细胞焦亡在冠状动脉粥样硬化中的研究进展

缪美琪 韩宇博 邹国良 郭东浩 杜若齐 刘莉

冠状动脉粥样硬化（CA）是冠状动脉粥样硬化性心脏病的基本病理表现，内皮细胞（EC）、血管平滑肌细胞（VSMC）和巨噬细胞的功能障碍导致动脉粥样硬化斑块积聚[1]。细胞焦亡也称为细胞炎性坏死，是由炎性小体引起的新型程序性细胞死亡[2],其特征是炎性小体组装、孔隙形成和炎性细胞因子分泌[1]。细胞焦亡与动脉粥样硬化密切相关，它可能通过增强炎性因子的释放而加剧动脉粥样硬化斑块（AS）的不稳定性[3]。脂代谢紊乱和炎性反应对于斑块的发生发展十分重要[4]。有研究指出，血管内皮细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞等多种细胞的焦亡调节CA 的进展。

1 细胞焦亡定义和特征

细胞焦亡“pyroptosis”源自希腊词根，表示促炎程序性细胞死亡[5]。细胞焦亡是炎性反应导致的细胞死亡，主要通过炎性小体诱导的胱天蛋白酶（caspase）-1、4、5、11 激活。

细胞焦亡具有特定的形态特征。细胞焦亡过程中存在完整的细胞核和少量DNA“梯形带”，受损DNA 原始末端标记法染色呈阳性时，损伤的强度较凋亡细胞低[6]。炎性反应诱导的孔隙形成依赖于caspase-1 的激活，导致焦亡细胞肿胀、质膜裂解、染色质碎裂和细胞内促炎内容物释放[5]。细胞焦亡只能通过激活炎性caspase 通路诱导，包括经典的caspase-1 通路，非经典的人类caspase-4、5和鼠类caspase-11 通路[5]。

2 细胞焦亡的分子机制与通路

2.1 炎性小体

炎性小体是包含模式识别受体（PRR）的多分子复合物，可通过刺激炎性反应触发细胞焦亡[1]。PRR 家族包括Toll 样受体（TLR）、核苷酸结合域和富含亮氨酸重复序列的受体（NLR）以及黑色素瘤缺乏因子（AIM）样受体[5]。炎性小体可被特异性病原体相关分子模式（PAMP）和损伤相关分子模式（DAMP）分别激活。PRR 在识别DAMP和PAMP 后，诱导含有caspase 关键结构域的凋亡相关斑点样蛋白（ASC）这一巨大的超分子完成组装，将NLR 与caspase-1 链接起来。

2.2 信号通路

2.2.1 典型的炎性小体通路 炎性反应通过激活caspase-1 触发焦亡，典型的炎性小体包括核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）和AIM2，它们都有一个N 端caspase 募集（CARD）或pyrin 结构域（PYD），PRR 与PAMP 和DAMP接触后激活caspase-1[5]。NLRP3 炎性小体的激活因子是一类广泛的刺激物，包括活性氧、线粒体DAMP 等。这些炎性小体的PYD 或CARD 通过同型相互作用连接到ASC，ASC 聚焦caspase-1 前体，激活caspase-1。caspase-1 活化可使促炎因子细胞因子白细胞介素（IL）-18 和IL-1β 的无活性前体成熟，释放到细胞外域并激活炎性反应[5]。

2.2.2 非典型的炎性小体通路 通过诱导人类caspase-4、5 以及小鼠caspase-11 通路，可进一步诱导细胞焦亡[5]。caspase-11 能与脂多糖（LPS）结合，LPS主要源自革兰氏阴性菌分泌的氧化磷脂，能够直接与caspase-11 结合[5]。活化的 caspase-11既可以诱导细胞焦亡，又可以通过切割消皮素D（GSDMD）激活 caspase-1[5]。

2.3 GSDMD

GSDMD 能够诱导caspase-1、4、5、11，主要含有N 端结构域（GSDMD-NT）和C 端结构域（GSDMD-CT）[5]。GSDMD 能够与磷脂酰肌醇、磷脂酸以及磷脂酰丝氨酸连接，引起其寡聚化，促使细胞膜孔隙形成[7]。有关研究表明，孔隙的内部和外部长度分别为15 nm 和32 nm，而IL-18 的长度为4.5 nm，能够自由地在孔隙中穿梭[7]。与此同时，GSDMD-CT 是可溶的，可以返回到 GSDMD-NT，防止其被激活[7]。有关学者指出，caspase-1、4、5、11 能够诱导 GSDMD，进一步引起细胞焦亡，而caspase-3 是细胞凋亡的关键。此外，Wang 等[8]发现，caspase-3 能够在一定程度上诱导GSDMD，进一步引起细胞焦亡。

