細胞焦亡在急性胰腺炎中的分子作用機制研究進展

趙夢琦 陸穎影

上海交通大學附屬第一人民醫(yī)院消化內(nèi)科，上海 201620

【提要】 焦亡是由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)介導的作用于Gasdermin蛋白家族的一種程序性細胞死亡，是AP過程中重要的病理學改變。本文就細胞焦亡在AP中的分子作用機制研究進展進行綜述。

AP是一種常伴有多器官損害的復雜胰腺炎癥反應(yīng)[1]，AP的發(fā)生和發(fā)展涉及炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、微循環(huán)障礙、腸道菌群移位等過程。長期以來，細胞凋亡和細胞壞死被認為是AP過程中胰腺腺泡細胞的主要死亡方式，但近幾年發(fā)現(xiàn)了一種新型細胞程序性死亡方式——焦亡(pyroptosis)，現(xiàn)已證明其在AP中同樣發(fā)揮重要作用。本文就細胞焦亡在AP中的分子作用機制研究進展進行綜述。

一、焦亡概述

細胞焦亡是一種由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)介導的具有促炎性和溶解性的細胞死亡模式，主要表現(xiàn)為質(zhì)膜破裂，細胞內(nèi)促炎物質(zhì)釋放。此外，還存在核凝聚、染色體DNA斷裂和降解等現(xiàn)象[2]。1992年，Zychlinsky等[3]首次發(fā)現(xiàn)了巨噬細胞在弗氏志賀桿菌的誘導下發(fā)生裂解性死亡，由于當時認識有限，這種死亡方式被誤認為是細胞凋亡，直到2001年，Cookson和Brennan[4]才將其界定為焦亡。程序性細胞死亡方式分為裂解性和非裂解性[5]，細胞凋亡是經(jīng)典的非裂解性細胞死亡，即細胞膜在該過程中維持一定的完整性，不引起炎癥反應(yīng)。而細胞焦亡和壞死性凋亡屬于裂解性細胞死亡方式，伴有細胞內(nèi)容物滲漏和炎癥反應(yīng)。細胞焦亡通常發(fā)生在感染病毒或細菌的細胞中，顯示出焦亡對清除胞內(nèi)病原體、保護機體具有積極作用，但同時若過度釋放炎性細胞因子也會加重疾病[6]。

目前認為細胞焦亡激活通路可分為caspase-1介導的需炎癥小體參與的經(jīng)典途徑和caspase-4、5、11介導的不需炎癥小體參與的非經(jīng)典途徑[7]。經(jīng)典途徑依賴于caspase-1，當受到外部刺激時，細胞表面的模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)可通過與病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(damage-associated-molecular-patterns，DAMPs)結(jié)合，產(chǎn)生對應(yīng)的炎癥小體激活caspase-1?；罨腸aspase-1切割Gasdermin D(GSDMD)蛋白，形成具有打孔功能的N端，促使促炎因子IL-1β和IL-18成熟及釋放。在非經(jīng)典途徑中，胞質(zhì)脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)激活 caspase-4、5、11，通過裂解 GSDMD 觸發(fā)細胞焦亡[8]。

二、焦亡相關(guān)分子在AP發(fā)病機制中的作用

1.炎癥小體與AP：炎癥小體是一類大分子蛋白復合體，大多數(shù)是以NOD樣受體(NOD-like receptors，NLRs)、AIM2樣受體(AIM2-like receptors，ALRs)作為受體蛋白，凋亡相關(guān)點樣蛋白(apoptosis associated speck-like protein containing a CARD，ASC)作為接頭蛋白，caspase作為效應(yīng)蛋白，主要類型包括NLRP3、NLRP1、NLRC4、AIM2和pyrin等[9]。NLRP3炎癥小體研究最為廣泛，已證明其通過介導細胞焦亡，誘導炎癥級聯(lián)反應(yīng)和組織損傷從而在AP中發(fā)揮重要作用[10]。研究表明，抑制NLRP3 炎癥小體的活化，可抑制炎性因子釋放，減輕胰腺組織炎性反應(yīng)，進而保護胰腺組織[11-13]。AP的病理生理特征包括局部胰腺組織損傷、全身炎癥反應(yīng)和多器官功能障礙，由于炎性因子過度釋放和氧化應(yīng)激反應(yīng)增強，可能引起遠處器官損害，以急性肺損傷(acute lung injury，ALI)尤甚。已證實，NLRP3炎癥小體活性上調(diào)是AP誘導ALI的原因之一，且通過抑制NLRP3炎癥小體活性和NF-κB信號轉(zhuǎn)導對AP及其誘導的ALI具有治療潛力[14-15]。Wu等[16]進一步揭示了在ALI中，肺泡巨噬細胞(alveolar macrophages，AMs)是NLRP3炎癥小體介導焦亡的關(guān)鍵效應(yīng)細胞，而NLRP3炎癥小體激活可由血漿來源的外泌體觸發(fā)。其他炎癥小體的潛在作用直至2016年才被Kang等[17]發(fā)現(xiàn)，該項研究證明了胰腺損傷后，核小體的釋放通過激活晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation endproducts，RAGE)，促進巨噬細胞中AIM2炎癥小體活化，且證明了AIM2的基因缺失可保護小鼠免受L-精氨酸誘導AP的侵害，降低循環(huán)中IL-1β和高遷移率組蛋白1(high mobility group box1，HMGB1)水平。一項前瞻性研究[18]同樣說明了AIM2的表達和激活與AP疾病嚴重程度呈正相關(guān)，該研究發(fā)現(xiàn)AP患者外周免疫細胞過表達AIM2，并且這些細胞中AIM2或NLRP3炎癥小體的激活促進了炎性細胞因子IL-1β和IL-18的產(chǎn)生。

