细胞焦亡与炎症反应的研究进展

黄云帆，彭礼波综述张志坚审校

(重庆市巴南区人民医院重症医学科，重庆401340)

细胞焦亡与炎症反应的研究进展

黄云帆，彭礼波综述张志坚审校

(重庆市巴南区人民医院重症医学科，重庆401340)

细胞焦亡是近期发现的一种新的细胞死亡方式，是一种依赖半胱天冬氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)的病理性自杀死亡过程。细胞焦亡过程中常伴随炎症反应发生，研究表明炎症小体及活性氧簇与其关系密切。细胞焦亡是一个高度炎症细胞死亡模式，它可以加速免疫应答以抵抗病原体的入侵，促进病原体清除的作用。本文主要讨论细胞焦亡的发生过程及引起炎症反应的机制。

细胞焦亡；炎症反应；半胱天冬氨酸蛋白酶-1

炎症反应是致炎因子作用于机体后所引发的一系列反应。临床常因感染、创伤、中毒等致病因素引起，这些因素作用于机体后，一般激活先天免疫系统，通过刺激炎症相关细胞(如巨噬细胞、中性粒细胞)释放大量炎症因子引发机体的炎症反应。严重者破坏机体平衡，导致细胞死亡，破坏机体组织。研究发现炎症反应可以通过不同的通路引起细胞死亡及机体受损，而细胞死亡也呈现不同的方式。细胞焦亡是最近发现的一种新的细胞死亡方式。本文对细胞焦亡与炎症反应关系研究进展综述如下：

1 细胞死亡的分类

细胞是人体结构和功能的基本单位，细胞死亡是生命现象不可逆停止，是维持组织机能和形态所必须的过程。人体由大量细胞为基础构建而成，整个人体中每分钟大约有1亿个细胞死亡，不断进行循环，从而维持正常的身体机能。引起细胞死亡的因素很多，各种损伤因子作用于机体达到一定强度或持续一定时间，都可能使受损组织的代谢完全停止，导致细胞或组织死亡，是一个不可逆的过程。过去对于细胞死亡的命名一直未统一，影响到学术界研究的统一性。2009年细胞死亡命名委员会(Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD)决定根据形态学改变将细胞死亡命名为凋亡、坏死、角化性细胞死亡、自噬性细胞死亡、非典型细胞死亡[1]。近期研究发现了一种新的非典型细胞死亡方式—“细胞焦亡”，它具有依赖于半胱天冬氨酸蛋白酶-1(Cysteine aspartate-specific protease-1，Caspase-1)，同时伴随着炎症反应发生的重要生物学特征[2-3]。

2 细胞焦亡的发现

细胞焦亡是在沙门氏菌感染巨噬细胞时被发现的[3-4]，它涉及Caspase-1活化，并且伴随着大量炎性因子的产生。细胞焦亡与细胞凋亡类似，也是一种自杀行为，但两者又有本质的区别。细胞凋亡是为了维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主有序的死亡，它不是一个病理过程，而是一种生理性自杀；细胞焦亡则类似于患者尤其是患绝症者采取的一种自杀行为，是一种病理性自杀，而且焦亡细胞会出现细胞溶解并释放出细胞内容物，诱发炎症反应。所以，发生细胞焦亡的一般是感染病毒或细菌的细胞；而发生细胞凋亡的则是那些并未感染病毒和细菌的正常细胞。简而言之，细胞凋亡属于生理性自杀，细胞焦亡属于病理性自杀。

3 细胞焦亡的发生过程及引起炎症反应的机制

细胞焦亡过程依赖于Caspase-1的活化，而Caspase-1的一个重要功能就是介导白细胞介素-1β (IL-1β)前体裂解成具有活性的IL-1β，IL-1β能募集、激活其他免疫细胞，诱导趋化因子(如IL-18)、炎症因子(如IL-6)、粘附分子等的合成，最终形成“瀑布效益”、“级联效应”，放大炎症反应，导致剧烈的炎症反应的发生[5]。

