平滑肌细胞焦亡在相关疾病中作用的研究进展▲

陈 林 李高鹏 李小红 黄惠桥

(广西医科大学第二附属医院护理部，南宁市 530021，电子邮箱：1947256977@qq.com)

【提要】 平滑肌细胞异常增殖、迁移造成的表型转化及死亡在多种器官组织疾病中起重要作用。细胞焦亡是一种调控性促炎引起的细胞死亡，目前研究已发现平滑肌细胞焦亡参与动脉粥样硬化、肺动脉高压和膀胱炎症等疾病的发生发展。因此，改善平滑肌细胞功能，抑制平滑肌细胞焦亡，对临床预防和治疗相关疾病具有重要意义。本文就平滑肌细胞焦亡及其相关疾病中作用的研究进展做一综述。

细胞是生物体基本的结构和功能单位，而细胞死亡是维持组织内稳态和基本生物学功能的关键，在疾病的病理学中具有重要意义，常见的细胞死亡有3种类型，即细胞凋亡、细胞自噬和细胞坏死[1]。2001年，Cookson等[2]在沙门氏菌诱导的巨噬细胞死亡中，首次提出了细胞焦亡的概念，目前细胞焦亡被定义为一种伴炎症的程序性死亡方式，在形态学上具有坏死和凋亡的双重特征。与细胞凋亡不同的是，细胞凋亡是非裂解性死亡，而焦亡细胞有坏死样细胞膜孔的形成，导致细胞肿胀、细胞膜破裂，同时释放出大量促炎症细胞因子，如白细胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-18、IL-6等诱发炎症反应[3]。但是细胞焦亡维持了细胞核和线粒体的完整性，并且不涉及细胞色素C的释放[4-6]。研究证实[1，7-8]，巨噬细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、心肌细胞、树突状细胞等均可发生焦亡，其中平滑肌细胞焦亡参与动脉粥样硬化、肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension,PAH)和膀胱炎症等疾病的发生、发展。因此，本文就平滑肌细胞焦亡及其在相关疾病中作用的研究进展做一综述。

1 细胞焦亡的分子机制

病原体相关分子模式或内源性应激诱导的危险相关分子模式[9]在入侵病原体后，被不同的炎性小体所检测，进而介导经典半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)-1和非经典Caspase-4/5/11(人Caspase-4/5和鼠Caspase-11)途径激活，细胞焦亡机制被触发[10]。炎性小体包括细胞质中的多蛋白复合家族[如核苷酸结合寡聚化结构域样受体(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor，NLR)3、NLRP1、NLRC4、NLRP9和NLRP6][11]、PHYIN蛋白家族[又称HIN-200 蛋白家族如黑色素瘤缺乏因子2)][12]和吡喃蛋白[13]。活化的炎症小体除NLRP1和NLRP4通过直接招募半胱氨酸蛋白酶1前体(pro-Caspase-1)来激活Caspase-1外[14-15],其余均直接或者间接在凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a Caspase recruitment domain，ASC)的协助下募集促炎细胞因子前体pro-Caspase-1来激活Caspase-1[16]。激活后的Caspase-1和Gasdermin(GSDM)D蛋白有着密切联系[17]， Taabazuing等[18]研究发现，GSDMD是唯一诱导细胞焦亡的Caspase-1底物。GSDMD属于GSDM蛋白质家族，在多种细胞类型和组织中表达[19]，在人类中其余成员还有GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME和Pejvakin(PJVK)。除了PJVK之外，所有的GSDMs都由一个保守的C-端域和N-端域的双域结构组成[20]。Caspase-1可对GSDMD进行切割，从C-末端抑制域中解放出N-末端效应域，并在细胞膜中齐聚，形成直径约10～16 nm的细胞膜孔，导致细胞膜破裂，胞质内容物外泄，并伴随着大量的促炎细胞因子释放，细胞焦亡发生[21-23]。

Caspase-11与Caspase-1激活小鼠细胞焦亡的机制略有不同，Caspase-11仅能被含半胱天冬酶募集结构域的细菌内毒素脂多糖激活[24]。活化后的Caspase-11不仅通过切割GSDMD介导细胞膜孔的形成，还可以通过活化缝隙连接蛋白1，释放胞内的三磷酸腺苷，并与细胞膜上P2X7受体结合，促进胞内的K+外流及胞外的Na+、Ca2+内流，导致细胞膜内外离子失衡，发生渗透性肿胀进而破裂，导致细胞膜完整性受损[25-26]；同时，释放出的三磷酸腺苷可活化NLRP3，进而激活Caspase-1，释放出大量细胞促炎因子IL-1β和1L-18，诱导细胞焦亡[27]。人源Caspase-4和Caspase-5的功能与小鼠Caspase-11基本相同，虽可触发与小鼠Caspase-11相似类型的细胞焦亡[28]，但其在人类细胞中发生细胞焦亡的非经典通路还需进一步探究。另外还有研究发现，GSDMD诱导的细胞膜孔形成可促进Ca2+内流，提示转运必需的内体分选复合体(endosomal sorting complexes required for transport，ESCRT)的募集，以启动修复人细胞中细胞膜的完整性，而通过促进 ESCRT蛋白的表达或阻断Ca2+的内流可抑制Caspase-11的激活，揭示了一种新的抑制细胞焦亡的途径[29]。

