细胞焦亡在癌症发生发展及治疗中作用的研究进展

何欢欢，宋新强，，王 帅

（信阳师范学院1.生命科学学院，2.医学院，河南 信阳 464000）

细胞程序性死亡是生物体不可或缺的一类生物学过程，旨在清除老化和受损细胞，维持机体正常内环境，提高机体免疫力；当机体受到病菌感染、毒物刺激或是疾病发生而导致过度激活程序性死亡时，则会导致炎症反应和组织受损等，进而影响健康。细胞程序性死亡可根据有无炎症发生分为炎性死亡途径和非炎性死亡途径。炎性死亡途径包括细胞焦亡和坏死性凋亡；非炎性死亡途径包括细胞凋亡、自噬和吞噬等。由于细胞焦亡能够引起剧烈的炎症反应和细胞死亡，因而最初被认为与多种炎症性疾病密切相关。随着研究的深入，细胞焦亡被证实还参与了多种癌症的发生发展，基于细胞焦亡的治疗策略也被认为是对抗癌症的新思路［1］。因此，了解细胞焦亡的分子发生机制、发展过程及与癌症的联系对癌症治疗和研发靶向抗癌药物具有十分重要的意义。

1 细胞焦亡的发现

细胞焦亡最初被发现于志贺菌属和沙门菌属感染引起的细胞死亡［2-3］，其区别于细胞凋亡的主要特征是胞膜的破坏，且此过程依赖于胱天蛋白酶1的活化而不是胱天蛋白酶3的活化［4］，胱天蛋白酶1依赖性的细胞焦亡也被称为经典途径细胞焦亡；2014年，邵峰团队发现细胞质脂多糖可直接结合胱天蛋白酶4/5/11，诱导非经典途径细胞焦亡发生［5］；随后多项研究表明，消皮素D（gasdermin-D，GSDMD）蛋白是介导细胞焦亡发生另一关键因子［6-8］，其经过胱天蛋白酶切割形成成熟体GSDMD-N，并转运至细胞膜形成孔道，加速炎症因子释放的同时引起细胞肿胀破裂；但GSDMD并不是唯一能引起此类效应的蛋白。Wang等［9］发现，GSDME可被胱天蛋白酶3切割形成GSDME-N并诱发细胞焦亡。Hou等［10］报道了癌细胞中的GSDMC在肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的诱导下被胱天蛋白酶8切割成为GSDMC-N，并诱导细胞焦亡。2018年，Kambara等［11］首次发现不依赖于胱天蛋白酶的细胞焦亡模式：GSDMD可被中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，ELANE）切割，从而引起中性粒细胞的焦亡。

2 细胞焦亡的发生机制

细胞焦亡的发生根据机制不同可分为经典途径和非经典途径。依赖于炎症小体、胱天蛋白酶1和GSDMD介导的细胞焦亡途径被称为经典细胞焦亡途径。而最近的研究表明，某些细胞焦亡的发生不依赖于炎症小体，此类被称为非经典细胞焦亡途径。

2.1 炎症小体介导的经典细胞焦亡途径

炎症小体是一类多蛋白复合物，主要类型包括Nod样受体蛋白 1（Nod-like receptor protein 1，NLRP1），NLRP3，炎症小体4（Nod-like receptor C4，NLRC4）和黑色素瘤缺乏因子2等。当机体接受外源或内源微生物感染、刺激因子或是损伤信号时，特定的模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）与损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）或病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns）识别组合，并结合相应配体，形成特定的炎性小体复合物；因此，不同刺激因子或损伤所激活的炎性小体具有一定的特异性。其中，NLRP3的响应范围最为广泛，多种毒素（如刺尾鱼毒素和尼日利亚菌素等）、病原体（金黄色葡萄球菌和李斯特菌等）、有毒化合物（三甲基锡和梭曼等）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）均会促进NLRP3的组装和激活［12-16］。与NLRP3的激活不同，NLRC4的激活还依赖于凋亡抑制蛋白家族（apoptosis inhibitory proteins，NAIP），人类的NAIP可直接与沙门菌属（Salmonella）、耶尔森菌属（Yersinia）等细菌的Ⅲ型分泌系统和Ⅳ型分泌系统相结合，随后诱导NLRC4的募集和寡聚化［16］；NLRP1可被炭疽杆菌致死因子和弓形虫感染所激活［17］。随后炎症小体复合物促进胱天蛋白酶1前体成熟形成胱天蛋白酶1，促炎因子白细胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18在胱天蛋白酶1的作用下形成成熟体。另一方面，在胱天蛋白酶1的作用下，GSDMD被切割成为GSDMD-N并转移至细胞膜形成孔道；孔道的形成介导了成熟的炎症因子快速释放到细胞外周，迅速引起周围环境中炎症反应级联放大，同时还导致细胞膨大和起泡，最终死亡。上述途径被称为经典细胞焦亡途径。

