细胞焦亡与缺血性脑卒中的关系研究进展

杨小惠 陶陶 吴霜

脑卒中具有高经济负担、高发病率、高复发率、高死亡率、高致残率等特点，其中缺血性脑卒中(ischemic stroke，IS)的发病率最高。针对IS的临床治疗，目前主要是通过药物溶栓或机械除栓等手段尽早恢复缺血区血流灌注。然而上述两种治疗方法具有严格的适应证，治疗时间窗窄，并存在一定的风险，因此在临床上应用范围有限[1]。另外，血流再通可能会加剧脑缺血后神经功能缺损，即发生脑缺血再灌注损伤(cerebral ischemia reper-fusion injury，CIRI)。CIRI是脑缺血的病理生理基础，其发生机制尚未完全揭示。因此，深入研究IS治疗的新策略有重要意义。近年来研究发现，细胞焦亡可通过多种途径参与IS的发展过程，提示其可能成为IS治疗的重要靶点。现就细胞焦亡的发生机制、其参与IS的发病机制和靶向细胞焦亡治疗IS的新进展进行综述。

1 细胞焦亡概述

细胞焦亡是Cookson等在2001年正式提出的一种促炎性调控细胞死亡方式[2]，其在形态及病理生理学上兼具细胞凋亡和坏死的部分特征，主要表现为细胞膜出现孔洞、细胞渗透性肿胀、细胞膜快速破裂、胞浆内容物释放。与细胞凋亡类似，细胞焦亡也是由分子定义和精细调控的生物过程，也会发生核染色体DNA降解，但两者不同之处在于细胞焦亡有完整的核膜，而细胞凋亡有完整的细胞膜，不会引发炎症反应[3]。目前研究发现细胞焦亡途径有经典途径、非经典途径和凋亡相关的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase)参与的途径，其中对经典途径的研究较多。

1.1 依赖于caspase-1的经典细胞焦亡途径内源性的损伤相关分子模式和外源性的病原体相关分子模式均可通过结合细胞的模式识别受体触发细胞焦亡[4]。核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)被认为与无菌性炎症密切相关，在中枢神经系统中可表达于小胶质细胞、神经元、星形胶质细胞及血管内皮细胞的胞浆中，是目前研究最广泛的模式识别受体[5]。研究表明NLRP3的激活需要两个信号过程：首先是启动过程，损伤相关分子模式可与模式识别受体结合，通过激活核因子κB和丝裂原活化蛋白激酶通路，促进NLRP3、前体白细胞介素-1β(pro-interleukin-1β，pro-IL-1β)和pro-IL-18的表达增加；其次是损伤相关分子模式激活NLRP3，然后通过凋亡相关斑点样蛋白募集pro-caspase-1形成炎症小体，生成活化的caspase-1，进而将pro-IL-1β和pro-IL-18活化为IL-1β和IL-18[6]。caspase-1裂解消皮素D(gasdermin D，GSDMD)产生的N-末端结构域可作用于细胞膜上的磷脂分子形成小孔，导致细胞渗透性肿胀、细胞膜破裂而焦亡，同时IL-1β和IL-18释放到细胞外，扩大了局部炎症反应[4]。

1.2 依赖于caspase-4/5/11的非经典细胞焦亡途径脂多糖是革兰阴性菌外膜的主要成分，可以以胞吞形式进入胞浆，然后与pro-caspase-4/5/11结合并将其活化为caspase-4/5/11，进而作用于 GSDMD，产生 GSDMD-N从而触发细胞焦亡，同时跨膜孔洞的形成可激活NLRP3，最终导致IL-1β和IL-18的成熟和释放[7]。

1.3 凋亡相关的caspase参与的细胞焦亡途径研究发现，caspase-3裂解GSDM蛋白家族中的另一成员GSDME产生的GSDME-N可导致细胞膜孔洞形成而发生焦亡，这是一种辅助细胞死亡途径，当凋亡细胞不能有效死亡和被清除时发生[8]。在NLRP3通路受阻的小鼠巨噬细胞中，ATP明显激活凋亡的起始者caspase-8/9和凋亡的执行者caspase-3/7，进而 GSDME被切割生成GSDME-N，执行细胞焦亡[9]。在模拟耶尔森菌感染小鼠巨噬细胞的过程中，caspase-8可被活化进而作用于GSDMD触发细胞焦亡[10]。近年研究证据表明，caspase-8可控制细胞凋亡、坏死性凋亡和焦亡之间的相互作用，并决定了细胞死亡信号出现后所触发的死亡类型[11]。这些发现促使研究者思考不同细胞死亡途径之间的相互作用。

