基于细胞焦亡机制的急性肺损伤研究进展

何培勇 黄玲

急性肺损伤(acute lung injury,ALI)是以炎性细胞浸润、肺泡毛细血管屏障通透性增加和急性弥漫性肺泡水肿为特征的急性进行性肺部炎症,是一种危及生命的低氧性呼吸系统疾病。细胞焦亡(pyroptosis)是一种新发现的程序性细胞死亡形式,依赖于细胞质中半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase)触发的gasdermin(GSDM)蛋白的切割,活化的GSDM的N-末端结构域(GSDM-NTD)在细胞膜上形成膜孔,最终导致细胞肿胀和破裂以及放大的炎症反应[1]。最初认为细胞焦亡是一种特殊的凋亡形式,但细胞凋亡(apoptosis)是一种生理性基因调控的死亡,主要表现为细胞膜出泡,细胞固缩变小,凋亡小体形成,不伴有细胞的破裂及炎症因子的释放。越来越多的证据表明,细胞焦亡在ALI的肺部炎症反应中起着重要作用,抑制细胞焦亡是ALI有前景的治疗方式。本文将概述细胞焦亡机制参与ALI炎症反应的最新进展,为ALI的发病机制及治疗提供新的思路。

一、细胞焦亡机制

细胞焦亡是细胞死亡的一种特殊形式,主要包括典型炎症小体诱导途径、非典型炎症小体诱导途径以及GSDM相关诱导途径,伴有细胞肿胀破裂,炎性细胞因子如白细胞介素-1(IL-1β)和白细胞介素-18(IL-18)的释放。NOD样受体蛋白3(NLRP3)炎症小体主要在典型炎症小体诱导途径中发挥作用,其激活包含两个步骤,步骤1是病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)刺激Toll样受体(TLRs)/髓系分化因子88(MyD88)/核因子-κB (NF-κB)信号通路,导致NLRP3、凋亡相关斑点蛋白(ASC)、IL-1β前体和IL-18前体的转录上调。步骤2是活化的NLRP3炎症小体激活caspase-1,GSDMD被caspase-1裂解并释放GSDMD-NTD以形成膜孔,IL-1β和IL-18被caspase-1激活并从膜孔中分泌,导致下游的炎症级联反应[2]。caspase-4/5和caspase-11参与非经典炎症小体诱导途径,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)通过Toll样受体-4(TLR4)/高迁移组框1(HMGB1)/晚期糖基化终产物受体(RAGE)信号通路或外膜囊泡(OMV)诱导的内体的形成而转移到细胞质中,细胞内LPS直接激活caspase-4/5/11,活化的caspase-4/5/11裂解GSDMD以诱导细胞焦亡,caspase-4/5/11可同时通过诱导钾离子流出激活NLRP3炎症小体[3]。GSDM相关诱导途径包括由耶尔森菌通过TLR4/受体相互作用蛋白1(RIPK1)信号通路激活的caspase-8裂解GSDMD以驱动细胞焦亡[4]。中性粒细胞弹性蛋白酶和组织蛋白酶G直接激活GSDMD介导细胞焦亡[5]。GSDMA被A组链球菌的SpeB蛋白酶特异性切割,从而引发角质细胞的细胞焦亡[6]。GSDMB被caspase-1/3/6/7以及颗粒酶A裂解,发生细胞焦亡[7]。GSDMB可增强caspase-4裂解GSDMD,间接促进非典型炎症小体诱导的细胞焦亡[8]。

二、细胞焦亡机制与ALI

1 肺内皮细胞(endothelial cells,EC)焦亡参与ALI 肺内皮细胞覆盖在肺微血管的内壁上,称为肺内皮屏障,EC焦亡产生IL-1β可诱导肺内皮屏障的损伤和炎症,肺内皮完整性丧失,肺血管通透性增加导致肺水肿和ALI[9],抑制肺内皮细胞焦亡,可能是治疗ALI的重要治疗策略。肺内皮细胞损伤和死亡发生在ALI的各个阶段,LPS可通过NLRP3/caspase-1/GSDMD途径诱导内皮细胞焦亡[10]。LPS通过TLR4上调小鼠肺内皮细胞中caspase-11的表达,激活NLRP3/caspase-11/GSDMD途径诱导内皮细胞焦亡[11]。LPS通过HMGB1/RAGE信号通路促进炎症小体的形成,裂解的caspase-1可激活下游通路caspase-3和caspase-9,并激活caspase-3介导的焦亡通路[12]。NF-κB是一种促炎基因,可激活细胞核中的多种基因,包括NLRP3,抑制NF-κB-NLRP3介导的内皮细胞焦亡,可减轻LPS诱导的ALI[13]。LPS通过TLR4/NF-κB通路激活NLRP1炎症小体,募集caspase-1蛋白,诱导肺微血管内皮细胞焦亡,激活下游IL-1β等炎症因子的产生,导致肺间质水肿,引发ALI[14]。补体中心分子C3a通过其C3aR受体介导肺内皮细胞焦亡,C3a-C3aR轴的抑制可以阻断肺血管内皮细胞NLRP3/caspase-1和caspase-11焦亡通路,减轻脓毒症相关ALI,是治疗ALI的潜在靶点[15]。lncRNA OIP5-AS1通过miR-223/NLRP3轴加重LPS诱导的ALI,敲低OIP5-AS1可减轻LPS处理的人肺微血管内皮细胞(human pulmonary microvascular endothelial cells,HPMEC)焦亡、炎症反应和氧化应激[16]。

