细胞焦亡在呼吸系统疾病中作用的研究进展*

石伊宁，金永梅，杨 进，陆友金

（安徽医科大学第二附属医院呼吸内科，安徽合肥230601）

随着全球化经济的发展以及随之而来的环境变化，气象和环境因素对人类健康的影响逐渐增大。肺是一个拥有巨大表面积的器官，其结构精细，易受外界环境的影响。近年来的研究显示，细胞焦亡（pyroptosis）广泛存在于呼吸系统疾病发生过程中，抑制多种呼吸系统相关细胞焦亡的发生可以降低肺损伤时肺脏细胞的损伤程度，减少炎症因子生成，减轻炎症反应［1-6］。Tsai等［4］的研究表明，与核苷酸结合寡聚化结构域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）相关的炎症小体（inflammasome）促进了支气管上皮细胞的焦亡，近而引发了气道上皮损伤和气道重塑，促进了哮喘及慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的发生；Li等［2］证实了脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱发的肺组织焦亡加剧了肺纤维化的发展；除此之外，焦亡的发生还可以抑制肺癌细胞的活力及迁移能力［7-8］。因此，细胞焦亡在COPD、支气管哮喘、肺纤维化、急性肺损伤（acute lung injury，ALI）/急性呼吸窘 迫 综 合 征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）及肺癌等呼吸系统疾病的发生发展中可能发挥着重要的作用。本文就细胞焦亡的分类及其在多种呼吸系统疾病中的作用进行综述。

1 细胞焦亡

细胞焦亡是由caspase-1或caspase-11介导的一种程序性细胞死亡方式，作为一种先天性免疫机制，对多种生物的发育至关重要［9］。与细胞凋亡相似的是，两者都会发生胞核浓缩、DNA断裂及TUNEL染色阳性，但与凋亡发生时细胞保持完整性相比，细胞发生焦亡时细胞膜会破裂，迅速形成膜孔样结构，从而释放大量的炎症因子及细胞内容物［10］；其次，使用碘化丙啶可以通过膜孔样结构使焦亡细胞核染色，而凋亡细胞核则不会染色；最后，凋亡的发生主要依赖于caspase-3、-6、-8等，伴随着凋亡小体形成，而焦亡则依赖于caspase-1、-4、-5、-11。焦亡的发生主要由炎症小体介导，当外源性微生物及应激产生由炎症小体触发并激活的caspase-1裂解gasdermin D（GSDMD），形成GSDMD N端片段（GSDMD N-terminal fragment，GSDMD-N），进一步诱导膜孔的形成及炎症因子的释放。目前，焦亡主要发生在单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞和血管内皮细胞［11-12］，于其他细胞也可观察到［13］。

1.1 经典的细胞焦亡途径细胞焦亡一般是通过经典的炎症小体通路介导的［10］。炎症小体是由NOD样受体（NOD-like receptor，NLR）、含caspase募集结构域（caspase recruitment domain，CARD）的凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）和caspase-1前体（procaspase-1）组成的多蛋白复合体，有NLRP3、NLRP1、NLRC4、AIM2和TLR4等，其中NLRP3炎症小体是炎症反应的核心因子，是固有免疫细胞内的危险信号感受器之一，由3个部分组成：C端重复的亮氨酸区域（leucine-rich repeat，LRR），可识别各种危险因子；中间是核苷酸结合区域NACHT，N端是PYD结构域，可与同源结构域结合。研究表明，炎症小体被包括病原体编码的病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）和损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP）在内的不同刺激信号激活后，会将caspase-1前体裂解为p20和p10两个亚基，亚基形成异二聚体并进一步形成四聚体，最终形成具有活性的caspase-1，进一步激活GSDMD，诱导细胞释放白细胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18，募集更多的炎症细胞聚集，从而扩大炎症反应［14-16］。经典炎症小体的形成是焦亡中的关键环节，能够影响炎症因子的组装与活化，在焦亡的调控中发挥着重要作用［17］。

1.2 非经典的细胞焦亡途径不依赖caspase-1的焦亡被称为非经典焦亡途径，即被caspase-4、-5、-11激活，前两者源自人，后者源自小鼠［18-19］。与典型焦亡途径不同的是，caspase-11被描述为细胞质中内毒素（即LPS）的传感器和内毒素血症易感性的关键调节剂，LPS的脂质A部分与这些炎性caspase（即caspase-4、-5、-11）的CARD结合，然后促进其寡聚和活化，最终 导 致GSDMD的 裂 解［20-22］，裂 解 产 生 的GSDMD-N在质膜上形成可引起焦磷酸化的孔，进一步放大炎症反应。

