细胞焦亡在急性胰腺炎中的分子作用机制研究进展

赵梦琦 陆颖影

上海交通大学附属第一人民医院消化内科，上海 201620

【提要】 焦亡是由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)介导的作用于Gasdermin蛋白家族的一种程序性细胞死亡，是AP过程中重要的病理学改变。本文就细胞焦亡在AP中的分子作用机制研究进展进行综述。

AP是一种常伴有多器官损害的复杂胰腺炎症反应[1]，AP的发生和发展涉及炎症反应、氧化应激、微循环障碍、肠道菌群移位等过程。长期以来，细胞凋亡和细胞坏死被认为是AP过程中胰腺腺泡细胞的主要死亡方式，但近几年发现了一种新型细胞程序性死亡方式——焦亡(pyroptosis)，现已证明其在AP中同样发挥重要作用。本文就细胞焦亡在AP中的分子作用机制研究进展进行综述。

一、焦亡概述

细胞焦亡是一种由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)介导的具有促炎性和溶解性的细胞死亡模式，主要表现为质膜破裂，细胞内促炎物质释放。此外，还存在核凝聚、染色体DNA断裂和降解等现象[2]。1992年，Zychlinsky等[3]首次发现了巨噬细胞在弗氏志贺杆菌的诱导下发生裂解性死亡，由于当时认识有限，这种死亡方式被误认为是细胞凋亡，直到2001年，Cookson和Brennan[4]才将其界定为焦亡。程序性细胞死亡方式分为裂解性和非裂解性[5]，细胞凋亡是经典的非裂解性细胞死亡，即细胞膜在该过程中维持一定的完整性，不引起炎症反应。而细胞焦亡和坏死性凋亡属于裂解性细胞死亡方式，伴有细胞内容物渗漏和炎症反应。细胞焦亡通常发生在感染病毒或细菌的细胞中，显示出焦亡对清除胞内病原体、保护机体具有积极作用，但同时若过度释放炎性细胞因子也会加重疾病[6]。

目前认为细胞焦亡激活通路可分为caspase-1介导的需炎症小体参与的经典途径和caspase-4、5、11介导的不需炎症小体参与的非经典途径[7]。经典途径依赖于caspase-1，当受到外部刺激时，细胞表面的模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)可通过与病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)和损伤相关分子模式(damage-associated-molecular-patterns，DAMPs)结合，产生对应的炎症小体激活caspase-1。活化的caspase-1切割Gasdermin D(GSDMD)蛋白，形成具有打孔功能的N端，促使促炎因子IL-1β和IL-18成熟及释放。在非经典途径中，胞质脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)激活 caspase-4、5、11，通过裂解 GSDMD 触发细胞焦亡[8]。

二、焦亡相关分子在AP发病机制中的作用

1.炎症小体与AP：炎症小体是一类大分子蛋白复合体，大多数是以NOD样受体(NOD-like receptors，NLRs)、AIM2样受体(AIM2-like receptors，ALRs)作为受体蛋白，凋亡相关点样蛋白(apoptosis associated speck-like protein containing a CARD，ASC)作为接头蛋白，caspase作为效应蛋白，主要类型包括NLRP3、NLRP1、NLRC4、AIM2和pyrin等[9]。NLRP3炎症小体研究最为广泛，已证明其通过介导细胞焦亡，诱导炎症级联反应和组织损伤从而在AP中发挥重要作用[10]。研究表明，抑制NLRP3 炎症小体的活化，可抑制炎性因子释放，减轻胰腺组织炎性反应，进而保护胰腺组织[11-13]。AP的病理生理特征包括局部胰腺组织损伤、全身炎症反应和多器官功能障碍，由于炎性因子过度释放和氧化应激反应增强，可能引起远处器官损害，以急性肺损伤(acute lung injury，ALI)尤甚。已证实，NLRP3炎症小体活性上调是AP诱导ALI的原因之一，且通过抑制NLRP3炎症小体活性和NF-κB信号转导对AP及其诱导的ALI具有治疗潜力[14-15]。Wu等[16]进一步揭示了在ALI中，肺泡巨噬细胞(alveolar macrophages，AMs)是NLRP3炎症小体介导焦亡的关键效应细胞，而NLRP3炎症小体激活可由血浆来源的外泌体触发。其他炎症小体的潜在作用直至2016年才被Kang等[17]发现，该项研究证明了胰腺损伤后，核小体的释放通过激活晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation endproducts，RAGE)，促进巨噬细胞中AIM2炎症小体活化，且证明了AIM2的基因缺失可保护小鼠免受L-精氨酸诱导AP的侵害，降低循环中IL-1β和高迁移率组蛋白1(high mobility group box1，HMGB1)水平。一项前瞻性研究[18]同样说明了AIM2的表达和激活与AP疾病严重程度呈正相关，该研究发现AP患者外周免疫细胞过表达AIM2，并且这些细胞中AIM2或NLRP3炎症小体的激活促进了炎性细胞因子IL-1β和IL-18的产生。

NF-κB信号通路不仅在经典促炎途径中发挥作用，在NLRP3活化的初始步骤中也十分关键。NF-κB介导炎症产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)是激活NLRP3的危险信号，可诱导氧化应激，促进炎症由局部向全身发展[19-20]。Szatary等[21]发现TLR4/NLRP3促炎信号通路在PAMPs 和DAMPs诱导的胰腺损伤和全身炎症反应中起着关键作用，抑制TLR4/NLRP3途径可以明显减轻AP严重程度[22]。在生理条件下，有害的ROS可被内源性酶或非酶抗氧化剂快速解毒，如超氧化物歧化酶(SOD)、血红素氧化酶1(HO-1)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和醌氧化还原酶1(NQO1)[23]。核因子红细胞相关因子2(nuclear factor erythrocyte-2 associated factor-2，Nrf2)通过激活内源性抗氧化系统维持氧化还原稳态，是影响细胞氧化还原的关键转录调节剂[24]。加强Nrf2信号转导可上调HO-1的表达，通过Nrf2/HO-1信号转导抑制NLRP3炎症小体活化，可以对氧化应激介导的胰腺功能障碍起到保护作用[25-26]。

