细胞焦亡对哮喘发病机制影响进展

刘珊 罗建江 郭楠楠

2. 830000 新疆 乌鲁木齐，新疆医科大学第四附属医院

支气管哮喘(简称哮喘)是一种以气道慢性炎症为特性的呼吸系统疾病，目前对其发病机制并未完全研究清楚，主要集中于气道炎症机制、免疫调节机制、遗传及环境因素以及神经调节机制等方面[1]。而在炎症的发生机制中，细胞焦亡是近年来发现并证实的一种新的程序性细胞死亡方式，其特征为被激活的消皮素D(Gasdermin D，GSDMD)在细胞膜打孔，使细胞内外渗透压改变，细胞外物质流入细胞内，细胞最终破裂，大量促炎症因子被释放[2]。所以细胞焦亡又有另一个称号——细胞炎性坏死[3]。细胞焦亡是机体内所固有的免疫反应，可以帮助机体识别危险信号，防止感染性疾病发生，发挥着保护机体的作用[4]。一定程度的细胞焦亡可清除致病微生物，但是过多的细胞焦亡会使大量的炎症因子释放，超过机体的清除能力，从而诱发或加重炎症反应[5]。在呼吸系统疾病的发病机制研究中，细胞焦亡近年来也逐渐成为热点问题之一，特别是在呼吸道感染以及哮喘、COPD等慢性气道炎性疾病中[6]。而本文主要针对细胞焦亡对哮喘发病机制影响的研究进展进行综述。

细胞焦亡的机制

现有研究表明，细胞焦亡的发生，存在经典和非经典路径[7]。经典路径主要是依赖Caspase-1发挥作用。细胞内的模式识别受体可在危险信号的刺激下充当感受器，使受体蛋白NLR与接头蛋白ASC相连接 ，形成可使Caspase-1激活的多蛋白复合物。这种危险信号主要包括细菌、病毒等外源性危险信号和机体受损时释放的应激因子的内源性危险信号。Caspase-1 被活化后可割裂Gasdermin 蛋白，形成具有GSDMD N端活性结构域的肽段，可使胞膜穿孔、细胞内外渗透压改变，细胞外物质大量进入胞内，使细胞破裂坏死，释放大量炎症因子，诱发或加重机体的炎症反应。另外，活化的Caspase-1也可切割IL-18和IL-1β的前体，将它们活化后释放到细胞外，适度的IL-1β和IL-18活性炎症因子释放，可与周围的免疫细胞结合清除病原体，反之过度，则使大量炎症细胞堆积，恶化机体的炎症反应。非经典路径的细胞焦亡依靠Caspase-4、5、11起作用。Caspase-4、5、11可直接与细菌脂多糖(LPS)结合而使细胞坏死，参与炎症反应。其作用机制同样是在危险信号的刺激下，Caspase-4、5、11被激活剪切GSDMD，形成含有GSDMD N端活性域的肽段，一方面促使细胞破裂坏死，扩大机体炎症反应[8]。另一方面，它们也参与到Caspase-1的活化中，将IL-1β和IL-18活性因子释放到胞外，诱使炎症细胞聚集，扩大炎症反应。另外，有研究发现，除了GSDMD以外，GSDME也可对Caspase-3的进行特异性切割，形成有活性的N端，经证实，有活性的N端可进一步引起细胞焦亡[9]。

经典通路中Caspase-1的激活离不开炎性小体。炎性小体由特殊接头蛋白( apoptosis-associated speck-like protein，ASC )，模式识别受体( pattern recognition receptors，PRR)和半胱氨酸蛋白酶-1前体(pro-Caspase-1)构成[10]。当病原体侵袭机体时,免疫系统通过PRR感应和识别危险信号。依据受体蛋白的异同，将炎症小体又分为多种亚型，包括NLRP3、NLRC4、AIM2、NLRP1等等，其中，NLRP3已证实与多种疾病相关，它参与机体的多种致病微生物导致的免疫活动[11]。然而，就目前的研究发现，炎性小体在无菌性炎症和代谢性疾病的发病机制中也扮演着重要的角色，虽然目前对这些疾病中NLRP3的激活机制研究尚未明确，但NLRP3的激活可以依靠权威和非权威的两条通路已被证明[12]。另外，一些新的激活机制也被提出，例如在真菌感染和革兰阴性细菌感染中，Fas死亡结构域相关蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain, FADD)和Caspase-8，使可溶性的配体氧化为结晶或原纤维，进而激发NLRP3[13]。

细胞焦亡对于哮喘机制的研究进展

哮喘的主要特点为气道慢性炎症和气道高反应性，可涉及多种细胞和细胞成分。其临床表现多为反复性喘鸣、呼吸困难、胸闷和咳嗽，多在夜间或清晨发作、加重，同时伴不同程度气流受限[1]。哮喘是临床上最常见的慢性病之一，发病率高，严重影响着人们的健康水平和生活质量，目前对于哮喘的治疗主要是防止发作和降低进一步恶化风险。哮喘的发病机制研究目前尚未完全清楚，多集中于气道炎症、免疫调节、气道重塑及神经调节等[14]。同时也有报道显示，支气管哮喘发病和细胞自噬[15]、凋亡[16]相关。