2 细胞焦亡参与IS的发病机制

CIRI是IS的病理生理基础，其发生机制主要与兴奋性氨基酸毒性、细胞内钙超载、线粒体损伤、氧化应激、细胞凋亡及炎症反应等方面有关[12]。目前许多研究结果表明细胞焦亡也参与了CIRI的过程，进而加重脑组织损伤，并与以上机制密不可分。

2.1 细胞内钾离子浓度降低脑缺血时，葡萄糖和氧气向大脑输送不足，细胞氧化磷酸化能力减弱，ATP合成减少，Na+-K+-ATP酶活性降低，导致Na+内流和 K+外流增多，致使细胞内K+浓度降低[13]。研究发现，缺血中心的坏死细胞释放的ATP可影响Na+-K+-ATP酶的功能，导致K+外流增多，从而激活NLRP3炎症小体[5]。另外，嘌呤能离子通道型受体7是一种与K+外流相关的受体，细胞外ATP可与之结合，导致K+外流增多，激活NLRP3炎症小体，进而诱发细胞焦亡[14]。

2.2 细胞内钙超载脑缺血时，细胞内外Na+、K+失衡，将导致细胞广泛缺氧去极化；这种去极化导致电压依赖性钙通道开放，引起大量Ca2+内流，进而引起兴奋性氨基酸囊泡释放大量神经递质到突触间隙；突触后膜的N-甲基-D-天冬氨酸受体在神经递质的作用下激活，进而引起大量Ca2+内流[4，13]。同时，质膜相关钙泵因ATP缺乏活性而降低，导致Ca2+向胞外转移减少，也会导致钙超载[15]。研究发现，细胞内钙超载会刺激NLRP3炎症小体，进而诱发细胞焦亡[16]；而维持细胞内钙稳态可抑制细胞焦亡[17]。

2.3 线粒体损伤脑缺血时，线粒体电子传递链的功能发生障碍，从而促进线粒体活性氧(mitochondrial reactive oxygen species，mtROS)释放入细胞质，而高水平的mtROS可激活NLRP3炎症小体信号通路[6]。另外，动力相关蛋白1在脑缺血时表达增加，可导致线粒体过度分裂，功能发生障碍，进而产生大量mtROS，激活NLRP3，诱导细胞焦亡[18]。除mtROS外，功能障碍的线粒体还将线粒体DNA、心磷脂释放到细胞质中，在NLRP3炎症小体的激活中亦发挥重要作用[6]。

2.4 其他脑缺血时，透过血-脑屏障的外周炎性细胞与中枢系统活化的小胶质细胞均可释放促炎性细胞因子，诱导细胞焦亡，从而加重CIRI[19]。同时，溶酶体破坏释放的组织蛋白酶B也参与了激活NLRP3炎症小体的启动过程[20]。内质网应激亦可通过钙代谢、ROS的产生等多种效应影响NLRP3激活[21]。此外，凋亡可通过激活缝隙连接蛋白-1推动NLRP3炎症小体的组装[22]。

