細胞焦亡與炎癥反應的研究進展

黃云帆，彭禮波綜述張志堅審校

(重慶市巴南區人民醫院重癥醫學科，重慶401340)

細胞焦亡與炎癥反應的研究進展

黃云帆，彭禮波綜述張志堅審校

(重慶市巴南區人民醫院重癥醫學科，重慶401340)

細胞焦亡是近期發現的一種新的細胞死亡方式，是一種依賴半胱天冬氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)的病理性自殺死亡過程。細胞焦亡過程中常伴隨炎癥反應發生，研究表明炎癥小體及活性氧簇與其關系密切。細胞焦亡是一個高度炎癥細胞死亡模式，它可以加速免疫應答以抵抗病原體的入侵，促進病原體清除的作用。本文主要討論細胞焦亡的發生過程及引起炎癥反應的機制。

細胞焦亡；炎癥反應；半胱天冬氨酸蛋白酶-1

炎癥反應是致炎因子作用于機體后所引發的一系列反應。臨床常因感染、創傷、中毒等致病因素引起，這些因素作用于機體后，一般激活先天免疫系統，通過刺激炎癥相關細胞(如巨噬細胞、中性粒細胞)釋放大量炎癥因子引發機體的炎癥反應。嚴重者破壞機體平衡，導致細胞死亡，破壞機體組織。研究發現炎癥反應可以通過不同的通路引起細胞死亡及機體受損，而細胞死亡也呈現不同的方式。細胞焦亡是最近發現的一種新的細胞死亡方式。本文對細胞焦亡與炎癥反應關系研究進展綜述如下：

1 細胞死亡的分類

細胞是人體結構和功能的基本單位，細胞死亡是生命現象不可逆停止，是維持組織機能和形態所必須的過程。人體由大量細胞為基礎構建而成，整個人體中每分鐘大約有1億個細胞死亡，不斷進行循環，從而維持正常的身體機能。引起細胞死亡的因素很多，各種損傷因子作用于機體達到一定強度或持續一定時間，都可能使受損組織的代謝完全停止，導致細胞或組織死亡，是一個不可逆的過程。過去對于細胞死亡的命名一直未統一，影響到學術界研究的統一性。2009年細胞死亡命名委員會(Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD)決定根據形態學改變將細胞死亡命名為凋亡、壞死、角化性細胞死亡、自噬性細胞死亡、非典型細胞死亡[1]。近期研究發現了一種新的非典型細胞死亡方式—“細胞焦亡”，它具有依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶-1(Cysteine aspartate-specific protease-1，Caspase-1)，同時伴隨著炎癥反應發生的重要生物學特征[2-3]。

2 細胞焦亡的發現

細胞焦亡是在沙門氏菌感染巨噬細胞時被發現的[3-4]，它涉及Caspase-1活化，并且伴隨著大量炎性因子的產生。細胞焦亡與細胞凋亡類似，也是一種自殺行為，但兩者又有本質的區別。細胞凋亡是為了維持內環境穩定，由基因控制的細胞自主有序的死亡，它不是一個病理過程，而是一種生理性自殺；細胞焦亡則類似于患者尤其是患絕癥者采取的一種自殺行為，是一種病理性自殺，而且焦亡細胞會出現細胞溶解并釋放出細胞內容物，誘發炎癥反應。所以，發生細胞焦亡的一般是感染病毒或細菌的細胞；而發生細胞凋亡的則是那些并未感染病毒和細菌的正常細胞。簡而言之，細胞凋亡屬于生理性自殺，細胞焦亡屬于病理性自殺。

3 細胞焦亡的發生過程及引起炎癥反應的機制

細胞焦亡過程依賴于Caspase-1的活化，而Caspase-1的一個重要功能就是介導白細胞介素-1β (IL-1β)前體裂解成具有活性的IL-1β，IL-1β能募集、激活其他免疫細胞，誘導趨化因子(如IL-18)、炎癥因子(如IL-6)、粘附分子等的合成，最終形成“瀑布效益”、“級聯效應”，放大炎癥反應，導致劇烈的炎癥反應的發生[5]。