不论是经典的焦亡途径还是非经典的焦亡途径，都要经过gasdermin家族的GSDMD来执行功能，GSDMD依赖性焦亡抑制了凋亡中的caspase-8活化，在GSDMD缺陷细胞中caspase-1介导的IL-1β成熟有效，但IL-1β的快速、规范分泌并不能与非缺陷相比［23］。该家族成员还包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、DFNB59（GSDME）等。Shi等［24］的研究证明，GSDMD缺陷细胞能抵抗LPS及已知的典型炎症小体配体诱导的焦亡。在焦亡过程中，GSDMD被裂解为C端片段（GSDMD-C）和GSDMD-N，其中GSDMD-N特异性结合到真核或原核细胞膜上，随后发生寡聚化，从而形成膜孔，导致细胞肿胀并发生焦亡［25-26］。

2 细胞焦亡与呼吸系统疾病

肺和支气管在呼吸系统疾病的发生发展中占有重要的地位，在发生许多呼吸疾病时，往往伴随着多种细胞的病理性变化，其中肺血管内皮细胞、支气管上皮细胞、肺泡巨噬细胞等最易受累。近年来，焦亡作为细胞死亡的一种调节方式，因其特殊的病理特征越来越受到人们的关注。细菌产生的LPS可以诱导焦亡的发生，呼吸道是人体直接与外界环境相通的部位之一，正常情况下，由于黏膜的屏障作用，许多细菌不致病，但随着周围环境的恶变，尤其是长期吸烟与生活方式不当，往往会造成呼吸道黏膜菌群失调，诱导COPD等疾病的出现。研究表明，细胞焦亡不但可以促进肺损伤［1，3，27］，而且可以抑制肺癌细胞增殖［28］。炎症因子作为胞内物质被释放到细胞外，能够活化存在于细胞外间隙的procaspase-1，周围正常的巨噬细胞通过内化这些游离的炎症因子，促进胞内caspase-1的活化［3］，表现于细胞间的相互影响，发生大规模的焦亡现象，进而加重疾病进程。此外，Gao等［29］报道了GSDMD缺陷的肺癌细胞通过NLRP3炎症小体刺激并不能发生焦亡，GSDMD与癌细胞增殖有关。因此，焦亡的发生对呼吸疾病的发展发挥着重要的作用。

2.1 细胞焦亡与COPDCOPD一直以高患病率、发病率和死亡率备受全球关注，其特征是不可逆的呼气气流受限，表现为慢性炎症失调和肺气肿性破坏。接触香烟烟雾是其主要危险因素，有动物研究表明，经常接触香烟烟雾可引起肺泡间隙及肺实质中大量炎症因子如肿瘤坏死因子α、IL-1β、IL-6、IL-8和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子聚集［30-31］，进而引起细胞死亡。Mizumura等［32］的研究显示，香烟烟雾诱导的线粒体活性氧簇可以使BEAS-2B细胞中PINK1、RIPK3及DRP1蛋白的表达增多，被线粒体靶向的抗氧化剂米托醌明显抑制，证明了依赖PINK1的线粒体可作为坏死的上游调节剂。Pouwels等［33］的研究也证实，香烟烟雾暴露会在体外诱发气道上皮BEAS-2B细胞坏死性硬化。硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）与NLRP3在COPD过程中结合成复合物，通过TXNIP的过表达启动焦亡，促进炎症反应［34-35］；而抑制TXNIP的表达则减少炎症小体的形成，提高了细胞的存活率，缓解了COPD的进展，在COPD的治疗方面具有良好的应用前景。

2.2 细胞焦亡与支气管哮喘支气管哮喘是一种慢性炎性疾病，其显著特点是气道高反应性、反复发作性及可逆性。研究表明NLRP3炎症小体的激活在气道中过敏原驱动的炎症反应的启动和传播中发挥着重要的作用。无佐剂卵清蛋白和佐剂氢氧化铝相偶联致过敏性哮喘小鼠模型的研究显示，气道中巨噬细胞及支气管上皮细胞释放的IL-18、IL-1β等炎症因子与使用PBS处理的对照组相比明显升高［36-37］。此外，Tsai等［4］也表明过敏原Der f1刺激的支气管哮喘中发生的是caspase-1依赖性焦亡，并且此过程是通过NLRP3途径发生的。GSDMB已被证明与哮喘及一些胃肠道疾病有关，且在与炎症小体caspase-1共表达时，可以被切割成数个短片段，其中N片段（GSDMB-N）可以诱导有效的细胞焦亡［38-39］。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，能够减轻支气管哮喘的炎症反应，从而减少哮喘的发作频率，达到有效的控制。

