进展

高凡雅，王军奎，张䶮，姬新才，潘硕

(1.西安医学院，陕西 西安 710068；2.陕西省人民医院，陕西 西安 710068；3. 空军军医大学，陕西 西安 710032)

1 细胞焦亡的特征和信号通路

细胞死亡或存活在生理病理情况下都具有重要意义，细胞死亡可分为程序性死亡和非程序性死亡[1]。细胞程序性死亡是由基因调控的自主性有序死亡，能够被细胞信号转导的抑制剂阻断，细胞焦亡、凋亡、自噬均是程序性细胞死亡的形式；非程序性死亡主要是指接受物理或化学刺激后细胞的被动死亡，例如坏死[2]；细胞焦亡是一种炎性死亡，由氧化应激，高血糖，炎症等病理刺激触发，目前在巨噬细胞，血管内皮细胞，心肌细胞，心脏成纤维细胞中均能观察到焦亡的发生[3]。细胞焦亡在形态学和机制上不同于凋亡和自噬等其他细胞程序性死亡，细胞焦亡以快速的质膜破坏和胞内白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-18(IL-18)等炎性介质的释放为特征，能激活强烈的炎症反应[4]。

细胞焦亡的机制主要为胱天蛋白酶(Caspase)介导的Gasdermin蛋白活化，包括Caspase-1依赖性的经典途径和涉及Caspase-4，5和Caspase-11的非经典途径[5]。细胞在炎症等病理情况下激活NOD样受体(NLRP3)后，NLRP3可与凋亡相关斑点样蛋白(ASC)结合，后者的CARD和PYD结构域相互作用并连接Caspase-1，将Caspase-1裂解为成熟体(p10/p20四聚体)。活化的Caspase-1进一步识别非活性的IL-β和IL-18前体，并将其转化为成熟的炎性细胞因子；另一方面，活化的Caspase-1切割Gasdermin家族GSDMD的N端序列从而产生膜孔，膜孔的形成促进了炎性因子的释放，细胞肿胀，并最终导致细胞焦亡[6]。

2 焦亡与心血管系统疾病的关系

越来越多的证据表明，焦亡可通过介导细胞死亡和炎症而参与各种心血管疾病，干预与焦亡相关的分子(例如caspase-1，NLRP3，GSDMD和ASC)会显着影响心血管疾病的进展和预后[7]。因此，深入了解焦亡在心血管疾病中的作用和分子机制可为心血管疾病的防治提供潜在靶点。

2.1 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一种慢性进行性疾病，主要特征是血管壁脂质异常沉积引起的血流障碍，动脉粥样硬化斑块破裂引发的冠心病和中风等疾病是全世界发病率和死亡率的主要原因[8]。已有研究表明内皮细胞和巨噬细胞焦亡在动脉粥样硬化的发生和发展中扮演重要角色。

巨噬细胞是机体固有免疫系统中的重要细胞成分，参与了动脉粥样硬化病变发展的所有阶段，因此巨噬细胞是一个重要的药物作用靶点。研究表明，氧化低密度脂蛋白和胆固醇晶体促进巨噬细胞泡沫化的过程中炎性小体NLRP3生成增多，并激活Caspase-1诱导巨噬细胞焦亡；巨噬细胞是IL-1β和IL-18的主要来源，NLRP3基因的沉默可以消除胆固醇晶体诱导的IL-1β分泌，而IL-1β的缺失可改善Apo E-/-小鼠的动脉粥样硬化[9]。动脉粥样硬化患者巨噬细胞中IRF调节因子1(IRF-1)表达上调，IRF-1的过表达或抑制均有效地调节了Caspase-1的活化、及NLRP3-ASC炎性小体的激活，进一步的实验表明IRF-1诱导的焦亡和下游炎症反应是依赖于活性氧生成的过程[10]。Schmid-Burgk等利用基因组CRISPR筛查发现NEK7是NLRP3炎症小体激活的重要成分，并进一步证明Nek7敲除的巨噬细胞Nlrp3炎症小体反应性减弱[11]。

