细胞焦亡与肿瘤的关系

陈琳 何迎春 吕炎 戴娜 胡梅 蔺婷 江志超

细胞焦亡（pyroptosis）于2001年首次发现并命名［1］，是一种炎性死亡方式，并伴随大量炎症因子释放［2-3］。大量研究发现炎症环境可诱导正常细胞发生癌变，细胞焦亡形成的炎症反应环境为肿瘤的生长提供了适宜环境，但亦可促进肿瘤细胞凋亡［4-8］。细胞焦亡作为广泛存在于肿瘤细胞中的死亡方式，在肿瘤发生发展中的作用随着研究的深入而日渐凸显，本文就细胞焦亡的机制及其与肿瘤关系作一综述。

1 细胞焦亡的机制

细胞焦亡表现为细胞不断胀大至细胞膜出现1～2 nm的中空孔径，使细胞内容物外释引起较强的炎症反应。在细胞凋亡中，DNA降解片段电泳图呈梯带状，而细胞焦亡的DNA降解是由Caspase-1激活、核酸酶（PARP）介导，不产生凋亡样的DNA降解片段，故无梯带状电泳图，且伴细胞骨架蛋白发生降解但核酸酶不被降解［9］。

细胞焦亡的机制目前分为经典途径和非经典途径。细胞焦亡的经典途径是依赖于Caspase-1的焦亡途径［9］。在细胞内外环境刺激下，前体Caspase-1通过接头蛋白ASC与模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）连接形成炎症小体：NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2与Pyrin等［10］，其中NLRP1b和 NLRC4可不通过 ASC而直接与Caspase-1连接发挥作用［10-11］。炎症小体激活其余无活性的前体Caspase-1，进而促进细胞膜小孔形成和白介素-1β（IL-1β）、白介素-18（IL-18）前体成熟、活化及分泌。活化的IL-1β和IL-18在细胞外可募集更多的炎症细胞，从而扩大炎症反应［9］。同时，活化的Caspase-1可通过剪切暴露GasderminD（GSDMD）的N端结构，而N端结构域再与膜脂结合，进一步促使IL-1β和IL-18释放到细胞外，加快炎症反应发生［12-14］。

细胞焦亡的非经典途径是依赖于Caspase-4/5/11的焦亡途径［9］。革兰阴性菌感染机体后，细菌脂多糖（LPS）可激活Caspase-4/5/11并与之结合而诱发细胞焦亡［15］。一方面，活化的Caspase-4/5/11可通过暴露GSDMD蛋白的N端结构域，激活NLRP3炎症小体以活化Caspase-1，进而诱导细胞焦亡；另一方面，活化的Caspase-4/5/11可激活Pannexin-1通道，进而开放嘌呤能P2X7通道，促使炎性介质外释［16-17］，也可使细胞内的 K+外流，从而激活NLRP3炎症小体，促进IL-1β外释［18-20］。LPS还可与Caspase-1的CARD结构域结合，并激活NF-κB通路，从而进一步调控 NLRP3的表达［21］和IL-1β分泌与活化［22］。

2 细胞焦亡与肿瘤的关系

肿瘤的发生与多种因素相关，包括原癌基因与抑癌基因的相对活性、免疫微环境、氧化应激和慢性炎症等，组织细胞长期暴露于炎症环境会增加罹患癌症的风险。炎症小体是细胞焦亡过程的关键物质，在病原体或脂多糖刺激下，可促进IL-18前体、IL-1β前体成熟，并通过激活Caspase-1引发细胞焦亡过程。而目前在多种肿瘤细胞中均可发现炎症小体，且炎症小体相关蛋白在不同肿瘤细胞中表现出促进和抑制肿瘤细胞生长的双重作用，但炎症小体的具体作用机制及其与肿瘤发生发展的关系值得进一步研究［22-23］。

