败血症相关中性粒细胞焦亡研究进展

亢舜彤

(中南大学湘雅医学院，湖南 长沙)

1 焦亡

1.1 焦亡概述

1992 年，Zychlinsky 等[1]首先在感染了革兰氏阴性细菌志贺氏菌的巨噬细胞中观察到细胞凋亡的形态学特征，但在当时将其误认为是凋亡的形态学改变。1999 年，Hersh 等[2]在沙门氏菌感染的巨噬细胞中观察到类似的表型。进一步的研究发现，特异性抑制caspase-1 表达可有效地减少志贺氏菌引起的细胞死亡，而caspase-3 抑制剂则不能阻断细胞死亡，表明这是一种不同于细胞凋亡的细胞死亡形式[3]。2001 年，Cookson 等[4]将细胞焦亡定义为一种新型的、caspase-1 依赖的细胞程序性死亡形式。由此，细胞焦亡进入到大众视野中。除先前研究的巨噬细胞外，当细胞受到病原体感染或产生应激后，树突状细胞、肝细胞、内皮细胞和心肌细胞等多种细胞均可发生细胞焦亡。

1.2 焦亡与凋亡

焦亡细胞有与凋亡细胞和坏死细胞相类似的特征，但又不完全相同，其最重要的特征是迅速形成直径为10-15 nm 的膜孔[5]。这些孔使细胞内离子流出，破坏细胞膜离子梯度，水进入细胞后，使细胞发生肿胀并最终裂解，导致细胞内促炎成分释放，包括IL-1β、IL-18、热休克蛋白、高迁移率Box-1 蛋白等，这些特征与坏死相似。凋亡的细胞以凋亡小体的形成和非炎性吞噬消化为特征，因此焦亡与凋亡在这一点上不同。焦亡和凋亡均有染色质浓缩的特征，但在焦亡中，细胞核不会发生核碎裂[6]。焦亡和凋亡另一区别是膜联蛋白V 阳性染色不同，细胞凋亡时，磷脂酰丝氨酸(PS)翻转至细胞膜外，细胞表面出现膜联蛋白V 阳性染色，而细胞焦亡时细胞膜破裂，膜联蛋白V 进入细胞而使膜内染色[7]。7-氨基放线菌素及碘化丙啶属于非侵入性染料，只能通过膜孔进入细胞来使细胞核着色，凋亡细胞无膜孔形成，因此这些染料可用于区分焦亡细胞和凋亡细胞。此外，孔的形成会导致焦亡细胞发生肿胀，而凋亡细胞则会发生萎缩[8]。

1.3 焦亡机制

胱天蛋白酶家族对启动细胞焦亡起关键作用，研究表明细胞焦亡主要表现为caspase-1 活化，在人类中由caspase-1/4/5 介导，在小鼠中由caspase-1/11 介导，细胞凋亡多表现为caspase-3/5/7活化。细胞感应内外信号，如病原体刺激或内源性物质的刺激，并对此产生反应，这种非特异性免疫反应依赖于膜上的模式识别受体(PRRs)，它们可以检测病原体相关分子模式并感知损害相关分子模式[9-12]。根据位置分布不同，PRRs 可以分为膜结合PRRs 及胞质PRRs，膜结合PRRs 可识别细胞外或细胞内环境的刺激信号，如Toll 样受体和C 型凝集素样受体，胞质PRRs 能够识别侵袭性病原体，如核苷酸结合寡聚域样受体、视黄酸诱导型基因I 样受体等[13-15]。PRRs 受到刺激后，触发caspase-1 激活复合物组装，并产生炎性小体[16]，可诱导炎性因子IL-1β 和IL-18 释放。

GSDMD(gasdermin D) 是gasdermin 蛋 白 家 族 的 成 员，其N 末端结构域在焦亡中起主要作用。GSDMD-C 端形成环插入GSDMD-N 结构域有助于稳定GSDMD 构象以抑制焦亡发生。焦亡发生时，caspase-1 可切割下游蛋白GSDMD 生成游离GSDMD-N，消除GSDMD-C 的抑制作用，前者与细胞膜磷酸肌醇特异结合，诱导膜孔的形成并进一步促进细胞焦亡[12,17]。

1.4 炎性小体

炎性小体是一种蛋白复合物，由感受器、衔接子蛋白ASC 和caspase-1 组成，ASC 为焦亡相关斑点样蛋白，含有caspase 募集域。目前为止，已鉴定出的多种炎性小体，如NLRP1、NLRP3、NLRC4、NLRP6 和AIM2 炎性小体。此外，小鼠caspase-11 与人类caspase-4/5 可以直接与胞质脂多糖结合，导致非典型炎性小体激活，这种非典型炎性小体也可诱导细胞焦亡，但不能直接促进炎性因子IL-1β 和IL-18 释放，但非典型炎性小体能够通过未明确机制激活典型的炎性小体来间接诱导炎性因子释放[12]。