2 肺泡巨噬细胞(alveolar macrophage,AM)焦亡参与ALI AM是先天免疫和宿主防御所必需的,通过释放炎性细胞因子和调节其他免疫细胞诱导的持续过度炎症反应是ALI的关键,AM焦亡参与ALI炎症反应的发生[17]。LPS诱发ALI进程中会激活AM等免疫细胞并生成多种炎症分子,促进TLR-4受体的表达和活性氧(ROS)的产生,激活TLR4/NLRP3/caspase-1途径诱导GSDMD依赖性AM细胞焦亡,导致严重的ALI[18]。LPS诱导的ALI早期伴有大量1-5μm焦蛋白体(PyrBDs)释放,AM焦亡是PyrBDs的主要来源,PyrBDs的形成和释放依赖于caspase-1,并作为PAMP促进上皮细胞活化,引发血管间质水肿和中性粒细胞募集,触发ALI中增强的炎症反应[19]。NLRP3介导的AM焦亡途径可诱导AM分泌HMGB1,HMGB1作为PAMP可促进NLRP3和caspase-1的激活,正反馈促进AM焦亡,加重ALI的程度[20]。Wang等人发现,HMGB1可通过激活AM中AIM2(Absent in melanoma)炎症小体,诱导AM焦亡,参与LPS诱导的ALI[21]。同时LPS可通过激活NF-κB信号通路增加AM细胞中NLRP3的表达诱导细胞焦亡,介导ALI发生[22]。血浆来源的外泌体介导的NLRP3-炎症途径,通过触发AM中NLRP3依赖性焦亡,是急性胰腺炎(acute pancreatitis,AP)继发性肺损伤的原因,是治疗AP相关ALI的潜在治疗靶点[23]。炎症小体依赖性AM焦亡会导致缺血/再灌注损伤引起的器官损伤,HMGB1蛋白可以激活产生ROS并诱导氧化应激,导致一系列炎症反应诱发ALI,重组HMGB1(rHMGB1)通过凯尔奇样相关蛋白1(Keap1)/NF-E2相关因子-2(Nrf2)/血红素加氧酶1(HO-1)信号通路,抑制AM焦亡,改善肺缺血再灌注损伤[24]。NLRP3介导的AM焦亡通过加重炎症和氧化应激来促进PM2.5诱导的肺损伤,靶向抑制NLRP3介导AM焦亡为研究PM2.5暴露诱导的肺损伤提供了一种新的方法[25]。

3 中性粒细胞(neutrophils,NE)焦亡参与ALI 在LPS诱导的急性呼吸窘迫综合征(ARDS)小鼠模型中和 ARDS患者NE中GSDMD的裂解上调,GSDMD被切割成N末端片段,在中性粒细胞膜中形成孔隙,并促进中性粒细胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)的释放,NETs是染色质纤维与颗粒衍生的抗菌肽和酶混合的网状物,可在细胞外捕获并杀死细菌,中性粒细胞中切割的GSDMD片段在NETs形成介导的ARDS发展中发挥重要作用[26]。NETs启动ROS的产生,在翻译后水平上促进NLRP3炎症小体的激活,NLRP3炎症小体组装和caspase-1/GSDMD的激活,介导AM 焦亡并参与脓毒症小鼠的ALI[27]。多形核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophils,PMNs)是哺乳动物中最丰富的白细胞,在败血症相关ARDS的发病机制中发挥着至关重要的作用[28]。PMNs和AM之间在调节炎症方面的相互作用,NETs由去致密的染色质组成,而HMGB1是染色质蛋白之一,NET衍生的HMGB1通过RAGE和动力蛋白依赖性信号传导,触发AM溶酶体释放组织蛋白酶B(CatB),随后激活caspase-1,诱导AM焦亡[29]。PMNs的外泌体miR-30d-5p通过靶向细胞因子信号抑制因子SOCS-1和SIRT1激活NF-κB信号传导,上调NLRP3炎症小体的表达,引发巨噬细胞焦亡,并诱导巨噬细胞M1极化,导致败血症相关ALI,揭示了PMN-M在脓毒症相关ALI的协同作用[30]。

