细胞焦亡在肺部疾病中的研究进展

杨阳 综述 叶贤伟 校审

(遵义医科大学,贵州 遵义 563000)

细胞的程序性死亡,是指一个完全由基因所控制的细胞死亡模式,它包括细胞焦亡、细胞自噬、细胞凋亡、细胞坏死、铁死亡和胞葬6种方式[1]。炎性坏死是细胞焦亡的基于炎性层面的一种说法,作为一种新的程序性细胞死亡模式在近年受到广泛关注,据相关文献报道,细胞焦亡不仅已证实与炎症[2]、肿瘤[3]、糖尿病肾病[4]、癫痫[5]等疾病的存在联系,而且与多种肺部相关疾病的发病机制和疾病转归有着紧密的联系,参与到了COPD、哮喘、肺纤维化、肺癌、肺部炎症等疾病过程中。

1 细胞焦亡的概念

细胞焦亡作为一种新的细胞程式化死亡模式,需要依靠Gasdermins蛋白家族在胞膜上的成孔能力。Gasdermins蛋白作为一种广泛表达的家族蛋白,在人体中涵盖Gasdermin A(GSDMA)、Gasdermin B(GSDMB)、Gasdermin C(GSDMC)、Gasdermin D(GSDMD)、Gasdermin E(GSDME)和DFNB59 [Pejvakin(PJVK)]六种家族成员[6]。其中,GSDMD是研究最广泛的蛋白质,被认为是细胞焦亡的执行者。通过各种途径被激活的GSDMD被切割成无活性的亲水C端和有活性且亲脂的N端[7],被切割出现N端表达其内在致焦活性与细胞膜结合会在胞膜上形成大量孔隙,从而使细胞膜失去完整性,在水和钙离子流入细胞内的同时,大量的细胞内容物和炎性因子外流,最终导致细胞破裂而发生焦亡。需要与凋亡区别,虽然都会出现核皱缩与DNA断裂,但焦亡过程中细胞膜完整性被破坏并释放出炎性因子,募集更多的炎性细胞,扩大炎症反应。所以炎性坏死作为细胞焦亡的别称不无道理,区别与其他死亡模式其具有独特的机制与作用。

2 细胞焦亡的途径

细胞焦亡不仅需要Gasdermins蛋白家族的成孔性,还有赖于Caspase家族的激活,被激活的Caspase是细胞焦亡的必要条件。根据被激活Caspase的种类,细胞焦亡分别经典途径与非经典途径。

2.1细胞焦亡的经典途径 细胞焦亡的经典途径依靠Caspase家族中的Caspase-1。Caspase-1的激活与炎症小体密切关联,通过各种途径被激活的炎症小体能够使Caspase-1活化并使其发挥相应作用。炎症小体是一种高分子蛋白质复合体,其主要组成支架蛋白质为胞浆内的模式识别受体(PRRs)[8],主要含有五种,即NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2和IPAF,而目前最受关注且研究最为广泛的是NLRP3。这些炎症小体通过各种细胞内外刺激而被组合启动,进而对胞浆内的Caspase-1进行切割使其从无活性的酶原变成“成熟的”Caspase-1,而“成熟的”Caspase-1进一步对GSDMD进行切割,最终释放出具有成孔活性的N端片段对细胞膜进行打孔造成胞膜裂解,最终完成细胞焦亡过程。

2.2细胞焦亡的非经典途径 非经典的细胞焦亡路径与经典的细胞焦亡路径有着本质的不同,它依赖于Caspase-4/5/11的活化。当病原菌感染宿主后,细胞内可大量出现由细菌入侵释放的脂多糖(LPS),上述3个Caspase家族成员可直接被胞内的LPS活化,从而使GSDMD蛋白发生裂解,并产生大量炎性细胞因子,如IL-1β和IL-18,诱导机体迅速的启动天然免疫体系,从而引起“瀑布样式”的炎症反应。需要与经典细胞焦亡途径相鉴别,非经典的细胞焦亡途径绕开了炎症小体,不再依赖其活化后的激活刺激。

