GSDMD 介导的肝细胞焦亡在急性肝衰竭中的致病机制

关海梅，曾阳玲，王恬雯，谢宝华，李国宝，毛德文

（1.广西中医药大学研究生院，广西 南宁530001；2.广西中医药大学第一附属医院肝病科，广西 南宁530023）

急性肝衰竭（acute liver failure，ALF）是一种由多种原因导致肝脏在短时间内出现严重功能损害的疾病，其临床表现包括重度黄疸、凝血障碍、肝性脑病、全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）等［1］。在严重情况下，该病可导致多器官功能衰竭，最终导致患者死亡。ALF 是一种死亡率极高的严重肝脏疾病，失控的炎症反应、免疫反应在其中起到重要作用［2］。通常情况下，ALF 的死亡率在50%左右，但近期有些研究表明，经过积极治疗的ALF 患者的死亡率可以降低至20%～30%［3］。深入了解ALF 的发病机制以及有针对性的早期干预，对提高治疗效果、降低死亡率等意义重大。目前在临床实践中，ALF 尚缺乏特效的治疗方案，唯一有颠覆性的治疗措施是肝移植［4］。然而，供体数量有限，很多患者无法及时获得移植机会。最新研究提示，GSDMD 是急性肝损伤中细胞焦亡的关键底物蛋白。炎性因子的释放导致GSDMD 激活，进而引发细胞焦亡，导致肝细胞死亡和肝功能恶化。抑制或敲低GSDMD 的表达可以减少肝细胞焦亡，并通过下调MCP1/CCR2 通路缓解炎症放大效应，从而改善急性肝衰竭［5］。

因此，抑制GSDMD 的激活及细胞焦亡可能有助于改善急性肝衰竭的治疗效果。然而，目前对于GSDMD 介导的肝细胞焦亡在ALF 中的作用及其引发炎症放大效应的机制尚有待明晰。本文拟就GSDMD 介导的肝细胞焦亡在急性肝衰竭发病中的协同机制进行归纳和总结，旨在为GSDMD 作为阻断急性肝衰竭的进展的潜在中西医治疗靶点研究提供新的思路和方向。

1 GSDMD 介导肝细胞焦亡在ALF 中的致病机制

1.1 基本概念和特征

消皮素D（gasdermin D，GSDMD）是近年发现的细胞免疫炎症性死亡明星分子，由480 个氨基酸组成，有1 个线性区域链接N 端和C 端2 个结构域［6］。GSDMD 的N 末端域（GSDMD-N）具有自聚集和孔道形成的能力，而C 末端域（GSDMD-C）则通过连接肽将GSDMD-N 和GSDMD-C 连接在一起，使其形成完整的GSDMD 蛋白［7］。其中，N 末端域在GSDMD 激活后可被半胱氨酸天冬蛋白酶（caspase）裂解，形成疏水性孔隙，导致细胞膜破裂和死亡［8］；C 末端域则具有独立的细胞毒性，可以引发自噬和坏死等细胞死亡途径［7］。GSDMD 在细胞焦亡、细胞凋亡、自噬和炎症等生物学过程中发挥着重要作用。GSDMD 是一种新型的细胞死亡相关蛋白，在一定的刺激条件下，如病毒感染、细胞内外环境的改变等，会激活半胱氨酸天冬酶-1（caspase-1），使其活化后切割GSDMD，释放出GSDMD-N，形成穿孔性膜孔，导致细胞膜破裂和细胞死亡，这种细胞死亡形式被称为GSDMD 介导的细胞焦亡［7，9］。

肝细胞焦亡是由GSDMD 蛋白介导的细胞死亡过程，与其他形式的细胞死亡，如凋亡、坏死等有所不同。与其他形式的细胞死亡相比，GSDMD 介导的肝细胞焦亡具有以下特征［10］：（1）在细胞膜破裂后，GSDMD 的N 端片段（GSDMD-N）会形成孔洞在细胞膜上，从而导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。（2）GSDMD 介导的肝细胞焦亡是一种高度炎症性细胞死亡方式，与免疫炎症反应密切相关。（3）GSDMD 介导的肝细胞焦亡还具有一定的特异性，只会发生在某些刺激条件下，如病毒感染、细胞内外环境的改变等。

