细胞焦亡在动脉粥样硬化中的作用及其研究进展

徐 璐 王 贺 岳 珂 魏 珂 解金红 关怀敏

1.河南中医药大学第一临床医学院，河南郑州 450000；2.河南中医药大学第一附属医院心血管内科第三病区，河南郑州 450000

随着国家经济实力获得长足发展，人民生活品质不断提升，心脑血管疾病俨然成为伤害我国居民身心健康的“头号杀手”。20 世纪80 年代以来，中国人罹患动脉粥样硬化性心血管疾病的风险不断增加，其中以冠心病和缺血性脑卒中为主要类型[1]。焦亡是一种细胞死亡的调节形式，其特征是质膜通透性的改变和炎症细胞因子的细胞外释放。2001 年，Cookson 和Brennan[2]首次界定这种细胞死亡的方式为依赖胱天蛋白酶（Caspase）-1 的程序性细胞死亡形式，因其潜在病理机制尚不清晰，近年来被科研人员广泛又深入地研究。越来越多的研究表明，细胞焦亡与动脉粥样硬化之间有着相当密切的关联[3-6]。探讨细胞焦亡与动脉粥样硬化的相关性及其潜在致病机制有望为心血管疾病的一级预防和临床治疗找到新方向。

1 细胞焦亡的特点

焦亡作为程序性细胞死亡，与凋亡既有相似，又有不同。细胞焦亡发生染色体DNA 片段化、核固缩，且TUNEL 和Annexin V 染色呈阳性，这是焦亡和凋亡类似的地方；与凋亡的不同在于，经典细胞焦亡由Caspase-1 启动，而凋亡由Caspase-3 介导。焦亡细胞在胞膜上形成大量蛋白孔，导致胞膜完整性丧失，调节物质流动的能力减弱，导致促炎物质释放和继发性炎症反应的扩大[7]。

2 细胞焦亡的分子机制

病原微生物刺激机体后，在胞内模式识别受体中诱导寡聚化，与凋亡相关微粒蛋白和Caspase 前体结合形成炎症复合体。该复合体识别细菌、真菌、病毒等病原体相关分子模式和胆固醇、ATP 等损伤相关分子模式，促进巨噬细胞、树突状细胞等先天性免疫细胞分泌白介素（interleukin，IL）-1β 和IL-18 诱导细胞焦亡[8]。

2.1 Caspase-1 依赖的经典焦亡途径

在经典焦亡途径中，炎症复合体的形成激活Caspase-1前体。活化的Caspase-1 一方面促进IL-1β 和IL-18 前体的裂解，生成成熟的IL-1β 和IL-18；另一方面作用于胃泌素D Gasdermin-D（gastrin D gasdermin-D，GSDMD），将其裂解为反应性氨基（N）端和羧基（C）端。GSDMD 的N 末端结构域具有脂质选择性，作用于细胞膜上形成直径10～20 nm 的膜孔，导致细胞内外失衡，细胞溶解和死亡，IL-1β 和IL-18 等小分子分泌到细胞外[9-10]。此外，更多的免疫细胞被募集来触发炎症反应，最终导致细胞焦亡。

2.2 Caspase-11/-4/-5 介导的非典型途径

人源性Caspase-4/-5 和鼠源性Caspase-11 可诱导非典型性焦亡。非经典途径的Caspase 激活可能通过革兰氏阴性菌来源的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）与胞浆中的Caspase-4/-5/-11 的前体结合而发生[11]。目前人们普遍认为Caspase-4/-5/-11 不能直接切割促炎细胞因子的前体，这是典型和非典型细胞焦亡途径的主要区别。

3 NLRP3 炎症体

NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和Caspase-1 前体蛋白共同构成了NLRP3 炎症小体。NLRP3 与ASC 相互作用募集Caspase-1 前体，然后通过GSDMD 形成的孔道切割并释放成熟的IL-1β。线粒体功能障碍时产生的活性氧是NLRP3 炎症激活的信号[12]，溶酶体膜破裂也可激活NLRP3 炎症体[13]。此外，K+外流和Ca2+动员也是NLRP3 炎症体激活的上游关键事件[14]。研究证实NLRP3 水平的高低与急性冠脉综合征患者冠状动脉粥样硬化的程度呈正相关，监测NLRP3 水平是一种能及时了解患者预后的手段[15]。这提示靶向NLRP3 相关的炎症通路是抗动脉粥样硬化的潜在治疗方法。