3 细胞焦亡与CA

CA 的特征是冠状动脉中的脂质沉积和斑块形成。急、慢性炎性反应以及细胞凋亡对于CA的形成十分关键。有研究发现，EC、巨噬细胞和VSMC 的细胞焦亡在CA 的形成和发展中起着重要作用[9]。caspase 依赖性细胞焦亡的特征是激活核苷酸结合寡聚化结构域样受体通路，特别是NLRP3 炎性小体及其下游效应炎性因子IL-1β 和IL-18，使斑块不稳定，导致斑块破裂和血栓形成，最终引起促炎细胞因子（如IL-1β 和IL-18）大量释放，各种类型细胞（如EC、巨噬细胞和平滑肌细胞）死亡，导致急性心血管事件[9]。

3.1 EC焦亡

EC 损伤是CA 损伤的起点。EC 焦亡可导致内皮完整性受损,诱导单核细胞募集[10]。caspase-1在急性冠状动脉综合征（ACS）患者易损斑块和破裂病变中大量表达[3]。caspase-1 炎性小体通路可以感知升高的脂质或炎性介质，如DAMP，然后上调焦亡相关蛋白，包括NLRP3、caspase-1 和 IL-1β，最终触发EC 焦亡。EC 焦亡导致内皮完整性丧失，增加血管通透性并促进AS 的进展[3]。此外，Zeng 等[11]发现成纤维细胞生长因子21 通过抑制NLRP3 炎性小体介导的EC 焦亡来减轻CA。因此，细胞焦亡参与CA 形成和斑块硬化。

3.2 巨噬细胞焦亡

CA 病变中巨噬细胞的死亡能够进一步促进生长因子、细胞因子以及蛋白酶等物质的分泌，引起炎性反应，进一步诱导斑块破裂，引起血栓，从而导致心血管事件。研究发现氧化低密度脂蛋白（oxLDL）诱导的巨噬细胞焦亡在CA 形成以及维持斑块稳定中十分关键，其中oxLDL 以及胆固醇晶体能够在一定程度上诱导NLRP3 以及caspase-1 的凋亡。它能诱导巨噬细胞中IL-18 和IL-1β 的分泌，引起炎性反应和CA[3]。此外，Li 等[12]发现干扰素调节因子-1 可促进ACS 患者的巨噬细胞焦亡。晚期巨噬细胞焦亡导致坏死核增大及纤维帽不稳定,促进斑块破裂的发生[10]。近期研究发现，骨髓来源的间充质干细胞微泡携带微小RNA-223，可抑制NLRP3表达并减少巨噬细胞焦亡，稳定AS斑块[13]。因此，巨噬细胞焦亡可能也参与了CA 的形成和斑块硬化。

3.3 VSMC焦亡

VSMC 焦亡可引起纤维帽变薄，增加斑块的不稳定性[10]。在动脉内膜中，VSMC 产生胶原蛋白和弹性蛋白，能够进一步诱导AS 斑块，引发急性心血管事件。诱导细胞焦亡的分子（NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β 和IL-18）通常在稳定斑块中表达更多[3]。Pan 等[14]报道高脂饮食可增加AIM2、GSDMD-NT 和细胞黏附分子-1 的表达。AIM2过表达会增加斑块病变面积和VSMC 焦亡，加重AS。此外，巨噬细胞募集会随着AIM2的过表达而增加。有关研究指出，核因子κB 能够在一定程度上影响AIM2 的表达。AIM2 主要通过ASC、caspase-1 途径，影响 GSDMD 水平。近期发现caspase-1 抑制剂VX-765 通过抑制VSMC 焦亡，减慢已形成的CA 的进展[6]。因此VSMC 焦亡与AS 斑块的稳定性密切相关。