GSDMD 介导的肝细胞焦亡是一种新型的、穿孔性的细胞死亡方式，GSDMD-N 释放的穿孔性膜孔可以导致细胞内容物泄漏，触发免疫炎症反应，导致组织炎症和细胞死亡［7］。在肝脏生理状态下，GSDMD 介导的肝细胞焦亡能够清除老化、损伤或病毒感染的肝细胞，维持肝脏组织的稳态。但是，当GSDMD 介导的肝细胞焦亡过度发生时，会引发肝脏炎症和损伤，甚至导致肝衰竭、肝纤维化等肝脏疾病的发生和发展［11］。由上可知，GSDMD 介导的肝细胞焦亡作为一种新型的细胞死亡形式，在一定程度上，在肝脏内发挥清除坏死肝细胞及维持组织稳态的作用，但其介导过度的肝细胞焦亡对于深入理解肝脏疾病的发生和发展机制具有重要的意义。

1.2 关联的信号途径及分子靶点

1.2.1 NLRP3 炎症小体的激活启动 NLRP3 炎症小体是由NLRP3 蛋白、ASC 适配蛋白和前炎症体（pro-caspase-1）组成的大分子复合物，具有促炎症作用［12］。NLRP3 炎症小体的激活可激活caspase-1，进而切割GSDMD 的N 端和前炎症体的活化，释放出活性IL-1β 和IL-18 等炎症因子以及促凋亡因子gasdermin E（GSDME）和程序性死亡受体4（Pyrin）等［13］，从而诱导炎症反应和肝细胞凋亡。在急性肝衰竭中，NLRP3 炎症小体的激活与GSDMD 介导的肝细胞焦亡密切相关［14］。炎症小体的激活会导致caspase-1 的激活，并在后续的事件中调节GSDMD的切割和释放。

当肝细胞受到损伤或压力刺激时，GSDMD 被激活并介导肝细胞焦亡，导致细胞内的危险信号分子被释放出来，进一步刺激NLRP3 炎症小体的激活［15］。一些研究表明，GSDMD 介导的肝细胞焦亡可以直接激活NLRP3 炎症小体的形成和激活，从而引发急性肝衰竭［12，15］。胡莎莎等［16］发现在肝缺血再灌注损伤模型中，GSDMD 缺失小鼠的肝细胞焦亡和炎症反应均得到显著减轻，同时NLRP3 炎症小体的形成和caspase-1 的活化也受到抑制。另外，还有学者发现，NLRP3 炎症小体的抑制可以减轻GSDMD 介导的肝细胞焦亡和肝损伤［17］。由上可知，GSDMD 介导的肝细胞焦亡激活NLRP3 炎症小体作为一个炎症反应的重要途径，在急性肝衰竭中，激活NLRP3 炎症小体可以引发炎症进展，同时，抑制NLRP3 炎症小体的激活可以减轻肝损伤，这一通路可能成为未来治疗急性肝衰竭的一个新的靶点。

1.2.2 GSDMD 的切割和释放 GSDMD 是一种重要的细胞死亡执行者，其切割和释放是细胞焦亡（pyroptosis）发生的关键步骤之一。GSDMD 是一种含有约48 kDa 的N 端和约31 kDa 的C 端的蛋白质，在胞内存在原形态和N 端自裂解激活的形态［18］。当感染或其他刺激物导致炎症反应时，炎症体系会启动一系列信号传导途径，包括炎性小体和caspase-1 的激活，caspase-1 活化后切割和激活GSDMD 的N 端，导致其与胞膜磷脂层相互作用，形成大量的孔道，破坏细胞膜，导致细胞内容物泄漏和细胞焦亡的发生［7］。

