敗血癥相關中性粒細胞焦亡研究進展

亢舜彤

(中南大學湘雅醫學院，湖南 長沙)

1 焦亡

1.1 焦亡概述

1992 年，Zychlinsky 等[1]首先在感染了革蘭氏陰性細菌志賀氏菌的巨噬細胞中觀察到細胞凋亡的形態學特征，但在當時將其誤認為是凋亡的形態學改變。1999 年，Hersh 等[2]在沙門氏菌感染的巨噬細胞中觀察到類似的表型。進一步的研究發現，特異性抑制caspase-1 表達可有效地減少志賀氏菌引起的細胞死亡，而caspase-3 抑制劑則不能阻斷細胞死亡，表明這是一種不同于細胞凋亡的細胞死亡形式[3]。2001 年，Cookson 等[4]將細胞焦亡定義為一種新型的、caspase-1 依賴的細胞程序性死亡形式。由此，細胞焦亡進入到大眾視野中。除先前研究的巨噬細胞外，當細胞受到病原體感染或產生應激后，樹突狀細胞、肝細胞、內皮細胞和心肌細胞等多種細胞均可發生細胞焦亡。

1.2 焦亡與凋亡

焦亡細胞有與凋亡細胞和壞死細胞相類似的特征，但又不完全相同，其最重要的特征是迅速形成直徑為10-15 nm 的膜孔[5]。這些孔使細胞內離子流出，破壞細胞膜離子梯度，水進入細胞后，使細胞發生腫脹并最終裂解，導致細胞內促炎成分釋放，包括IL-1β、IL-18、熱休克蛋白、高遷移率Box-1 蛋白等，這些特征與壞死相似。凋亡的細胞以凋亡小體的形成和非炎性吞噬消化為特征，因此焦亡與凋亡在這一點上不同。焦亡和凋亡均有染色質濃縮的特征，但在焦亡中，細胞核不會發生核碎裂[6]。焦亡和凋亡另一區別是膜聯蛋白V 陽性染色不同，細胞凋亡時，磷脂酰絲氨酸(PS)翻轉至細胞膜外，細胞表面出現膜聯蛋白V 陽性染色，而細胞焦亡時細胞膜破裂，膜聯蛋白V 進入細胞而使膜內染色[7]。7-氨基放線菌素及碘化丙啶屬于非侵入性染料，只能通過膜孔進入細胞來使細胞核著色，凋亡細胞無膜孔形成，因此這些染料可用于區分焦亡細胞和凋亡細胞。此外，孔的形成會導致焦亡細胞發生腫脹，而凋亡細胞則會發生萎縮[8]。

1.3 焦亡機制

胱天蛋白酶家族對啟動細胞焦亡起關鍵作用，研究表明細胞焦亡主要表現為caspase-1 活化，在人類中由caspase-1/4/5 介導，在小鼠中由caspase-1/11 介導，細胞凋亡多表現為caspase-3/5/7活化。細胞感應內外信號，如病原體刺激或內源性物質的刺激，并對此產生反應，這種非特異性免疫反應依賴于膜上的模式識別受體(PRRs)，它們可以檢測病原體相關分子模式并感知損害相關分子模式[9-12]。根據位置分布不同，PRRs 可以分為膜結合PRRs 及胞質PRRs，膜結合PRRs 可識別細胞外或細胞內環境的刺激信號，如Toll 樣受體和C 型凝集素樣受體，胞質PRRs 能夠識別侵襲性病原體，如核苷酸結合寡聚域樣受體、視黃酸誘導型基因I 樣受體等[13-15]。PRRs 受到刺激后，觸發caspase-1 激活復合物組裝，并產生炎性小體[16]，可誘導炎性因子IL-1β 和IL-18 釋放。

GSDMD(gasdermin D) 是gasdermin 蛋 白 家 族 的 成 員，其N 末端結構域在焦亡中起主要作用。GSDMD-C 端形成環插入GSDMD-N 結構域有助于穩定GSDMD 構象以抑制焦亡發生。焦亡發生時，caspase-1 可切割下游蛋白GSDMD 生成游離GSDMD-N，消除GSDMD-C 的抑制作用，前者與細胞膜磷酸肌醇特異結合，誘導膜孔的形成并進一步促進細胞焦亡[12,17]。

1.4 炎性小體

炎性小體是一種蛋白復合物，由感受器、銜接子蛋白ASC 和caspase-1 組成，ASC 為焦亡相關斑點樣蛋白，含有caspase 募集域。目前為止，已鑒定出的多種炎性小體，如NLRP1、NLRP3、NLRC4、NLRP6 和AIM2 炎性小體。此外，小鼠caspase-11 與人類caspase-4/5 可以直接與胞質脂多糖結合，導致非典型炎性小體激活，這種非典型炎性小體也可誘導細胞焦亡，但不能直接促進炎性因子IL-1β 和IL-18 釋放，但非典型炎性小體能夠通過未明確機制激活典型的炎性小體來間接誘導炎性因子釋放[12]。