2.3 细胞焦亡与ALI/ARDS ARDS是由多种肺内外致病因素引起的急性进行性低氧血症，其主要临床特征为肺微血管的通透性增高，进而导致内皮细胞及肺泡上皮细胞损伤，从而引发进行性呼吸窘迫甚至呼吸衰竭［40-43］。Li等［30］的研究表明，阻断丝裂原活化蛋白激酶信号传导途径可部分缓解巨噬细胞焦亡，从而减轻ALI和ARDS引起的肺部炎症。体外研究证明，caspase-1特异性抑制剂Ac-YVAD-CMK可以抑制LPS诱导的小鼠ALI/ARDS模型中肺泡中巨噬细胞的焦亡及炎症因子的释放［27］。在ARDS患者中检测到不同数量的裂解的p30 GSDMD，并且证实了GSDMD和caspase-1包裹成的微粒在血管内皮细胞焦亡的发生中起着关键作用；Kerr等［44］的研究还表明，将颅脑外伤患者血清来源的细胞外囊泡传递给人肺内皮细胞会导致caspase-1活化和GSDMD裂解，说明焦亡在颅脑外伤诱发的肺损伤中至关重要。因此，进一步研究焦亡与肺血管内皮细胞的关系，能够增加人们对ALI/ARDS的认识，为诊疗提供帮助。

2.4 细胞焦亡与肺纤维化肺纤维化是一种慢性肺间质炎症及纤维化为主的疾病，主要是由肺泡上皮损伤引起的细胞外基质胶原蛋白沉积，从而导致不可逆性损伤的纤维化疾病［45-46］。研究显示，炎症小体的活化能够导致肺上皮细胞焦亡，并能进一步诱发肺部炎症及肺纤维化［30］。

肺组织损伤时，坏死的肺血管内皮细胞能募集巨噬细胞等炎症细胞，导致其分泌IL-18及IL-1β，甚至死亡，同时进一步诱发肺内皮细胞死亡、周围组织炎症及肺纤维化进展。体外实验证明，caspase-1抑制剂（Ac-YVAD-CMK和VX-765）具有缓解肺纤维化的能力，并可逆转肺动脉高压引起的肺纤维化［23-24，47］。此外，Hussain等［48］证实，多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotube，MWCNT）诱导的支气管上皮细胞焦亡通过激活NLRP3炎症小体来启动纤维化反应；在博来霉素诱导的纤维化模型中，Nlrp3-/-小鼠肺中性粒细胞流入减少，IL-1β水平降低，而普伐他汀作用于P2X7受体，可增强炎症小体的活化，从而增加肺纤维化风险［49-50］。所以，调控炎症小体的形成可能成为缓解肺纤维化的一个突破点。

2.5 细胞焦亡与肺癌肺癌作为全球范围内严重威胁人类健康的恶性肿瘤之一，在组织学上分为小细胞肺癌（small-cell lung cancer，SCLC）和非小细胞肺 癌（non-small-cell lung cancer，NSCLC），其 中NSCLC约占85%。在过去的几十年中，靶向治疗是肺癌的重要治疗手段之一。焦亡作为一种新检测到的程序性细胞死亡形式，可能成为除细胞自噬和凋亡之外的新的肺癌治疗方法。Wang等［8］报道了辛伐他汀可以通过激活caspase-1诱导的焦亡来抑制异种移植小鼠模型中NSCLC肿瘤的生长。Song等［51］观察到氧化锌纳米颗粒处理可诱导A549细胞焦亡。Duan［52］报道了let-7a-5p相关靶基因的异常表达改变了肺癌细胞的生存能力，而它并没有改变肺癌细胞的凋亡/焦亡，但其他文献证明NSCLC中的ROS产生促进了焦亡。在肺腺癌和鳞癌相关的淋巴细胞中观察到GSDMD高表达，且被激活的caspase分割［53-55］。Xie等［28］证明槐耳清膏通过激活经典焦亡途径来抑制NSCLC的进展，提示细胞焦亡可能参与肺癌发生机制的调节，促进炎症小体形成及GSDMD表达有助于肺癌的预防及治疗。

3 结语

肺脏作为人体重要的器官之一，长期吸烟及不健康的生活方式会导致COPD、哮喘及ALI的发生，加上全球气候日益变暖，大气污染日益加重，肺脏的健康状况受到了极大的挑战。如果缺乏有效的治疗及干预措施，这些疾病的发生将趋于年轻化。焦亡作为一种机体免疫方式，具有提呈及抗病原体的作用，然而过度的焦亡在肺脏血管内皮细胞、支气管上皮细胞、肺泡巨噬细胞及淋巴细胞等细胞中却促进了呼吸系统疾病的进展。现有研究显示焦亡主要通过裂解gasdermin蛋白家族而形成膜孔，从而释放炎症因子，部分因子如TXNIP可能在焦亡发生过程中发挥作用。然而，影响呼吸系统疾病的焦亡相关具体通路机制尚未被完全阐释，深入探究其通路机制，是开展以焦亡为靶点的临床治疗的关键。