Miao 等［19］发 现ALF 患 者 的 血 清 中GSDMDN端片段（GSDMD-N）含量明显增加，其严重度和死亡率呈正相关。此外，研究人员在动物模型中发现，ALF 会导致GSDMD 的活化和释放，并导致肝细胞焦亡和细胞膜破坏。GSDMD-N 释放后可刺激肝细胞产生大量炎性细胞因子（如IL-1β 和IL-18），进一步诱导炎症反应和肝细胞死亡［19］。针对GSDMD 在ALF 中的作用，研究人员已经开始探索针对GSDMD 的治疗策略。例如，通过靶向GSDMD-N 片段开发抗体药物，可抑制炎性反应和细胞死亡，从而减轻ALF 的病理损伤［20］。此外，一些天然产物（如樟芝多糖）也已被证明具有通过调节GSDMD 通路来改善ALF 的治疗潜力［21］。

由此可知，GSDMD-N 端片段的释放可以导致ALF 中肝细胞的死亡，释放的细胞内容物和细胞碎片还可以启动炎症体系一系列信号传导途径。

1.2.3 炎症放大效应和肝细胞死亡 “瀑布式”的炎症冲击与快速、大量肝细胞死亡是ALF 的重要病理特征［22］。GSDMD 可以迅速导致细胞死亡并吸引大量免疫细胞，是炎症反应的重要开关之一［23］。GSDMD-N 端片段的释放可以导致急性肝衰竭中肝细胞的死亡和炎症反应，释放的细胞内容物和细胞碎片还可以诱导免疫系统的反应［24，25］。激活的GSDMD 被caspase 蛋 白 切 割 产 生N 端 和C 端2 个 肽段，GSDMD-N 与磷酸肌醇结合切入细胞膜内并诱导C端释放，最终在细胞膜上形成12 nm 大小的16聚体孔道，随之而来的是细胞外大量非选择性离子及水分子内流，细胞膜胀裂诱使细胞死亡，且伴有IL-1 及IL-18 等大量强促炎症因子释放，呈现出典型的“免疫系统应激—细胞快速死亡（焦亡）——炎症因子风暴”串联特征［26］。大量肝细胞死亡是ALF的核心事件。死亡的方式和死亡的肝细胞数量决定了扩大炎症反应的强度［27］。此外，研究人员还发现，GSDMD 的切割和释放可以激活NLRP3 炎症小体的形成和炎症反应的加剧［25］。这进一步扩大了炎症反应和细胞死亡的效应，并导致免疫细胞的浸润和炎症介质的释放，加速了ALF 的发展。

因此，GSDMD 介导的细胞焦亡在ALF 中对细胞死亡和炎症效应产生了重要的影响，有望成为治疗ALF 的潜在靶点。对GSDMD 的抑制可能会降低炎症反应和细胞死亡，从而减轻ALF 的病理损伤。

1.2.4 细胞内钙离子平衡的失调 细胞内钙离子平衡失调是ALF 中一种可能的病理生理机制。肝细胞受损时，可能会导致细胞内的钙离子浓度过高、影响钙离子泵的活性及对钙离子的清除减弱等。Liu 等［28］发现当钙离子的浓度超过正常范围时，会激活多种蛋白激酶和磷酸酶，从而导致细胞死亡和炎症反应的发生。GSDMD 介导的肝细胞焦亡可以通过多种方式引起细胞内钙离子平衡的失调。例如，研究表明，在GSDMD 诱导的细胞焦亡过程中，细胞膜通道的形成和细胞内钙离子的释放是通过GSDMD-N 域与细胞膜结合和钙离子调节蛋白的作用实现的［29］。Zhou 等［30］总结出GSDMD介导的细胞焦亡可以引起内质网钙离子释放和线粒体钙离子调节的改变，从而导致细胞内钙离子平衡的失调和肝细胞死亡。钙离子是细胞内的重要信使分子，在许多细胞生理和代谢过程中发挥重要作用。钙离子的过度积聚和释放都可能导致细胞死亡。

此外，GSDMD 激活也可以导致线粒体外泄，从而释放线粒体内的钙离子，加剧钙离子失衡的程度，促进细胞死亡［30］。因此，GSDMD 介导的细胞焦亡通过干扰细胞内钙离子平衡也可能参与急性肝衰竭的发生和发展。

2 阻断GSDMD 介导的肝细胞焦亡可作为ALF 治疗的潜在靶点

GSDMD 介导的肝细胞焦亡是ALF 发生和发展的重要机制之一，因此它作为治疗急性肝衰竭的潜在靶点受到越来越多的关注。以下是GSDMD介导的肝细胞焦亡作为急性肝衰竭治疗的潜在靶点的具体介绍：

