细胞焦亡在过敏性疾病发病中的作用及机制

谯月龙，续珊，陈始明

过敏性疾病(allergic diseases)又称变态反应性疾病，表现为当机体通过吸入、食入、注入或接触等途径接触某种过敏原后，可出现某一组织或器官，甚至全身的过度反应，引起机体功能障碍或组织损伤。临床上常见的有哮喘、过敏性鼻炎、特应性皮炎及荨麻疹等。

研究显示，全世界大约有3.34亿人受到哮喘影响；大约10%～40%人口受到过敏性鼻炎的影响；在10个儿童当中，大约有2个会患特应性皮炎，在成年人当中特应性皮炎也十分普遍；荨麻疹发病率在15%～20%之间[1-4]。这些过敏性疾病已经严重影响人类的生活质量、工作效率、精神状态及睡眠等，造成沉重的社会负担。过敏性疾病发病态势严峻，然而目前的预防及治疗手段并不能满足社会的需求，深入研究过敏性疾病的发生机制并开辟新的治疗策略十分迫切。

细胞焦亡(pyroptosis)是近年来新发现的一种炎症相关的细胞程序性死亡形式，常伴随着细胞的胀破，胞内促炎物质的外泄，进而引发严重的炎症反应。它与细胞凋亡、程序性坏死等其他死亡形式共同调控细胞命运，决定疾病进程。已有研究表明，细胞焦亡参与感染性疾病、动脉粥样硬化、痛风等多种疾病的发生发展，其与过敏性疾病的发病关系也被陆续报道。本综述旨在总结细胞焦亡通路关键蛋白及相关细胞因子在过敏性疾病发病中的作用，分析导致发病的共同病因和一般规律，期望能为深入认识过敏性疾病并开辟全新的治疗方式提供帮助。

1 细胞焦亡概述

首次报道细胞焦亡的细胞生物现象是在巨噬细胞感染革兰阴性致病菌,如福氏志贺菌和肠溶性伤寒沙门菌时提出的，然而细胞焦亡这个术语在2001年才被创造出来，用来定义这种形态学上与凋亡相似，但伴随炎性反应发生的新型细胞程序性死亡方式[5]。细胞焦亡的发生由炎性小体(主要是NLRP3)及胱天蛋白酶(caspase1/4/5/11)介导[6-7]，在微生物感染和细胞内危险信号存在时，caspase可通过与炎性小体结合而发生激活，活化的caspase一方面切割proIL-1β和proIL-18形成有活性的炎性介质，另一方面切割细胞焦亡的关键效应分子-GSDMD(gasdermin D)，被切割的GSDMD的N末端(GSDMD-NT)会作为焦亡的执行分子形成聚合物并与细胞膜上的脂质分子形成孔道，引起细胞质的迅速崩解和胞内促炎物质(IL-1β、IL-18)的释放，进而引发严重的炎症反应[8-9]。其特征性炎性因子IL-1β和IL-18的升高与过敏性疾病如哮喘、过敏性鼻炎、特应性皮炎、荨麻疹等的发生均有密切关联。

1.1 细胞焦亡与过敏性哮喘

过敏性哮喘(asthma)是一种以气道高反应性和嗜酸性粒性呼吸道炎症为特征的Th2细胞反应亢进的免疫系统疾病，气道重塑是哮喘的标志性病理特征。

作为细胞焦亡过程中的启动分子，位于气道上皮的NLRP3炎性小体可被环境污染物(如烟雾、二氧化硅、香烟烟雾等)激活，通过影响固有免疫的发生介导气道上皮损伤[10]。对人体与小鼠哮喘模型的研究证实NLRP3炎性小体的激活与重症/难治性哮喘的发生具有显著关联[11]。进一步研究发现尘螨等过敏原通过NLRP3/caspase-1信号通路诱导人支气管上皮细胞焦亡，参与哮喘炎性反应的发生[12]。此外，NLRP3炎性小体特异性抑制剂的使用可显著抑制重症哮喘小鼠呼吸道炎症及气道高反应性[13]。

细胞焦亡与gasdermin(GSDM)家族蛋白的关系已被阐明[14]。GSDM由6种成员蛋白(GSDMA，GSDMB，GSDMC，GSDMD，GSDME和Pejvakin)组成，其中GSDMB基因多态性与哮喘发病高度相关[15]。GSDMB蛋白N端结构域的释放可迅速引发气道上皮细胞焦亡，促进哮喘的发生；同时，其N端结构域的缺失则可显著降低哮喘发生风险[16-18]。