既往关于Caspase-1活化的触发条件相关内容报道较少，直到炎症小体的发现，才对不成熟细胞因子的酶促裂解提出了一个新的概念，促进了整个理论系统的完善。1989年Charles Janeway在冷泉会议上提出“模式识别受体”假说以来，在高等动物中迄今已经发现了三大家族的模式识别受体，分别是Toll-样受体(TLR)、Nod受体(NLR)和视黄酸诱导基因-样受体(RLR)。其中NLR是一种具有识别入侵病原体和激活先天免疫反应重要功能的胞内模式识别受体。在识别微生物成分后，某些NLR会形成胞浆的多蛋白复合物，称之为炎症小体，它具有整合几种危险信号的类型使Caspase-1活化的能力[6]。例如炭疽芽孢杆菌的致死性毒素和细菌的肽聚糖可激活炎症小体NLRP1[7-8]，而炎症小体NLRC4则是细菌鞭毛蛋白和包含Ⅲ/Ⅳ类型分泌系统的细菌(如沙门氏菌和铜绿假单胞菌)的应答产物[9-10]。在沙门氏菌感染的应答中可激活NLRC4炎症小体，通过招募、裂解和激活炎性Caspase-1进而导致白介素(IL-1β和IL-18)等炎症因子的成熟和分泌以及一种称为“细胞焦亡”的特殊细胞死亡的发生，从而抵御致病菌的侵袭。炎症小体的通路形成了一个信号平台，引起炎性半胱天冬酶的活化，其中最主要的是Caspase-1的活化。炎症小体传感器的活化会触发Caspase-1前体裂解为有活性的Caspase-1，Caspase-1活化的一个重要结果是生成和分泌IL-1β和IL-18。具有生物活性的细胞因子IL-1β和IL-18的分泌涉及以下三个关键环节：(1)转录因子NF-κB的核移位引起IL-1β和IL-18前体的表达；(2)IL-1β和IL-18前体被具有活性的Caspase-1复合物酶促裂解为成熟的具有生物活性的形式；(3)IL-1β和IL-18被分泌到细胞外。IL-1β和IL-18前体的成熟以及活化IL-1β和IL-18的分泌都与Caspase-1密切相关。IL-1β和IL-18都是以非经典途径分泌的，它们的释放因细胞类型不同而不同[11-12]。不同于IL-1β前体，IL-18前体基本是在未受刺激的细胞里表达的[13]。Caspase-1前体的活化触发了细胞焦亡，它与依赖Caspase-3的细胞凋亡和细胞死亡有所不同，细胞焦亡的一个显著特征是细胞膜完整性丧失，并释放胞浆中促炎性细胞内容物，诱发炎症反应[14]。研究表明IL-1β、IL-6和IL-18具有明显的致炎作用。IL-1β作为炎症放大的启动因子，是炎症反应的主要参与者。IL-6可通过调控粘附因子的合成及诱导单核细胞趋化蛋白促进其他细胞因子的释放如IL-1、TNF-α的分泌，这些因子又可以反过来增加IL-6的表达，形成炎性因子的“瀑布样反应”。IL-18是一种致炎细胞超家族成员之一，属于趋化性细胞因子，能吸引白细胞定向移动。IL-18在Caspase-1表达升高时被激活、分泌增多，吸引白细胞向病灶定向聚集[15]。因此，细胞焦亡的过程就是炎症发生的过程，细胞焦亡的程度一定情况下反映了机体炎症反应发生的程度，两者相互关联，相互促进。

近期研究证实感染沙门氏菌的巨噬细胞会经历炎症小体、Caspase-1依赖、IL-1β及不依赖IL-18的细胞焦亡过程。该过程中释放的细菌可被其他类型的细胞摄取，吞噬和分裂，进而减少感染性微生物的远期负担[16]。其中细胞焦亡触发的炎症小体被看作是一个独立的效应机制，可以通过促进受感染的免疫细胞死亡来控制致病原的扩散[17]。也有研究表明感染了沙门氏菌的巨噬细胞宿主可以在摄取更多细菌前直接清除体内的细菌，避免引起严重的感染，因此每次都可以更有效的清除细胞内的少量细菌，避免了细胞焦亡的发生[18]。更重要的是，研究还发现NLRC4炎症小体的激活需要活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的参与，它可以抵御包含沙门氏菌液泡(salmonella-containing vacuole，SCV)内细菌的复制。细胞焦亡被认为在免疫系统促进致病原排除的防御机制中起了一定作用。虽然细胞焦亡在体外实验中显现出了某方面的功能，但在体内的具体作用仍然未知。近来还有研究表明脂多糖可通过直接激活Caspase-4、Caspase-5引起细胞焦亡。但研究中仍有较多尚不清楚的领域，比如细胞死亡是否会在缺乏细菌感染的情况下经历细胞焦亡这一途径尚不清楚[19]。

在这里不得不单独提到ROS在细胞焦亡中的作用。ROS是需氧细胞在代谢过程中产生的一系列活性氧簇，包括氧自由基及一些含氧的非自由基衍生物，前者又包含超氧阴离子和羟自由基，ROS的氧化活性较高，在氧化应激中发挥着重要作用。ROS可通过半胱天冬氨酸蛋白酶、溶酶体蛋白酶或是内切核酸酶引起三种类型的程序性细胞死亡，分别是细胞凋亡、自噬和细胞焦亡[20]。因此，ROS也可通过激活Caspase-1引起细胞焦亡，ROS的产生与细胞焦亡密切相关。

4 展望

研究者在巨噬细胞感染沙门氏菌时发现了细胞焦亡现象，这是一种新型的细胞死亡方式，主要包括Caspase-1依赖的细胞溶解，炎症因子的产生和DNA片段化等特征性的特点[21]。细胞焦亡可发生在体内任何部位，包括非免疫器官和组织、末梢循环或淋巴器官。细胞焦亡会在不同的部位导致不同的结果。最近的研究表明，细胞焦亡与系统性红斑狼疮、动脉粥样硬化、阿尔茨海默病、艾滋病的防治等都有很密切的关系[2，22-24]。这些疾病的发生发展与炎症反应也有密不可分的关系。焦亡是一个高度炎性细胞死亡模式，它可以加速免疫应答以抵抗病原体的入侵，促进病原体的清除[24]。随着研究的不断深入，必定会进一步揭示细胞焦亡的机理及其在疾病中的作用，从而促进人类健康。

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A

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重庆市卫生计生委医学科研项目(编号：2014-2-199、2015XMSB000790)；重庆市巴南区科学技术项目(编号：2015-07)

张志坚。E-mail：zzj19790208@yeah.net

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.21.030