細胞焦亡在心血管系統疾病中的研究進展

高凡雅，王軍奎，張?，姬新才，潘碩

(1.西安醫學院，陜西 西安 710068；2.陜西省人民醫院，陜西 西安 710068；3. 空軍軍醫大學，陜西 西安 710032)

1 細胞焦亡的特征和信號通路

細胞死亡或存活在生理病理情況下都具有重要意義，細胞死亡可分為程序性死亡和非程序性死亡[1]。細胞程序性死亡是由基因調控的自主性有序死亡，能夠被細胞信號轉導的抑制劑阻斷，細胞焦亡、凋亡、自噬均是程序性細胞死亡的形式；非程序性死亡主要是指接受物理或化學刺激后細胞的被動死亡，例如壞死[2]；細胞焦亡是一種炎性死亡，由氧化應激，高血糖，炎癥等病理刺激觸發，目前在巨噬細胞，血管內皮細胞，心肌細胞，心臟成纖維細胞中均能觀察到焦亡的發生[3]。細胞焦亡在形態學和機制上不同于凋亡和自噬等其他細胞程序性死亡，細胞焦亡以快速的質膜破壞和胞內白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-18(IL-18)等炎性介質的釋放為特征，能激活強烈的炎癥反應[4]。

細胞焦亡的機制主要為胱天蛋白酶(Caspase)介導的Gasdermin蛋白活化，包括Caspase-1依賴性的經典途徑和涉及Caspase-4，5和Caspase-11的非經典途徑[5]。細胞在炎癥等病理情況下激活NOD樣受體(NLRP3)后，NLRP3可與凋亡相關斑點樣蛋白(ASC)結合，后者的CARD和PYD結構域相互作用并連接Caspase-1，將Caspase-1裂解為成熟體(p10/p20四聚體)。活化的Caspase-1進一步識別非活性的IL-β和IL-18前體，并將其轉化為成熟的炎性細胞因子；另一方面，活化的Caspase-1切割Gasdermin家族GSDMD的N端序列從而產生膜孔，膜孔的形成促進了炎性因子的釋放，細胞腫脹，并最終導致細胞焦亡[6]。

2 焦亡與心血管系統疾病的關系

越來越多的證據表明，焦亡可通過介導細胞死亡和炎癥而參與各種心血管疾病，干預與焦亡相關的分子(例如caspase-1，NLRP3，GSDMD和ASC)會顯著影響心血管疾病的進展和預后[7]。因此，深入了解焦亡在心血管疾病中的作用和分子機制可為心血管疾病的防治提供潛在靶點。

2.1 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種慢性進行性疾病，主要特征是血管壁脂質異常沉積引起的血流障礙，動脈粥樣硬化斑塊破裂引發的冠心病和中風等疾病是全世界發病率和死亡率的主要原因[8]。已有研究表明內皮細胞和巨噬細胞焦亡在動脈粥樣硬化的發生和發展中扮演重要角色。

巨噬細胞是機體固有免疫系統中的重要細胞成分，參與了動脈粥樣硬化病變發展的所有階段，因此巨噬細胞是一個重要的藥物作用靶點。研究表明，氧化低密度脂蛋白和膽固醇晶體促進巨噬細胞泡沫化的過程中炎性小體NLRP3生成增多，并激活Caspase-1誘導巨噬細胞焦亡；巨噬細胞是IL-1β和IL-18的主要來源，NLRP3基因的沉默可以消除膽固醇晶體誘導的IL-1β分泌，而IL-1β的缺失可改善Apo E-/-小鼠的動脈粥樣硬化[9]。動脈粥樣硬化患者巨噬細胞中IRF調節因子1(IRF-1)表達上調，IRF-1的過表達或抑制均有效地調節了Caspase-1的活化、及NLRP3-ASC炎性小體的激活，進一步的實驗表明IRF-1誘導的焦亡和下游炎癥反應是依賴于活性氧生成的過程[10]。Schmid-Burgk等利用基因組CRISPR篩查發現NEK7是NLRP3炎癥小體激活的重要成分，并進一步證明Nek7敲除的巨噬細胞Nlrp3炎癥小體反應性減弱[11]。