有研究表明，炎性小体和炎性小体相关细胞因子与哮喘的发生密切相关[17-18]。细胞焦亡的经典通路中Caspase-1的激活离不开炎性小体。研究显示，人鼻病毒感染的 IL-1β 调节因子，包括NLRP3 和NLRC5[19]。而人鼻病毒感染参与到哮喘发作和加重的整个过程中[20]。Menzel[21]等研究表明Caspase-1在鼻病毒RV16 感染的哮喘患者的支气管上皮细胞中，有较高水平的表达，而且在房尘螨刺激后，Caspase-1 缺陷小鼠与野生型小鼠相比，其嗜酸性粒细胞明显增多。 Zhang[18]等人研究发现IL-1β、 NLRP3 mRNA在哮喘小鼠肺组织中表达水平，比正常小鼠高。Liu[22]等人研究也发现促炎细胞因子IL-1β，在哮喘患者气道上皮细胞中的表达水平也很高，NLRP3炎性体被激活并参与哮喘的炎症。以上结果均可表明细胞焦亡参与到哮喘的发病机制中，可诱发或加重气道炎性反应。

细胞焦亡与 gasdermin ( GSDM) 家族蛋白的关系已被阐明，GSDM 由 6 种成员蛋白 ( GSDMA， GSDMB，GSDMC，GSDMD，GSDME 和 Pejvakin ) 组成，且Gasdermin 基因家族共享 45%的同源序列，其中 GSDMB 基因多态性与哮喘发病高度相关[23]。Acevedo[24]等人研究发现GSDMB(Gasdermin B)和ORMDL3(ORMDL鞘脂生物合成调节剂3)中的单核苷酸多态性(SNP)与儿童哮喘密切相关。有研究表明，当删除剪接变异体 rs11078928 上的全部外显子 6( 编码 13 个 GSDMB 释放的 N 端关键氨基酸) 时，细胞焦亡现象消失，删除剪接变异体可降低哮喘发病风险[25]。

然而在哮喘的发病中细胞焦亡的作用仍存在争议，Allen[26]等人使用多种过敏性哮喘模型来检查NLRP3的生理作用，发现除了OVA模型外，并没有检测到NLRP3在急性或慢性屋尘螨Ag暴露诱导的过敏性气道疾病发生中的作用，且在所有过敏性气道疾病模型中，肺中NLRP3炎性体相关细胞因子IL-1β和IL-18均低于检测水平。但此次研究主要集中于嗜酸性粒细胞型哮喘发病机制上，而忽略了哮喘的其他表型，比如因为呼吸道受到感染或者受空气污染影响而引发的嗜中性粒细胞哮喘[27]。Simpson[28]等人便发现嗜中性粒细胞哮喘中的NLRP3，Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5和IL-1β的基因表达水平显著升高。不仅如此，Kim[29]等人发现NLRP3炎症小体反应，可驱动实验性严重的类固醇耐药性哮喘，并且是该病的潜在医治靶标。Zhang[18]等人通过动物实验发现，肥胖的哮喘小鼠的气道高反应性，气道炎症，促炎细胞因子水平和NLRP3 mRNA，IL-1βmRNA表达显著增加，认为NLRP3炎性小体可能在肥胖哮喘中起作用。

小 结

细胞焦亡作为机体重要的天然免疫反应，在帮助机体清除和抵抗致病微生物上，发挥着极大的作用，然而当Caspase-1被过度激活时，机体内大量细胞破裂坏死，IL-1β和IL-18活性炎症因子释放过多，炎症细胞聚集，则会诱发或加重多种炎症和免疫性疾病。哮喘是一种特异性气道炎症疾病。研究证实，哮喘患者的支气管上皮细胞上的NLRP3，Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5和IL-1β的基因表达极高。另外当细胞焦亡现象消失，删除剪接变异体可降低哮喘发病风险。综上所述，细胞焦亡与哮喘的发病机制息息相关。虽然细胞焦亡对于哮喘发病机制的研究现在仍存在诸多争议，但主要存在于细胞焦亡在嗜酸性粒细胞型哮喘的发病机制当中，而对于其他表型，如嗜中性粒细胞型哮喘，细胞焦亡已被证实参与其发病机制中。因此，当前仍然需要更加深入研究细胞焦亡在不同类型哮喘的发病机制中所发挥的作用。通过对目前细胞焦亡的研究，我们不妨猜测，在气道炎症、气道高反应性、气道重塑，免疫调节、环境因素等与哮喘发作机制相关的各方面中，细胞焦亡都参与其中，当然，这一假设仍然有待进一步证实，这也为哮喘发病机制研究，提供了新思路，可为哮喘的诊治提供更多的手段和方法。