4 细胞焦亡与动脉粥样硬化

尽管医疗保健稳步发展，全世界范围内仍有相当数量的人口因为心血管疾病而死亡，动脉粥样硬化是一种慢性血管疾病，是全世界心血管疾病发病率和死亡率居高不下的主要原因之一[16]。脂质代谢紊乱和炎症过程共同参与了动脉粥样硬化斑块的形成。动脉粥样硬化的发展与血管内皮细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞和其他类型血管细胞的死亡有密切关联。

4.1 内皮细胞焦亡与动脉粥样硬化

排列在血管壁表面的内皮细胞位于血液和间质组织的交界处，是抵御内源性危险信号的屏障[17]。在病变不显著的动脉粥样硬化早期小鼠就已经观察到内皮功能障碍，这表明内皮细胞的损伤可能是一种早期的致病事件[18]。Xing 等[19]发现红景天苷能逆转LPS和ATP 刺激人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）所导致的内皮细胞炎症小体激活和焦亡，同时红景天苷能减少apoE-/-小鼠的动脉粥样硬化斑块中焦亡细胞的数量。红景天苷抗动脉粥样硬化的机制可能是抑制了NLRP3 相关的细胞焦亡。Yao 等[20]发现，羟基酪醇乙酸酯（hydroxytyrosol acetate，HT-AC）是一种从橄榄中提取的多酚化合物，能减轻apoE-/-小鼠主动脉内膜粥样硬化病变的形成，抑制主动脉内膜的焦亡。HT-AC 作用于HUVECs 后，PI 阳性细胞数减少、Caspase-1 和GSDMD 蛋白表达降低，减少了IL-1β 和IL-6 的释放，减轻肿瘤坏死因子-α 诱导的焦亡。Hu 等[21]发现与棕 榈酸（palmitic acid，PA）单独处理组相比，二氢杨梅素（dihydromyricetin，DHM）预处理将PA 诱导的HUVECs 中NLRP3、IL-1β和细胞间黏附分子-1 蛋白水平的升高逆转至基础状态。DHM 预处理后，PA 诱导的Caspase-1 活性、IL-1β的释放和PI 阳性细胞的增加也显著减弱。这些结果提示DHM 能有效改善PA 诱导的HUVECs 焦亡。尼古丁促动脉粥样硬化发生主要由于它能够刺激活性氧的产生，激活NLRP3 和Caspase-1，并最终导致内皮细胞焦亡。焦亡可能是尼古丁通过产生活性氧和激活NLRP3 作为上游介质对动脉粥样硬化产生有害影响的细胞机制[22]。因此，靶向Caspase-1 依赖的细胞焦亡可能会减轻尼古丁诱导的动脉粥样硬化病变。以上研究均表明抑制血管内皮细胞焦亡可以有效延缓动脉粥样硬化进展，是将来治疗动脉粥样硬化的潜在方法。

4.2 巨噬细胞焦亡与动脉粥样硬化

内皮通透性和内皮下细胞外基质成分的改变导致低密度脂蛋白沉滞在动脉壁上。低密度脂蛋白转化为氧化型低密度脂蛋白，促进动脉粥样硬化的发生、发展[23]。氧化型低密度脂蛋白和胆固醇晶体触发NLRP3炎症小体和Caspase-1 的产生，引起巨噬细胞IL-1β和IL-18 的激活[24]。有研究表明，巨噬细胞中大量表达人类粥样病变斑块中NLRP3 炎症小体的成分[25]，晚期病变时，巨噬细胞的焦亡可能促进坏死核心的形成和斑块的不稳定性[26]。Zheng 等[27]发现与对照组相比，NLRP3 缺陷的apoE-/-小鼠动脉粥样硬化损伤区巨噬细胞数量和脂质含量都显著降低，研究证明沉默NLRP3 后可降低巨噬细胞脂质的斑块含量，增加平滑肌细胞和胶原含量，从而减少动脉粥样硬化斑块不稳定性。有研究发现，线粒体外膜蛋白NIX 介导的线粒体自噬可通过调节活性氧和NLRP3 的活性，减少活性氧的产生，抑制NLRP3 的激活，从而抑制小鼠巨噬细胞的焦亡[28]。但是，NIX 在活体动物模型中的作用仍需进一步研究。文献报道，CIC-2（一种氯离子通道，调节多种生理和病理过程）基因敲除抑制氧化型低密度脂蛋白诱导的巨噬细胞脂质摄取和沉积，CIC-2基因敲除通过抑制NLRP3 炎症体的激活来改善氧化型低密度脂蛋白诱导的巨噬细胞泡沫细胞的形成和炎症，提示CIC-2 可能是治疗巨噬细胞泡沫细胞形成和动脉粥样硬化的潜在靶点[29]。Jiang 等[30]发现，Caspase-11-GSDMD 介导的焦亡和随后巨噬细胞的促炎反应参与了动脉粥样硬化的发病过程。因此，靶向Caspase-11-GSDMD 可能成为治疗动脉粥样硬化的一种替代策略。以上研究提示，通过经典或非经典焦亡途径抑制巨噬细胞焦亡对降低动脉粥样硬化斑块的不稳定性有显著效果。

