細胞焦亡在動脈粥樣硬化中的作用及其研究進展

徐 璐 王 賀 岳 珂 魏 珂 解金紅 關懷敏

1.河南中醫藥大學第一臨床醫學院，河南鄭州 450000；2.河南中醫藥大學第一附屬醫院心血管內科第三病區，河南鄭州 450000

隨著國家經濟實力獲得長足發展，人民生活品質不斷提升，心腦血管疾病儼然成為傷害我國居民身心健康的“頭號殺手”。20 世紀80 年代以來，中國人罹患動脈粥樣硬化性心血管疾病的風險不斷增加，其中以冠心病和缺血性腦卒中為主要類型[1]。焦亡是一種細胞死亡的調節形式，其特征是質膜通透性的改變和炎癥細胞因子的細胞外釋放。2001 年，Cookson 和Brennan[2]首次界定這種細胞死亡的方式為依賴胱天蛋白酶（Caspase）-1 的程序性細胞死亡形式，因其潛在病理機制尚不清晰，近年來被科研人員廣泛又深入地研究。越來越多的研究表明，細胞焦亡與動脈粥樣硬化之間有著相當密切的關聯[3-6]。探討細胞焦亡與動脈粥樣硬化的相關性及其潛在致病機制有望為心血管疾病的一級預防和臨床治療找到新方向。

1 細胞焦亡的特點

焦亡作為程序性細胞死亡，與凋亡既有相似，又有不同。細胞焦亡發生染色體DNA 片段化、核固縮，且TUNEL 和Annexin V 染色呈陽性，這是焦亡和凋亡類似的地方；與凋亡的不同在于，經典細胞焦亡由Caspase-1 啟動，而凋亡由Caspase-3 介導。焦亡細胞在胞膜上形成大量蛋白孔，導致胞膜完整性喪失，調節物質流動的能力減弱，導致促炎物質釋放和繼發性炎癥反應的擴大[7]。

2 細胞焦亡的分子機制

病原微生物刺激機體后，在胞內模式識別受體中誘導寡聚化，與凋亡相關微粒蛋白和Caspase 前體結合形成炎癥復合體。該復合體識別細菌、真菌、病毒等病原體相關分子模式和膽固醇、ATP 等損傷相關分子模式，促進巨噬細胞、樹突狀細胞等先天性免疫細胞分泌白介素（interleukin，IL）-1β 和IL-18 誘導細胞焦亡[8]。

2.1 Caspase-1 依賴的經典焦亡途徑

在經典焦亡途徑中，炎癥復合體的形成激活Caspase-1前體。活化的Caspase-1 一方面促進IL-1β 和IL-18 前體的裂解，生成成熟的IL-1β 和IL-18；另一方面作用于胃泌素D Gasdermin-D（gastrin D gasdermin-D，GSDMD），將其裂解為反應性氨基（N）端和羧基（C）端。GSDMD 的N 末端結構域具有脂質選擇性，作用于細胞膜上形成直徑10～20 nm 的膜孔，導致細胞內外失衡，細胞溶解和死亡，IL-1β 和IL-18 等小分子分泌到細胞外[9-10]。此外，更多的免疫細胞被募集來觸發炎癥反應，最終導致細胞焦亡。

2.2 Caspase-11/-4/-5 介導的非典型途徑

人源性Caspase-4/-5 和鼠源性Caspase-11 可誘導非典型性焦亡。非經典途徑的Caspase 激活可能通過革蘭氏陰性菌來源的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）與胞漿中的Caspase-4/-5/-11 的前體結合而發生[11]。目前人們普遍認為Caspase-4/-5/-11 不能直接切割促炎細胞因子的前體，這是典型和非典型細胞焦亡途徑的主要區別。

3 NLRP3 炎癥體

NLRP3、凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和Caspase-1 前體蛋白共同構成了NLRP3 炎癥小體。NLRP3 與ASC 相互作用募集Caspase-1 前體，然后通過GSDMD 形成的孔道切割并釋放成熟的IL-1β。線粒體功能障礙時產生的活性氧是NLRP3 炎癥激活的信號[12]，溶酶體膜破裂也可激活NLRP3 炎癥體[13]。此外，K+外流和Ca2+動員也是NLRP3 炎癥體激活的上游關鍵事件[14]。研究證實NLRP3 水平的高低與急性冠脈綜合征患者冠狀動脈粥樣硬化的程度呈正相關，監測NLRP3 水平是一種能及時了解患者預后的手段[15]。這提示靶向NLRP3 相關的炎癥通路是抗動脈粥樣硬化的潛在治療方法。

