细胞焦亡在肾脏疾病中的作用

杨 倩，叶 琨

（1.广西中医药大学瑞康临床医学院，广西 南宁 530200；2.广西壮族自治区人民医院肾内科，广西 南宁 530021）

近年来细胞焦亡（pyroptosis）成为了研究热点，目前已有研究证明细胞焦亡在肿瘤、消化系统、心血管系统、内分泌系统等多种疾病的发生发展中扮演了重要角色，并且还进行了相关通路的探索，旨在进一步了解细胞焦亡对疾病的作用机制。细胞焦亡本质上属于非特异性的先天免疫反应，是一种与炎症相关的程序性细胞死亡方式[1]。2001年，Cookson BT等[2]首次提出了焦亡的概念，定义为沙门氏菌感染的巨噬细胞非凋亡的、炎性半胱天冬酶-1（caspase-1）依赖的细胞死亡。后续研究发现[3]，细胞焦亡是由炎性半胱天冬酶caspase介导的一种炎性程序性细胞死亡形式。细胞焦亡不同与其他的细胞死亡方式，其特征是DNA断裂、细胞核完整、细胞肿胀、细胞膜孔形成和释放细胞内容物及促炎细胞因子，如白介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、白介素-18（interleukin-18，IL-18）和内源性危险性信号蛋白（high mobility group box 1，HMGB-1）等，因此焦亡的本质是促炎[4]。随着GSDMD的发现，焦亡的机制得以进一步揭示，其被重新定义为gasdermin介导的程序性坏死[5]。本文将重点介绍细胞焦亡的分子机制，并且聚焦细胞焦亡在肾脏疾病中的作用，包括狼疮性肾炎、糖尿病肾病、急性肾损伤等，以期为肾脏疾病的治疗提供新思路。

1 焦亡的分子机制

细胞焦亡主要通过3种途径发挥作用，分别是经典途径、非经典途径以及其他途径。现将相关机制详细介绍如下。

1.1 经典途径 在经典途径中，模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）识别胞内或胞外相关的病原体相关分子模式（damage-associated molecular patterns，PAMPs）和损伤相关分子模式（athogen-associated molecular patterns，DAMPs）[6]，促进PRRs的pyrin结构域（pyrin domain，PYD）与凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein contain a CARD，ASC）结合，进而ASC招募pro-caspase-1并结合形成完整的炎症小体[7]。炎症小体将procaspase-1裂解为有活性的caspase-1。活化的caspase-1使GSDMD裂解成GSDMD-N端和GSDMDC端，具有成孔活性的GSDMD-N端插入细胞膜并在膜上形成孔道，这是焦亡的关键过程[8]。同时活化的caspase-1介导促炎细胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18转化为活性形式的IL-1β和IL-18，最终引发焦亡。以下对在经典途径中发挥重要作用的分子物质进行介绍。

1.1.1 PRRs PRRs根据其在细胞里的位置分为跨膜型和细胞质型两种类型。跨膜型的PRR有Toll样受体（toll-like receptors，TLRs）、C型凝集素受体（Ctype lectin receptors，CLRs），细胞质型的PRR有NOD样受体（NOD-like receptors，NLRs）、视黄酸诱导基因-I样受体（retinoic acid-inducible gene-I–like receptors，RLRs），黑色素瘤缺乏因子2样受体（absent in melanoma 2-like receptors，ALRs）[9，10]。在焦亡发生过程中，PRRs的作用就是通过识别相关病原体的DAMPs和PAMPs，感知到宿主受到了感染，从而参与焦亡的“启动”环节。

