细胞焦亡在肿瘤中的研究进展

龚乾，颉红杰，双卫兵

（1.山西医科大学第一临床医学院，山西 太原 030001；2.山西医科大学第一医院 泌尿外科，山西 太原 030001）

2001 年，LAWRENCE H.BOISE 和 BRAD COOKSON［1］实验室发现并证实细菌感染引起的巨噬细胞死亡是一种依赖于半胱天冬酶-1（caspase-1）的且不同于细胞凋亡的程序性细胞死亡方式，并称其为焦亡（pyroptosis）。细胞焦亡与细胞凋亡、铁死亡、程序性坏死等不同，它在细胞死亡的机制和形态学变化上有明显的自身特点，其中细胞焦亡产生的炎症反应最具特征，并且与机体免疫和多种疾病的发生发展密切相关。随着研究的不断深入，人们发现焦亡在多种疾病的发生发展中都起到了重要的作用。尤其是在肿瘤方面，细胞焦亡对肿瘤的发生以及治疗是近年来研究的热点。本文就细胞焦亡的机制、与肿瘤发生发展的关系和在肿瘤治疗中的研究进展做简要综述。

1 细胞焦亡的机制

细胞焦亡是近年来发现的一种细胞程序性死亡方式，表现为细胞膜上蛋白孔形成、细胞膨胀最终破裂并释放细胞内容物。在病原微生物入侵或内部损伤因子作用下，机体内固有免疫系统产生一系列反应包括：组装和激活炎性小体（inflammasome）、激活 caspase、gasdermin D（GSDMD）的激活。其中，GSDMD 是细胞焦亡重要的效应物与焦亡的发生密切相关。GSDMD 在被caspase 切割后释放出N 端结构域后才具有成孔活性，暴露的N 端与质膜上的心磷脂和磷酸肌醇相结合，使质膜出现寡聚化蛋白孔洞最终导致细胞破坏。细胞焦亡通过外泄的细胞内容物诱导强烈的炎症反应，保护宿主免受微生物感染。

1.1 caspase-1 依赖的经典途径

细胞内模式辨识受体（pattern recognition receptor,PRR）在受细菌、病毒刺激后，传递组装炎性小体（NLRP1、NLRP3、NLRC4 等）的指令。炎性小体使caspase-1 活化，激活后的caspase-1 切割GSDMD 的N 端序列，使其成为具有成孔活性的GSDMD-NT［2］，GSDMD-NT 转移到细胞膜结构中形成质膜孔，造成细胞膜的完整性破坏，从而引起细胞内渗透压增加最终导致细胞肿胀、破裂［3-4］。此外激活的caspase-1 能够促进白介素-1β（IL-1β）、白介素-18（IL-18）的激活与释放，进一步促进了机体的炎症反应。同时炎性小体还可作为IL-1β 的加工平台，促使IL-1β 的成熟和释放［5］。

1.2 caspase-4/5/11 依赖的非经典途径

在非经典途径中，caspase-4/5/11 可直接被细菌脂多糖激活，活化后的caspase-4/5/11 剪切gasdermin D 的N 端序列产生有活性的GSDMD-NT，GSDMD-NT 转移到细胞膜上使细胞膜穿孔、细胞肿胀，导致细胞焦亡［6］。caspase4/5 和caspase-11并不直接参与炎症因子的激活，而是通过诱导caspase-1 的活化间接促进炎症因子的释放从而引起机体的炎症反应。

1.3 caspase-3 介导的细胞焦亡途径

与上述两种途径不同，与caspase-3 相关的细胞焦亡其效应物为GSDME 蛋白。GSDME 蛋白中同样具有GSDM 家族共有的重要功能结构域：gasdermin-N 域。通过GSDME 蛋白中存在caspase-3的切割位点，caspase-3 可使GSDME 蛋白具有穿孔活性。最近的研究表明某些化疗药物可以将caspase-3 依赖型的细胞凋亡转化为caspase-1 依赖型的细胞焦亡［7-8］。北京生命科学研究所邵峰实验室［9］发现，敲除海拉细胞中GSDMD 基因并补回带有caspase-3 切割点位的gasdermin E（GSDME）基因，海拉细胞的凋亡过程转变为焦亡。其机制是被激活的caspase-3 切割GSDME 形成GSDMENT［10］，后者可特异性地结合细胞膜上的4、5-二磷酸磷脂酰肌醇，引起质膜穿孔、炎症物质释放、细胞焦亡。