3.4 其他类型细胞焦亡

心肌细胞损伤后，线粒体功能受损，受损或死亡细胞释放三磷酸腺苷（ATP），作用于细胞膜上的P2X7 受体[15]。P2X7 的特征是在细胞外高浓度ATP 的作用下，打开非选择性离子通道，允许大分子通过，并导致NLRP3 炎性小体的形成[16]。NLRP3 可以促进心肌细胞释放炎性介质，如IL-1β和IL-18，并诱导细胞焦亡[17]。七氟烷通过抑制P2X7-NLRP3 信号通路来抑制IL-1β、IL-18 和GSDMD 的表达，同时它通过调节炎性反应和心肌细胞焦亡减轻心肌细胞损伤，保护心脏功能[16]。曲宁宁等[18]也发现化瘀祛痰方可以改善心肌形态学变化，显著降低AS 家兔心肌及血清IL-18、IL-1β水平和caspase-1、GSDMD 及NALP3 蛋白的表达水平，提示化瘀祛痰方可能通过调节细胞焦亡改善AS 家兔心肌组织形态。

4 用于治疗CA的焦亡相关药物靶点

近年来的实验研究表明，许多细胞焦亡的抑制剂可以抑制心脏炎性反应，改善CA、心肌缺血/再灌注损伤、心肌纤维化和心功能，减少心肌梗死。靶向NLRP3 炎性小体或细胞焦亡等可作为AS 的治疗策略[19]。NLRP3 抑制剂、caspase-1 抑制剂、GSDMD 抑制剂、IL-1β 抑制剂和其他传统心血管药物的作用也在临床试验中证明。

4.1 NLRP3炎性小体抑制剂

MCC950 是一种有效且具有特异性的小分子NLRP3 抑制剂。之前发现MCC950 直接与NLRP3 NACHT 域内的Walker B 基序相互作用，从而阻止ATP 水解并抑制NLRP3 激活和炎性小体形成[20]。近期研究表明，MCC950 抑制NLRP3-ASC-Caspase-1-GSDMD-NT 轴的激活，并减轻巨噬细胞焦亡，减少IL-1β 和IL-18 的产生[21]。此外，MCC950 降低了心肌NLRP3 的水平并裂解IL-1β 和IL-18。在体外研究也观察到MCC950 抑制NLRP3 生成，降低caspase-1 活性并进一步下调IL-1β 和IL-18[22]。

4.2 caspase-1抑制剂

VX-765 是一种高度选择性的caspase-1 抑制剂，可通过抑制VSMC 焦亡减慢已形成的CA 的进展[6]。许多研究表明长链非编码RNA（lncRNA）H19 参与了CA，Liu 等[23]发现VX-765 削弱了沉默内源性lncRNA H19 介导的细胞焦亡。

4.3 GSDMD抑制剂

GSDMD 是细胞焦亡的效应物。坏死性磺胺（NSA）是GSDMD 的化学抑制剂。NSA 直接与GSDMD 结合并抑制p30-GSDMD 孔隙的形成，从而阻止细胞焦亡，抑制原代小鼠和永生化人类和小鼠单核细胞、巨噬细胞中IL-1 的释放[24]。

4.4 IL-1β抑制剂

IL-1β 是细胞焦亡中caspase-1 通路的下游促炎细胞因子。卡那单抗的抗血栓形成研究结果表明，使用卡那单抗治疗可以减少不良心血管事件的发生率和病死率，在CA 中以炎性反应作为靶向治疗是有效的[24]。

4.5 他汀类药物

他汀类药物是有效的羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶抑制剂，已被广泛用于预防和治疗CA。越来越多的研究表明NLRP3 炎性小体及其下游介质是CA 中他汀类药物的重要靶点[25]。在体外研究中，瑞舒伐他汀能够在一定程度上降低NLRP3 的水平和其下游介质，进一步抑制CA 的炎性反应[26]。阿托伐他汀通过降低经典炎性小体通路的生物标志物NLRP3、caspase-1、GSDMD、IL-1β 和IL-18的mRNA 和蛋白表达水平，抑制细胞焦亡[26]。

5 小结

细胞焦亡是一种由GSDMD 介导的促炎类型的细胞死亡。越来越多的研究数据表明，细胞焦亡通过引起心肌细胞、心脏成纤维细胞、EC、巨噬细胞和VSMC 等多种细胞死亡和炎性反应，在心血管疾病中发挥重要作用，尤其与CA 的发展密切相关。目前的研究集中在NLRP3 等焦亡相关成分在CA 中的作用，大多数研究表明NLRP3 的激活会诱导焦亡。体内外实验也表明caspase-1、IL-1、IL-18 在CA 中的作用不容忽视。近年来，针对焦亡靶向药物的研究也取得了很大进展。然而，目前对于CA 的发生及进程了解有限，炎性小体、caspase-1 和炎性因子在CA 中的作用，还需进一步探讨，期待未来会发现更多的治疗方法来阻断CA进程。