Caspase-1及其在心血管疾病中的作用研究進展*

姜艷嬌，孫增先，胡盼盼 綜述，劉 云 審校

(徐州醫科大學附屬連云港醫院藥學部，江蘇連云港 222061)

細胞焦亡是一種程序性細胞死亡方式，被認為是針對細胞內病原體的重要的先天免疫反應[1]，以天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)介導、質膜破壞及細胞成分和促炎性介質釋放為特征[2]。Caspase-1在體內無活性，需經炎癥小體NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3)將其激活為具有兩個p20和兩個p10亞基的異四聚體[3]，激活后的caspase-1緊接著將白細胞介素(IL)-1β前體和IL-18前體裂解為成熟的活性IL-1β和IL-18[2]。此外，caspase-1可裂解gasdermin D(GSDMD)形成其N末端結構域片段，其N末端片段富集促進膜孔形成，從而導致炎性因子釋放，引起細胞焦亡[4]。

如今，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是全球范圍內威脅人類健康、造成人類死亡的主要原因之一，主要包括肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)、動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)、心力衰竭(heart failure，HF)、心肌缺血/再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury，MI/RI)和心肌梗死(myocardial infarction，MI)。近年來研究發現，caspase-1參與的細胞焦亡相關的炎癥免疫因素在CVD發生、發展過程中扮演著重要角色，深入探索caspase-1在CVD中的作用機制，將有利于為CVD的預防和治療提供新的靶點和治療措施。

1 Caspase-1的結構及其功能

Caspase-1是與炎癥小體相關的caspase家族成員，具有一個氨基末端半胱天冬酶募集結構域(caspase recruitment domain,CARD)、一個中央大催化結構域和一個羧基末端小催化亞基結構域，它們共同參與了酶活性中心的形成[5]。早期研究已確定caspase-1可自動加工形成活性 p20/p10復合物。此外，線粒體功能障礙可致炎癥小體NLRP3活化寡聚，以激活caspase-1[6]。Caspase-1 激活后可促進成熟 IL-1β和IL-18的產生和分泌[7]。在體外，caspase-1切割的重組GSDMD N-末端片段緊密結合脂質體并形成大的細胞膜通透性孔，從而誘導細胞焦亡，引起炎性反應。

1.1 Caspase-1與IL-1β

IL-1β屬于 IL-1 超家族[8]，可由活化的巨噬細胞產生。作為一種促炎細胞因子，其生物活性受炎癥小體控制[9]。IL-1β在實驗模型中對心肌重塑和功能發揮具有負面影響，IL-1β mRNA的過表達可能造成小鼠急性MI后心臟重塑障礙和收縮功能障礙[3]。有證據表明，IL-1β的拮抗作用可能對HF患者的心臟重構和預后產生有利影響[10]。Caspase-1可將細胞因子IL-1β水解激活。有報道顯示，caspase-1選擇性抑制劑(VX-765)降低了活化的 caspase-1水平，并抑制了IL-18和IL-1β的成熟[11]。反之，可以推測IL-1β在炎性反應中發揮重要作用，控制心肌細胞中IL-1β mRNA的過表達有利于機體發揮保護作用。

1.2 Caspase-1與NLRP3

炎癥小體NLRP3在細胞質內發揮免疫監視作用，是由NLRP3、凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和caspase-1組成的多蛋白復合物[12]。NLRP3在結構上由C端富含亮氨酸的重復序列、中間核苷酸結合寡聚域(nucleotide-binding oligomerization domain，NOD)和N端含吡啶的效應子結構域組成[13]。化學上廣泛的刺激可以激活NLRP3炎癥小體，包括細菌和病毒病原體相關的分子模式，以及受損或垂死細胞釋放的內源性相關分子模式，后者的刺激是引發無菌炎癥的基礎[14]。在適當的刺激下，NLRP3發生寡聚，并通過兩種熱蛋白結構域的相互作用進一步募集ASC，形成螺旋狀ASC細絲，組裝成大ASC“斑點”[15]。在形成ASC斑點后，通過同型CARD-CARD相互作用募集caspase-1，誘導caspase-1在p20-p10接頭區域的切割[16]，從而誘導細胞焦亡的發生，引起炎性反應。近年來，越來越多的研究證明，NLRP3炎癥小體的激活與高脂血癥、糖尿病、肥胖癥和高同型半胱氨酸血癥[1]等多種心血管危險因素有關。因此，深入研究NLRP3在CVD中的作用機制有助于了解與細胞死亡相關疾病的發生和發展，這可能為CVD的預防和治療提供新的策略。

1.3 Caspase-1與GSDMD

GSDMD屬于gasdermin家族，是caspase-1的底物和細胞焦亡的介質[17]，含有約480個氨基酸。其可分為兩個結構域，GSDMD-N末端結構域和GSDMD-C末端結構域，它們通過長環連接。由于其C端結構域對N端結構的抑制作用，全長GSDMD無活性。活化的caspase-1可在連接環內的天冬氨酸位點有效切割GSDMD形成N末端片段，而N末端片段具有膜孔形成活性，其在哺乳動物細胞內聚集能夠誘導細胞焦亡[18-19]。在體內，caspase-1對GSDMD的識別和裂解是在典型的和非典型的炎癥小體信號傳導途徑下游引發的炎性細胞死亡的重要步驟[20]。因此，不斷探索GSDMD與caspase-1在細胞中的作用機制有助于了解與細胞死亡相關的疾病的發生和發展，這可能為CVD的預防和治療提供新的策略。