既往關于Caspase-1活化的觸發條件相關內容報道較少，直到炎癥小體的發現，才對不成熟細胞因子的酶促裂解提出了一個新的概念，促進了整個理論系統的完善。1989年Charles Janeway在冷泉會議上提出“模式識別受體”假說以來，在高等動物中迄今已經發現了三大家族的模式識別受體，分別是Toll-樣受體(TLR)、Nod受體(NLR)和視黃酸誘導基因-樣受體(RLR)。其中NLR是一種具有識別入侵病原體和激活先天免疫反應重要功能的胞內模式識別受體。在識別微生物成分后，某些NLR會形成胞漿的多蛋白復合物，稱之為炎癥小體，它具有整合幾種危險信號的類型使Caspase-1活化的能力[6]。例如炭疽芽孢桿菌的致死性毒素和細菌的肽聚糖可激活炎癥小體NLRP1[7-8]，而炎癥小體NLRC4則是細菌鞭毛蛋白和包含Ⅲ/Ⅳ類型分泌系統的細菌(如沙門氏菌和銅綠假單胞菌)的應答產物[9-10]。在沙門氏菌感染的應答中可激活NLRC4炎癥小體，通過招募、裂解和激活炎性Caspase-1進而導致白介素(IL-1β和IL-18)等炎癥因子的成熟和分泌以及一種稱為“細胞焦亡”的特殊細胞死亡的發生，從而抵御致病菌的侵襲。炎癥小體的通路形成了一個信號平臺，引起炎性半胱天冬酶的活化，其中最主要的是Caspase-1的活化。炎癥小體傳感器的活化會觸發Caspase-1前體裂解為有活性的Caspase-1，Caspase-1活化的一個重要結果是生成和分泌IL-1β和IL-18。具有生物活性的細胞因子IL-1β和IL-18的分泌涉及以下三個關鍵環節：(1)轉錄因子NF-κB的核移位引起IL-1β和IL-18前體的表達；(2)IL-1β和IL-18前體被具有活性的Caspase-1復合物酶促裂解為成熟的具有生物活性的形式；(3)IL-1β和IL-18被分泌到細胞外。IL-1β和IL-18前體的成熟以及活化IL-1β和IL-18的分泌都與Caspase-1密切相關。IL-1β和IL-18都是以非經典途徑分泌的，它們的釋放因細胞類型不同而不同[11-12]。不同于IL-1β前體，IL-18前體基本是在未受刺激的細胞里表達的[13]。Caspase-1前體的活化觸發了細胞焦亡，它與依賴Caspase-3的細胞凋亡和細胞死亡有所不同，細胞焦亡的一個顯著特征是細胞膜完整性喪失，并釋放胞漿中促炎性細胞內容物，誘發炎癥反應[14]。研究表明IL-1β、IL-6和IL-18具有明顯的致炎作用。IL-1β作為炎癥放大的啟動因子，是炎癥反應的主要參與者。IL-6可通過調控粘附因子的合成及誘導單核細胞趨化蛋白促進其他細胞因子的釋放如IL-1、TNF-α的分泌，這些因子又可以反過來增加IL-6的表達，形成炎性因子的“瀑布樣反應”。IL-18是一種致炎細胞超家族成員之一，屬于趨化性細胞因子，能吸引白細胞定向移動。IL-18在Caspase-1表達升高時被激活、分泌增多，吸引白細胞向病灶定向聚集[15]。因此，細胞焦亡的過程就是炎癥發生的過程，細胞焦亡的程度一定情況下反映了機體炎癥反應發生的程度，兩者相互關聯，相互促進。