2 细胞焦亡与肿瘤

焦亡对肿瘤影响有双面性。一方面，细胞焦亡过程中的关键炎症小体如NLRP3（NLR family pyrin domain protein 3）能够促进肿瘤细胞死亡、抑制肿瘤细胞的增殖和转移［11］；另一方面，细胞焦亡过程中炎症小体的累积和炎性因子的过量释放对于形成肿瘤微环境又是有利因素［12］。

2.1 细胞焦亡与肺癌

肺癌是导致死亡人数最多的呼吸系统肿瘤，严重威胁着人类的生命健康。在组织学上，肺癌通常可分为小细胞肺癌（small-cell lung cancer,SCLC）和非小细胞肺癌（non-small-cell lung cancer,NSCLC）。在肺癌的治疗中，NSCLC 对化疗相对不敏感，靶向治疗是对NSCLC 的重要治疗方法，但获得性耐药在NSCLC 患者中常见［13］。而焦亡作为近年来发现程序性细胞死亡方式有可能成为治疗NSCLC 的有效方法［14］。最近研究发现：某些药物对细胞杀伤作用的机制包括细胞焦亡，如辛伐他汀通过激活炎性小体NLRP3—caspase-1—IL-1β、IL-18 通路诱导H1299 和A549 细胞发生细胞焦亡［15］。另外，常用的化疗药物紫杉醇和顺铂由caspase-3/GSDME 通路诱导A549 细胞发生细胞焦亡［16］。另一项研究表示，细胞焦亡是一种免疫性细胞死亡，GSDME 是一种肿瘤抑制因子，能够增强肿瘤相关巨噬细胞的吞噬作用，促进NK 细胞和CD8+T 淋巴细胞的浸润和活化，对于肿瘤生长具有抑制作用［8］。在肿瘤的免疫治疗中，CHENG等［17］研究发现一种新型嵌合PD1-NKG2D-41BB 受体通过触发细胞焦亡可增强NK92 细胞对肺癌H1299 细胞的抗肿瘤活性。WANG 等［18］基于细胞焦亡的免疫学作用，利用生物正交系统和gasdermin 蛋白激活细胞焦亡，重塑肿瘤微环境并激活和增强T 细胞介导的抗肿瘤免疫反应，因此细胞焦亡可能突破PD-1 治疗的局限性，并与PD-1发挥协同作用。

2.2 细胞焦亡与消化系统肿瘤

食道癌是常见的消化系统肿瘤。一项研究发现在同时应用PLK1 抑制剂和顺铂处理细胞时，细胞中caspase-3 表达增加，随后引起胞质中的GSDME 增加而导致癌细胞发生焦亡，同时通过对食管癌患者的一项随访研究显示GSDME 的过表达也与食管鳞状细胞癌患者较好的预后有关［19］。

随着细胞焦亡研究的深入，我们发现炎性小体在肝脏疾病中起到双向作用。一方面炎性小体可以保护肝脏免受病原体感染和参与干细胞抗氧化应激及抑制肿瘤生长；另一方面，炎性小体的过度免疫反应可能促进各种肝脏疾病的发生［20-21］。肝细胞癌（hepatocellular carcinoma,HCC）是我国高发的消化系统恶性肿瘤，因其早期症状不典型，故多数患者确诊时已经为中晚期，根治性切除的机会小，传统放化疗治疗效果一般［22］。在HCC 组织中发现炎性小体NLRP3 的表达显著下降甚至不表达，并且NLRP3 的表达量与HCC 的病理分级和临床分期呈负相关，这说明NLRP3 炎症小体参与了HCC 的发展过程［23］。在一项研究中，WEI等［24］发现17β-雌二醇对HCC 细胞具有抑制作用，具体表现为17β-雌二醇通过靶向NLRP3 激活了HCC 细胞中的caspase-1 依赖型细胞焦亡途径，从而诱导HCC 细胞死亡。细胞焦亡在HCC 的免疫治疗中同样发挥作用，一方面炎症小体NLRP3 的激活通过AMPK/mToR 通路抑制了HCC 细胞中的保护性自噬，减弱了HCC 细胞的免疫逃逸能力；另一方面，在巨噬细胞发生caspase-1 依赖型细胞焦亡后，共同培养的NK 细胞被激活并对HCC 细胞产生细胞毒性并且杀伤HCC 细胞［25］。由此可见，细胞焦亡具有直接杀伤和促进机体自身免疫细胞对抗HCC 细胞的作用，因此细胞焦亡对于HCC 的治疗具有重要意义，也为HCC 的靶向治疗及药物研发带来新的思路。