细胞焦亡发生过程中常伴随着IL-1β表达增高。有研究报道哮喘患者血清IL-1β含量显著上升，提示哮喘患者可能存在焦亡亢进的情况[19]。动物研究表明，人源化IL-1β的施用会诱导气道炎症和气道重塑[20]，而IL-1β基因敲除的小鼠则表现出更轻微的哮喘症状[21]，进一步证实IL-1β在哮喘发病中的重要作用。此外，caspase-8介导的IL-1β信号传导会促进过敏性气道炎症的Th2反应，抑制哮喘中IL-1β的表达已表现出良好的治疗潜力[22]。过敏性哮喘的小鼠模型表明，IL-18可以增加血清IgE及Th2细胞因子表达；促进嗜酸性粒细胞募集；加重过敏性小鼠哮喘症状[23]。IL-1β和IL-18影响过敏性哮喘的机制可能是通过刺激Th2细胞的分化和增殖、募集炎症细胞(如嗜酸性粒细胞)而加重哮喘的发生。据报道，在TCR(T cell receptor)刺激下，IL-1β作用于Th2细胞表面IL-1R从而刺激Th2细胞增殖、分化[24]。哮喘患者中IL-18水平与嗜酸性粒细胞的聚集之间存在显着相关性，IL-18可以促进嗜酸性粒细胞的募集[25]。IL-18还可诱导参与哮喘发病的自然杀伤细胞(NK)分泌IFN-γ并增强NK细胞毒性T淋巴细胞(CTL)中Fas配体(FasL)的表达[26-27]。

1.2 细胞焦亡与过敏性鼻炎

过敏性鼻炎(allergic rhinitis，AR)是特应性个体接触过敏原后由IgE介导的鼻黏膜慢性非感染性炎症，主要临床症状是打喷嚏、鼻痒、稀薄水样鼻涕等，AR发病率在全球范围内约20%～30%[28]。

屋尘螨(house dust mites,HDM)作为国内常见过敏原在AR患者中过敏率高达59%，其主要成分脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)可以和气道上皮细胞表面的模式识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)结合，进而激活细胞内的炎性小体诱导Th2炎性反应[29]。树突状细胞、巨噬细胞以及中性粒细胞等免疫细胞也可被No样受体蛋白(nool-like receptor protein 3,NLRP3)炎性小体信号通路激活并维持机体过敏状态[30-32]。研究证实与正常的鼻黏膜相比，参与细胞焦亡的NLRP3炎性小体在慢性鼻窦炎、鼻息肉及AR患者鼻黏膜中均显著上升；经局部类固醇治疗后NLRP3炎性小体明显减少[33]。此外，应用microRNA-133b靶向抑制NLRP3炎性小体可显著降低其下游caspase-1、ASC、IL-β和IL-18表达水平，并缓解AR小鼠鼻黏膜嗜酸性粒细胞及肥大细胞浸润状况[34]。

越来越多的研究表明细胞焦亡的特征性炎性因子白细胞介素(IL)-1β及IL-18与AR的发生关系密切。动物研究发现，卵清蛋白(ovalbumin,OVA)诱导过敏的小鼠模型血清和鼻黏膜组织中的IL-1β和caspase-1均显著升高，抑制IL-1β和caspase-1的表达可明显减轻小鼠过敏症状[35-36]。Leaker等[37]分析了AR患者鼻黏膜全基因组表达谱，也观察到IL-1β的上调。另有研究报道，临床上广泛使用的治疗AR的H1抗组胺药可降低过AR患者血浆中IL-1β水平从而减轻过敏症状[38]。此外，IL-1β免疫球蛋白的应用也可能是预防和治疗AR的有效方法[39]。

研究表明：在AR患者的鼻黏膜样本中，嗜酸性粒细胞和中性粒细胞明显增加。中性粒细胞在AR炎症反应中的募集比嗜酸性粒细胞发生得更早，是AR反应的早期事件，这种募集与IL-1β有密切关系[37]。另有研究表明，在上皮细胞中存在模式识别受体，该模式识别受体可识别花粉，引起趋化因子和细胞因子的产生，有助于过敏性鼻炎中的嗜酸性粒细胞和中性粒细胞聚集并加重过敏反应。研究表明鼻腔脂多糖(LPS)激发后，IL-1β与过敏性鼻炎症状关系密切，这些机制的发生与炎症小体激活有关[40-41]。在过敏性鼻炎发生期间，IL-1β产生和激活的重要调节剂-IFNAR1表达显著升高，有研究认为过敏性鼻炎IL-1β表达升高可能与它有关[37]。

此外，临床研究发现，AR患者血清及鼻腔分泌物中IL-18表达显著升高[42]。在AR小鼠模型中，IL-18水平也明显上调；而经类固醇处理后小鼠鼻腔灌洗液中IL-18浓度显著下降，提示细胞焦亡及其标志物IL-18在AR发病中起重要作用[43]。IL-18可能是通过调控嗜酸性粒细胞聚集而影响AR的发生。IL-18是IFN-γ的诱导因子，是与IL-1家族相关的新型促炎因子，由库普弗细胞、活化的巨噬细胞、角质形成细胞产生。它的主要功能是在T细胞和NK细胞中诱导产生IFN-γ并刺激活化T细胞增殖[44]。