血管内皮细胞是血液和血管壁之间的屏障，也是动脉粥样硬化病变的起点。用高脂处理内皮细胞24 h后，焦亡相关分子标志物表达明显上调，表明脂质诱导了内皮细胞中Caspase-1激活和细胞焦亡；大体水平上，Caspase-1敲除则通过减弱主动脉炎症细胞因子的表达和内皮细胞的活性，显著改善了Apo E-/-小鼠的动脉粥样硬化[12]。在尼古丁诱导的动脉粥样硬化模型中可以通过刺激活性氧增加而激活NLRP3炎性小体，进而增加Caspase-1的裂解，IL-1β和IL-18的产生[13]。miR-125a-5p在氧化低密度脂蛋白诱导的血管内皮细胞中水平升高，并通过调节双氧酶TET2增加活性氧的产生来诱导焦亡，其表达水平的调节可能成为动脉粥样硬化治疗策略的潜在靶点[14]。

褪黑素是一种主要在松果体中合成的神经内分泌激素，具有抗氧化作用，在动脉粥样硬化的防治中发挥重要作用[15]。最新研究发现，褪黑素治疗可显着降低ApoE -/- 小鼠的动脉粥样硬化斑块和脂质含量，并显著减弱了焦亡相关基因的表达，包括NLRP3，ASC，Caspase-1，GSDMD，IL-1β和IL-18。体外研究中，褪黑素还可以抑制氧化低密度脂蛋白诱导的主动脉内皮细胞焦亡；此外，MEG3通过序列互补作用抑制miR-223功能，增加NLRP3表达，促进内皮细胞焦亡，miR-223的敲低则阻断了褪黑素在主动脉内皮细胞中的抗热解焦亡效应[16]。因此，褪黑素在动脉粥样硬化中通过MEG3/miR-223/NLRP3通路抑制了内皮细胞的焦亡。然而，针对细胞焦亡的机制能否开发出新型防治动脉粥样硬化的药物仍需进一步研究。

2.2 心肌再灌注损伤

再灌注损伤被描述为缺氧或局部缺血后 血液供应的恢复对组织造成的损害，从而导致活性氧积累，细胞离子稳态失调和炎症反应[17]。心肌梗死后及时的溶栓、经皮冠状动脉介入治疗或冠状动脉搭桥治疗可显著提高心梗患者的生存率，然而以上的再灌注治疗让心力衰竭、心律不齐、心肌微血管功能障碍和死亡的风险增加，极大的限制了再灌注治疗的有益作用。因此，预防和减轻心肌缺血再灌注损伤是改善急性心肌梗死患者预后的关键。

早期研究表明，再灌注损伤主要涉及细胞坏死和凋亡，最新证据表明心肌缺血再灌注损伤中也有焦亡的发生，包括DNA片段增加、线粒体肿胀、细胞膜破裂以及焦亡相关蛋白水平增加[18]。Sumra Nazir等发现在心肌缺血再灌注之前和之后应用内源性炎症抑制剂活化蛋白C(aPC)，均可减少小鼠心肌梗死面积，同时Nlrp3炎症小体的激活降低。体内动力学分析显示Nlrp3炎症小体的激活先于心肌损伤和细胞凋亡，证实了Nlrp3炎症小体的致病作用；在体外，aPC通过蛋白酶激活的受体1(PAR-1)和哺乳动物雷帕霉素靶点1 (mTORC1)信号通路抑制巨噬细胞、心肌细胞和心肌成纤维细胞炎性小体的激活，这可能是防治心机再灌注损伤的潜在靶点[19]。Audia等人表明在心肌缺血再灌注模型中应用caspase-1抑制剂VX-765可以减少梗死面积并改善左室功能；此外，VX-765降低了IL-1β水平，减少了心脏糖酵解酶的降解和乳酸脱氢酶的释放，并维持了线粒体复合物Ⅰ的活性[20]。

2.3 糖尿病心肌病

糖尿病性心肌病是慢性糖尿病的一种严重并发症，以心肌纤维化和心肌肥厚为特征，发病机制涉及线粒体功能障碍、氧化应激、炎症反应、自噬、细胞凋亡、糖尿病微血管病变和心肌纤维化[21]。随着生物学技术的发展，越来越多的证据表明焦亡在糖尿病心肌病的病理基础中发挥着重要作用。研究发现糖尿病大鼠中NLRP3，ASC，Caspase-1和成熟IL-1β水平上升，这可能是由高血糖引起的活性氧过度累积导致的，NLRP3沉默或活性氧抑制则可抑制高糖诱导的细胞焦亡[22]；同时糖尿病通过NLRP3炎性体介导的焦亡加重心肌缺血再灌注损伤[23]。