4 BEAS-2B细胞焦亡参与ALI lncRNA NEAT1通过靶向miR-26a-5p/含卷曲螺旋蛋白激酶1(ROCK1)轴介导LPS诱导的BEAS-2B细胞焦亡,导致脓毒症相关ALI[31]。厚朴酚(HKL)通过激活BEAS-2B细胞中核因子-红细胞2型相关因子2(Nrf2)基因抑制NLRP3炎症小体介导细胞焦亡,减轻LPS诱导的ALI。百草枯(Paraquat,PQ)诱导caspase-3/GSDME通路激活介导BEAS-2B细胞焦亡,同时在细胞中诱导活性氧(ROS)积累、线粒体去极化和线粒体功能障碍,加重ALI[32]。富马酸二甲酯(DMF)可以通过抑制NLRP3炎症小体相关BEAS-2B细胞焦亡来减轻LPS诱导的ALI,同时小鼠腹腔注射DMF显著减少了LPS诱导的肺损伤、肺水肿和炎症介质的浸润[33]。成纤维细胞生长因子-10(FGF-10)是一种旁分泌的成纤维细胞生长因子,可通过磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt蛋白激酶/Nrf2途径抑制氧化应激介导的BEAS-2B细胞焦亡,保护颗粒物(PM)引起的肺损伤[34]。

三、细胞焦亡是ALI的治疗靶标

1 细胞焦亡途径是ALI靶药开发的潜在靶标 靶向细胞焦亡途径为ALI的治疗提供了新的思路。半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-8(Casp-8)通过调控NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡减轻脓毒症相关ALI[35]。信号转导和转录激活因子6(STAT6)是一种细胞内转录因子,AM中STAT6缺乏将激活NLRP3/p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)信号通路而加剧小鼠ALI[36]。p38 MAPK信号通路的选择性抑制剂SB203580可抑制AM中NLRP3/caspase-1依赖性细胞焦亡,从而改善肺部炎症[37]。CircEXOC5,是ALI中一种显著上调的环状RNA,可以抑制LPS刺激的小鼠HPMEC中的Nrf2调节因子来促进细胞焦亡,减轻LPS相关ALI[38]。肝细胞生长因子(HGF)已被证明具有抗细胞凋亡和抗坏死作用,在败血症动物模型中,HGF通过激活雷帕霉素靶点(mTOR)信号通路来保护线粒体生理,降低了ROS的产生,改善肺内皮细胞焦亡[39]。线粒体自噬可通过降低胞质mtDNA水平诱导miR-138-5p启动子去甲基化,随后抑制NLRP3炎症小体、AM焦亡和脓毒症相关ALI[40]。热休克因子1(HSF1)作为一种重要的转录因子,HSF1可以通过抑制NF-κB磷酸化来抑制NLRP3的表达,促进NLRP3泛素化来抑制caspase-1激活和IL-1β成熟,发挥内源性抗炎作用,减轻脓毒症相关ALI[41]。4-羟基壬烯醛(HNE)是脂质过氧化的主要内源性产物,可抑制AM中NLRP3炎症小体活化,减少脓毒症小鼠焦亡相关ALI[42]。在LPS诱导的ALI中,GSDMD介导的细胞焦亡在肺和肠粘膜组织中都被激活,双硫仑可抑制细胞焦亡水平,减轻LPS诱导的ALI和相关肠粘膜屏障损伤[43]。

2 天然产物抑制细胞焦亡途径可减轻ALI 大黄素通过抑制NLRP3/caspase-1/GSDMD介导的AM焦亡,减轻急性肺损伤[44]。冷诱导型RNA结合蛋白(CIRP)是一种炎症介质,也是PAMP之一,大黄素通过抑制CIRP介导的NLRP3/IL-1β/CXCL1(趋化因子配体-1)信号传导的激活来减轻严重急性胰腺炎相关的ALI[45]。川芎嗪通过抑制TLR4/NF-κB/NLRP3/caspase-1和TLR4/caspase-8/caspase-3信号通路来逆转AM极化及焦亡,从而减轻ALI[46]。褪黑素通过激活Nrf2/HO-1信号轴抑制NLRP3-GSDMD通路,对LPS诱导的ALI和细胞焦亡发挥保护作用[47]。瓜氨酸通过抑制ROS/NLRP3炎症小体依赖性细胞焦亡来提供对抗ALI的保护[48]。多酚Ⅰ通过抑制NF-κB信号通路抑制LPS诱导的BEAS-2B细胞焦亡,同时减轻氧化应激及炎症[49]。海明调节HO-1/NLRP3途径诱导的肺内皮细胞焦亡,减轻LPS诱导的小鼠ALI[50]。西培明(Sip)是贝母中的一种甾体生物碱,具有抗氧化和抗炎作用,Sip通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/AKT途径抑制NLRP3介导的细胞焦亡,减轻PM2.5诱导的肺损伤[51]。

四、总结及展望

细胞焦亡机制作为一种伴有炎症反应的程序性细胞死亡类型,参与ALI炎症进程,炎性胱天蛋白酶等焦亡途径重要因子的靶向,为减轻ALI炎症反应提供了新的思路,天然药物靶向细胞焦亡途径同样显示出不错的抗炎疗效。但ALI炎症反应受诸多炎症途径的串扰,肺组织中典型或非典型细胞焦亡机制及靶向应用在ALI中的作用值得进一步探讨。