3 焦亡与常见肺部疾病的关系

肺脏作为人体直接与外界联系的内在脏器之一,空间中各种有害颗粒及气体成分进入呼吸系统第一时间与气道上皮细胞接触。气道上皮是抵御包括空气污染、过敏原和病毒在内的吸入性环境损伤的第一道防线。NLRP3是目前研究细胞焦亡中的主要炎症小体。吸入气道的有害物质,例如香烟烟雾、硫化氢、PM2.5、PM10等均可导致NLRP3炎症小体的激活,从而启动焦亡的经典途径。近年来越来越多的研究证实焦亡这种死亡模式在呼吸系统疾病中占据重要位置。例如X.Y.He等[9]在研究LPS诱导的IL-1β释放和IL-1RI上调与肺部炎症之间关系时,发现在肺纤维化小鼠模型中,支气管肺泡灌洗液中的Caspase-1、IL-18、IL-1β和中性粒细胞表达水平在NLRP3被抑制组中出现显著降低,表明NLRP3参与肺纤维化的疾病进程。同时发现NF-κB的活化对肺成纤维细胞合成胶原起着重要的调节作用,它可以激活TNF-α、IL-1β、IL-8、转化生长因子-β和血小板细菌源性生长发育因素(PDGF)等细胞因子的基因表达,促进了肺泡炎和肺纤维化的发生和发展。

3.1细胞焦亡与肺癌 肺癌作为发病率榜首的常见呼吸系统肿瘤,按组织病理分类以非小细胞肺癌(NSCLC)为主。研究人员F.J.Wang等[10]发现辛伐他汀可以通过增加体外细胞模型及异种移植小鼠模型模型中的NLRP3含量来激活Caspase-1,从而促进细胞焦亡经典路径的启动,从而有效地抑制NSCLC癌细胞的生长,为辛伐他汀作为一种新的非小细胞肺癌治疗药物提供了分子机制上的实验依据。Q.Li等[11]研究表明,作为荜茇酰胺(PL)类似物的L50377,除了比PL有更大的抑癌潜力外,还可以刺激肿瘤细胞中活性氧(ROS)的生成增加,进一步发现可能通过ROS介导的NF-κB抑制途径促进肿瘤细胞焦亡从而使L50377发挥抗癌作用。相关文献[12]表明,p53的表达水平与NSCLC细胞的焦亡存在显著的正相关关系,这一结论得到了动物和细胞实验的支持。R.L.Jiang等[13]在研究鱼腥草素钠(SNH)对NSCLC治疗潜力实验中发现,在NSCLC细胞中SNH可激活NLRP3炎症小体,进而导致焦亡路径下游的Caspase-1、IL-1β和GSDMD的裂解,促进细胞在经典途径上的焦亡,为SNH抑制NSCLC细胞生长提供分子机制依据,确定了治疗NSCLC新的靶点。

3.2细胞焦亡与慢性阻塞性肺疾病 与吸烟者相比,AECOPD患者的NLRP3炎症小体持续激活,导致下游的与焦亡相关的Caspase-1、IL-1β和IL-18表达水平显著增加,这一发现由H.Y.Wang等[14]研究为探究NLRP3炎症小体与COPD之间的关联性提供了重要的线索,当患者的COPD病情稳定时,相关指标也显著下降,这表明NLRP3的活性与AECOPD有关;在慢性阻塞性肺病的急性加重期,NLRP3可以作为一个新的监测指标和提示病情的晴雨表用来预测病情的发展。C.Colarusso等[15]阐明炎症小体(NLRP3)与慢性阻塞性肺疾病的相关性,通过炎症小体与慢阻肺关系的动物实验中发现NLRP3的失活可抑制长期吸烟慢阻肺老鼠的肺功能恶化,认为炎症小体NLRP3对慢阻肺发展至关重要,进而推测阻断NLRP3的活化,可成为治疗慢阻肺的新策略。在中药对慢阻肺影响的研究[16]中,选取慢阻肺稳定期的患者随机分为两组,服用自拟调肺饮的患者血液中NLRP3/IL-1β的表达,与对照组相比显著降低,其机制可能与降低焦亡通路的表达相关,该研究为慢阻肺的中药治疗提供了依据。

