細胞焦亡對哮喘發病機制影響進展

劉珊 羅建江 郭楠楠

2. 830000 新疆 烏魯木齊，新疆醫科大學第四附屬醫院

支氣管哮喘(簡稱哮喘)是一種以氣道慢性炎癥為特性的呼吸系統疾病，目前對其發病機制并未完全研究清楚，主要集中于氣道炎癥機制、免疫調節機制、遺傳及環境因素以及神經調節機制等方面[1]。而在炎癥的發生機制中，細胞焦亡是近年來發現并證實的一種新的程序性細胞死亡方式，其特征為被激活的消皮素D(Gasdermin D，GSDMD)在細胞膜打孔，使細胞內外滲透壓改變，細胞外物質流入細胞內，細胞最終破裂，大量促炎癥因子被釋放[2]。所以細胞焦亡又有另一個稱號——細胞炎性壞死[3]。細胞焦亡是機體內所固有的免疫反應，可以幫助機體識別危險信號，防止感染性疾病發生，發揮著保護機體的作用[4]。一定程度的細胞焦亡可清除致病微生物，但是過多的細胞焦亡會使大量的炎癥因子釋放，超過機體的清除能力，從而誘發或加重炎癥反應[5]。在呼吸系統疾病的發病機制研究中，細胞焦亡近年來也逐漸成為熱點問題之一，特別是在呼吸道感染以及哮喘、COPD等慢性氣道炎性疾病中[6]。而本文主要針對細胞焦亡對哮喘發病機制影響的研究進展進行綜述。

細胞焦亡的機制

現有研究表明，細胞焦亡的發生，存在經典和非經典路徑[7]。經典路徑主要是依賴Caspase-1發揮作用。細胞內的模式識別受體可在危險信號的刺激下充當感受器，使受體蛋白NLR與接頭蛋白ASC相連接 ，形成可使Caspase-1激活的多蛋白復合物。這種危險信號主要包括細菌、病毒等外源性危險信號和機體受損時釋放的應激因子的內源性危險信號。Caspase-1 被活化后可割裂Gasdermin 蛋白，形成具有GSDMD N端活性結構域的肽段，可使胞膜穿孔、細胞內外滲透壓改變，細胞外物質大量進入胞內，使細胞破裂壞死，釋放大量炎癥因子，誘發或加重機體的炎癥反應。另外，活化的Caspase-1也可切割IL-18和IL-1β的前體，將它們活化后釋放到細胞外，適度的IL-1β和IL-18活性炎癥因子釋放，可與周圍的免疫細胞結合清除病原體，反之過度，則使大量炎癥細胞堆積，惡化機體的炎癥反應。非經典路徑的細胞焦亡依靠Caspase-4、5、11起作用。Caspase-4、5、11可直接與細菌脂多糖(LPS)結合而使細胞壞死，參與炎癥反應。其作用機制同樣是在危險信號的刺激下，Caspase-4、5、11被激活剪切GSDMD，形成含有GSDMD N端活性域的肽段，一方面促使細胞破裂壞死，擴大機體炎癥反應[8]。另一方面，它們也參與到Caspase-1的活化中，將IL-1β和IL-18活性因子釋放到胞外，誘使炎癥細胞聚集，擴大炎癥反應。另外，有研究發現，除了GSDMD以外，GSDME也可對Caspase-3的進行特異性切割，形成有活性的N端，經證實，有活性的N端可進一步引起細胞焦亡[9]。

經典通路中Caspase-1的激活離不開炎性小體。炎性小體由特殊接頭蛋白( apoptosis-associated speck-like protein，ASC )，模式識別受體( pattern recognition receptors，PRR)和半胱氨酸蛋白酶-1前體(pro-Caspase-1)構成[10]。當病原體侵襲機體時,免疫系統通過PRR感應和識別危險信號。依據受體蛋白的異同，將炎癥小體又分為多種亞型，包括NLRP3、NLRC4、AIM2、NLRP1等等，其中，NLRP3已證實與多種疾病相關，它參與機體的多種致病微生物導致的免疫活動[11]。然而，就目前的研究發現，炎性小體在無菌性炎癥和代謝性疾病的發病機制中也扮演著重要的角色，雖然目前對這些疾病中NLRP3的激活機制研究尚未明確，但NLRP3的激活可以依靠權威和非權威的兩條通路已被證明[12]。另外，一些新的激活機制也被提出，例如在真菌感染和革蘭陰性細菌感染中，Fas死亡結構域相關蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain, FADD)和Caspase-8，使可溶性的配體氧化為結晶或原纖維，進而激發NLRP3[13]。

細胞焦亡對于哮喘機制的研究進展

哮喘的主要特點為氣道慢性炎癥和氣道高反應性，可涉及多種細胞和細胞成分。其臨床表現多為反復性喘鳴、呼吸困難、胸悶和咳嗽，多在夜間或清晨發作、加重，同時伴不同程度氣流受限[1]。哮喘是臨床上最常見的慢性病之一，發病率高，嚴重影響著人們的健康水平和生活質量，目前對于哮喘的治療主要是防止發作和降低進一步惡化風險。哮喘的發病機制研究目前尚未完全清楚，多集中于氣道炎癥、免疫調節、氣道重塑及神經調節等[14]。同時也有報道顯示，支氣管哮喘發病和細胞自噬[15]、凋亡[16]相關。