1.1.2 炎症小体 炎症小体位于细胞质中，是由传感器、适配器和效应蛋白组成的多聚蛋白复合物[11]。炎症小体是由其传感器蛋白（如PRR）定义的，它在PAMPs或DAMPs的作用下寡聚形成一个pro-caspase-1的激活平台。PRRs中有5个成员已被证实可形成炎症小体并且参与了细胞焦亡，分别为NLRP1[12]、NLRP3[13]、NLRC4[14]、AIM2[15]和pyrin[16]。其中有关NLRP3的研究较为广泛。此外，据报道[17-20]，PRRs的其他成员如NLRP2、NLRP6、NLRP12和干扰素-γ诱导蛋白质16（IFI16）也会在特定条件下形成炎症小体。在经典途径中，炎症小体的激活非常关键，炎性小体形成后，可以激活caspase-1，从而促进细胞因子IL-1β和IL-18成熟和GSDMD的分解，进而促进细胞焦亡。

1.1.3 GSDMD 2015年，有学者[21，22]通过实验确定了GSDMD是炎性caspase介导焦亡的重要底物。GSDMD属于gasdermin家族，该家族成员还包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME（也称DFNA5）和PJVK（也称DFNB59）。除DFNB59外，所有gasdermin均拥有类似GSDMD的自我抑制结构。在静息细胞中，GSDMD-C端与GSDMD-N端相结合时，其中C端结构域作为抑制结构域来限制N端功能，从而使整体GSDMD处于自我抑制的状态[22]。活化的caspase-1/4/5/11可以切割GSDMD的N端和C端中间的连接区域，从而破坏这种自我抑制结构，发挥GSDMD-N端的活性作用。GSDMD-N端可与细胞膜的脂质成分如膜脂、磷脂酰肌醇、心磷脂等结合，发挥其成孔活性，使细胞膜上出现内径10-14nm的小孔，并且通过这个小孔的形成，成熟的IL-18和IL-1β得以排出胞内以及胞外液体的可以流入胞内，导致细胞肿胀和渗透溶解[23，24]，GSDMD-C端则停留在胞质内。由此可见，GSDMD-N端的成孔活性对于通过炎性半胱天冬酶启动细胞焦亡至关重要，因此GSDMD被称为是细胞焦亡的关键执行者。

1.2 非经典途径 非经典途径主要是由小鼠caspase-11和人类同源的caspase-4/5参与。caspase-4/5/11可以直接与革兰氏阴性菌胞质中的脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）相互作用，导致caspase的激活[25]。胞外革兰氏阴性菌的LPS由跨膜的TLR4感知，激活的caspase-4/5/11可直接将GSDMD切割成C端和N端片段，从而引发焦亡[21，22]。但是，激活的caspase-4/5/11无法直接介导pro-IL-18或pro-IL-1β的成熟和分泌，而是通过NLRP3-ASC-cas pase-1途径[26]。

此外，有研究发现[27]，缝隙连接蛋白1（Pannexin-1）是caspase-11诱导的非经典途径中介导焦亡的一个关键蛋白。在LPS刺激下，活化的caspase-11可特异性剪切和修饰Pannexin-1，引起细胞ATP的释放，从而诱导离子通道P2X7受体介导的焦亡。

1.3 其它途径 随着对焦亡机制的不断探索，研究发现[28]，除caspase-1/4/5/11外，还存在其它途径可以激活焦亡。化疗药物可以通过激活caspase-3，对GSDME高表达的癌症细胞和正常细胞进行凋亡变为焦亡的转化。活化的caspase-3对GSDME进行剪切，生成GSDME-N端片段，该片段识别细胞膜并且在膜上形成孔道，诱发细胞焦亡。在caspase-8介导的途径中，抑制转化生长因子β活化激酶（TGF-βactivated kinase 1，TAK1）可以诱导caspase-8的激活，从而裂解GSDMD，导致细胞焦亡[29]。此外，在缺氧条件下，PD-L1转移到细胞核，与p-Stat3一起调控GSDMC的转录，从而促使TNF-α将caspase-8激活，从而参与细胞凋亡变为为焦亡的转化过程[30]。在颗粒酶介导的途径中，CAR-T细胞通过释放颗粒酶B（granzyme B，GzmB）快速激活靶细胞中的caspase-3，然后裂解GSDME，引发焦亡[31]。在细胞毒性淋巴细胞中的颗粒酶A（granzyme A，GzmA）通过穿孔素进入靶细胞，裂解GSDMB的Lys229/Lys244位点引发焦亡[32]。还有研究提出在黑色素瘤细胞中，通过释放细胞色素C进入细胞质来诱导caspase-9的激活，进而激活caspase-3，裂解GSDME导致焦亡[33]。