近期研究證實感染沙門氏菌的巨噬細胞會經歷炎癥小體、Caspase-1依賴、IL-1β及不依賴IL-18的細胞焦亡過程。該過程中釋放的細菌可被其他類型的細胞攝取，吞噬和分裂，進而減少感染性微生物的遠期負擔[16]。其中細胞焦亡觸發的炎癥小體被看作是一個獨立的效應機制，可以通過促進受感染的免疫細胞死亡來控制致病原的擴散[17]。也有研究表明感染了沙門氏菌的巨噬細胞宿主可以在攝取更多細菌前直接清除體內的細菌，避免引起嚴重的感染，因此每次都可以更有效的清除細胞內的少量細菌，避免了細胞焦亡的發生[18]。更重要的是，研究還發現NLRC4炎癥小體的激活需要活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的參與，它可以抵御包含沙門氏菌液泡(salmonella-containing vacuole，SCV)內細菌的復制。細胞焦亡被認為在免疫系統促進致病原排除的防御機制中起了一定作用。雖然細胞焦亡在體外實驗中顯現出了某方面的功能，但在體內的具體作用仍然未知。近來還有研究表明脂多糖可通過直接激活Caspase-4、Caspase-5引起細胞焦亡。但研究中仍有較多尚不清楚的領域，比如細胞死亡是否會在缺乏細菌感染的情況下經歷細胞焦亡這一途徑尚不清楚[19]。

在這里不得不單獨提到ROS在細胞焦亡中的作用。ROS是需氧細胞在代謝過程中產生的一系列活性氧簇，包括氧自由基及一些含氧的非自由基衍生物，前者又包含超氧陰離子和羥自由基，ROS的氧化活性較高，在氧化應激中發揮著重要作用。ROS可通過半胱天冬氨酸蛋白酶、溶酶體蛋白酶或是內切核酸酶引起三種類型的程序性細胞死亡，分別是細胞凋亡、自噬和細胞焦亡[20]。因此，ROS也可通過激活Caspase-1引起細胞焦亡，ROS的產生與細胞焦亡密切相關。

4 展望

研究者在巨噬細胞感染沙門氏菌時發現了細胞焦亡現象，這是一種新型的細胞死亡方式，主要包括Caspase-1依賴的細胞溶解，炎癥因子的產生和DNA片段化等特征性的特點[21]。細胞焦亡可發生在體內任何部位，包括非免疫器官和組織、末梢循環或淋巴器官。細胞焦亡會在不同的部位導致不同的結果。最近的研究表明，細胞焦亡與系統性紅斑狼瘡、動脈粥樣硬化、阿爾茨海默病、艾滋病的防治等都有很密切的關系[2，22-24]。這些疾病的發生發展與炎癥反應也有密不可分的關系。焦亡是一個高度炎性細胞死亡模式，它可以加速免疫應答以抵抗病原體的入侵，促進病原體的清除[24]。隨著研究的不斷深入，必定會進一步揭示細胞焦亡的機理及其在疾病中的作用，從而促進人類健康。

[1]Kroemer G,Galluzzi L,Vandenabeele P,et al.Classification of cell death:recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death[J].Cell Death Differ,2009,16(1):3-11.

[2]張田勘.細胞焦亡假說與艾滋病防治[N].中國醫藥報,2014.

[3]崔天盆,鄭承紅,陳杰,等.細胞死亡方式及其清除[J].中國免疫學雜志,2014,6(30):843-846.

[4]Cocco M,Garella D,Di Stilo A,et al.Electrophilic warhead-based design of compounds preventing NLRP3 inflammasome-dependent pyroptosis[J].J Med Chem,2014,57(24):10366-10382.

[5]Dutta P,Courties G,Wei Y,et al.Myocardial infarction accelerates atherosclerosis[J].Nature,2012,487(7407):325-329.

[6]Schroder K,Tschopp J.The inflammasomes[J].Cell,2010,140(6): 821-832.

[7]Boyden ED,Dietrich WF.Nalp1b controls mouse macrophage susceptibility to anthrax lethal toxin[J].Nat Genet,2006,38(2): 240-244.