2 Caspase-1與CVD

2.1 Caspase-1與AS

AS以中型和大型動脈病變為主要特征，其病因是高血脂癥引起斑塊產生，以及脂蛋白顆粒從血管壁的清除功能障礙[5]。此外，慢性無菌炎癥是AS的另一重要致病機制。一項研究表明，涉及內皮細胞、巨噬細胞和平滑肌細胞的焦亡在AS的形成和發展中起著重要作用[21]。例如，低密度脂蛋白和膽固醇晶體可以觸發NLRP3炎癥小體和caspase-1的產生，并導致caspase-1介導巨噬細胞中IL-1β和IL-18的活化，通過NLRP3/caspae-1/IL-1β信號通路促進內皮細胞活化和功能障礙，從而促進AS的發生和發展。有動物模型實驗表明，caspase-1基因敲除小鼠的AS癥狀明顯減輕[22]，這提示caspase-1在血管細胞炎癥病變所致AS中發揮重要作用。因此，深入探究caspase-1與AS之間的關系，有益于AS的預防和治療。

2.2 Caspase-1與MI/RI

MI/RI的標志是程序性細胞死亡，包括凋亡、自噬及炎性反應。炎性反應是MI/RI引起的微血管損傷和功能障礙的關鍵特征[23]，抑制炎性反應對損傷修復有益[24]。體外實驗表明，活性氧產生和鉀離子外排可激活心肌組織成纖維細胞中的NLRP3炎癥小體，導致caspase-1激活和GSDMD裂解[25]。Caspase-1的激活在一定程度上加重了MI/RI。NLRP3炎性小體激活caspase-1后，一方面caspase-1可活化促炎細胞因子IL-1β和 IL-18前體；另一方面，其可作用于另一個底物GSDMD促進膜孔形成。這些孔形成后可破壞細胞膜完整性，增加細胞膜對IL-1β和IL-18的通透性。而IL-1β和IL-18被釋放到細胞外后，放大了炎性反應并進一步加重MI/RI[25-26]。因此，caspase-1在MI/RI中發揮了舉足輕重的作用，有望成為未來心臟保護療法的靶標。

2.3 Caspase-1與HF

病理性心肌肥大是心臟病中發生的變化，可致HF。Caspase-1的激活通過誘導IL-1β分泌可加重血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)誘導的心肌肥大，最終引發HF。體外實驗表明，心肌肥大模型中caspase-1和IL-1β表達水平顯著上調[26]。用caspase-1抑制劑處理心肌細胞顯示caspase-1抑制劑減弱了AngⅡ的促肥大作用，這與caspase-1和IL-1β的下調相呼應。另外，有實驗證明，擴張型心肌病患者心肌細胞通過NLRP3/caspase-1/GSDMD信號通路發生細胞焦亡，引起機體免疫反應[27]。因此，可以推斷caspase-1 介導的細胞焦亡參與了HF的發病機制[28]，靶向抑制caspase-1激活可阻斷心肌細胞焦亡，有望成為治療HF的潛在策略。

2.4 Caspase-1與MI

MI具有高發病率和高病死率。在急性MI期間，心肌細胞死亡，MI面積增加。已有證據支持MI通過產生活性氧和(或)鉀外排激活NLRP3炎癥小體[18]。NLRP3炎癥小體可激活caspase-1，誘導 IL-1β從心肌細胞釋放，加重MI。因此認為，由caspase-1介導的心肌細胞焦亡在MI中發揮重要作用[29-30]。此外，有學者表明，使用caspase-1抑制劑VX-765通過磷脂酰肌醇-3激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信號通路保護了離體灌注的大鼠心臟，減小了大鼠MI面積，可保護心臟以免損傷加重[31]。因此，caspase-1可能成為未來預防和治療MI的新靶點。

2.5 Caspase-1與PAH

PAH是一種破壞性疾病，其特征為血管周圍炎性細胞浸潤和肺血管重塑，最終導致右心衰竭和死亡[32]，被稱為心血管系統的“惡性腫瘤”。有學者證明，在缺氧條件下小鼠肺動脈平滑肌中炎癥小體NLRP3激活caspase-1，其通過caspase-1/IL-18/IL-6/信號轉導子與激活子3(STAT3)途徑誘導肺動脈平滑肌細胞增殖，從而誘導缺氧小鼠PAH[33-34]。另外，使用caspase-1抑制劑可減弱PAH的炎癥癥狀[7]，還可抑制肺血管纖維化。因此，推測caspase-1在PAH的發生和發展中發揮重要作用，深入研究caspase-1在PAH中的作用機制，其有望成為治療PAH的有效靶點。

3 小 結

Caspase-1可協同IL-1β、NLRP3、GSDMD等多種細胞因子參與細胞焦亡和炎性反應，而這些因子在AS、HF、MI/RI、MI和PAH中發揮重要作用。迄今為止，caspase-1的確切作用及其在上述疾病病理過程發生、發展中的機制，尚有待深入研究探討，其結果有望為臨床CVD提供新的治療方向和策略。