2.1 细胞焦亡与宫颈癌

研究表明，炎症小体NLRP3参与宫颈癌的固有免疫反应过程。NLRP3是广泛存在于肿瘤细胞的炎症小体，其表达受NF-κB通路调控［21］，还广泛表达于各种炎细胞、皮肤角化细胞及上皮细胞，且可清除核酸病毒［24］。目前研究发现NLRP3炎症小体的激活有半离子通道模型、溶酶体破裂模型和ROS模型，而在宫颈癌中主要通过ROS模型激活NLRP3炎症小体而诱导宫颈癌细胞焦亡［24］。有研究报道宫颈癌细胞较正常宫颈上皮细胞释放的 IL-18、IL-1β、IL-6和 IL-17多［25］。然而有研究发现去除细胞焦亡过程产生的促炎因子能抑制宫颈癌细胞生长，同时也可使机体对肿瘤细胞的免疫效应减弱，加速肿瘤生长［26］。由此可见，细胞焦亡对宫颈癌表现出促进和抑制双重作用，但细胞焦亡过程产生的促炎因子对宫颈癌细胞的作用机制有待研究。

2.2 细胞焦亡与结直肠癌

在对348例结直肠癌患者和806名随机选择的健康人进行NF-κB通路相关基因的7种多态性分析发现，NF-κB信号通路不依赖Caspase-1，而是依赖丝氨酸蛋白酶信号通路减少IL-1β分泌，且结直肠癌患者的短期生存率与杂合NLRP3的表达相关；同时抗炎基因TNFAIP3的缺失或表达下降，都会下调NF-κB通路活性［27］，通过干预IL-1β和NF-κB信号通路有望寻找结直肠癌的治疗新靶点。还有研究表明炎症小体在结直肠癌的病理过程中起促进和抑制肿瘤生长双重作用，推测其与IL-1β［28］有关。另有研究发现炎症小体可调控IL-18/IFN-γ/STAT1信号通路，从而抑制结肠炎相关癌变的发生［29］。细胞焦亡在结直肠癌中亦表现出抑制增殖和诱导作用，而探究结肠癌细胞发生焦亡的上下游通路和影响通路的关键蛋白，有可能使细胞焦亡对结肠癌发挥更好的抑制作用。

2.3 细胞焦亡与皮肤癌

细胞焦亡对皮肤肿瘤的发生既有促进作用，也有抑制作用。在研究炎症与皮肤癌关系的实验中，炎症小体转接器ASC在调控上皮细胞的癌变中表现出组织特异性，ASC相对不足的小鼠和Caspase-1或IL-1受体缺陷型小鼠髓细胞肿瘤发生率降低；而在角质形成细胞（KCs）中，ASC缺乏的小鼠肿瘤发生率比对照组多，表明ASC能促进髓系细胞肿瘤发生，而抑制KCs肿瘤发生［30］。没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）治疗黑色素瘤时，发现细胞焦亡相关因子IL-1β、IL-18、NLRP1炎症小体、NLRP3炎症小体、ASC、Caspase-1和动物细胞内参抗体β-Actin表达均下调，同时NF-κB信号通路的活化也被抑制［31］。推测EGCG抑制黑色素瘤细胞生长的机制是通过下调细胞焦亡相关因子的表达，使炎症反应和NF-κB信号通路活化减弱，进而抑制肿瘤细胞增殖，认为炎症小体及IL-1β、IL-18可能成为治疗黑色素瘤的潜在靶点。

2.4 细胞焦亡与肝癌

在晚期肝癌的研究中发现，AIM2在细胞中增多会诱导AIM2炎症小体表达，并参与细胞周期调控［32］。AIM2是可抵御DNA病毒感染和防止细胞自身DNA异常进入细胞质的炎症小体，通过N端Pyrin结构域招募ASC，进而招募Caspase-1并将其激活［33］。该研究还发现AIM2炎症小体可通过阻滞mTOR-S6K1信号通路，使雷帕霉素靶蛋白（mTOR）对S6K1蛋白的激活作用减弱，从而抑制肝癌细胞生长、增殖，且AIM2炎症小体的堆积会使肝癌细胞发生焦亡，进而发挥抗肿瘤效应［33］。因此，通过诱导AIM2炎症小体表达，增强细胞焦亡的效应，可能延缓肝癌的进展。另有研究发现，肝癌治疗药物Nutlin-3处理SMMC-7721细胞后，更多的Caspase-1被活化，诱导了细胞焦亡的发生［34］，可见细胞焦亡在Nutlin-3治疗肝癌中可能起抗癌作用，但细胞焦亡与其关系有待进一步研究。