2.1 抑制GSDMD 裂解

GSDMD 裂解是肝细胞焦亡的关键步骤，因此抑制GSDMD 裂解是治疗急性肝衰竭的一个重要策略。Shi 等［31］发现抑制GSDMD 裂解可以有效抑制肝细胞焦亡和炎症反应，从而减轻急性肝衰竭的病理生理损害。GSDMD 是一种关键的蛋白质，它在炎症和细胞凋亡等过程中起着重要的作用。GSDMD 裂解是促进炎症和细胞凋亡的过程之一，因此抑制GSDMD 裂解可能对一些疾病的治疗具有潜在的益处。目前已经有一些研究表明，一些天然化合物和药物可以抑制GSDMD 裂解。例如，黄芩苷（BA）被发现可下调caspase-1 的表达，抑制 GSDMD 裂 解，阻 止 IL-1β、IL-18 和 肿 瘤 坏 死 因 子-α（TNF-α）等的释放，进而减轻细胞焦亡［32］。此外，一些药物也已被证明可以抑制GSDMD 裂解。例如，非甾体抗炎药物吲哚美辛和一些抗生素如利福平和红霉素等也具有抑制GSDMD 裂解的作用［33］。Wu 等［34］研 究 发 现 用GSDMD 抑 制 剂 坏 死 磺 酰 胺（NSA）显著降低了ALF 小鼠模型中GSDMD 的裂解和白细胞介素-1β 的分泌。需要注意的是，尽管抑制GSDMD 裂解可能对某些疾病的治疗有益，但它们也可能会影响其他生理过程。因此，必须进行更深入的研究来评估这些药物和化合物的效果和安全性。

2.2 调节免疫应答

GSDMD 介导的肝细胞焦亡释放的细胞内成分和炎症因子可以诱导免疫应答，从而参与急性肝衰竭的发生和发展。调节炎症反应ALF 患者的肝组织中存在大量炎症细胞，这些细胞释放炎性因子和细胞因子，进一步加重肝脏的炎症反应和损伤。因此，调节免疫应答可能成为治疗ALF 的一种有效方法。调节免疫应答包括以下几个方面：（1）调节免疫细胞：免疫细胞的活化和聚集是ALF 的另一个特征。调节免疫细胞的活化和聚集可以减少肝脏的炎症反应和损伤。例如，一项研究表明［35］，芒果苷（MF）通过促进库普弗细胞（KC）上调HO-1 表达来抑 制TNF-α 的 产 生，从 而 减 轻 了 脂 多 糖（LPS）/D-半乳糖胺（D-GalN）诱导的急性肝损伤。（2）调节免疫抑制剂：ALF 患者的免疫系统往往处于兴奋状态，因此免疫抑制剂可能是一种有效的治疗方法。Cai 等［36］发现，大麻素受体2（CB2R）的活化通过下调HIF-1α 抑制糖酵解来抑制ALF 小鼠肝巨噬细胞的增殖和炎症因子的释放。在ALF 小鼠的肝脏中，CB2R 在巨噬细胞上显著上调，而CB2R 激动剂GW405833（GW）可以防止急性肝损伤中的细胞死亡。此外，有证据报道5-LOX 抑制剂显著缓解了LPS／D-GalN 诱导的ALF，肝脏中LTB-4 和单核巨噬细胞抗原-1 阳性细胞减少，表明可能与巨噬细胞抑制有关［37］。（3）调节自噬：自噬是一种重要的细胞代谢途径，其在ALF 中的作用也备受关注。Ren等［38］糖 原 合 成 酶 激 酶-3（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）抑制对ALF 小鼠模型的保护作用取决于自噬的诱导，增GSK3β 的抑制增加了过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferator -activated receptorα，PPARα）表达。ALF 患者肝脏中自噬相关基因和PPARα 的表达明显下调，GSK3β 活性显著上调，降低GSK3β 抑制诱导的自噬可以减缓ALF 疾病进展。ALF 是一种严重的疾病，其治疗方法包括清除肝毒性物质、调节免疫应答、维持水电解质平衡、支持治疗等。调节免疫应答是ALF 治疗的重要方法之一，包括调节炎症因子、细胞因子、免疫抑制剂、自噬和细胞死亡等。此外，细胞移植也是一种新兴的治疗方法［39］。随着对ALF 机制的深入了解，新的治疗方法也将不断涌现。由此得出，ALF 患者中炎症反应的启动作为肝损伤的重要一环，调控免疫应答、调节免疫细胞的活化和聚集是可行的治疗方式。

