细胞焦亡与恶性肿瘤治疗的研究进展

谢天裕，刘 云，廖世杰，罗晓婷，冯文宇，韦昌武，黄先盈，韦庆军

(广西医科大学第一附属医院a.骨科；b.药学部，南宁 530021)

细胞的死亡方式分为坏死(necrosis)和程序性细胞死亡(programmed cell death)，后者包括凋亡(apoptosis)、坏死性凋亡(necroptosis)、胀亡(oncosis)、自噬(autophagy)及焦亡(pyroptosis)[1]。与其他细胞死亡方式相比，细胞焦亡在细胞死亡的机制和形态变化上均表现出差异，其最具特征性的是细胞死亡过程中会触发炎症反应，而且与多种疾病关系密切。2001年由COOKSON等[2]首次使用细胞焦亡一词报道该新型细胞死亡方式。随着研究的不断进展，发现细胞焦亡在多种疾病的治疗研究中均扮演重要角色，尤其是细胞焦亡与恶性肿瘤的治疗[3]更是近年来的研究热点。细胞焦亡可通过促炎作用形成炎性微环境或影响某些信号通路的活性等促进恶性肿瘤生长；然而，目前不少研究[3-4]都已证实细胞焦亡具有抗恶性肿瘤作用，可通过调控某个靶点或某些信号通路的活性使细胞焦亡在恶性肿瘤的治疗中发挥关键角色的作用。随着人口的老龄化及致病因素的变化导致恶性肿瘤在发病率和死亡率方面的表现日益突出，无论人类发展水平如何，恶性肿瘤都是世界各地发病率和死亡率居高不下的重要原因[5]。目前临床上针对恶性肿瘤的治疗仍难以让人满意，患者的预后和5年生存率较差，所以对恶性肿瘤治疗的研究已迫在眉睫，而细胞焦亡的抗恶性肿瘤作用提供了新的思路。

1 细胞焦亡的机制

1.1 细胞焦亡的经典路径

2002年，经典炎症小体被定义为由NOD样受体(NOD-like receptor，NLR)、凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和caspase-1组成的多蛋白复合物；并且炎症小体可为caspase-1的激活以及interleukin-1β(IL-1β)、interleukin-18(IL-18)等炎症因子的催化成熟提供分子平台[6]。在细胞焦亡的经典路径中，当NLR等感知危险迹象时便会引发炎症小体(如NOD样受体蛋白3、NOD-like receptor protein 3、NLRP3等)的组装并激活，接下来caspase-1的激活便是整个焦亡进程的关键[7]，与此同时还可促使IL-1β和IL-18的成熟并释放[8-9]。随后激活的caspase-1直接剪切Gasdermin D(GSDMD)以产生GSDMD-NT(带有N端片段的GSDMD)，后者可以插入细胞膜脂质结构中形成质膜孔[10-12]，使得细胞膜的完整性被破坏后引起细胞内渗透压增加而导致细胞肿胀、裂解及IL-1β和IL-18的释放，杀伤细胞的同时提升炎症反应的速度和规模。另有研究[13]发现，某些炎症小体可不经过ASC的募集作用而直接结合并激活caspase-1以启动细胞焦亡。

1.2 细胞焦亡的非经典路径

与经典路径不同的是，非经典路径中的关键步骤为：caspase-4/5/11可不需要炎症小体的分子平台作用而在脂多糖等致炎因素的刺激下直接被激活，接着便将GSDMD剪切激活以产生GSDMD-NT而致使细胞膜穿孔、肿胀、溶解死亡。但由于caspase-4/5/11无法催化炎症因子的成熟和分泌，所以这也被认为是经典路径和非经典路径的主要区别[13]。此外，非经典路径的细胞焦亡也可通过激活经典炎症小体和caspase-1以及释放炎症因子诱导经典路径的细胞焦亡的发生，从而加速焦亡的进程[14]。另有研究[15-16]发现一种特殊的细胞焦亡路径，也被称为继发性细胞焦亡，即caspase-3被激活后将Gasdermin E(GSDME)剪切并激活形成GSDME-NT(带有N端片段的GSDME),后者也可引起质膜穿孔导致细胞焦亡。