2 败血症

2.1 败血症概述

败血症严重威胁人体器官功能，因宿主对细菌感染的炎症反应失调而引起，体内促炎因子和抗炎介质之间失去平衡。在败血症的早期阶段，中性粒细胞首先到达感染部位，中性粒细胞是最早趋化的天然免疫细胞，可以分泌重要的细胞因子和趋化因子，还可以通过吞噬作用消灭病原微生物，最终脱颗粒并释放ROS。败血症患者体内大量中性粒细胞功能受到破坏，中性粒细胞迁移受损、清除细菌功能受损、活性氧产生减少以及细胞因子释放异常[18]。败血症发展严重时，中性粒细胞产生趋化功能障碍，释放各种酶及炎症介质，可损伤心、肺等重要器官使多器官功能故障。Kasten[19]研究发现，败血症患者血液中某些中性粒细胞亚群可以分泌大量的IL-10，这是一种免疫抑制因子，可抑制T 淋巴细胞的增殖，中性粒细胞和补体系统之间复杂的相互作用会导致败血症期间补体诱导的先天性免疫损伤，对人体产生严重损害。

2.2 中性粒细胞焦亡

研究表明[20]，在败血症患者体内，中性粒细胞的主要作用可能通过其焦亡产生，中性粒细胞在焦亡过程中持续合成并分泌IL-1β 和IL-18，释放出大量其他细胞因子如IL-10、IL-13 及趋化因子如IL-8、髓过氧化物酶、组织蛋白酶G 和其他颗粒酶，中性粒细胞最终肿胀且发生细胞膜的溶解。中性粒细胞膜裂解后，胞内病原体还未直接释放至细胞外即可形成孔诱导的细胞内陷阱(PIT)，可通过补体和清道夫受体协调进行非特异性免疫应答，PIT 促进中性粒细胞释放活性氧或进行继发性吞噬以消灭病原体[21,22]。在上述机制共同作用下，中性粒细胞的焦亡对于免疫细胞募集，可以起炎症信号放大的作用。

脂多糖是细菌细胞壁的成分，可以诱导炎症反应及细胞自噬，还可以诱导细胞焦亡[23,24]。败血症中，大量的细菌细胞壁分解脂多糖释放到血液循环中，通过TLR2 和TLR4 受体激活中性粒细胞焦亡，脂多糖的自分泌可以通过ATP 信号传导通路抑制中性粒细胞趋化[25]，对组织和器官造成广泛损害。Jorgensen 等[21]报道，感染过程中，中性粒细胞焦亡促进细菌清除，而且中性粒细胞焦亡对于某些类型的病原体感染(如沙门氏菌感染)起着更重要的作用[26]。然而，中性粒细胞是败血症发展过程中炎性因子IL-1β的主要来源[27]，因此中性粒细胞的过度细胞焦亡显然是有害的。Numberous[28]研究证实，caspase-11/1 敲除及IL-1β/ IL-18 敲除可以提高败血症小鼠模型存活率，但是Sarkar 等[29]研究得出，另一种感染性休克动物模型表明，敲除IL-1β 和IL-18 对于避免败血症发生是无用的。这些看似矛盾的结论表明，在不同阶段和不同类型细菌感染的败血症中，我们应该对中性粒细胞焦亡有不同的定义。

3 小结与展望

近年来关于中性粒细胞焦亡的研究受到广泛的关注，但中性粒细胞焦亡在败血症中的机制仍未引起足够的重视。中性粒细胞是人体中最丰富的免疫细胞，发生焦亡后，则是炎症因子IL-1β 和IL-18 的主要来源。中性粒细胞的寿命短且不能增殖，一般寿命仅24h，阻断中性粒细胞焦亡可避免caspase-1 及IL -1β/ IL-18引起连锁反应。

同时，随着知识的进步，对gasdermin 活性的药理调节可能成为治疗具有炎性成分的不同疾病的潜在靶点。特定gasdermin 阻滞剂的特性鉴定才刚刚开始，也验证了细胞焦亡是可行的药物靶标。在许多体内模型以及临床试验中，已经证明了用化学抑制剂或阻断抗体来阻断炎性体IL-1 途径的临床意义，并且已批准了针对IL-1 的阻断抗体可用于治疗自发炎和慢性炎性疾病。新型gasdermin 阻滞剂的开发，可能将为开发针对炎症性疾病的新型疗法铺平道路。

目前对于细胞焦亡的研究发展迅速，对于中性粒细胞焦亡进行干预似乎可减少败血症治疗风险，且其副反应更小。因此，研究败血症相关的中性粒细胞焦亡及其主要机制，还有中性粒细胞焦亡的潜在价值，都对败血症的治疗具有重要意义。