1.3 细胞焦亡与特应性皮炎

特应性皮炎(atopic dermatitis, AD)是一种以复发性皮肤剧烈瘙痒为特点的慢性炎症性皮肤病，成人发病率约为7%，儿童发病率高达25%[45]。

研究表明，HDM等变应原诱导的表皮角质层细胞NLRP3炎性小体激活可诱发caspase-1的活化，导致胞内促炎物质(IL-1β、IL-18)的成熟与释放，在特应性皮炎发生中起重要作用[46]。而用药物阻断caspase-1活化之后，特应性皮炎小鼠过敏症状评分及相关炎性指标[免疫球蛋白E(lgE)、组胺、胸腺基质淋巴细胞生成素(thymic stromal lymphopoietin,TSLP)等]显著降低[47]。进一步研究发现，caspase-1基因敲除的小鼠表现出更轻微的皮肤炎症状态[48]。最近有研究表明，特应性皮炎患者常伴有金黄色葡萄球菌感染，这些外源性刺激会激活炎性小体导致角质层细胞发生细胞焦亡，这是葡萄球菌穿透角质层细胞形成的细胞屏障并加重特应性皮炎症状的关键机制[49]。

此外，针对日本人群一项全基因组关联研究发现白细胞介素受体(IL1R)L1、IL18R1-IL18RAP基因座与特应性皮炎密切相关[50]。IL-1β、IL-18作为细胞焦亡途径中最终活化并释放的特征性炎性因子，已被证明对特应性皮炎的发生有重要作用[51]。动物研究应用IL-1β特异性抗体治疗特应性皮炎小鼠，发现其炎症症状显著减轻，进一步证实IL-1β靶向治疗特应性皮炎的潜力[52]。研究表明，具有突变的NLRP3炎性小体和较高的caspase-1活性的肥大细胞可响应TNF-α或LPS刺激因素而产生IL-1β[53]。而肥大细胞类糜蛋白酶被证明可以加工pro-IL-1，其活性增加可能有助于IL-1β的成熟[54]。IL-1β在特应性皮炎的发生中起重要作用，其机制可能是IL-1β增加了肥大细胞中FcεRI介导的信号传导并促进了特应性皮炎的炎症反应[55]。

1.4 细胞焦亡与荨麻疹

荨麻疹(urticaria)是临床上又一常见的过敏性皮肤病之一，主要是指因各种因素造成的皮肤、黏膜、血管出现暂时性炎性充血及组织内局限性水肿。临床上常表现为躯干、面部或四肢部位皮肤出血性风团和发作性瘙痒，多由于过敏原接触人体皮肤或者进入黏膜所致。临床上分为两类，其一是非特异性免疫球蛋白IgE介导的I型变态反应性荨麻疹，其二是非变态反应性荨麻疹。变态反应性荨麻疹的发病机制包括肥大细胞脱颗粒及组胺的释放，IgE介导的自身免疫反应，Th1/Th2细胞亚群失衡，白三烯等炎症介质的释放等。

研究证实，在急性发作荨麻疹患者的血清中IL-1β和IL-18水平与对照组相比明显升高，在慢性特发性荨麻疹患者血清中IL-1β和IL-18水平与疾病严重程度呈正相关。此外，荨麻疹患者皮肤活检也可发现IL-1β mRNA的表达显著增加[56-57]。IL-1β的过量产生在荨麻疹发病中起重要作用，它会诱导IL-6产生从而增加内皮细胞的CRP表达来促进中性粒细胞聚集。最近有研究表明，作为细胞焦亡发生的启动子，炎症小体NLRP3与荨麻疹的发生有密切联系，使用测序技术发现NLRP3炎症小体在胚胎时期发生突变可造成NLRP3过度激活促进荨麻疹的发生。NLRP3炎症小体下游效应分子IL-1β受体拮抗剂的使用可显著缓解慢性荨麻疹患者的临床症状[58]。还有研究发现肥大细胞中NLRP3炎性小体的激活和IL-1β的产生对荨麻疹的的发生十分重要，抗IL-1β治疗可以有效控制由NLRP3炎症小体引起的荨麻疹[59]。肥大细胞是荨麻疹患者产生IL-1β的主要细胞。它可被NLRP3和caspase-1的激活，分泌产生IL-1β并诱导相关基因表达和炎症分子合成，在荨麻疹患者中介导炎症细胞募集和血管渗漏，从而参与皮肤风团的形成[60]。

2 展望

综上，由于细胞焦亡的发生并不独立，常伴随细胞凋亡、细胞坏死等多种细胞死亡形式同时存在，对细胞焦亡在过敏性疾病中的作用及相关机制仍需要深入研究，以期准确认识细胞焦亡在过敏性疾病发生中的具体原因、具体细胞与细胞器及其具体机制。

未来随着对细胞焦亡发生机制的认识逐渐深入，越来越多的焦亡通路重要蛋白及相关细胞因子在过敏性疾病中的作用将被揭示，在此基础上的干预调控和针对炎性因子的靶向治疗可能为过敏性疾病的治疗开辟全新途径。