2.2 非经典细胞焦亡途径

最近研究表明，某些细胞焦亡的发生并不依赖于炎症小体。脂多糖可通过直接结合胱天蛋白酶4/5/11使其激活，促进GSDMD的切割成熟，诱导产生非经典细胞焦亡途径［5］。耶尔森菌效应蛋白YopJ通过抑制肿瘤生长因子β活化激酶1（tumor growth factor-β activated kinase-1，TAK1）的活性，引起胱天蛋白酶8对GSDMD的切割激活［18］；细胞毒性淋巴细胞分泌的颗粒酶A（granzyme A，GZMA）可通过剪切 GSDMB 引起细胞焦亡［19］；ELANE能切割GSDMD诱导细胞焦亡［11］。这些研究表明，细胞焦亡途径十分复杂，越来越多的非炎症小体细胞焦亡途径正在被发现。

3 细胞焦亡与癌症

以往研究表明，药物可通过诱导癌细胞发生凋亡而实现抗癌目的。近年研究发现，同为细胞程序性死亡的细胞焦亡也有类似抗癌效果，但与凋亡不同的是，细胞焦亡的发生伴随有炎症水平的上升，而炎症环境是诱发某些癌症的危险因素之一。因此，细胞焦亡在癌症发生发展及治疗中发挥的作用十分复杂，需对其在不同癌症的发生及治疗中的作用深入探究。

3.1 细胞焦亡与肺癌

肺癌是世界范围内最常见的恶性癌变之一，相关死亡率居全球第一位，且异质性强，十年生存率不足7%［20］。肺癌的致病因素十分复杂，近年来对细胞焦亡的研究为治疗肺癌提供了新的思路。有研究表明，在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中，GSDMD表达量显著升高，且与肿瘤细胞的侵袭和转移相关；敲除GSDMD后，激活细胞焦亡信号通路虽然不会导致细胞焦亡，却可诱导细胞凋亡［21］。另一项研究表明，延龄草（Trillium tschonoskiiMaxim.）的活性成分重楼皂苷Ⅵ（polyphyllinⅥ）可通过激活NLRP3/胱天蛋白酶1/GSDMD信号通路，诱导NSCLC细胞发生细胞焦亡［22］；葫芦素B（cucurbitacin B）则可通过直接结合Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）激活NRLP3和GSDMD，引起NSCLC细胞焦亡，从而发挥抗癌作用［23］。经典的抗癌药物顺铂（cisplatin）可通过激活胱天蛋白酶3，切割GSDME生成GSDME-N，从而诱导肺癌细胞A549发生细胞焦亡［24］。LncRNAXIST是多种肿瘤的致癌基因，且调控NSCLC细胞的增殖、侵袭和迁移［25-28］，当LncRNA-XIST被敲除时，A549细胞中活性氧水平显著升高，并诱导癌细胞发生细胞焦亡［29-30］。但也有研究得出了与上述结果不同的结论。Wang等［31］研究表明，脂多糖和ATP通过激活NLRP3炎症小体增强了A549细胞的增殖和迁移；而红景天苷（salidroside）可降低脂多糖诱导的炎症小体激活，从而抑制A549细胞的增殖和迁移［32］。Liang等［33］研究发现，肿瘤来源的外泌体TRIM59通过调节ABHD5蛋白酶体降解将巨噬细胞转化为巨噬细胞的促肿瘤功能，激活NLRP3炎症小体信号通路，通过分泌IL-1β促进肺癌进展。

3.2 细胞焦亡与结直肠癌

结直肠癌是世界第四大癌症，每年结直肠癌相关死亡病例近70万例［34］。近年对细胞焦亡的研究有望发现结直肠癌新治疗靶点。研究表明，抗肿瘤药物洛铂（lobaplatin）介导了ROS/c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）/Bax信号转导，通过激活胱天蛋白酶3/9依赖的GSDME切割，诱发细胞焦亡［35］，发挥抗肿瘤作用。值得注意的是，敲除GSDME后，洛铂仍然能通过诱导细胞凋亡引起肿瘤细胞死亡［35］，表现出良好的抗肿瘤效果。多个研究表明，炎症小体介导的细胞焦亡能抑制肿瘤发生，分别敲除NLRP1，NLRP3，NLRC4，AIM2和pyrin炎症小体基因，均会使敲除小鼠肿瘤发生率显著增加［36-40］。而结肠癌组织中NLRP1表达水平显著低于正常组织，且抗肿瘤药物地西他滨（decitabine）可通过恢复NLRP1表达［41］抑制结肠癌发展，表明NLRP1是治疗结肠癌的潜在靶点。