2 细胞焦亡与恶性肿瘤发生发展的关系

通常，恶性肿瘤的发生发展由多方面的因素决定，包括原癌基因与抑癌基因的相对活性、免疫微环境和炎性微环境等。而细胞焦亡的促炎本质使其与许多慢性炎症性疾病的发病机制有关[17]，因此细胞焦亡进程中释放大量炎症因子所形成的炎性微环境有可能促进肿瘤的发生发展。有研究[18]发现，NLRP3及其介导产生的IL-18β可促进炎症性肠病(如克罗恩病和溃疡性结肠炎等)的发生发展，而炎症性肠病最终有可能发展为胃肠道恶性肿瘤，由此可知细胞焦亡在此过程中起重要作用。另有多项研究[19-21]表明，NLRP3在病毒性肝炎的发病机制中起关键角色作用，且有研究[20]报道未经治疗的活动期慢性乙肝患者肝组织中NLRP3、caspase-1和IL-1β的表达量明显高于缓解期慢性患者；此外由NLRP3介导分泌的IL-1β促进Th17细胞分泌IL-17，使得炎症反应和肝纤维化持续恶性循环[22]，而肝炎肝硬化是肝癌发生的重要病因，所以细胞焦亡极可能促进了恶性肿瘤的发生发展。然而，有研究[23-24]发现，虽然NF-κB信号通路和恶性肿瘤的发生发展密切相关，NF-κB信号通路的异常激活使得细胞有能力抗程序性细胞死亡的同时进行增殖、入侵和转移，从而促进恶性肿瘤的发生发展；但在抑制NF-κB通路的活性后可促进包括细胞焦亡在内的程序性细胞死亡而抑制恶性肿瘤的发生发展。此外，在食管癌的研究中使用PLK1抑制剂(BI2536)和顺铂(DDP)共同处理细胞时发现caspase-3表达增加，接着引起细胞质中的GSDME增加而导致食管鳞状细胞癌(esophagealsquamouscarcinoma，ESCC)发生细胞焦亡，同时还发现GSDME的过表达与ESCC患者较好的预后有关，因此细胞焦亡的抗癌作用得到证实[25]。另有研究[26]发现，洛铂(lobaplatin)可通过活性氧/应激活化蛋白激酶(ROS/JNK)信号通路诱导细胞焦亡，即lobaplatin引起ROS的升高而使JNK发生磷酸化，后者的磷酸化使caspase-3被激活，随后GSDME被剪切激活生成GSDME-NT，最后介导细胞焦亡的发生。还有研究[26-28]发现，恶性肿瘤细胞在诱导凋亡的化疗药物的刺激下,可通过激活BAX/caspase-3/GSDME信号通路使细胞由凋亡转向焦亡而达到抑制肿瘤生长的目的。综上所述，细胞焦亡可能促进了恶性肿瘤的发生发展，但其抑制作用是值得肯定和利用的，且细胞焦亡与凋亡之间的转化机制以及二者是否能起到协同抗恶性肿瘤的作用仍需进一步研究。

3 细胞焦亡在恶性肿瘤治疗中的研究进展

根据2018年全球癌症统计数据分析发现在不分男女性别时，发病率最高的是肺癌，大肠癌位于其后；而死亡率最高的是大肠癌，接着是肝癌；发病率和死亡率位列前茅的还有胃癌、乳腺癌和前列腺癌等[5]。以上皆是人类如今所面临的常见恶性肿瘤，对于晚期患者来说往往已失去手术机会，其余的治疗方法难以取得满意的效果。然而，根据目前的研究进展发现，细胞焦亡与多种恶性肿瘤的发生发展紧密相关，且常见的恶性肿瘤如肺癌、肝癌、结直肠癌等更是研究的热点。相反，关于细胞焦亡在其他相对少见的恶性肿瘤(如骨肉瘤等)治疗的研究非常少，而骨肉瘤最常见于儿童及青少年，恶性程度与死亡率很高，所以关于这方面的研究也是值得关注的。在传统的手术及放化疗都无法取得令人满意的治疗效果的情况下，细胞焦亡极有可能是下一个可靠的研究治疗恶性肿瘤的新方向。

