细胞焦亡与支气管哮喘关系的研究

姜晓红，黄玉钾，谷梦霞

（广西医科大学第一附属医院老年呼吸内科，广西 南宁 530021）

支气管哮喘（bronchial asthma）是一种由多种细胞和细胞组分参与的常见的慢性呼吸系统疾病，其发病机制尚不清楚，普遍认为其本质是一种非特异性气道炎症。细胞焦亡是最新发现的一种细胞程序性死亡方式，与细胞凋亡不同的是细胞焦亡可以引起炎症反应。本文主要对细胞焦亡及信号通路的概述、支气管哮喘发病的影响因素、细胞焦亡与支气管哮喘的关系作一综述。

1 细胞焦亡及其信号通路的概述

1.1 细胞焦亡概述 细胞焦亡是最新发现的一种细胞程序性死亡方式，主要通过炎症小体介导包含半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteine aspartatespecific protease-1，Caspase-1）在内的多种Caspase激活，造成包括Gasdermin D（GSDMD）蛋白在内的多种Gasdermin 家族成员发生剪切和多聚化，导致细胞穿孔，进而引起细胞死亡。相比于细胞凋亡（apoptosis），细胞焦亡发生的更快，并会伴随着大量促炎症因子的释放。细胞焦亡发生时，细胞会发生肿胀，在细胞破裂之前，细胞上形成凸出物，之后细胞膜上形成孔隙，细胞膜失去完整性，释放内容物，引起炎症反应，细胞核固缩，DNA 断裂。细胞焦亡一词最早始于2001 年[1]，首次报道细胞焦亡生物现象的是在巨噬细胞感染革兰阴性菌福氏志贺菌和肠溶性伤寒沙门菌时提出的，与细胞凋亡相似的是，细胞焦亡形态学上与凋亡相似，也会发生胞核浓缩、DNA 断裂及TUNEL 染色阳性，但其会伴随发生炎性反应。

细胞焦亡的发生主要由炎性小体（主要是NLRP3）及半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase1、4、5、11）介导[2,3]，在微生物感染或细胞内存在有危险信号时，Caspase 与炎性小体结合发生激活，活化的Caspase 一方面切割proIL-1β 和proIL-18 形成有活性的炎性介质，另一方面切割细胞焦亡的关键效应分子GSDMD，被切割的GSDMD 的N 末端（GSDMD-NT）会作为焦亡的执行分子形成聚合物并与细胞膜上的脂质分子形成孔道，引起细胞质的迅速崩解和胞内促炎物质（IL-1β、IL-18）的释放，进而引发严重的炎症反应[4,5]。

1.2 细胞焦亡信号通路概述 细胞焦亡信号通路分为依赖Caspase-1 的经典途径和依赖Caspase-4、5、11 的非经典途径。

1.2.1 依赖Caspase-1 的经典途径 在细菌、病毒、胆固醇等危险信号的刺激下，细胞内的模式识别受体识别这些信号，招募凋亡相关斑点样蛋白（ASC）与Caspase-1 的前体结合，形成炎性体复合物，进而激活Caspase-1，活化的Caspase-1 一方面切割GSDMD，产生相对分子质量为31 000 的N 末端的氨基肽段和相对分子质量为22 000 的C 末端的羧基肽段，其N 末端具有亲脂性，与细胞膜内侧的脂质层作用形成直径10～20 nm 的小孔，释放炎性因子，发生炎性反应，而C 末端具有亲水性，可抑制N 末端氨基肽段的活化；另一方面，活化的Caspase-1 对IL-1β 和IL-18 的前体进行切割，形成有活性的IL-1β 和IL-18，并释放到细胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应[6]。

1.2.2 依赖Caspase-4、5、11 的非经典途径 在细菌等危险信号的刺激下，Caspase-4、5、11 被活化，活化的Caspase-4、5、11 切割Gasdermin D，形成含有GSDMD 氮端活性域的肽段，可诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物，引起炎症反应。

2 支气管哮喘发病的影响因素

支气管哮喘是一种常见的慢性呼吸系统疾病，可累及所有人群，常见症状表现为喘息、气短、胸闷和咳嗽，症状及程度可随时间变化而变化，并伴可变性气流受限，环境因素、遗传、免疫机制等共同参与疾病的发病发生和发展。目前全球约有3 亿支气管哮喘患者，虽然其住院率和死亡率呈下降趋势，但仍是严重的公共卫生问题。