2 平滑肌细胞与细胞焦亡

平滑肌细胞广泛分布于人体血管、呼吸道、消化道和泌尿、生殖等系统。平滑肌作为人体的保护组织，其功能主要通过缩短和产生张力使器官发生运动和变形,也可产生连续收缩或紧张性收缩,使器官对抗额外负荷而保持原有的形状[30]。目前对平滑肌细胞的研究多集中于血管平滑肌细胞的功能障碍和表型转换，如异常增殖、迁移及细胞外基质的分泌等，其被认为是导致血管狭窄病变的重要环节[31],也是动脉粥样硬化发生的必要条件[32]。同时，平滑肌细胞的异常死亡也参与了多种疾病的发生发展[33-35]。

2.1 动脉粥样硬化与平滑肌细胞焦亡 血管平滑肌细胞通常位于血管基质层,可塑性较强，主要发挥收缩功能，并能调节血管张力[36]。当血管损伤或局部环境变化时，血管平滑肌细胞向内膜层迁移，聚集在由凋亡的泡沫细胞组成的脂质池周围，在血小板衍生生长因子或转化生长因子β的刺激下，血管平滑肌细胞由收缩向合成转变，通过产生弹性蛋白和胶原等细胞外基质分子，形成覆盖动脉粥样硬化斑块的纤维帽[37]，对预防斑块破裂具有重要的保护作用。血管平滑肌细胞由分化成熟收缩态去分化或转分化为分泌增殖态的过程，称之为表型转换[38]。血管平滑肌细胞的表型转换是众多血管疾病的病理始动因素，如动脉粥样硬化、高血压血管重构[39]。

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)涉及动脉壁脂质的积累和炎症细胞浸润的过程[40]。血管平滑肌细胞是参与AS各个病变阶段的主要细胞类型之一。研究表明，低浓度的氧化性低密度脂蛋白通过触发血管平滑肌细胞向促炎症表型转变，调控血管平滑肌细胞中可收缩蛋白、促进炎症分子的表达而激活AS信号[41]；同时，氧化性低密度脂蛋白可诱导血管平滑肌细胞中黑色素瘤缺乏因子2、活化的GSDMD的NH2末端片段GSDMD-N、ASC和Caspase-1的表达及DNA片段化，其中黑色素瘤缺乏因子2的过度表达可增加斑块病变面积和血管平滑肌细胞焦亡，从而加重AS[42]。Pan等[43]研究表明，黑色素瘤缺乏因子2可通过ASC、Caspase-1途径激活GSDMD-N活性，诱导细胞发生焦亡。Tangi等[44]研究发现，肿瘤坏死因子α可通过调节IL-1β和NLRP3的基因表达介导血管平滑肌细胞炎症的发生，而沉默NLRP3基因可降低IL-1β的活化和分泌，从而减轻炎症反应。同时，血管平滑肌细胞焦亡及其产生的细胞外基质(包括胶原蛋白和弹性蛋白)与粥样斑块的稳定性和急性心血管事件密切相关[10]。研究表明，参与细胞焦亡的相关分子如NLRP3、ASC、Caspase-1、IL-1β、IL-18等在不稳定斑块中的表达水平高于稳定斑块[42]，而且血管平滑肌细胞死亡在促进AS疾病进展中亦发挥重要作用，可引起斑块纤维帽变薄、坏死核心增大导致斑块易损性增加等[45]。

综上，发生焦亡的血管平滑肌细胞通过释放促炎细胞因子介导血管炎症，并干扰与斑块稳定性和急性心血管事件密切相关的胶原和基质来减弱纤维帽，最终加剧斑块的不稳定性，导致AS的恶化[7，10]。

2.2 PAH与平滑肌细胞焦亡 PAH是一种以肺血管重塑和右心室功能障碍为特征的进行性致死性心血管疾病。其血流动力学诊断标准为：海平面、静息状态下，右心导管检测肺动脉平均压≥25 mmHg(3.33 kPa)[46]。PAH发病机制复杂，包括血栓形成、肺血管收缩、炎症、纤维化及平滑肌细胞异常分化、增殖和凋亡等[47-48]。