3.1 细胞焦亡与肺癌

在对非小细胞肺癌的研究中发现，辛伐他汀能显著降低癌细胞的活力并抑制其增殖和迁移，其作用机制为辛伐他汀通过激活NLRP3后使caspase-1激活，从而介导经典路径的细胞焦亡，进而发挥抗恶性肿瘤的作用[29]。此外，有研究[30-31]发现LncRNA-XIST是多种癌症的致癌基因，可促进非小细胞肺癌的发展[32-33]，且有研究[34]证实氧化应激与细胞焦亡密切相关，ROS可通过特定信号通路激活NLRP3诱导细胞焦亡[35]。根据一项关于LncRNA-XIST与非小细胞肺癌的研究[36]可知，LncRNA-XIST在癌细胞中为过表达状态，但LncRNA-XIST的过表达对癌细胞的氧化应激能力没有影响，所以当敲除LncRNA-XIST后使得癌细胞内丙二醛(MDA)和ROS的水平增高，促进了超氧化物的释放，最后诱导细胞焦亡的发生而抑制非小细胞肺癌的发生发展。同时，该研究的Western Blot结果也表明,下调LncRNA-XIST的表达可激活NLRP3和增加caspase-1以及IL-1β在癌细胞内的表达量，结合细胞计数的结果可知，通过下调LncRNA-XIST的表达可诱导经典途径的细胞焦亡来抑制癌细胞增殖，而过表达可促进癌细胞的增殖[36]。由此可知，LncRNA-XIST可抑制炎症小体的激活并下调癌细胞内炎症因子、氧化物和超氧化物等的水平，从而减弱或抑制氧化应激使得癌细胞自身能一定程度地避免发生细胞焦亡等炎性程序细胞死亡，最终促进非小细胞肺癌的发生发展。因此，利用细胞焦亡对癌细胞的杀伤来治疗非小细胞肺癌的关键在于如何下调LncRNA-XIST的表达并抑制其激活以及研发能有效激活癌组织细胞焦亡的药物。

3.2 细胞焦亡与肝癌

肝癌最常见的亚型是肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)，一旦确诊往往已发展为晚期，传统手术及放化疗的效果一般，导致5年生存率及预后较差且患者的生活质量大幅度下降。有研究[37]发现，经17β-雌二醇(17β-estradiol，E2)处理后的HCC细胞表现为活力逐步下降，死亡率逐步上升，ELISA检测发现癌细胞中的caspase-1和IL-1β含量成剂量依赖性增加，然而经caspase-1特异性抑制剂(YVAD-cmk)预处理后，由E2诱导的抑制癌细胞生长的作用被显著逆转；同时还发现E2可激活NLRP3，后者通过E2/ERβ/AMPK/mTOR信号通路抑制HCC细胞的保护性自噬。此外，有证据表明细胞焦亡的缺乏是人类恶性肿瘤的一个重要特征[29]。另有研究[38]发现，无论是caspase-1和IL-1β、IL-18，亦或是前三者的mRNA，在经酮类化合物(euxanthone)处理后的HCC细胞中的表达量都显著高于正常肝细胞中的，由此可知caspase-1介导的细胞焦亡参与了euxanthone抑制HCC细胞增殖、转移及侵袭的作用。还有研究[39]发现，索拉非尼(sorafenib)可通过诱导巨噬细胞发生细胞焦亡，接着触发并增强自然杀伤细胞针对HCC细胞的免疫反应，最后起到抗癌作用。由此可知，细胞焦亡对HCC细胞的杀伤作用对于HCC的治疗研究意义重大，若能有效地应用到临床中，将有可能大幅度地减轻患者因接受传统治疗所带来的痛苦和增加患者的5年生存率及改善生活质量。