4.3 平滑肌细胞焦亡与动脉粥样硬化

血管平滑肌细胞（vascularsmoothmusclecell，VSMC）是大中型弹性动脉的主要基质成分，也是动脉粥样硬化病变重要的因素之一。动脉粥样硬化形成时，VSMC从收缩表型向合成表型转变，促进VSMC 进一步向内膜迁移和增殖[31]。此外，VSMC 还分泌基质，在晚期动脉粥样硬化的病变上形成保护性纤维帽[32]。大的坏死核心或薄纤维帽形成后，斑块变得不稳定，易发生急性破裂进入血液循环，导致血栓形成和急性心血管事件。黑色素瘤缺失因子2（absent in melanoma 2，AIM2）可加速apoE-/-小鼠动脉粥样硬化斑块的发展。研究发现，AIM2 通过Caspase-1-GSDMD 途径促进斑块病变区域的扩大，在VSMC 中过表达，研究还表明，NF-κB信号活性可影响AIM2 的表达，且它的抑制剂能抑制AIM2 激活[33]。Li 等[34]报道，与氧化型低密度脂蛋白单独作用相比，Caspase-1 抑制剂VX-765 与氧化型低密度脂蛋白共同作用的小鼠平滑肌细胞的PI 阳性细胞百分率、乳酸脱氢酶活性、Caspase-1 活性以及IL-1β 水平均降低；与对照组相比，VX-765 显著减少了小鼠粥样斑块中活化的IL-1β 阳性细胞的数量。Liu 等[35]的研究报道，牙龈卟啉单胞菌（porphyromonas gingivalis，Pg）影响动脉粥样硬化的发生、发展，CircPPP1CC 可通过激活HMGB1/TLR9/AIM2 通路来增强Pg-LPS 诱导的VSMC 焦亡。因此，VSMC 焦亡可能促进动脉粥样硬化发展，从而为临床治疗动脉粥样硬化提供新的靶点和潜在的治疗方法。目前VSMC 焦亡和动脉粥样硬化之间关系的文章较少，期待科研人员更多的研究来阐明两者之间的关系。

5 小结与展望

动脉粥样硬化是一种慢性心脏代谢性疾病，目前仍是世界各地死亡的主要原因。由于临床表现不明显，通常只有在发生心肌梗死或脑卒中等心血管事件后才能诊断，导致极高的死亡率。动脉粥样硬化机制的研究是一个历久弥新的话题，目前学术界公认致动脉粥样硬化的两大因素是炎症和脂质代谢紊乱，尽管每年围绕着动脉粥样硬化机制的探讨数不胜数，但其确切的发病机制仍需深入研究。目前临床上广泛应用他汀类药物来治疗动脉粥样硬化，但并没有改善其高发病率和致死率，这提示当前主流的治疗手段仍有不足，更行之有效的方法需要科研工作者和临床医生去研发来应对目前的治疗困境。细胞焦亡是一种高度炎症程序性细胞死亡，也是感染和组织损伤时先天免疫反应的一种重要形式，其主要特点是依赖于Caspase-1/-4/-5/-11，活化IL-1β 和IL-18。研究发现，细胞焦亡与动脉粥样硬化的发生、发展以及斑块的稳定性密切相关，通过影响特定的细胞焦亡途径，能抑制动脉粥样硬化的进展。目前的研究主要集中在与焦亡有关的几个炎症成分，例如NLRP3 炎症复合体，并且大部分研究表明NLRP3 能够激活细胞焦亡。各种体内和体外实验也证明了Caspase-1/IL-18/IL-1β 在细胞焦亡中的特殊意义。近年来针对抑制细胞焦亡的药物研究也取得了积极成效，但这些抑制剂应用到临床上是否能真正改善患者动脉粥样硬化情况还有待大型对照研究来证实。因此，要想在防治动脉粥样硬化的方法上找到新的切入点，还需科研人员更深入地研究细胞焦亡在动脉粥样硬化中发挥作用的机制及起效靶点，为开发更有效针对细胞焦亡及其相关成分的药物提供坚实理论依据。