肠上皮屏障是维持肠道环境稳态的重要免疫屏障，上皮屏障受损会导致免疫紊乱和炎症反应，从而加速结直肠癌的发展。Bauer等［42］研究发现，NLRP3在葡萄糖硫酸钠（dextran sulfate sodium，DSS）诱导的结肠炎发作中发挥了关键作用。同样ig给予DSS，NLRP3敲除小鼠的结肠炎严重程度远低于野生型小鼠；另外，IL-18和IL-18受体的缺失能使小鼠免于结肠炎发作［43］。但也有研究展现了完全相反结果。在结直肠癌早期，NLRP1b，NLRP3和pyrin可通过分泌 IL-18促进上皮屏障再生［37，44-45］，防止结直肠癌进一步发展；此外，凋亡相关斑点样蛋白（apoptosisassociated speck-like protein containing a CARD，ASC）和胱天蛋白酶1敲除小鼠也更易出现DSS诱导的结肠炎和结肠相关的大肠癌［45-46］。上述研究表明，炎症小体通过维持肠道稳态减少了炎症和结直肠癌发作。之所以出现不同结论，可能是由于NLRP3等炎症小体介导产生的IL-18在结直肠癌早期能促进上皮屏障再生，减轻炎症反应，防止癌症发展；而癌症晚期时，过度炎症因子释放则会加速癌症发展。因此，细胞焦亡在结直肠癌发生发展和治疗中发挥了重要作用，但其作用机制仍需深入研究。

3.3 细胞焦亡与胃癌

胃癌是一种起源于胃黏膜上皮细胞的恶性肿瘤，癌症相关死亡率居全国第三位［47］。胃癌预后差，死亡率高，5年生存期仅为25%［47］。GSDM家族蛋白的多种亚型均与胃癌密切相关，但发挥的作用不尽相同。GSDMA，GSDMC和GSDMD在胃癌组织或模型中表达下调，并可能发挥抑癌基因的作用［48］；GSDMD的下调可激活信号转导及转录激活蛋白3/磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路，并通过调节细胞周期相关蛋白以加速S/G2期细胞转变，且GSDMD表达降低可显著促进体内外肿瘤的增殖［49］；与之相反，GSDMB可能是胃癌的致癌基因，其在正常胃组织中不表达或表达量极低，在癌前组织中中度表达，并在癌组织中大量表达［50］，表明GSDMB极有可能参与了胃癌的发展。

幽门螺杆菌的感染与包括胃癌在内的多种胃部疾病发生密切相关［51-52］，其通过诱导持续的炎症反应造成慢性胃炎，并诱发胃癌。Kim等［53］的研究表明，幽门螺杆菌感染的树突状细胞协同Toll样受体 2（toll like receptor 2，TLR2)/核苷酸结合寡聚化结构域2（nucleotide binding oligomerization domain containing 2，NOD2）和NLRP3产生IL-1β；随后Semper等［54］研究发现，幽门螺杆菌通过激活NLRP3介导IL-1β的产生；幽门螺杆菌的重要致病因素细胞毒素相关基因A（cytotoxin-associated gene A，CagA）通过NLRP3通路介导了胃癌细胞的侵袭和迁移［55］。此外，NLRP3本身也与胃癌发生关系密切。胃癌组织中NLRP3表达显著上调，促进了IL-1β的分泌，从而加速上皮细胞增殖和肿瘤发展；并且幽门螺杆菌能够降低NLRP3抑制因子miR-22表达，增强NLRP3表达［56］。但也有研究对于NLRP3在胃癌中的作用有不同见解。黄独素B（diosbulbin-B）可有效提高胃癌细胞对抗癌药物顺铂的敏感性，其作用机制是下调细胞程序性死亡-配体1（programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1）以激活NLRP3介导的细胞焦亡，并抑制癌症干细胞的特性，从而使顺铂耐药的胃癌细胞对顺铂敏感［57］；LncRNA ADAMTS9-AS2可通过miR-223-3p激活NLRP3介导的细胞焦亡，从而在胃癌细胞中充当肿瘤抑制因子并增强顺铂敏感性［58］。NLRP3在胃癌的发展和治疗中的这种“两面性”，其可能的原因是：①在早期胃癌发生发展过程中，炎性浸润发挥了重要作用，因此NLRP3介导的炎症反应能加速胃癌发生；②在治疗胃癌过程中，则可利用NLRP3介导的细胞焦亡诱导癌细胞死亡，达到抗癌目的。