2 细胞焦亡与肾脏疾病

细胞焦亡是属于先天的免疫反应，而肾脏疾病大多与免疫系统有着密切的关联。并且越来越多的证据表明，许多肾脏疾病的病理进展源于炎症，从而导致肾脏损伤。因此，近年来人们进行了许多有关细胞焦亡及肾脏疾病的研究。以下将简要阐述细胞焦亡在狼疮性肾炎（lupus nephritis，LN）、糖尿病肾病（diabetic kidney disease，DKD）、急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）、慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）等肾脏疾病中的最新研究进展。

2.1 LN LN是系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）累及肾脏所引起的一种免疫相关性肾炎，是SLE严重的并发症。由于狼疮性肾炎患者肾组织大都会出现明显的炎症细胞浸润，结合细胞焦亡的“促炎”本质，近年来狼疮性肾炎与细胞焦亡的关系受到关注和研究。Fu R等[34]发现狼疮患者及小鼠足细胞中的NLRP3炎症小体被激活，进而导致了LN的足细胞损伤。有研究[35，36]发现在MRL/lpr狼疮小鼠模型中，随着病情的发展，焦亡相关因子（如NLRP3、caspase-1等）在小鼠模型中的表达随之增加，实验结果表明焦亡与LN病情的发展存在显著的相关性，并且NLRP3可能成为一个可以期待的LN的治疗靶点。所以后续Peng X等[37]研究发现，胡椒碱作为一种已知的靶向NLRP3炎症小体的生物活性化合物，通过靶向AMPK来显著抑制NLRP3炎性小体的激活，抑制促炎细胞因子的释放，阻断肾小管上皮细胞的焦亡，从而抑制LN的发展。Cao H等[38]研究发现对LN患者应用泼尼松、霉酚酸酯及他克莫司联合治疗方案，可抑制caspase-1/GSDMD介导的细胞焦亡，延缓疾病进展。以上研究通过体内外实验以及临床患者相关实验，多角度证明了焦亡与LN的发生发展具有显著的相关性。

2.2 DKD DKD是糖尿病患者最主要的微血管病变之一，也是导致终末期肾病（end stage renal disease，ESRD）的重要原因之一[39]。有研究表明[40]，高血糖引起的炎症因子的激活在糖尿病肾病的进展中起着至关重要的作用。Cheng Q等[41]发现在高血糖条件下，可以激活caspase-11/4和GSDMD介导的细胞焦亡，参与足细胞损伤和DN的发展。Li X等[42]发现在DN大鼠及细胞模型中MALAT1发挥了显著的促焦亡作用，而miR-23c则表达出抗焦亡作用。An X等[43]发现安石榴甙可通过TXNIP/NLRP3抑制细胞焦亡，从而保护糖尿病肾病。以上靶点的发现，不仅有助于DN发病机制的探索，更是有助于开发DN新的治疗策略。