2.1 环境因素 许多环境因素会影响支气管哮喘的发生，如空气质量、空气污染物颗粒、花粉以及曲霉暴露等。空气质量对支气管哮喘的症状和支气管哮喘发生有重要影响，据报道支气管哮喘患者房屋周围空气污染物中直径≤10 μm 颗粒物的量与支气管哮喘发病呈显著正相关，同时诱导痰中固有淋巴细胞2（innate lymphocyte cell 2，ILC2）明显增加[7]。胎儿期暴露于直径≤10 μm 颗粒物的环境中与出生后气道高反应性及支气管哮喘风险密切相关[8]。另有花粉引起的过敏性支气管哮喘[9,10]。除此之外，环境中烟曲霉暴露也是支气管哮喘的危险因素[11,12]。

2.2 遗传因素 遗传因素与支气管哮喘风险关系密切。有研究发现[13,14]，17q21 位点等位基因与支气管哮喘密切相关。Hur GY 等[15]对来自12 个不同国家不同支气管哮喘患者人群进行分析，结果发现17q21 多态性与即使使用ICS 治疗后儿童支气管哮喘病情加重风险增加相关，且支气管哮喘患者肺ORMDL3 及其SNPsrs8076131 水平高于健康志愿者，进一步研究证明ORMDL3 基因与17q21 区域相关，在支气管哮喘的发病中也起着重要作用。又有研究发现[16]，白细胞介素1 受体样1（IL1RL1/ST2）通过介导IL-33 与过敏性疾病的发病有关，ST2 单核苷酸多态性（SNPs）rs13431828、rs1420101、rs1921622和rs10204137 与儿童和青少年支气管哮喘患者ICS疗效降低有关。

2.3 免疫机制 气道炎症学说是支气管哮喘最重要的发病机制。多种细胞及细胞组分参与支气管哮喘的发病，如辅助性T 淋巴细胞、树突状细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞、调节性B 细胞（B regulatory cell，Breg）等。T 细胞根据表面CD 分子的表达可分为CD4+T 细胞及CD8+T 细胞，而CD4+T 细胞根据所分泌的细胞因子谱又可分为Th1（主要分泌IFN-γ等）、Th2（主要分泌IL-4 等）、Th17（主要分泌IL-17）、和Th9（主要分泌IL-9）细胞等亚群[7]。辅助性T 细胞在支气管哮喘的研究主要集中为Th1/Th2 机制[17,18]、Treg/Th17 机制[19,20]和Th9 机制[21,22]。除此之外，根据嗜酸粒细胞量，支气管哮喘又可以区分为嗜酸粒细胞性支气管哮喘和中性粒细胞性支气管哮喘，两者对激素的反应不同。近年来，针对支气管哮喘的免疫机制研发了一些新的支气管哮喘的靶向用药，临床疗效尚可。

3 细胞焦亡与支气管哮喘的关系

3.1 NLRP3 与支气管哮喘 核苷酸结合寡聚结构域样受体家族含Pyrin 结构域3（the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain containing 3，NLRP3）炎性小体是一种细胞内传感器，可检测微生物和内源性危险信号，是气道先天免疫应答的关键组成部分。NLRP3 主要表达在粒细胞、单核细胞、树突状细胞、T 细胞和上皮细胞中[23]。NLPR3 炎症小体由NLRP3 受体、ASC 和作为效应蛋白的Caspase-1 组成。NLRP3 受体包含1 个氨基末端的PYD、1 个核苷酸结合的NACHT 和1个羧基末端的LRR 结构域。ASC 有2 个结构域，即1个氨基端PYD 和1 个羧基端CARD 结构域。NLRP3的激活通过PYD 结构域导致NLRP3 和ASC 之间的蛋白-蛋白相互作用，这有助于ASC 聚合形成长螺旋丝，浓缩成细胞内大分子聚集物，称为ASC 斑点[24]。ASC 的CARD 结构域与Caspase-1 的CARD结构域相关，诱导Caspase-1 自切割和激活[25]。而一种被称为NIMA 相关激酶7（NEK7）的丝氨酸苏氨酸激酶可直接与NLRP3 结合，并与NLRP3 寡聚成一种对ASC 斑点形成和Caspase-1 激活所必需的复合物，另NLRP3 炎症小体的组装导致了Caspase-1依赖的促炎细胞因子IL-1β 和IL-18 的释放以及细胞焦亡。