有研究表明，炎性小體和炎性小體相關細胞因子與哮喘的發生密切相關[17-18]。細胞焦亡的經典通路中Caspase-1的激活離不開炎性小體。研究顯示，人鼻病毒感染的 IL-1β 調節因子，包括NLRP3 和NLRC5[19]。而人鼻病毒感染參與到哮喘發作和加重的整個過程中[20]。Menzel[21]等研究表明Caspase-1在鼻病毒RV16 感染的哮喘患者的支氣管上皮細胞中，有較高水平的表達，而且在房塵螨刺激后，Caspase-1 缺陷小鼠與野生型小鼠相比，其嗜酸性粒細胞明顯增多。 Zhang[18]等人研究發現IL-1β、 NLRP3 mRNA在哮喘小鼠肺組織中表達水平，比正常小鼠高。Liu[22]等人研究也發現促炎細胞因子IL-1β，在哮喘患者氣道上皮細胞中的表達水平也很高，NLRP3炎性體被激活并參與哮喘的炎癥。以上結果均可表明細胞焦亡參與到哮喘的發病機制中，可誘發或加重氣道炎性反應。

細胞焦亡與 gasdermin ( GSDM) 家族蛋白的關系已被闡明，GSDM 由 6 種成員蛋白 ( GSDMA， GSDMB，GSDMC，GSDMD，GSDME 和 Pejvakin ) 組成，且Gasdermin 基因家族共享 45%的同源序列，其中 GSDMB 基因多態性與哮喘發病高度相關[23]。Acevedo[24]等人研究發現GSDMB(Gasdermin B)和ORMDL3(ORMDL鞘脂生物合成調節劑3)中的單核苷酸多態性(SNP)與兒童哮喘密切相關。有研究表明，當刪除剪接變異體 rs11078928 上的全部外顯子 6( 編碼 13 個 GSDMB 釋放的 N 端關鍵氨基酸) 時，細胞焦亡現象消失，刪除剪接變異體可降低哮喘發病風險[25]。

然而在哮喘的發病中細胞焦亡的作用仍存在爭議，Allen[26]等人使用多種過敏性哮喘模型來檢查NLRP3的生理作用，發現除了OVA模型外，并沒有檢測到NLRP3在急性或慢性屋塵螨Ag暴露誘導的過敏性氣道疾病發生中的作用，且在所有過敏性氣道疾病模型中，肺中NLRP3炎性體相關細胞因子IL-1β和IL-18均低于檢測水平。但此次研究主要集中于嗜酸性粒細胞型哮喘發病機制上，而忽略了哮喘的其他表型，比如因為呼吸道受到感染或者受空氣污染影響而引發的嗜中性粒細胞哮喘[27]。Simpson[28]等人便發現嗜中性粒細胞哮喘中的NLRP3，Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5和IL-1β的基因表達水平顯著升高。不僅如此，Kim[29]等人發現NLRP3炎癥小體反應，可驅動實驗性嚴重的類固醇耐藥性哮喘，并且是該病的潛在醫治靶標。Zhang[18]等人通過動物實驗發現，肥胖的哮喘小鼠的氣道高反應性，氣道炎癥，促炎細胞因子水平和NLRP3 mRNA，IL-1βmRNA表達顯著增加，認為NLRP3炎性小體可能在肥胖哮喘中起作用。

小 結

細胞焦亡作為機體重要的天然免疫反應，在幫助機體清除和抵抗致病微生物上，發揮著極大的作用，然而當Caspase-1被過度激活時，機體內大量細胞破裂壞死，IL-1β和IL-18活性炎癥因子釋放過多，炎癥細胞聚集，則會誘發或加重多種炎癥和免疫性疾病。哮喘是一種特異性氣道炎癥疾病。研究證實，哮喘患者的支氣管上皮細胞上的NLRP3，Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5和IL-1β的基因表達極高。另外當細胞焦亡現象消失，刪除剪接變異體可降低哮喘發病風險。綜上所述，細胞焦亡與哮喘的發病機制息息相關。雖然細胞焦亡對于哮喘發病機制的研究現在仍存在諸多爭議，但主要存在于細胞焦亡在嗜酸性粒細胞型哮喘的發病機制當中，而對于其他表型，如嗜中性粒細胞型哮喘，細胞焦亡已被證實參與其發病機制中。因此，當前仍然需要更加深入研究細胞焦亡在不同類型哮喘的發病機制中所發揮的作用。通過對目前細胞焦亡的研究，我們不妨猜測，在氣道炎癥、氣道高反應性、氣道重塑，免疫調節、環境因素等與哮喘發作機制相關的各方面中，細胞焦亡都參與其中，當然，這一假設仍然有待進一步證實，這也為哮喘發病機制研究，提供了新思路，可為哮喘的診治提供更多的手段和方法。