3.3细胞焦亡与肺部炎症

3.3.1细胞焦亡与非特异性肺部炎症 X.Y.He等[9]发现在肺部感染细菌时,细菌会释放细胞质病原相关分子模板,并与肺巨噬细胞(AM)上的NLR融合并激活炎症小体,进而使作为炎性细胞因子的IL-1β、IL-18表达增加。同时受细菌LPS刺激的细胞可上调IL-1RI(白细胞介素-1受体I型)信号,这会导致AM细胞更敏感于IL-1β,从而引起焦亡小体的形成,这表明肺部感染中AM细胞的焦亡和对LPS的应答与IL-1RI的上调有关。韩蓉等[17]研究表明,在使用X射线构成放射性肺炎的动物模型中,受到检测的肺部组织中NLRP3、Caspase-1、IL-1β、IL-18的转录水平显著升高,提示细胞焦亡参与到放射性肺炎的进展中。相关动物实验[18]表明,在人为盲肠结扎穿孔处理下诱导的脓毒血症小鼠模型中肺泡灌洗液里的NLRP3、ASC、Caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18的表达水平可以依靠二氢杨梅素显著降低,证明依赖Caspase-1的经典焦亡途径在急性肺损伤中的作用。N.Li等[19]发现在以脂多糖(LPS)诱导的脓毒血症小鼠急性肺损伤模型中,通过芒果苷治疗可以降低细胞上清液中IL-1β和IL-18的水平,证明非经典途径的细胞焦亡亦在肺部炎症发挥中的重要作用。

3.3.2细胞焦亡与肺结核 肺结核一直是对全球公众健康的主要威胁,其发病率及耐药率呈现增长趋势,尤其在第三世界国家尤为明显,相关的结核传播控制措施的研究也较多。研究[20]表明,在结核菌中作为效应因子的PPE60与LUBAC、NF-κB等信号通路共同调节宿主细胞的焦亡,而且在结核感染中,NLRP3、GSDMD和Caspase-1/4的表达量显著增加,这为PPE60参与结核感染的宿主细胞焦亡提供了分子机制上的支持。同时也有研究认为在肺结核中结核菌不仅可导致细胞坏死、凋亡还能可引起细胞焦亡、细胞自噬等多种细胞死亡模式并存的情况发生[21]。J.N.Qian等[22]在探寻结核PE/PEE家族与宿主-病原体相互作用关系的研究中发现,PE_PGRS19可通过激活Caspase-11启动非经典焦亡途径,并进一步诱导GSDMD体现出成孔活性,从而导致成熟的IL-1β、IL-18启动免疫反应,诱导细胞焦亡。展现PE/PPE家族蛋白可通过非经典途径激活细胞焦亡,为抗结核治疗的提供潜在的药物靶点。

3.4细胞焦亡与肺纤维化 肺纤维化好发于五十岁以上的中老年患者,在肺纤维化早期可出现各种炎症细胞的聚集、浸润,不仅是肺毛细血管壁结构的完整性的破坏及肺泡上皮细胞的缺失,更加有赖于肺泡巨噬细胞活化。J.M.Lyu等[23]在博来霉素诱导小鼠纤维化的模型中发现,与正常组对照,博来霉素处理组小鼠肺组织中不仅纤维化相关胶原纤维(Col-1、FN1、α-SMA)的增多,而且焦亡相关的Caspase-1、GSDMD、NLRP3在蛋白层面上也出现升高,提示细胞焦亡模式参与肺纤维化的进展。王鹏飞等[24]发现在以博来霉素诱导纤维化的动物模型中,黄芪甲苷干预组的小鼠测得与纤维化相关的胶原纤维及与焦亡相关联的Caspase-1、细胞因子明显降低,进一步表明焦亡与肺纤维化之间的关系。Q.H.Hong等[25]在衣霉素诱导Ⅱ型肺泡上皮细胞纤维化实验中发现受刺激应激的内质网可使NLRP3炎症小体被激活以及IL-1β、IL-18、GSDMD-N的转录增加,从而加剧肺纤维化;而cAMP/PKA通路是内质网应激诱导NLRP3炎症小体激活的负反馈调节因子,激活该通路可抑制Ⅱ型肺泡上皮细胞焦亡并最终减轻肺纤维化,揭示了肺纤维化与焦亡之间的关系。

4 展 望

焦亡作为一种近年来备受关注的细胞程序性死亡模式,其在肺部疾病的研究中愈发深入,本综述列举了常见肺部疾病与细胞焦亡关系的最新进展。作为研究最广泛的焦亡经典途径启动者NLRP3炎症小体,其在肺部疾病的焦亡中扮演重要角色,同时强大免疫功能特性体现出两面性。目前对细胞焦亡的机理,以及焦亡与肺部疾病的分子机制研究还需加强,希望通过深入的探讨,寻求有助于针对焦亡的生物标志物、治疗靶点。