2.3 调节肝细胞代谢

GSDMD 介导的肝细胞焦亡可以导致肝细胞功能损伤，调节肝细胞代谢也是治疗急性肝衰竭的一种策略。Hong 等［40］发现调节肝细胞代谢可以促进肝细胞恢复和修复，从而减轻急性肝衰竭的病理生理损害，PCRR 通过调节免疫炎症反应和细胞代谢的抗ALF 治疗效果显著。Yu 等［41］通过肝细胞特异性PPARγ基因缺失的小鼠模型研究了肝细胞代谢调节对肝损伤和炎症反应的影响。由此得出，PPARγ基因缺失会导致肝脏脂质代谢紊乱、炎症反应增强、肝损伤加重，加速了急性肝衰竭的发生和发展，为治疗急性肝衰竭提供了新的思路和目标。

2.4 中药单体减轻肝损伤

ALF 依据其临床特征可归属于祖国医学“急黄”等范畴，目前通过中医药调控GSDMD 介导细胞焦亡途径治疗ALF 的研究尚未完善。随着中医药成为ALF 防治研究的重点，从调控GSDMD 介导细胞焦亡途径中探寻有效的 ALF 防治药物是一个重要突破口。最近研究发现［42，43］，Biochanin A、芒果苷都可以通过激活Nrf2 途径和抑制NLRP3 炎症小体激活来防止LPS 和D-GalN 诱导的肝损伤。此外，Zhao 等［44］研究发现，槲皮素通过下调氧化还原状态、脂滴和LPO 释放，恢复受损线粒体膜电位及修复mtDNA 损伤、PGC-1α 核转移和线粒体动力学，从而降低NLRP3、ASC、裂解caspase-1、IL-18、IL-1β 和GSDMD-N 的基因和蛋白表达，有效抑制肝细胞焦亡。Yang 等［45］研究发现，柠檬苦素通过抑制膜破裂、减少 ROS 生成和减少GSDMD 活化来抑制LPS 诱导的肝细胞焦亡，延缓急性肝损伤的进展。Wang 等［46］研究表明，姜黄素可以降低了炎性小体（NLRP3）组装和激活相关的基因的mRNA 以及关键蛋白（NLRP3，caspase-1 和GSDMD）的表达，是治疗急性肝衰竭的潜在靶点。由此得出，目前研究表明中药单体减轻肝损伤较为显著，但是这些研究都没有直接明确针对ALF 的靶向药物治疗，中医药如何通过调控GSDMD 介导细胞焦亡途径靶向治疗ALF 仍是面临的主要挑战之一。

3 GSDMD 介导的肝细胞焦亡在其他肝脏疾病中的作用

首先，在肝纤维化和肝硬化中，Wree 等［47］的研究通过构建NLRP3 过度激活的小鼠并分离肝细胞，发现NLRP3 炎症小体活化后引发肝细胞焦亡，从而导致肝脏发生炎症和纤维化。此外，研究发现，肝脏细胞受到微生物感染后释放的LPS 激活其下 游NF-κB/NLRP3 信 号，介 导 细 胞 焦 亡，释 放IL-1β、IL-18 等炎症因子，刺激肝星状细胞分泌胶原等基质，从而导致肝纤维化的发生［48］。其次，在非酒精性脂肪性肝病中，Xu 等［49］发现GSDMD 及其焦亡诱导片段GSDMD-N 在NAFLD/NASH 的人类肝脏组织中上调，GSDMD 通过控制细胞因子分泌、NF-ĸB 活化和脂肪生成，在脂肪性肝炎的发病中起主要作用。最后，在肝细胞癌（HCC）中，研究人员在使用肥胖诱导的HCC 的小鼠模型研究发现［50］，在肝肿瘤微环境下，造血干细胞可以释放IL-33，激活ST2 阳性Treg 细胞促进了HCC 的发展。在人NASH 相关HCC 患者的肝细胞中也检测到 GSDMD 氨基末端的积累，提示类似的衰老相关分泌表型（SASP）因子的释放机制可能参与了某种类型的人类HCC 的发病过程。此外，此研究还提供了GSDMD 介导的孔隙形成抑制剂在HCC 治疗中的发展潜能。