2 敗血癥

2.1 敗血癥概述

敗血癥嚴重威脅人體器官功能，因宿主對細菌感染的炎癥反應失調而引起，體內促炎因子和抗炎介質之間失去平衡。在敗血癥的早期階段，中性粒細胞首先到達感染部位，中性粒細胞是最早趨化的天然免疫細胞，可以分泌重要的細胞因子和趨化因子，還可以通過吞噬作用消滅病原微生物，最終脫顆粒并釋放ROS。敗血癥患者體內大量中性粒細胞功能受到破壞，中性粒細胞遷移受損、清除細菌功能受損、活性氧產生減少以及細胞因子釋放異常[18]。敗血癥發展嚴重時，中性粒細胞產生趨化功能障礙，釋放各種酶及炎癥介質，可損傷心、肺等重要器官使多器官功能故障。Kasten[19]研究發現，敗血癥患者血液中某些中性粒細胞亞群可以分泌大量的IL-10，這是一種免疫抑制因子，可抑制T 淋巴細胞的增殖，中性粒細胞和補體系統之間復雜的相互作用會導致敗血癥期間補體誘導的先天性免疫損傷，對人體產生嚴重損害。

2.2 中性粒細胞焦亡

研究表明[20]，在敗血癥患者體內，中性粒細胞的主要作用可能通過其焦亡產生，中性粒細胞在焦亡過程中持續合成并分泌IL-1β 和IL-18，釋放出大量其他細胞因子如IL-10、IL-13 及趨化因子如IL-8、髓過氧化物酶、組織蛋白酶G 和其他顆粒酶，中性粒細胞最終腫脹且發生細胞膜的溶解。中性粒細胞膜裂解后，胞內病原體還未直接釋放至細胞外即可形成孔誘導的細胞內陷阱(PIT)，可通過補體和清道夫受體協調進行非特異性免疫應答，PIT 促進中性粒細胞釋放活性氧或進行繼發性吞噬以消滅病原體[21,22]。在上述機制共同作用下，中性粒細胞的焦亡對于免疫細胞募集，可以起炎癥信號放大的作用。

脂多糖是細菌細胞壁的成分，可以誘導炎癥反應及細胞自噬，還可以誘導細胞焦亡[23,24]。敗血癥中，大量的細菌細胞壁分解脂多糖釋放到血液循環中，通過TLR2 和TLR4 受體激活中性粒細胞焦亡，脂多糖的自分泌可以通過ATP 信號傳導通路抑制中性粒細胞趨化[25]，對組織和器官造成廣泛損害。Jorgensen 等[21]報道，感染過程中，中性粒細胞焦亡促進細菌清除，而且中性粒細胞焦亡對于某些類型的病原體感染(如沙門氏菌感染)起著更重要的作用[26]。然而，中性粒細胞是敗血癥發展過程中炎性因子IL-1β的主要來源[27]，因此中性粒細胞的過度細胞焦亡顯然是有害的。Numberous[28]研究證實，caspase-11/1 敲除及IL-1β/ IL-18 敲除可以提高敗血癥小鼠模型存活率，但是Sarkar 等[29]研究得出，另一種感染性休克動物模型表明，敲除IL-1β 和IL-18 對于避免敗血癥發生是無用的。這些看似矛盾的結論表明，在不同階段和不同類型細菌感染的敗血癥中，我們應該對中性粒細胞焦亡有不同的定義。

3 小結與展望

近年來關于中性粒細胞焦亡的研究受到廣泛的關注，但中性粒細胞焦亡在敗血癥中的機制仍未引起足夠的重視。中性粒細胞是人體中最豐富的免疫細胞，發生焦亡后，則是炎癥因子IL-1β 和IL-18 的主要來源。中性粒細胞的壽命短且不能增殖，一般壽命僅24h，阻斷中性粒細胞焦亡可避免caspase-1 及IL -1β/ IL-18引起連鎖反應。

同時，隨著知識的進步，對gasdermin 活性的藥理調節可能成為治療具有炎性成分的不同疾病的潛在靶點。特定gasdermin 阻滯劑的特性鑒定才剛剛開始，也驗證了細胞焦亡是可行的藥物靶標。在許多體內模型以及臨床試驗中，已經證明了用化學抑制劑或阻斷抗體來阻斷炎性體IL-1 途徑的臨床意義，并且已批準了針對IL-1 的阻斷抗體可用于治療自發炎和慢性炎性疾病。新型gasdermin 阻滯劑的開發，可能將為開發針對炎癥性疾病的新型療法鋪平道路。

目前對于細胞焦亡的研究發展迅速，對于中性粒細胞焦亡進行干預似乎可減少敗血癥治療風險，且其副反應更小。因此，研究敗血癥相關的中性粒細胞焦亡及其主要機制，還有中性粒細胞焦亡的潛在價值，都對敗血癥的治療具有重要意義。