越来越多的证据表明[26，27]，NLRP3 的激活与支气管哮喘的发病有关。尽管NLRP3 有助于气道中病原体的清除，但刺激物吸入和（或）环境过敏原可持续激活NLRP3，从而导致明显的肺部炎症反应，进而表现为支气管哮喘症状的加重。因此与健康对照组相比，支气管哮喘患者气道上皮细胞中NLRP3 和IL-18 蛋白水平升高[28]。值得注意的是，与嗜酸粒细胞性支气管哮喘患者相比，嗜中性粒细胞性支气管哮喘患者痰巨噬细胞和中性粒细胞中NLRP3、Caspase-1 和IL-1βmRNA 水平以及NLRP3 和Caspase-1mRNA 蛋白水平明显增高[29,30]。另有研究表明[31]，卵清蛋白（ovalbumin，OVA）和屋尘螨（house dust mite，HDM）诱导的过敏性支气管哮喘并无NLRP3 的激活。NLRP3-/-小鼠暴露于致敏剂后，气道嗜酸性粒细胞数量、粘液产生、AHR 和Th2 细胞反应方面与对照组相比并无显著差异[32]。而一项OVA 联合10 μm以下颗粒物诱导的实验性支气管哮喘小鼠模型中也观察到有类似的结果[33]。NLRP3-/-、PYCARD-/-或PYCARD-/-缺失小鼠暴露于HDM 后表现出肺部炎症和病理反应增强，包括嗜酸性粒细胞浸润和Th2细胞因子释放，结果支持NLRP3 激活在HDM诱导的过敏性肺部炎症中具有很好的保护作用。Hirota JA 等[34]研究报道，健康志愿者暴露于PM10后肺脏和原代气道上皮细胞中NLRP3 和Caspase-1蛋白表达水平增加。以上研究结果提示，NLRP3 的激活与中性粒细胞性支气管哮喘关系更为密切。

3.2 Caspases 与支气管哮喘 Caspases 是一种半胱氨酸蛋白酶，主要以酶原的形式存在于细胞质中，参与细胞焦亡及细胞凋亡过程。细胞焦亡过程由Caspase-1 或Caspase-11 介导。Caspase-1 可诱导肺Th2上游细胞因子的产生和嗜酸性粒细胞增多[35]，而炎症小体/Caspase-1 的抑制是治疗支气管哮喘的关键点之一[36,37]。有研究发现[38]，Caspase-4、11 是过敏性气道炎症的关键因素，而前列腺素E2（PGE2）是Caspase-11 驱动的焦亡的负调控因子。研究证明[39]，NLRP3/Caspase-1 轴在甲苯二异氰酸酯（toluene diisocyanate，TDI）诱导的支气管哮喘中发挥着重要作用，阻断NLRP3/Caspase-1 轴可有效预防TDI 诱导的支气管哮喘进展。

3.3 GSDMB 与支气管哮喘 细胞焦亡与GSDM 家族蛋白的关系密切[40]。GSDM 家族包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME 等，其中GSDMB在支气管上皮细胞高度表达，故而其与支气管哮喘发病高度相关[41,42]。GSDMB 蛋白N 端结构域的释放可迅速引发气道上皮细胞焦亡，促进支气管哮喘的发生，而其N 端结构域的缺失则可显著降低支气管哮喘发生风险[43]。因此，通过抑制炎症小体形成及GSDMB 表达而减少支气管上皮细胞的焦亡有可能会减轻支气管哮喘炎症反应，从而减少支气管哮喘发病。

3.4 IL-1β、IL-18 与支气管哮喘 细胞焦亡过程中常伴随IL-1β 水平增高[44,45]。有研究发现，支气管哮喘患者血清IL-1β 含量显著上升[46]，中性粒细胞性支气管哮喘患者的痰液和BALF 中IL-1β 水平明显增加[47]，无佐剂OVA 和含佐剂氢氧化铝联合OVA 致敏支气管哮喘小鼠气道巨噬细胞及支气管上皮细胞中IL-18、IL-1β 等炎症因子水平明显高于对照组[26]。另有研究发现[48，49]，人源化IL-1β 会诱导气道炎症和气道重塑，而IL-1β 基因敲除小鼠支气管哮喘症状轻微，进一步证实IL-1β 在支气管哮喘发病中具有重要作用。

4 总结及展望

基于NLRP3-Caspase-IL1β/IL18 通路的细胞焦亡是近年研究的热点，其在支气管哮喘的发病机制中也扮演着重要角色。以上研究发现，NLRP3-Caspase-IL1β/IL18 通路介导的细胞焦亡似乎与中性粒细胞性支气管哮喘关系更为密切，同样在激素反应低下的支气管哮喘中也发挥着重要作用。近年来研究发现，老年支气管哮喘患者的发病率、死亡率明显高于年轻患者，而且老年支气管哮喘对于常规的支气管哮喘治疗方法（如激素）反应低下，但关于NLRP3-caspase-IL1β/IL18 通路介导的细胞焦亡是否参与该病的发展尚未明确。或许从细胞焦亡通路出发，干预该通路的某一靶点从而对支气管哮喘进行靶向治疗可能是未来支气管哮喘防治的一个方向。