2.效应分子与AP：焦亡过程包括炎症小体形成、caspase-1或caspase-11激活、质膜破裂以及促炎因子IL-1β、IL-18的释放[27]。IL-1β与IL-18是通过caspase-1从无活性前体活化而来，可作为炎症小体激活的炎性标志。IL-1β可诱导白细胞迁移，使免疫细胞激活以发挥其抗菌及促炎功能，IL-18的主要功能是诱导干扰素-γ(IFN-γ)的产生，激活T淋巴细胞和巨噬细胞[28]。两者可共同促进炎症级联反应、胰腺局部组织损伤和远隔器官损害。研究发现阻断IL-1β表达可减轻胰腺的病理损害、炎症反应，缓解AP相关ALI的病情，表明IL-1β升高与AP病情严重程度密切相关[29]。IL-18在AP中的作用更为复杂，除了作为AP血清标志物之外[30]，因其具有直接杀菌作用，对于维持肠道稳态尤为关键[31]。

AP过程中的效应产物还包括HMGB1，它可由损伤的腺泡细胞释放。一项荟萃分析结果表明[32]，AP患者血清HMGB1升高水平与免疫细胞激活和腺泡细胞死亡程度相一致，可作为反映疾病严重程度的有效指标。研究发现，内源性的HMGB1与TLR4或TLR9结合，诱导并扩大炎症反应，同时HMGB1也可激活依赖于TLR4的NF-κB信号通路，进而诱发胰腺损伤，通过阻断HMGB1表达可减轻AP严重程度[33-34]。另外，已证实HMGB1是SAP期间介导肠道细菌移位的重要因素之一，而肠道细菌移位又是诱发全身性炎症反应的关键因素[35]。HMGB1促使AP期间肠黏膜屏障功能障碍，所以抑制HMGB1活性可能是改善SAP患者肠黏膜屏障功能的有效治疗策略[36]。

3.Gasdermins与AP：Gasdermin家族蛋白包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD和DFNA5，2015年几乎同时发表的两个独立研究成果均鉴定了GSDMD是炎症caspase的特异性底物，是细胞焦亡的主要执行者[2,37]。主流观点曾认为凋亡caspase与炎症caspase相互独立，而近期研究证实，caspase-3可通过水解DFNA5引起焦亡，该过程在胞内DFNA5含量较高时快速触发，DFNA5含量较低或缺失时则仍以凋亡为主[38]，且凋亡相关蛋白 caspase-8 也可以直接裂解 GSDMD 以诱导细胞焦亡[39]。由此可推测，细胞死亡方式并不是取决于caspase的种类，关键在于其作用的底物。目前已发现腺泡细胞中的NLRP3和GSDMD激活是介导细胞焦亡的关键，可促进胰腺损伤和发生全身性炎症反应[40]。Wang等[41]研究表明，AP时circHIPK3的上调会抑制miR-193a-5p的表达，促使GSDMD介导腺泡细胞焦亡，最终加重AP病情。另有研究证明，下调GSDMD蛋白表达可降低血清IL-1β和IL-18水平，即通过降低与炎症反应有关的细胞焦亡减轻AP病情[42]。

三、焦亡和AP相关肠道损伤

AP过程中常伴有肠道功能障碍，其潜在机制包括微循环障碍(局部缺血和再灌注损伤)，免疫防御功能受损(细胞因子和递质释放)以及肠道微生态变化，导致肠道黏膜完整性丧失，使内毒素甚至细菌入血[43]。已在人类和动物模型中证明，肠道菌群失调受AP病情严重程度影响[44-45]，AP患者具有特征性的肠道微生态表型，菌群多样性降低和病原菌增多与肠道屏障功能损害相一致。此外，有研究揭示了在雨蛙肽诱导的AP小鼠模型中，通过组合抗生素处理抑制肠道TLR4/NLRP3炎性体作用，可阻碍肠道细菌向胰腺移位，改善胰腺炎症，并延迟AP进入全身性炎症反应进程[46]。抑制肠道炎症反应和维持肠道稳态进而减轻胰腺炎症的机制，可能是通过抑制NF-κB途径和NLRP3炎症小体激活，阻碍了肠道细胞焦亡进程[47-48]。焦亡关键蛋白GSDMD也可在肠上皮细胞上表达，研究发现SAP过程中肠道紧密连接蛋白ZO-1和Occludin水平与GSDMD表达呈负相关，推测GSDMD可能通过介导细胞焦亡调控SAP时的肠道损伤[42,49]。

四、总结与展望

细胞焦亡作为由多种基因调控的新型细胞程序性死亡方式，已在免疫性疾病、感染性疾病、动脉粥样硬化、恶性肿瘤等多种疾病中被报道。目前研究普遍认为细胞焦亡存在于AP过程中，并影响其发生、进展及预后，因此通过对细胞焦亡机制的探索，为进一步探究AP发病机制有积极意义，可寻求AP诊疗的新靶点，改善患者预后，为临床新型药物研究提供理论依据和参考。但目前AP过程中不同类型细胞焦亡对疾病转归的影响尚未完全阐明，该过程确切的调控机制还有待进一步研究。

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