3 细胞焦亡可能是IS的新治疗靶点

随着人们对细胞焦亡及其参与IS发病研究的进一步加深，通过靶向细胞焦亡途径治疗IS逐渐被发现。

3.1 临床药物近年来中医药抑制细胞焦亡改善脑缺血损伤的研究成果逐渐增多。研究发现，石斛生物碱可通过降低caspase-1等焦亡相关蛋白的表达水平，抑制在体和体外模型的细胞焦亡，改善CIRI后的神经功能[23]。人参和当归复合制剂可通过抑制NLRP3炎症小体激活和小胶质细胞焦亡发挥减轻缺血性脑损伤作用[18]。注射用丹酚酸可通过改变小胶质细胞M1/M2表型，抑制NLRP3炎症小体及细胞焦亡，减轻CIRI[24]。补阳还五汤总苷和天麻素均可明显下调经典细胞焦亡途径相关蛋白的表达，抑制细胞焦亡，在大鼠发生CIRI时发挥神经保护作用[25-26]。瓜篓桂枝颗粒可介导磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路，下调经典细胞焦亡途径相关蛋白的表达，抑制细胞焦亡，从而减轻氧糖剥夺/复糖复氧诱导的神经损伤[27]。羟基红花黄色素A是具有神经保护作用的一种临床药物，瑞加德松可辅助其通过血-脑屏障增加在脑内的蓄积，两者联合应用能抑制经典细胞焦亡途径及凋亡通路的激活，并募集脑源性神经营养因子，从而减轻CIRI[28]。除中医药外，近年来其他一些临床药物也被发现可抑制细胞焦亡改善脑缺血损伤。褪黑素可介导Toll样受体4/核因子κB通路，增强血浆外泌体对脑缺血细胞焦亡的抑制作用，从而改善神经功能[29]。吡格列酮通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ来抑制高迁移率族蛋白B1/晚期糖基化终末产物受体和 Ras相关的C3肉毒素底物1/ROS通路，从而抑制缺血诱导的细胞焦亡，发挥脑神经保护作用[30]。抗癫痫药物丙戊酸可通过下调焦亡相关蛋白抑制CIRI后的海马神经元焦亡，减轻认知功能障碍[31]。另外，吲哚布芬和阿司匹林及其联合氯吡格雷或替卡格雷的预处理可通过抑制核因子κB/NLRP3通路减轻IS后的细胞焦亡[32]。

3.2 分子抑制剂针对大鼠脑缺血模型的研究发现，NLRP3特异性抑制剂MCC950可抑制动力相关蛋白1的表达，减少线粒体分裂，进而抑制NLRP3及小胶质细胞焦亡，改善大鼠神经功能缺损[18]。近年来研究发现某些微小核糖核酸能抑制脑缺血模型细胞焦亡，发挥神经保护作用[33]。LP17可抑制髓系细胞触发受体-1，进而抑制氧化应激和细胞焦亡，从而减轻脑缺血诱导的神经元损伤[34]。组氨酸可通过调节腺苷酸活化蛋白激酶/糖原合成酶激酶-3β信号通路来抑制NLRP3介导的细胞焦亡从而发挥抗CIRI的神经保护作用[35]。低密度脂蛋白受体可抑制NLRP3介导的CIRI后的神经元焦亡[36]。中脂醇介导过氧化物酶体增殖物激活受体α-谷氨酸草酰乙酸转氨酶1轴可抑制IS后内皮细胞的焦亡，改善缺血性脑损伤[37]。过表达CHRFAM7A可抑制NLRP3/caspase-1途径依赖的小胶质细胞焦亡，减轻CIRI[38]。TP53诱导的糖酵解和凋亡调节因子可缓解脑缺血诱导的小胶质细胞焦亡和缺血性脑损伤[39]。

3.3 其他来自缺氧骨髓间充质干细胞的外泌体可调节小胶质细胞M1/M2表型减轻CIRI诱导的神经细胞焦亡[40]。低氧预适应的嗅黏膜间充质干细胞通过激活缺氧诱导因子-1α，抑制脑缺血所致的小胶质细胞焦亡和凋亡，从而减轻CIRI[41]。

综上所述，细胞焦亡可通过多种途径参与IS的发展过程，抑制细胞焦亡可能成为一种可行的神经保护策略。大量研究证实IS的发病机制有经典细胞焦亡途径的参与，但由于其发病机制的复杂性，其确切机制尚不完全清楚，其中NLRP3炎症小体诱导的细胞焦亡受到最广泛的关注，但其他细胞焦亡途径以及其他炎症小体在IS后细胞焦亡中的作用尚需进一步研究。另外，现阶段许多靶向细胞焦亡治疗IS的方法机制欠清晰，且处于临床前阶段，其临床转化和应用仍需大量研究。