在机制方面，非编码RNA在糖尿病心肌病的焦亡中发挥重要作用[24]。杨等人发现，用慢病毒沉默Kcnq1ot1可以改善糖尿病小鼠的心功能和纤维化并抑制焦亡[25]。体外实验发现，30 mmol/l葡萄糖处理心肌成纤维细胞中和焦亡增加，同时Kcnq1ot1水平升高；Kcnq1ot1敲除则降低了Caspase-1的表达并抑制焦亡的发生。生物信息学预测和荧光素酶检测显示，Kcnq1ot1作为一种内源性RNA，可通过调控miR-214-3p来影响Caspase-1的表达；同时沉默Kcnq1ot1可通过miR-214-3p和caspase-1，促进Gasdermin D的裂解和IL-1β的活化，从而抑制高糖诱导的成纤维细胞焦亡。因此，Kcnq1ot1/miR-214-3p/Caspase-1信号通路为DCM进展提供了一种新机制，可能成为新的治疗靶点。

mir-30d是一种内源性的小型非编码RNA，李等人的研究显示，mir-30d在链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠和高糖处理的心肌细胞中表达显著增加。mir-30d的上调可促进糖尿病心肌病心肌细胞的焦亡；相反，mir-30d敲除则降低Caspase-1及IL-1β的活化并抑制焦亡的发生。此外，mir-30d过表达直接抑制foxo3a及其下游蛋白[26]。以上研究表明mir-30d在糖尿病心肌病的治疗中可能是一个潜在的治疗靶点。

3 通过干扰热解改善CVD的研究进展

白藜芦醇是一种天然多酚，可以通过上调内皮NO合酶来清除氧自由基，从而限制脂质过氧化过程，因此具有抗炎抗氧化的作用[27]。白藜芦醇可以通过抑制TXNIP和蛋白激酶信号通路的磷酸化来抑制NLRP3炎性体的活化，从而缓解糖尿病心肌病，改善心脏重塑和功能障碍；白藜芦醇对NLRP3敲除大鼠的有益作用则减弱[28]。

芥子酸是中药芥菜和黄芥菜[29]。最近的研究发现，在高糖和氧化性低密度脂蛋白孵育的巨噬细胞中，低剂量(≤50mg / kg)的芥子酸和MALAT1敲除具有相同的效应，可以通过下调lncRNA-MALAT1的表达来抑制NLRP3炎性小体的活化，降低IL-1和IL-1β的水平，从而抑制巨噬细胞的焦亡并改善糖尿病小鼠中的动脉粥样硬化[30]。

二氢杨梅素是一种天然的类黄酮，具有广泛的药理作用[31]。在棕榈酸诱导的人脐静脉内皮细胞焦亡模型中，二氢杨梅素预处理可以增加细胞活力、改善细胞膜完整性、降低caspase-1的裂解和IL-1的成熟，从而抑制棕榈酸诱导的焦亡。二氢杨梅素预处理显著降低了细胞内活性氧和线粒体活性氧水平，激活了Nrf2信号通路；Nrf2敲除则减弱了二氢杨梅素对焦亡的抑制作用[32]。以上研究结果揭示了二氢杨梅素靶向炎症相关疾病(如动脉粥样硬化)的潜在药用价值。

曲美他嗪是一种抗缺血药物，被广泛用于治疗心肌梗死和其他缺血性心脏病，可显着减少细胞内酸中毒和细胞凋亡，从而保护线粒体功能和心肌[33]。败血症是一种威胁生命的器官功能障碍综合症，由宿主对感染的功能障碍反应引起，是住院患者最常见的死亡原因之一[34]。陈等人报道曲美他嗪能通过AMPK / Nrf2途径调节趋化因子CXC受体2的表达促进嗜中性粒细胞募集到心脏组织，从而减轻脂多糖诱导的心肌细胞焦亡和心脏功能障碍，该结果表明曲美他嗪是败血性心脏功能障碍的潜在治疗剂[35]。

4 展望

众多研究表明，各种心血管疾病中NLRP3炎性小体的激活是细胞焦亡的关键调节器，阻断炎症小体途径在延缓心血管疾病进展方面具有临床益处。NLRP3炎症小体和焦亡相关的复杂信号通路有多种作用靶点，包括NLRP3炎症小体上游信号，NLRP3炎症小体组装，Caspase-1激活和GSDMD裂解，中和炎症细胞因子等均可抑制其作用。几种类型的NLRP3炎症小体抑制剂已经开发出来，并在炎症相关疾病的细胞培养研究和动物模型中得到验证。然而，要将其转化为临床实践，还需要进行前瞻性临床试验。进一步探索焦亡的新信号通路，对开发新的治疗药物具有重要意义。