4 細胞焦亡與動脈粥樣硬化

盡管醫療保健穩步發展，全世界范圍內仍有相當數量的人口因為心血管疾病而死亡，動脈粥樣硬化是一種慢性血管疾病，是全世界心血管疾病發病率和死亡率居高不下的主要原因之一[16]。脂質代謝紊亂和炎癥過程共同參與了動脈粥樣硬化斑塊的形成。動脈粥樣硬化的發展與血管內皮細胞、巨噬細胞、平滑肌細胞和其他類型血管細胞的死亡有密切關聯。

4.1 內皮細胞焦亡與動脈粥樣硬化

排列在血管壁表面的內皮細胞位于血液和間質組織的交界處，是抵御內源性危險信號的屏障[17]。在病變不顯著的動脈粥樣硬化早期小鼠就已經觀察到內皮功能障礙，這表明內皮細胞的損傷可能是一種早期的致病事件[18]。Xing 等[19]發現紅景天苷能逆轉LPS和ATP 刺激人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）所導致的內皮細胞炎癥小體激活和焦亡，同時紅景天苷能減少apoE-/-小鼠的動脈粥樣硬化斑塊中焦亡細胞的數量。紅景天苷抗動脈粥樣硬化的機制可能是抑制了NLRP3 相關的細胞焦亡。Yao 等[20]發現，羥基酪醇乙酸酯（hydroxytyrosol acetate，HT-AC）是一種從橄欖中提取的多酚化合物，能減輕apoE-/-小鼠主動脈內膜粥樣硬化病變的形成，抑制主動脈內膜的焦亡。HT-AC 作用于HUVECs 后，PI 陽性細胞數減少、Caspase-1 和GSDMD 蛋白表達降低，減少了IL-1β 和IL-6 的釋放，減輕腫瘤壞死因子-α 誘導的焦亡。Hu 等[21]發現與棕 櫚酸（palmitic acid，PA）單獨處理組相比，二氫楊梅素（dihydromyricetin，DHM）預處理將PA 誘導的HUVECs 中NLRP3、IL-1β和細胞間黏附分子-1 蛋白水平的升高逆轉至基礎狀態。DHM 預處理后，PA 誘導的Caspase-1 活性、IL-1β的釋放和PI 陽性細胞的增加也顯著減弱。這些結果提示DHM 能有效改善PA 誘導的HUVECs 焦亡。尼古丁促動脈粥樣硬化發生主要由于它能夠刺激活性氧的產生，激活NLRP3 和Caspase-1，并最終導致內皮細胞焦亡。焦亡可能是尼古丁通過產生活性氧和激活NLRP3 作為上游介質對動脈粥樣硬化產生有害影響的細胞機制[22]。因此，靶向Caspase-1 依賴的細胞焦亡可能會減輕尼古丁誘導的動脈粥樣硬化病變。以上研究均表明抑制血管內皮細胞焦亡可以有效延緩動脈粥樣硬化進展，是將來治療動脈粥樣硬化的潛在方法。

4.2 巨噬細胞焦亡與動脈粥樣硬化

內皮通透性和內皮下細胞外基質成分的改變導致低密度脂蛋白沉滯在動脈壁上。低密度脂蛋白轉化為氧化型低密度脂蛋白，促進動脈粥樣硬化的發生、發展[23]。氧化型低密度脂蛋白和膽固醇晶體觸發NLRP3炎癥小體和Caspase-1 的產生，引起巨噬細胞IL-1β和IL-18 的激活[24]。有研究表明，巨噬細胞中大量表達人類粥樣病變斑塊中NLRP3 炎癥小體的成分[25]，晚期病變時，巨噬細胞的焦亡可能促進壞死核心的形成和斑塊的不穩定性[26]。Zheng 等[27]發現與對照組相比，NLRP3 缺陷的apoE-/-小鼠動脈粥樣硬化損傷區巨噬細胞數量和脂質含量都顯著降低，研究證明沉默NLRP3 后可降低巨噬細胞脂質的斑塊含量，增加平滑肌細胞和膠原含量，從而減少動脈粥樣硬化斑塊不穩定性。有研究發現，線粒體外膜蛋白NIX 介導的線粒體自噬可通過調節活性氧和NLRP3 的活性，減少活性氧的產生，抑制NLRP3 的激活，從而抑制小鼠巨噬細胞的焦亡[28]。但是，NIX 在活體動物模型中的作用仍需進一步研究。文獻報道，CIC-2（一種氯離子通道，調節多種生理和病理過程）基因敲除抑制氧化型低密度脂蛋白誘導的巨噬細胞脂質攝取和沉積，CIC-2基因敲除通過抑制NLRP3 炎癥體的激活來改善氧化型低密度脂蛋白誘導的巨噬細胞泡沫細胞的形成和炎癥，提示CIC-2 可能是治療巨噬細胞泡沫細胞形成和動脈粥樣硬化的潛在靶點[29]。Jiang 等[30]發現，Caspase-11-GSDMD 介導的焦亡和隨后巨噬細胞的促炎反應參與了動脈粥樣硬化的發病過程。因此，靶向Caspase-11-GSDMD 可能成為治療動脈粥樣硬化的一種替代策略。以上研究提示，通過經典或非經典焦亡途徑抑制巨噬細胞焦亡對降低動脈粥樣硬化斑塊的不穩定性有顯著效果。