3.3 细胞焦亡与结肠癌

目前针对结肠癌的主要治疗手段仍为传统的手术切除，在其他治疗方面的研究进展仍较慢。有研究[40]发现，Liver X Receptorβ(LXRβ)具有一定的抗癌作用，LXRβ主要定位于结肠癌细胞的细胞质中，且对特异的激动剂治疗敏感。而激动剂与LXRβ的结合使缝隙连接蛋白1(pannexin 1，PX1)通道打开，释放ATP并作用于其受体P2X7而引起NLRP3的组装并激活，后者将caspase-1激活后诱导了细胞焦亡而导致结肠癌细胞死亡[40-41]。另有研究[42]发现，炎症小体如NLRP3及AIM2等在结肠癌细胞中的表达水平相对于正常细胞来说是降低的，且炎症小体介导的细胞焦亡对结肠癌的进展有明显的抑制作用。所以，如何有效地激活LXRβ及提高炎症小体的表达量是利用细胞焦亡治疗结肠癌的关键，而在LXRβ介导的信号通路的上下游可能还存在有效的治疗靶点。

3.4 细胞焦亡与骨肉瘤

骨肉瘤好发于儿童和青少年，预后和5年生存率较差且死亡率高。有研究[43]发现，薯蓣皂甙(Dioscin)可通过诱导细胞焦亡而抑制骨肉瘤的生长；骨肉瘤细胞经Dioscin处理后GSDME-NT的表达剂量及细胞死亡率成剂量依赖性增加，而经caspase-3特异性抑制剂(Z-DEVD-FMK)处理后，GSDME-NT及caspase-3的表达量显著下降的同时恢复了骨肉瘤细胞的活力；同时还发现经特异性的siRNA敲除骨肉瘤细胞中GSDME后，GSDME-NT的含量及Dioscin对骨肉瘤细胞的促焦亡作用显著下降，同时明显下降的还有Dioscin对骨肉瘤的促凋亡作用。另有研究[44]发现，细胞凋亡路径可分为内源性路径和外源性路径，前者也称为线粒体凋亡路径，由Bcl-2家族的促凋亡和抗凋亡蛋白控制[45]，其关键的启动步骤是caspase-9的激活，而后者则通过激活caspase-8而触发细胞凋亡。同时，细胞凋亡的内外源路径在下游的caspase-3处交汇[46]，且因caspase-3可剪切激活GSDME产生GSDME-NT诱导细胞焦亡，故使得caspase-3既是细胞焦亡的关键通路，也是细胞内外源凋亡路径的共同通路。此外，由于GSDME-NT可通过增加线粒体膜的通透性使细胞色素C释放至细胞质，从而增加激活的caspase-3的量而诱导细胞凋亡[47]，可知细胞焦亡在某些条件下可触发细胞凋亡使得二者之间通过协同作用共同发挥抗骨肉瘤能力，但二者之间具体的联动协同机制仍需进一步研究明确。虽然目前针对细胞焦亡在骨肉瘤中的研究极少，但前者依然有希望成为研究治疗后者的有效切入点。

3.5 细胞焦亡在其他恶性肿瘤中的研究进展

根据最新的研究[48]发现，牙周炎可通过由细胞焦亡产生的IL-1β介导下游的信号通路激活，随后可在转移早期部分募集髓系抑制性细胞，最后促进乳腺癌的转移，由此说明了IL-1β在促进乳腺癌转移进程中的作用，也提示了控制牙周炎(老年乳腺癌患者普遍存在的疾病)的必要性。另有研究[42]发现，下调介导细胞焦亡的炎性小体的表达后导致了胃癌细胞的增殖，同时GSDMD在胃癌中的表达量较低，且有实验[49]结果表明下调GSDMD的表达后可显著促进胃癌的体内外增殖。还有研究[50]发现，细胞焦亡相关指标NLRP3可作为评估鼻咽癌患者预后的重要标志物。此外，细胞焦亡在其他恶性肿瘤的治疗研究中亦能发挥抑制恶性肿瘤细胞增殖及转移的作用。可见对于恶性肿瘤的治疗，细胞焦亡为人们提供了极有希望的方向。

4 展望

细胞焦亡的促炎性质可能对恶性肿瘤的发生发展有促进作用，但其对恶性肿瘤的杀伤作用已得到研究证实，且在未来极有可能运用到临床治疗中。目前细胞焦亡在恶性肿瘤治疗方面的研究空间极大，许多问题丞待解决。然而，在已发现的与细胞焦亡密切相关的炎症小体、caspase家族蛋白、GSDM家族蛋白及相关信号通路等的基础上寻找有效的治疗靶点及研发针对性的药物，可为如何利用细胞焦亡治疗恶性肿瘤找到突破点。