血管內皮細胞是血液和血管壁之間的屏障，也是動脈粥樣硬化病變的起點。用高脂處理內皮細胞24 h后，焦亡相關分子標志物表達明顯上調，表明脂質誘導了內皮細胞中Caspase-1激活和細胞焦亡；大體水平上，Caspase-1敲除則通過減弱主動脈炎癥細胞因子的表達和內皮細胞的活性，顯著改善了Apo E-/-小鼠的動脈粥樣硬化[12]。在尼古丁誘導的動脈粥樣硬化模型中可以通過刺激活性氧增加而激活NLRP3炎性小體，進而增加Caspase-1的裂解，IL-1β和IL-18的產生[13]。miR-125a-5p在氧化低密度脂蛋白誘導的血管內皮細胞中水平升高，并通過調節雙氧酶TET2增加活性氧的產生來誘導焦亡，其表達水平的調節可能成為動脈粥樣硬化治療策略的潛在靶點[14]。

褪黑素是一種主要在松果體中合成的神經內分泌激素，具有抗氧化作用，在動脈粥樣硬化的防治中發揮重要作用[15]。最新研究發現，褪黑素治療可顯著降低ApoE -/- 小鼠的動脈粥樣硬化斑塊和脂質含量，并顯著減弱了焦亡相關基因的表達，包括NLRP3，ASC，Caspase-1，GSDMD，IL-1β和IL-18。體外研究中，褪黑素還可以抑制氧化低密度脂蛋白誘導的主動脈內皮細胞焦亡；此外，MEG3通過序列互補作用抑制miR-223功能，增加NLRP3表達，促進內皮細胞焦亡，miR-223的敲低則阻斷了褪黑素在主動脈內皮細胞中的抗熱解焦亡效應[16]。因此，褪黑素在動脈粥樣硬化中通過MEG3/miR-223/NLRP3通路抑制了內皮細胞的焦亡。然而，針對細胞焦亡的機制能否開發出新型防治動脈粥樣硬化的藥物仍需進一步研究。

2.2 心肌再灌注損傷

再灌注損傷被描述為缺氧或局部缺血后 血液供應的恢復對組織造成的損害，從而導致活性氧積累，細胞離子穩態失調和炎癥反應[17]。心肌梗死后及時的溶栓、經皮冠狀動脈介入治療或冠狀動脈搭橋治療可顯著提高心梗患者的生存率，然而以上的再灌注治療讓心力衰竭、心律不齊、心肌微血管功能障礙和死亡的風險增加，極大的限制了再灌注治療的有益作用。因此，預防和減輕心肌缺血再灌注損傷是改善急性心肌梗死患者預后的關鍵。

早期研究表明，再灌注損傷主要涉及細胞壞死和凋亡，最新證據表明心肌缺血再灌注損傷中也有焦亡的發生，包括DNA片段增加、線粒體腫脹、細胞膜破裂以及焦亡相關蛋白水平增加[18]。Sumra Nazir等發現在心肌缺血再灌注之前和之后應用內源性炎癥抑制劑活化蛋白C(aPC)，均可減少小鼠心肌梗死面積，同時Nlrp3炎癥小體的激活降低。體內動力學分析顯示Nlrp3炎癥小體的激活先于心肌損傷和細胞凋亡，證實了Nlrp3炎癥小體的致病作用；在體外，aPC通過蛋白酶激活的受體1(PAR-1)和哺乳動物雷帕霉素靶點1 (mTORC1)信號通路抑制巨噬細胞、心肌細胞和心肌成纖維細胞炎性小體的激活，這可能是防治心機再灌注損傷的潛在靶點[19]。Audia等人表明在心肌缺血再灌注模型中應用caspase-1抑制劑VX-765可以減少梗死面積并改善左室功能；此外，VX-765降低了IL-1β水平，減少了心臟糖酵解酶的降解和乳酸脫氫酶的釋放，并維持了線粒體復合物Ⅰ的活性[20]。

2.3 糖尿病心肌病

糖尿病性心肌病是慢性糖尿病的一種嚴重并發癥，以心肌纖維化和心肌肥厚為特征，發病機制涉及線粒體功能障礙、氧化應激、炎癥反應、自噬、細胞凋亡、糖尿病微血管病變和心肌纖維化[21]。隨著生物學技術的發展，越來越多的證據表明焦亡在糖尿病心肌病的病理基礎中發揮著重要作用。研究發現糖尿病大鼠中NLRP3，ASC，Caspase-1和成熟IL-1β水平上升，這可能是由高血糖引起的活性氧過度累積導致的，NLRP3沉默或活性氧抑制則可抑制高糖誘導的細胞焦亡[22]；同時糖尿病通過NLRP3炎性體介導的焦亡加重心肌缺血再灌注損傷[23]。