2.3 AKI AKI是一种以肾小球滤过率迅速下降和代谢废物积累为特征的临床综合征[44]。AKI按病因可分为肾前、肾内和肾后，其中常见的有缺血再灌注、造影剂、脓毒血症、肾毒性药物等[44]。其中缺血再灌注（Ischemia-reperfusion，I/R）可直接导致AKI和NLRP3炎症小体的激活[45]，并且可以通过抑制NLRP3/caspase-1轴，从而抑制I/R诱导的AKI和细胞焦亡[46]。有关造影剂导致的AKI中，Zhang Z等[47]学者发现全身暴露于造影剂的情况下，可以激活炎性的caspase 4/5/11，导致严重的肾小管上皮细胞焦亡。Zhu X等[48]也发现通过抑制NLRP3炎症小体的激活，可以减少造影剂诱导的肾小管细胞焦亡，保护肾脏，说明了肾小管上皮细胞焦亡在造影剂诱导的AKI中所起的必要作用。在药物导致的AKI中，焦亡也参与其中。Miao N等[49]研究表明在顺铂引发的AKI中，caspase-11/GSDMD介导的肾小管上皮细胞焦亡对肾小管细胞损伤和肾功能恶化中起着重要作用。此外，除了GSDMD导致的焦亡，Xia W等[50]研究发现caspase-3/GSDME引发的焦亡和炎症也介导了AKI的发生。对介导AKI的焦亡相关因子的不断探索，为理解和治疗AKI提供了新的视野。

2.4 CKD进行性 CKD常见的致病机制包括肾脏炎症和纤维化[51]。DAMP通过激活先天免疫系统来驱动炎症，从而促进CKD的进展[52]。在小鼠单侧输尿管梗阻（UUO）模型中，caspase-1、IL-1β和IL-18的表达增加，而NLRP3-/-小鼠的UUO模型中肾小管损伤、炎症和纤维化程度较轻，并伴随着caspase-1的和IL-1β、IL-18的减少[53]。并且有研究表明可以通过抑制NLRP3依赖性的焦亡途径来改善CKD的发展，保护肾脏[54，55]，这说明了NLRP3炎症小体有参与慢性肾脏病的发病过程。还有研究表明[56]，AIM2炎症体被肾脏中坏死细胞的DNA激活，促进了巨噬细胞IL-1β和IL-18的释放，从而导致了CKD。此外，Wu M等[57]证明可通过GSDME依赖细胞焦亡来参与CKD肾小管间质纤维化和肾功能障碍，为预防和治疗CKD的一个新的潜在靶点。

2.5 其它肾脏疾病 在其它肾脏疾病中也有焦亡的参与，在IgA肾病模型中，IgA免疫复合物可通过巨噬细胞内的ROS激活炎症小体，诱导IL-1β和caspase-1的分泌。还有研究提出[58]，淫羊藿苷可通过抑制NF-κB介导的NLRP3炎症小体活化来减轻IgA肾病大鼠的肾损伤，提示NLRP3可能参与了IgA肾病的炎症过程。在晶体相关性肾病中，草酸钙晶体通过激活肾内单核巨噬细胞中NLRP3/ASC/caspase-1直接损伤肾小管细胞[59]。有关高血压肾病的研究表明[60]，肾脏中NLRP3炎症体的激活与盐敏感型高血压有关；还有学者[61]提出NLRP3抑制剂MCC950可以显著降低血压和减轻肾脏纤维化程度，保护肾功能。此外，HIV转基因小鼠（Tg26）肾组织中的NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β的蛋白以及mRNA水平的表达明显增加，并且caspase-1抑制剂作用于足细胞后，caspase-1和IL-1β的表达下降，发挥了抗焦亡作用，这也提示caspase-1激活介导的足细胞损伤在HIV相关性肾病中具有重要作用[62]。

3 总结与展望

细胞焦亡作为一种炎症性和程序性的细胞死亡方式，其作用机制的探索不断取得新进展，从最开始的经典通路，到后来的非经典通路，再有非炎性的caspase以及GSDME、GSDMA、GSDMB等在焦亡中作用的发现不断的开拓了视野，使得大家对焦亡的机制有了更深入全面的认知。近年来也有越来越多的研究提示通过调节焦亡相关因子水平可以改善肾脏疾病的损伤程度，从而发挥肾脏保护作用。这些新发现可能会为肾病患者带来更多有效、有前景的治疗方法。但是目前肾脏疾病中关于焦亡的相关研究大多处于动物模型及细胞水平，其在临床上的探索仍处于空白阶段，未来如何将这些已发现的成果应用于临床及指导临床诊疗亟需更多学者去探索。