总而言之，GSDMD 介导的肝细胞焦亡在肝脏疾病中具有广泛的作用，包括肝纤维化、肝硬化、非酒精性脂肪性肝病和肝癌等。这些研究为探索肝脏疾病的致病机制提供了新的视角和潜在的治疗靶点。目前，针对GSDMD 的治疗策略也正在不断发展，例如利用GSDMD 抑制剂或RNA 干扰技术等手段，抑制GSDMD 介导的肝细胞焦亡，进而减轻肝脏病变和疾病进展。

4 小结与展望

GSDMD 是一种介导肝细胞焦亡的蛋白质，它在ALF 的致病机制主要是通过调节炎症因子介导的细胞焦亡途径，参与NLRP3 炎症小体的激活启动、GSDMD 的切割和释放、炎症放大效应和肝细胞死亡及细胞内钙离子平衡失调等多种机制。在肝细胞焦亡的过程中，GSDMD 会被活化，并释放出一系列炎症因子和细胞死亡信号分子，放大炎症效应，诱导肝细胞焦亡，进而加快急性肝衰竭的进展。因此，GSDMD 可能成为急性肝衰竭发病机制的重要靶点。

目前对于急性肝衰竭的治疗方法主要是肝移植，但其风险较高且缺乏供体。而中医药作为我国独特的瑰宝，在临床中治疗ALF 效果较显著，具有较宽阔的研究价值及潜在效益。因此，未来可以探究GSDMD 介导的肝细胞焦亡在新的治疗方法中的应用，例如针对GSDMD 的特异性抑制剂、中药、方剂靶向治疗等。本文通过归纳总结GSDMD 介导的肝细胞焦亡在ALF 中的发病机制，并总结了通过抑制GSDMD 裂解、调节免疫应答、调节肝细胞代谢、中药单体减轻肝损伤等方面治疗ALF 的潜在靶点，也提出了一些GSDMD 介导肝细胞焦亡在ALF 研究中仍需解决的问题：（1）缺乏临床样本的数据：由于ALF 是一种呈现出高死亡率、高发病率与高医疗资源消耗三重叠加的严重疾病，因此在病人中收集足够的样本以评估GSDMD 的作用非常具有挑战性。（2）缺乏深入的动物实验研究：尽管有一些证据表明GSDMD 介导的肝细胞焦亡在ALF中起着重要作用，但是目前开展的中药实验研究欠缺，其具体的分子机制仍需进一步探究。（3）缺乏特异性的中药靶向治疗策略：目前，ALF 的临床诊疗缺乏特效的治疗方案，GSDMD 可能成为ALF 发病机制的重要靶点。而针对中医药治疗GSDMD 的策略还不够特异性，因此需要进一步开发更为特异性的治疗方法。

此外，GSDMD 介导的肝细胞焦亡是否与急性肝衰竭的严重程度和病情恶化相关，将来是否可以作为评估病情的一个新指标仍需进一步研究。同时，GSDMD 介导的肝细胞焦亡还与其他肝脏疾病如肝纤维化、肝硬化、脂肪肝及肝癌等的发生发展相关，也有望发挥重要作用，具有较高的研究和应用前景。目前对于GSDMD 介导的肝细胞焦亡的机制尚有待明晰，未来的研究可以从更深入的角度探究其作用及中药调控机制，以便更好地指导临床治疗。

作者贡献度说明：

关海梅：拟定写作思路并撰写文章；曾阳玲、王恬雯：设计论文框架；谢宝华、李国宝：收集、整理相关文献；毛德文：指导意见并修改论文。

所有作者声明不存在利益冲突关系。