3.4 细胞焦亡与肝癌

肝癌是一种常见的恶性癌变。在我国，肝癌是仅次于肺癌的第二大癌症相关死亡原因［47，59］。NLRP3炎性小体及其介导产生的炎症因子在肝疾病和肝癌的发生中发挥了重要作用。Wei等［61］的研究表明，肝细胞癌中NLRP3表达显著下调甚至完全丧失，且缺失有利于癌症的发展［60］；随后此团队又发现17β-雌二醇可通过上调NLRP3抑制肝细胞癌进一步发展，这是由于上调NLRP3激活了其介导的细胞焦亡［62］，最终引起癌细胞死亡而发挥抗癌作用。另一方面，有研究发现，NLRP3的过度激活与肝炎、肝纤维化和肝硬化密切相关［63-65］，而这些肝部病变会增加肝癌风险；此外，敲除IL-1受体相关激酶1通过抑制NLRP3阻断丝裂原活化蛋白激酶/IL-1β通路从而阻止肝细胞癌的进展［66］；山莨菪碱（anisodamine）通过抑制NLRP3的激活来抑制肝癌细胞的生长、诱导细胞凋亡并调节炎症因子的水平［67］；直接靶向NLRP3炎性小体同样能抑制肝细胞癌增殖、转移和侵袭［68］。上述研究表明，炎症小体和细胞焦亡在肝癌发生发展和治疗中发挥重要作用，但结论并不统一，其具体作用机制仍待进一步阐明。

3.5 细胞焦亡与乳腺癌

乳腺癌已成为我国女性中最为常见的癌症，细胞焦亡与乳腺癌的发展和治疗同样密切相关。多种抗生素可通过上调PD-L1和GSDMC的表达，激活胱天蛋白酶8，诱导乳腺癌细胞焦亡［10］；二十二碳六烯酸活化胱天蛋白酶1和GSDMD诱发乳腺癌细胞焦亡从而发挥抗癌作用，这一作用可被胱天蛋白酶1抑制剂所消除［69］；含有分泌因子的人脐带间充质干细胞上清液（human umbilical cord mesenchymal stem cell-conditioned medium，hUCMSCCM）可同时介导NLRP1和胱天蛋白酶4诱导的人乳腺癌细胞MCF7焦亡，当敲低MCF7细胞中胱天蛋白酶4表达时，hUCMSC-CM通过NLRP1介导的经典途径诱导MCF7细胞焦亡；当敲低NLRP1表达时，hUCMSC-CM通过胱天蛋白酶4介导的非经典途径诱导细胞焦亡［70］。另一方面，炎症小体和其介导的炎症反应又与乳腺癌发生发展密切相关。GSDMB在乳腺癌细胞中高表达，且与癌细胞诱导侵袭和转移相关［71］；炎症小体激活和细胞焦亡所产生的IL-1β对乳腺癌细胞的增殖、侵袭和迁移必不可少［72］；而NLRP3敲除小鼠的肿瘤生长和转移显著降低，原发性和转移性肿瘤组织与IL-1β水平升高有关，使用IL-1受体拮抗剂阻断IL-1β可抑制乳腺癌模型中肿瘤的生长和转移［73］。肥胖会增加罹患乳腺癌风险。Kolb等［74］研究发现，肥胖背景下的肿瘤微环境通过NLRC4炎症小体诱导肿瘤浸润性骨髓细胞增加，进而激活IL-1β，IL-1β通过脂肪细胞介导的血管内皮生长因子A表达和血管生成来驱动乳腺癌发展。

4 结语

癌症严重威胁人类健康，对于细胞焦亡的深入研究有望为治疗癌症提供新的策略。但炎症小体和细胞焦亡在癌症发生发展中的作用仍有争论。一些研究表明，激活炎症小体或细胞焦亡通路有利于形成肿瘤微环境并加速癌症的发展［31-33，66-68，75］；另外一些研究则表明，药物可通过激活炎症小体和细胞焦亡，诱导癌细胞死亡而实现抗癌目的［22-24，75］。炎症小体和细胞焦亡在癌症中呈现的这种“两面性”并不完全矛盾。一方面，由于炎症对于肿瘤的形成和发展有巨大的促进作用，肿瘤早期进行抗炎治疗能有效抑制肿瘤发展和恶性转化［76］，因此炎症小体介导的炎症反应极有可能参与了早期肿瘤的形成和发展，阻断炎症小体以降低炎症反应可在早期发挥抗癌作用；另一方面，药物通过激活炎症小体和细胞焦亡通路，诱导癌细胞死亡，从而达到抗癌效果。但此类药物绝大部分的研究仅限于肿瘤细胞系，体内研究尚待完善。药物激活炎症小体和细胞焦亡通路虽然在体外实验中能有效杀伤肿瘤细胞，但在体内实验中是否会加剧癌旁组织和正常组织的炎症反应、加速肿瘤微环境形成而促使其向癌组织转化仍需深入探究。因此，如何提高此类药物对癌组织的“靶向性”、减少对正常组织的作用至关重要。总之，细胞焦亡与各类癌症的发生发展密切相关，对其深入研究有望为治疗癌症、研发新型抗癌药物提供新思路。