[8]Faustin B,Lartigue L,Bruey JM,et al.Reconstituted NALP1 inflammasome reveals two-step mechanism of caspase-1 activation[J]. Mol Cell,2007,25(5):713-724.

[9]Mariathasan S,Newton K,Monack DM,et al.Differential activation of the inflammasome by caspase-1 adaptors ASC and Ipaf[J].Nature,2004,430(6996):213-218.

[10]Franchi L,Amer A,Body-Malapel M,et al.Cytosolic flagellin requires Ipaf for activation of caspase-1 and interleukin 1beta in salmonella-infected macrophages[J].Nat Immunol,2006,7(6):576-582.

[11]Netea MG,Nold-Petry CA,Nold MF,et al.Differential requirement for the activation of the inflammasome for processing and release of IL-1beta in monocytes and macrophages[J].Blood,2009,113(10): 2324-2335.

[12]Lopez-Castejon G,Brough D.Understanding the mechanism of IL-1beta secretion[J].Cytokine Growth Factor Rev,2011,22(4): 189-195.

[13]O'Brien LC,Mezzaroma E,Van Tassell BW,et al.Interleukin-18 as a therapeutic target in acute myocardial infarction and heart failure[J]. Mol Med,2014,20(7):221-229.

[14]胡佩佩,黃復深,牛俊超,等.豬胸膜肺炎放線桿菌感染小鼠所致炎癥中TLR-4信號通路涉及細胞焦亡[J].微生物學報,2015,55(5): 650-656.

[15]張明,孟和寶力高,郭蘭英,等.白細胞介素-18的研究進展[J].放射免疫學雜志,2012,25(5):535-536.

[16]Miao EA,Leaf IA,Treuting PM,et al.Caspase-1-induced pyroptosis is an innate immune effector mechanism against intracellular bacteria [J].Nat Immunol,2010,11(12):1136-1142.

[17]Mankan AK,Kubarenko A,Hornung V.Immunology in clinic review series;focus on autoinflammatory diseases:inflammasomes:mechanisms of activation[J].Clin Exp Immunol,2012,167(3):369-381.

[18]Man SM,Ekpenyong A,Tourlomousis P,et al.Actin polymerization as a key innate immune effector mechanism to control Salmonella infection[J].Proc NatlAcad Sci USA,2014,111(49):17588-17593.

[19]Hirsova P,Gores GJ.Death receptor-mediated cell death and proinflammatory signaling in nonalcoholic steatohepatitis[J].Cell Mol Gastroenterol Hepatol,2015,1(1):17-27.

[20]Chung SD,Lai TY,Chien CT,et al.Activating Nrf-2 signaling depresses unilateral ureteral obstruction-evoked mitochondrial stress-related autophagy,apoptosis and pyroptosis in kidney[J].PLoS One, 2012,7(10):e47299.

[21]Zhu X,Lee JY,Timmins JM,et al.Increased cellular free cholesterol in macrophage-specific Abca1 knock-out mice enhances pro-inflammatory response of macrophages[J].J Biol Chem,2008,283(34): 22930-22941.

[22]譚夢姍,郁金泰,譚蘭.NLRP1炎癥小體介導的神經元焦亡在阿爾茨海默病中的作用[C].中華醫學會第十七次全國神經病學學術會議論文匯編,2014.

[23]靳夢醒.細胞自噬對oxLDL誘導巨噬細胞焦亡(pyroptosis)的影響及機制[D].合肥:安徽醫科大學,2014:1-60.

[24]Magna M,Pisetsky DS.The role of cell death in the pathogenesis of SLE:Is pyroptosis the missing link?[J].Scand J Immunol,2015,82 (3):218-224.

R329.2+5

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1003—6350（2016）21—3533—03

2016-03-18)

重慶市衛生計生委醫學科研項目(編號：2014-2-199、2015XMSB000790)；重慶市巴南區科學技術項目(編號：2015-07)

張志堅。E-mail：zzj19790208@yeah.net

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.21.030