4.3 平滑肌細胞焦亡與動脈粥樣硬化

血管平滑肌細胞（vascularsmoothmusclecell，VSMC）是大中型彈性動脈的主要基質成分，也是動脈粥樣硬化病變重要的因素之一。動脈粥樣硬化形成時，VSMC從收縮表型向合成表型轉變，促進VSMC 進一步向內膜遷移和增殖[31]。此外，VSMC 還分泌基質，在晚期動脈粥樣硬化的病變上形成保護性纖維帽[32]。大的壞死核心或薄纖維帽形成后，斑塊變得不穩定，易發生急性破裂進入血液循環，導致血栓形成和急性心血管事件。黑色素瘤缺失因子2（absent in melanoma 2，AIM2）可加速apoE-/-小鼠動脈粥樣硬化斑塊的發展。研究發現，AIM2 通過Caspase-1-GSDMD 途徑促進斑塊病變區域的擴大，在VSMC 中過表達，研究還表明，NF-κB信號活性可影響AIM2 的表達，且它的抑制劑能抑制AIM2 激活[33]。Li 等[34]報道，與氧化型低密度脂蛋白單獨作用相比，Caspase-1 抑制劑VX-765 與氧化型低密度脂蛋白共同作用的小鼠平滑肌細胞的PI 陽性細胞百分率、乳酸脫氫酶活性、Caspase-1 活性以及IL-1β 水平均降低；與對照組相比，VX-765 顯著減少了小鼠粥樣斑塊中活化的IL-1β 陽性細胞的數量。Liu 等[35]的研究報道，牙齦卟啉單胞菌（porphyromonas gingivalis，Pg）影響動脈粥樣硬化的發生、發展，CircPPP1CC 可通過激活HMGB1/TLR9/AIM2 通路來增強Pg-LPS 誘導的VSMC 焦亡。因此，VSMC 焦亡可能促進動脈粥樣硬化發展，從而為臨床治療動脈粥樣硬化提供新的靶點和潛在的治療方法。目前VSMC 焦亡和動脈粥樣硬化之間關系的文章較少，期待科研人員更多的研究來闡明兩者之間的關系。

5 小結與展望

動脈粥樣硬化是一種慢性心臟代謝性疾病，目前仍是世界各地死亡的主要原因。由于臨床表現不明顯，通常只有在發生心肌梗死或腦卒中等心血管事件后才能診斷，導致極高的死亡率。動脈粥樣硬化機制的研究是一個歷久彌新的話題，目前學術界公認致動脈粥樣硬化的兩大因素是炎癥和脂質代謝紊亂，盡管每年圍繞著動脈粥樣硬化機制的探討數不勝數，但其確切的發病機制仍需深入研究。目前臨床上廣泛應用他汀類藥物來治療動脈粥樣硬化，但并沒有改善其高發病率和致死率，這提示當前主流的治療手段仍有不足，更行之有效的方法需要科研工作者和臨床醫生去研發來應對目前的治療困境。細胞焦亡是一種高度炎癥程序性細胞死亡，也是感染和組織損傷時先天免疫反應的一種重要形式，其主要特點是依賴于Caspase-1/-4/-5/-11，活化IL-1β 和IL-18。研究發現，細胞焦亡與動脈粥樣硬化的發生、發展以及斑塊的穩定性密切相關，通過影響特定的細胞焦亡途徑，能抑制動脈粥樣硬化的進展。目前的研究主要集中在與焦亡有關的幾個炎癥成分，例如NLRP3 炎癥復合體，并且大部分研究表明NLRP3 能夠激活細胞焦亡。各種體內和體外實驗也證明了Caspase-1/IL-18/IL-1β 在細胞焦亡中的特殊意義。近年來針對抑制細胞焦亡的藥物研究也取得了積極成效，但這些抑制劑應用到臨床上是否能真正改善患者動脈粥樣硬化情況還有待大型對照研究來證實。因此，要想在防治動脈粥樣硬化的方法上找到新的切入點，還需科研人員更深入地研究細胞焦亡在動脈粥樣硬化中發揮作用的機制及起效靶點，為開發更有效針對細胞焦亡及其相關成分的藥物提供堅實理論依據。