细胞焦亡的作用机制及其在脓毒症中的研究进展

［摘要］" 脓毒症是可导致机体严重器官功能障碍、危及生命的炎性综合反应，一般是由病原微生物侵入机体引发，近年来发生率和病死率居高不下，是重症监护病房患者死亡的重要原因。细胞焦亡是新发现的一种伴随炎症因子释放的细胞程序性死亡，可一定程度上抵御微生物的感染，但过度激活会诱导和加重脓毒症。目前有研究证明，细胞焦亡的许多相关分子都参与了脓毒症的发病进程，并在其中发挥重要作用。对脓毒症中细胞焦亡的研究不仅可深入阐明细胞焦亡的病理作用和机制，也有助于对脓毒症的发生发展和转归预判，尤其为发现治疗脓毒症的靶点拓展新思路。

［关键词］ 细胞焦亡；脓毒症；含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶；炎症小体；Gasdermin家族

［中图分类号］ R459.7" ［文献标志码］ A" ［文章编号］ 1671-7783（2024）04-0297-04

DOI： 10.13312/j.issn.1671-7783.y230083

［引用格式］丁玉婷，王荟，赵杨静，等. 细胞焦亡的作用机制及其在脓毒症中的研究进展［J］. 江苏大学学报（医学版）， 2024， 34（4）： 297-300.

［基金项目］国家自然科学基金资助项目（82071738）；江苏大学大学生创新创业训练计划项目（202110299206Y）

［作者简介］丁玉婷（2001—），女，本科生；邵启祥（通讯作者），教授，博士生导师，E-mail： shao_qx@ujs.edu.cn

2016年《美国医学会杂志》（JAMA）发布的国际共识将脓毒症（sepsis）定义为一种由于宿主对感染的反应失调导致的危及生命的器官功能障碍，其诊断标准由Sepsis-1（全身炎症反应综合征）逐渐更新为Sepsis-3（序贯性器官功能衰竭评分），临床医学界开始将研究重点放在器官功能障碍相关指标的评估上，而不仅是识别炎症指标［1］。脓毒症在全球范围内已成为一个严重的健康问题，也是危急重症患者死亡的重要原因，据统计，2017年全球脓毒症的发病人数为4 890万例，每年死亡人数超过1 100万例，占全球患者死亡总数的近20%［2］。我国的研究结果表明，重症监护室中有20%左右为脓毒症患者，90 d的死亡率高达35.5%，且60%的病例与重症肺部感染相关［3］。因此，脓毒症也是一个重要的公共卫生问题，耗费国家大量医疗资源。美国医院脓毒症患者的经济成本和医疗费用不断上升，2018年高达280亿美元［4］。脓毒症的发病机制尚未完全阐明，近年研究认为免疫炎症因子风暴、免疫抑制、免疫麻痹和免疫耗竭带来的免疫功能紊乱是其重要病理机制，这些机制最终导致器官损伤和功能障碍，其中细胞死亡是重要的病理改变之一。

细胞焦亡是一种炎性细胞程序性死亡，也被称为细胞炎性坏死，表现为细胞胀大破裂，产生强烈的炎症反应。随着分子机制与疾病相关性研究的深入，发现细胞焦亡在脑卒中、动脉粥样硬化和感染引起的脓毒症等多种临床疾病中普遍存在［5-8］。

1 细胞焦亡的研究历程

2001年，Cookson和Brennan在伤寒沙门菌感染的巨噬细胞中发现了这种炎性细胞程序性死亡，并首次将它命名为细胞焦亡［9］。2011年，Kayagaki等［10］发现，小鼠中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶11（cysteinyl aspartate specific proteinase 11，caspase-11）在细菌感染的先天免疫应答中有独特的促炎症作用，能够诱导一种不同于caspase-1介导的经典途径，把由caspase-11所介导的细胞焦亡称为“非经典的细胞焦亡”。邵峰院士是国内细胞焦亡领域的开拓者和国际领衔学者之一，在细胞焦亡的研究领域做出了重要贡献。2014年，邵峰等证明了鼠源caspase-11及其在人体中的同源蛋白caspase-4和caspase-5等炎性caspase是脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的细胞内受体，能够识别细胞质中的LPS，并使其被炎性特定的募集结构域（caspase recruitment domain，CARD）识别并结合，引起非经典的细胞焦亡［11］；2015年，该团队和美国的Vishva M.Dixit团队分别在Nature杂志上发表了研究结果，共同论证了一个重要发现：炎性caspase下游分子是消皮素D（gasdermin D，GSDMD），阐明了GSDMD的活化切割介导细胞焦亡效应过程［12-13］；并进一步研究揭示了GSDMD的作用机制：GSDMD蛋白的N端片段（N-GSDMD）可识别并结合细胞膜上的磷脂类分子并打孔，促使细胞膜裂解，最终导致细胞死亡［14-15］。