2.3 细胞焦亡与乳腺癌

2020 年全球最新癌症负担数据显示，乳腺癌取代肺癌成为全球第一大癌症［26］，乳腺癌的治疗也从“一刀切”的方法到个性化治疗模式的转变。据GUO 等［27］报道，在乳腺癌组织中炎症小体NLRP3 表达下调或缺失可促进乳腺肿瘤细胞的生长和转移，因此细胞焦亡在乳腺癌治疗中的应用越来越受到人们的关注。相关研究表明，Omega-3脂肪酸，如二十二碳六烯酸（DHA）通过诱导caspase-1 和gasdermin D 的活化及IL-1β 的分泌，介导了乳腺癌细胞MDA-MB-231 发生焦亡且DHA诱导乳腺癌细胞发生焦亡效应比在非癌细胞中高得多［28］。caspase-1、IL-1β 在乳腺癌组织中表达越高，肿瘤病理分级越低，肿瘤体积越小，临床分期越低，淋巴结转移的可能性也越低［29］。上述结果提示细胞焦亡相关蛋白caspase-1 和IL-1β 的表达情况可能影响乳腺癌患者的发展和预后。

2.4 细胞焦亡与泌尿系肿瘤

关于细胞焦亡与泌尿系肿瘤治疗近年来研究较少，是未来具有较大潜力的研究方向之一。在肾细胞癌（renal cell carcinoma,RCC）的研究中，TAN 等［30］发现通过基因敲低或使用溴结构域抑制剂JQ1 抑制BRD4，抑制RCC 中的癌细胞增殖和上皮间质转化（EMT）。该过程由NLRP3 炎症小体诱导caspase-1 依赖的细胞焦亡产生。在前列腺癌（prostatic cancer）的相关研究中发现，与正常前列腺相比前列腺癌组织中caspase-3 的表达量明显下降［31］。非编码RNA（PVT1）参与前列腺癌的发生发展，而PVT1 的敲除使小鼠前列腺癌组织中的caspase-3 的表达量显著上调，这说明PVT1 的促癌作用可能与抑制caspase-3 的表达有关［32］。可见，caspase-3 细胞焦亡通路与前列腺癌有着密切的联系。另一项回顾性研究表示caspase-3 在前列腺癌组织中的表达与其病理分级（Gleason 评分）有关，但与术前PSA 和临床分期与是否存在远处转移无关［33］。NIU 等［34］报道，抗炎药双联苄类化合物（Marchantin M）作为佐剂可提高多西紫杉醇对前列腺癌细胞凋亡诱导作用，部分细胞凋亡转变为细胞焦亡，并且发生焦亡的细胞系对紫杉醇仍具有良好的敏感性。该研究结果为以细胞焦亡改善肿瘤微环境并抑制肿瘤细胞的免疫逃逸，及细胞焦亡调控炎症介质影响药物的作用途径从而减少肿瘤细胞的获得性耐药提供了新的研究方向。

3 展望

细胞焦亡作为一种促炎性程序性细胞死亡方式，与多种病理生理过程密切相关，其对肿瘤的杀伤作用已被证实。因此细胞焦亡作为未来应用于肿瘤临床治疗的探索方向，有巨大的研究空间。但细胞焦亡的研究也将面临许多难题，例如在疾病状态下细胞死亡的方式可能是多种并存的，如何准确区分不同细胞死亡的类型及它们之间的相互影响；如何精确地调控焦亡的表达水平，以避免在杀伤肿瘤细胞时引起炎症因子风暴；并且目前细胞焦亡对于各种肿瘤的调控机制尚未阐明，该领域的探索还有很多的工作要做。