2.5 细胞焦亡与肺腺癌

在细胞焦亡与肺腺癌细胞的研究发现，细胞焦亡的发生可促进肺腺癌细胞A549生长、增殖，迁移和侵袭［35］。王艳丽［35］研究NLRP3炎症小体对A549细胞增殖、迁移与侵袭的影响，发现激活的NLRP3炎症小体可诱导A549细胞发生焦亡，进而增强A549细胞的迁移和侵袭能力。提示细胞焦亡可促使A549细胞转移，而且活化的NLRP3炎症小体可促进A549细胞的生长增殖。该研究还发现多条与细胞增殖相关信号通路的关键蛋白表达上调，如PI3K/Akt/GSK-3β/2及蛋白激酶通路MAPK等信号通路，推测细胞焦亡可能通过上调信号通路关键蛋白的表达促进A549细胞增殖。另有研究发现，采用20 μg/mL ZnO-NPs处理A549细胞24 h后，Caspase-1的活动增强且IL-1β、LDH被大量激活，A549细胞发生焦亡，从而发挥抗肿瘤效应［36］。推测细胞焦亡在ZnO-NPs干预肺腺癌细胞过程中发挥抗肿瘤作用。

2.6 细胞焦亡与鼻咽癌

鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）恶性程度较高，易发生转移。临床统计数据显示，鼻咽癌组织中的炎症小体NLRP3、AIM2、RIG-I及与肿瘤细胞相关的IL-1β表达增多，其表达与鼻咽癌患者的局部无复发生存率和无瘤生存率呈正相关，而放化疗可进一步激活IL-1β、AIM2、NLRP3，提高患者生存率［22］。也有研究表明，NLRP3、AIM2炎症小体高表达的鼻咽癌患者5年复发率为0，但NLRC4、NLRC7炎症小体的表达与鼻咽癌患者生存率无关［37］。认为细胞焦亡在鼻咽癌放化疗治疗中的积极作用是肯定的。另有研究发现，鼻咽癌组织中存在激活的NF-κB信号通路，该通路可活化IL-1β，进而招募大量肿瘤相关性中性粒细胞（TANS），抑制肿瘤细胞生长［22］。还有研究发现在鼻咽癌细胞中表达的EB病毒潜伏膜蛋白LMP1与炎症相关基因的表达及抗原提呈有关，LMP1与细胞外信号分子共同作用激活细胞的糖酵解过程，再由丙酮酸去活化pro-Caspase，pro-IL-1β和NLRP3炎症小体，启动细胞焦亡过程，且丙酮酸可激活NF-κB信号通路和骨髓来源的抑制性细胞，抑制肿瘤细胞发生又下调细胞抗肿瘤的免疫应答［38］，但其主效应有待研究。

2.7 细胞焦亡与胃癌

NLRC4在胃癌细胞中的表达水平较正常胃上皮细胞高，并可激活Caspase-1介导的细胞焦亡途径，也可激活Caspase-8相关的细胞凋亡途径［39］。NLRC4是参与无菌性、自体炎症的炎症小体，与病原体感染无关，在巨噬细胞中，活化的NLRC4炎症小体可激活Caspase-1，引起细胞焦亡［40］。研究发现NLRC4炎症小体也可激活Caspase-8引起细胞凋亡，且ASC不可缺少，并发现有浆细胞膜损伤从而继发坏死［34］。GSDM蛋白家族是关键的细胞焦亡相关蛋白，参与焦亡的执行过程。研究发现［41-42］GSDMD和GSDME在胃癌细胞中的表达较正常胃上皮细胞高，Wang等［41］也发现GSDMD可通过调控周期相关蛋白的表达抑制胃癌细胞增殖。还有研究发现化疗药物可通过GSDME将Caspase-3依赖性的凋亡转化为焦亡［42］，因此GSDM蛋白家族可在胃癌发生和化疗治疗中发挥作用。探讨细胞焦亡与细胞凋亡的关系，可为胃癌的治疗提供新思路。

3 小结

细胞焦亡是一种程序性死亡方式，既可抑制肿瘤细胞增殖，又可形成适宜肿瘤细胞生长的微环境，促进肿瘤的生长，但细胞焦亡相关因子促进和抑制肿瘤发生发展的双重作用机制还有待研究。进一步探究细胞焦亡在不同肿瘤细胞中的效应机制，以及相关上下游信号转导通路的蛋白，可为相关肿瘤的研究和预防提供新的思路。