最近相关研究表明，平滑肌细胞焦亡在PAH发病机制中起到关键作用[49-50]。胶质瘤相关癌基因家族锌指1(glioma-associated oncogene family zinc finger 1，GLI1)是细胞内的一种锌指蛋白，参与多种癌症的发生发展[51]。He等[49]研究表明，低温诱导的PAH其GLI1表达上调；抑制GLI1可明显减轻大鼠体内PAH的变化，包括右心室收缩压、血管重塑和右心室肥厚的变化。在缺氧大鼠模型和缺氧条件下培养的肺动脉平滑肌细胞中GLI1的表达上调，并且GLI1的富集促进了平滑肌细胞的焦亡，但ASC的缺乏可阻断此种细胞焦亡。同时，还有研究发现，缺氧会上调NLRP3、Caspase-1、pro-Caspase-1、ASC和IL-18的表达和乳酸脱氢酶的释放。进一步提示平滑肌细胞焦亡在缺氧性PAH中的作用，并且揭示了GLI1在PAH中调节平滑肌细胞焦亡和肺血管重塑的新功能。

PAH也是一种以部分血管纤维化为特征的疾病[55]，程序性死亡受体-配体1(programmed cell death ligand 1, PD-L1)也称为CD274，与细胞死亡有关，在介导纤维化方面发挥重要作用[53]。Zhang等[50]研究发现，人肺动脉平滑肌细胞的焦亡及纤维化依赖于PD-L1的高表达。在PAH动物和细胞模型中还发现肺动脉平滑肌细胞中Caspase-1、IL-18和人高迁移率族蛋白B1表达高度上调，并且这3种蛋白也在缺氧和野百合碱诱导的PAH大鼠肺组织外膜和周围组织中表达，这可能对肺血管重塑具有重要作用。此外，Caspase-1抑制剂可以逆转缺氧和野百合碱诱导的PAH大鼠的血管重塑以及右心室收缩压和右心室肥厚的升高，进一步表明抑制平滑肌细胞焦亡通路对血管纤维形成有正向的调节作用。上述的研究为PAH的发病机制提供了新的切入视角，并且为治疗或控制该疾病提供新的治疗靶点。

2.3 膀胱炎与平滑肌细胞焦亡 膀胱炎是用于定义任何类型膀胱炎症的通用术语。在广义的层面上，膀胱炎可以分为感染性膀胱炎和非感染性膀胱炎，其中非感染性膀胱炎包括辐射性膀胱炎和化学性膀胱炎。化学性膀胱炎最常见于环磷酰胺和异环磷酰胺静脉化疗的乳腺癌和淋巴瘤患者。丙烯醛作为环磷酰胺毒性代谢物，能够通过诱导和促进脂质过氧化及活性氧的产生来维持细胞氧化应激[54-55]，当细胞接触丙烯醛导致线粒体损伤，线粒体DNA的氧化态具有结合和激活炎症复合物成分NLRP3 的能力[56]。因此，当环磷酰胺被肾脏代谢，积聚在膀胱中时，可引起膀胱炎症反应，而膀胱疾病的主要功能障碍是炎症反应引起肌肉扩张导致的顺应性丧失[57]。环磷酰胺和放射治疗可使NLRP3级联产物IL-1β分泌及其下游肌增生介质胰岛素样生长因子1升高。然而，NLRP3级联反应的另一个结果是导致Caspase-1依赖性细胞焦亡。Haldar等[57]对小鼠膀胱炎症模型的平滑肌反应研究也表明，膀胱炎性损伤细胞产生的IL-1β刺激邻近平滑肌(逼尿肌)细胞的增殖，而且在出血性膀胱炎模型中，细胞焦亡也是逼尿肌细胞增生和死亡的主要原因之一。

因此，膀胱平滑肌炎症诱导的细胞焦亡伴随着细胞增生和肥大，是导致膀胱功能低下的主要原因，但其分子机制还有待进一步探讨。基于这些结论，有研究发现，类风湿关节炎治疗药物Anakinra和胰岛素样生长因子1中和抗体可逆转炎症相关的逼尿肌扩张[58]，这对临床治疗膀胱炎症具有广泛的借鉴意义。

3 小 结

平滑肌细胞的异常增殖、迁移及侵袭在多种疾病进展中扮演重要作用，而细胞焦亡作为平滑肌细胞的死亡方式之一，不仅对心血管疾病有着重要意义，更涉及多器官疾病的发生发展。细胞焦亡是一种程序性裂解性细胞死亡方式，其依赖于Caspase-1/4/5/11的激活，并通过切割GSDM蛋白，致细胞膜成孔破裂，释放大量炎性物质。目前平滑肌细胞焦亡在AS研究中已取得了一定进展，炎性小体和GSDM蛋白家族的研究也成为热点，但细胞焦亡触发机制复杂、配体识别多样、确切的作用方式不明确。因此，对细胞焦亡相关信号通路靶点检测、调控机制等的进一步研究仍是科研工作的焦点。