2 细胞焦亡引起的细胞形态学改变和作用机制

2.1 形态学过程

GSDMD被切割后形成的N-GSDMD在细胞膜上形成直径为10～14 nm的gasdermin孔［14］，破坏胞膜的完整性。细胞膨大变形或肿胀破裂，DNA随机降解，细胞内容物释放。成熟的IL-1β和IL-18从膜孔溢出细胞，引起并扩大周围组织的炎症。

2.2 分子机制

目前的研究证明细胞焦亡可通过经典和非经典两条途径进行。在不同刺激条件下，细胞会激活不同的caspase，通过不同途径介导细胞焦亡。

经典途径是由caspase-1介导的。当细胞被病原体感染引起固有免疫激活时，病原体和受损组织共同形成病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）。PAMPs可被模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs），包括Nod样受体（Nod-like receptors，NLRs）家族、热蛋白、RIG-I样受体（RIG-I like receptor，RLR）、Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）家族和黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）等识别。最初认为，NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）可以被PAMPs如ATP、某些微生物产物、细菌毒素等直接激活［16］，随后发现，PAMPs通过激活TLRs来激活NLRPs［17］，进而组装和激活炎症小体和下游分子。凋亡相关的斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）同时包含热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）和CARD，作为接头蛋白分别连接NLRP3和caspase-1前体，形成炎症小体。caspase-1被寡聚后发生自剪切，形成有活性的caspase-1［18］。活化后的caspase-1一方面可切割活化GSDMD，在胞膜上形成gasdermin孔，导致细胞内物质流出、细胞炎性死亡；另一方面caspase-1也能够切割IL-1β和IL-18前体，使其成为有效的生物活性分子，通过gasdermin孔释放到细胞外［14］，促发炎症反应［19-20］。

非经典途径是由人源caspase-4、5或鼠源caspase-11介导的［21］。研究表明，这种途径可直接介导细胞焦亡，而不需要生成炎症小体。Aachoui等［22］在对伯克霍尔德菌感染机体所产生的免疫逃逸机制研究时发现，由caspase-4、5和11介导的非经典焦亡途径能够识别进入细胞质中的细菌LPS，捕获逃逸到胞质中的病原体，引发细胞焦亡。与经典途径类似的是，活化的caspase-4/5/11也是通过切割GSDMD引起焦亡［11］。但caspase-4/5/11不能切割IL-1β和IL-18前体，只能通过激活NLRP3炎症小体活化caspase-1，进而切割IL-1β和IL-18前体［11，23］。

2.3 炎症小体

炎症小体是一种由细胞质内天然免疫识别受体参与组装的较大的多聚体蛋白复合物，由受体蛋白、接头蛋白和下游caspase家族组成，是先天免疫应答的重要组成部分。PAMPs激活受体蛋白如NLRs等，进而诱导炎症小体的组装。PAMPs是病原体特有的分子模式，具有结构相对稳定且进化相对保守的特点。损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs）是组织或细胞受到损伤、缺氧、应激等因素刺激后释放到细胞间隙或血液循环中的一类物质［24］。PRRs是一种表达于固有免疫细胞表面的特异性识别分子，它们在固有免疫应答过程中，可识别不同类型的PAMPs和DAMPs，如TLRs可感知细胞表面或内小体中的PAMPs；NLRs可识别宿主细胞质中的微生物分子，激活固有免疫应答，产生炎症反应。

NLRs家族包含几个亚家族，通过N端结构域进行区分，NLRP3炎性小体是其中最著名的分子，由NLRP3蛋白、接头蛋白ASC和caspase-1组成［25］。ASC通过PYD和CARD发挥桥梁作用，分别连接受体蛋白和效应蛋白caspase［26］。NLRs家族另一成员NLRC4自身含有CARD结构域，故不需要结合ASC，就可直接与caspase-1结合使其激活发挥功能［19］。

NLRP3的激活机制目前普遍接受的是一种双信号激活模型理论。第一信号称为启动信号，由内源性分子提供，通过激活NF-κB诱导NLRP3和pro-IL-1b表达上调，第二信号称为激活信号，由RNA、病毒颗粒或ATP等刺激因子触发NLRP3激活［8-9，14，27］。