在機制方面，非編碼RNA在糖尿病心肌病的焦亡中發揮重要作用[24]。楊等人發現，用慢病毒沉默Kcnq1ot1可以改善糖尿病小鼠的心功能和纖維化并抑制焦亡[25]。體外實驗發現，30 mmol/l葡萄糖處理心肌成纖維細胞中和焦亡增加，同時Kcnq1ot1水平升高；Kcnq1ot1敲除則降低了Caspase-1的表達并抑制焦亡的發生。生物信息學預測和熒光素酶檢測顯示，Kcnq1ot1作為一種內源性RNA，可通過調控miR-214-3p來影響Caspase-1的表達；同時沉默Kcnq1ot1可通過miR-214-3p和caspase-1，促進Gasdermin D的裂解和IL-1β的活化，從而抑制高糖誘導的成纖維細胞焦亡。因此，Kcnq1ot1/miR-214-3p/Caspase-1信號通路為DCM進展提供了一種新機制，可能成為新的治療靶點。

mir-30d是一種內源性的小型非編碼RNA，李等人的研究顯示，mir-30d在鏈脲佐菌素(STZ)誘導的糖尿病大鼠和高糖處理的心肌細胞中表達顯著增加。mir-30d的上調可促進糖尿病心肌病心肌細胞的焦亡；相反，mir-30d敲除則降低Caspase-1及IL-1β的活化并抑制焦亡的發生。此外，mir-30d過表達直接抑制foxo3a及其下游蛋白[26]。以上研究表明mir-30d在糖尿病心肌病的治療中可能是一個潛在的治療靶點。

3 通過干擾熱解改善CVD的研究進展

白藜蘆醇是一種天然多酚，可以通過上調內皮NO合酶來清除氧自由基，從而限制脂質過氧化過程，因此具有抗炎抗氧化的作用[27]。白藜蘆醇可以通過抑制TXNIP和蛋白激酶信號通路的磷酸化來抑制NLRP3炎性體的活化，從而緩解糖尿病心肌病，改善心臟重塑和功能障礙；白藜蘆醇對NLRP3敲除大鼠的有益作用則減弱[28]。

芥子酸是中藥芥菜和黃芥菜[29]。最近的研究發現，在高糖和氧化性低密度脂蛋白孵育的巨噬細胞中，低劑量(≤50mg / kg)的芥子酸和MALAT1敲除具有相同的效應，可以通過下調lncRNA-MALAT1的表達來抑制NLRP3炎性小體的活化，降低IL-1和IL-1β的水平，從而抑制巨噬細胞的焦亡并改善糖尿病小鼠中的動脈粥樣硬化[30]。

二氫楊梅素是一種天然的類黃酮，具有廣泛的藥理作用[31]。在棕櫚酸誘導的人臍靜脈內皮細胞焦亡模型中，二氫楊梅素預處理可以增加細胞活力、改善細胞膜完整性、降低caspase-1的裂解和IL-1的成熟，從而抑制棕櫚酸誘導的焦亡。二氫楊梅素預處理顯著降低了細胞內活性氧和線粒體活性氧水平，激活了Nrf2信號通路；Nrf2敲除則減弱了二氫楊梅素對焦亡的抑制作用[32]。以上研究結果揭示了二氫楊梅素靶向炎癥相關疾病(如動脈粥樣硬化)的潛在藥用價值。

曲美他嗪是一種抗缺血藥物，被廣泛用于治療心肌梗死和其他缺血性心臟病，可顯著減少細胞內酸中毒和細胞凋亡，從而保護線粒體功能和心肌[33]。敗血癥是一種威脅生命的器官功能障礙綜合癥，由宿主對感染的功能障礙反應引起，是住院患者最常見的死亡原因之一[34]。陳等人報道曲美他嗪能通過AMPK / Nrf2途徑調節趨化因子CXC受體2的表達促進嗜中性粒細胞募集到心臟組織，從而減輕脂多糖誘導的心肌細胞焦亡和心臟功能障礙，該結果表明曲美他嗪是敗血性心臟功能障礙的潛在治療劑[35]。

4 展望

眾多研究表明，各種心血管疾病中NLRP3炎性小體的激活是細胞焦亡的關鍵調節器，阻斷炎癥小體途徑在延緩心血管疾病進展方面具有臨床益處。NLRP3炎癥小體和焦亡相關的復雜信號通路有多種作用靶點，包括NLRP3炎癥小體上游信號，NLRP3炎癥小體組裝，Caspase-1激活和GSDMD裂解，中和炎癥細胞因子等均可抑制其作用。幾種類型的NLRP3炎癥小體抑制劑已經開發出來，并在炎癥相關疾病的細胞培養研究和動物模型中得到驗證。然而，要將其轉化為臨床實踐，還需要進行前瞻性臨床試驗。進一步探索焦亡的新信號通路，對開發新的治療藥物具有重要意義。