2.4 Gasdermin家族

Gasdermin家族成员目前已经鉴定出包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME［即非综合征性听力损伤蛋白5（non-syndromic hearing impairment protein 5，DFNA5）］和DFNB59。最早发现与细胞焦亡执行有关的gasdermin家族蛋白是GSDMD，由480个氨基酸组成，包含N端和C端两个结构域，在哺乳动物细胞中，gasdermin-N结构域表现出固有的细胞毒性，但C端对N端有抑制作用，因此全长GSDMD处于一种自抑制状态［14］。活化的炎性caspase能切割GSDMD的N端和C端结构域中间的连接区域，解除GSDMD的自抑制，形成游离的N-GSDMD，这对诱导细胞焦亡至关重要。重组的N端蛋白可以与细胞膜分子发生寡聚，寡聚后的N-GSDMD端蛋白能够直接在膜上形成分子孔道，因细胞内外渗透压差造成脂质体的严重渗漏以及生物膜的裂解。孔道直径能够允许成熟的IL-1β、IL-18和活化后的caspase-1通过［14，28］。

基于序列同源性进行鉴定后，发现gasdermin家族成员表现出不同的组织表达［29］，作为焦亡的实际执行者，不同的gasdermin家族蛋白在不同组织中的活化方式和水平，以及生理学功能可能会成为今后研究的热点问题［27］。另有研究提示［30-32］，gasdermin家族可能还存在不同的上游活化分子和潜在的其他功能有待发掘。

3 细胞焦亡引起的炎症与脓毒症的关系

细胞焦亡是机体对外来微生物感染和内源性危险信号做出的固有免疫应答的效应，能够促进IL-1β、IL-18等炎症因子的释放，抑制细胞内病原菌的增殖，启动受感染细胞的炎性细胞程序性死亡，从而有效抵御外来微生物的侵袭。但固有免疫应答的过度活化可能会导致严重的全身炎症反应，损伤机体靶器官，甚至诱发脓毒症。脓毒症发生初期是机体对抗入侵的病原体而产生的严重全身炎症反应，接着各种炎症介质大量释放从而介导过度免疫炎症反应，可导致多器官损伤和功能障碍、脓毒症休克甚至死亡。因此，细胞焦亡是一把“双刃剑”，既是清除病原体的重要“功臣”，也是诱导全身炎症反应乃至脓毒症的“罪魁祸首”。

在脓毒症发生和进展过程中，发生了非常复杂的免疫应答，随着病程的进展而变化，同时出现促炎和抗炎反应的相互“博弈”机制和持续长时间的免疫调节，最终引起机体对并发感染的易感性以及产生严重的免疫抑制［32-33］。正是由于这一原因，脓毒症较难控制和治疗，死亡率很高。器官功能障碍是脓毒症患者预后的重要预测因素，严重的多器官功能障碍与患者的死亡高风险息息相关［34］。

4 细胞焦亡对脓毒症治疗的指导作用

脓毒症管理需要早期诊断、治疗，包括源头控制、抗生素治疗和复苏［35］。目前尚缺乏有效的脓毒症早期诊断指标，虽然血培养能够提示微生物感染情况，但耗时长，也无法判断脓毒症的进展程度，结合脓毒症前期的严重炎症反应和后期的免疫抑制，治疗应将最初几个小时内的抗感染治疗与72 h后的固有免疫应答相结合［36］。尽管目前对脓毒症认知有了很大的进步，抗菌药物、急性期护理等措施得到了一定程度的发展，但收效有限。总的来说，脓毒症仍需要开发更有效的诊断标志物、靶向药物和综合治疗措施。

近年来有关细胞焦亡的研究如火如荼，对其分子机制及其在脓毒症中发挥作用及机制研究取得较大进展，抑制炎症小体的激活、细胞焦亡终末效应和炎症因子的释放可能会是有效的治疗策略［34，37］。利用脓毒症中发生的细胞焦亡机制，根据每个病例的炎症反应和脓毒症表型进行个性化治疗，将为脓毒症患者预后改善带来新希望。

5 小结

脓毒症是全球具有重大影响的临床危急重症，严重危害人类生命健康，其发生发展非常复杂，因此迫切需要阐明致病机制，开发新的诊疗技术和方案。总的来说，目前对脓毒症的发病机制和疾病转归仍然知之甚少，控制脓毒症中的细胞焦亡仍是未来重要的研究方向之一。

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［收稿日期］ 2023-03-23" ［编辑］ 郭 欣