NF-κB信號通路不僅在經(jīng)典促炎途徑中發(fā)揮作用，在NLRP3活化的初始步驟中也十分關(guān)鍵。NF-κB介導炎癥產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)是激活NLRP3的危險信號，可誘導氧化應(yīng)激，促進炎癥由局部向全身發(fā)展[19-20]。Szatary等[21]發(fā)現(xiàn)TLR4/NLRP3促炎信號通路在PAMPs 和DAMPs誘導的胰腺損傷和全身炎癥反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，抑制TLR4/NLRP3途徑可以明顯減輕AP嚴重程度[22]。在生理條件下，有害的ROS可被內(nèi)源性酶或非酶抗氧化劑快速解毒，如超氧化物歧化酶(SOD)、血紅素氧化酶1(HO-1)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)和醌氧化還原酶1(NQO1)[23]。核因子紅細胞相關(guān)因子2(nuclear factor erythrocyte-2 associated factor-2，Nrf2)通過激活內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)維持氧化還原穩(wěn)態(tài)，是影響細胞氧化還原的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑[24]。加強Nrf2信號轉(zhuǎn)導可上調(diào)HO-1的表達，通過Nrf2/HO-1信號轉(zhuǎn)導抑制NLRP3炎癥小體活化，可以對氧化應(yīng)激介導的胰腺功能障礙起到保護作用[25-26]。

2.效應(yīng)分子與AP：焦亡過程包括炎癥小體形成、caspase-1或caspase-11激活、質(zhì)膜破裂以及促炎因子IL-1β、IL-18的釋放[27]。IL-1β與IL-18是通過caspase-1從無活性前體活化而來，可作為炎癥小體激活的炎性標志。IL-1β可誘導白細胞遷移，使免疫細胞激活以發(fā)揮其抗菌及促炎功能，IL-18的主要功能是誘導干擾素-γ(IFN-γ)的產(chǎn)生，激活T淋巴細胞和巨噬細胞[28]。兩者可共同促進炎癥級聯(lián)反應(yīng)、胰腺局部組織損傷和遠隔器官損害。研究發(fā)現(xiàn)阻斷IL-1β表達可減輕胰腺的病理損害、炎癥反應(yīng)，緩解AP相關(guān)ALI的病情，表明IL-1β升高與AP病情嚴重程度密切相關(guān)[29]。IL-18在AP中的作用更為復雜，除了作為AP血清標志物之外[30]，因其具有直接殺菌作用，對于維持腸道穩(wěn)態(tài)尤為關(guān)鍵[31]。

AP過程中的效應(yīng)產(chǎn)物還包括HMGB1，它可由損傷的腺泡細胞釋放。一項薈萃分析結(jié)果表明[32]，AP患者血清HMGB1升高水平與免疫細胞激活和腺泡細胞死亡程度相一致，可作為反映疾病嚴重程度的有效指標。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性的HMGB1與TLR4或TLR9結(jié)合，誘導并擴大炎癥反應(yīng)，同時HMGB1也可激活依賴于TLR4的NF-κB信號通路，進而誘發(fā)胰腺損傷，通過阻斷HMGB1表達可減輕AP嚴重程度[33-34]。另外，已證實HMGB1是SAP期間介導腸道細菌移位的重要因素之一，而腸道細菌移位又是誘發(fā)全身性炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵因素[35]。HMGB1促使AP期間腸黏膜屏障功能障礙，所以抑制HMGB1活性可能是改善SAP患者腸黏膜屏障功能的有效治療策略[36]。

3.Gasdermins與AP：Gasdermin家族蛋白包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD和DFNA5，2015年幾乎同時發(fā)表的兩個獨立研究成果均鑒定了GSDMD是炎癥caspase的特異性底物，是細胞焦亡的主要執(zhí)行者[2,37]。主流觀點曾認為凋亡caspase與炎癥caspase相互獨立，而近期研究證實，caspase-3可通過水解DFNA5引起焦亡，該過程在胞內(nèi)DFNA5含量較高時快速觸發(fā)，DFNA5含量較低或缺失時則仍以凋亡為主[38]，且凋亡相關(guān)蛋白 caspase-8 也可以直接裂解 GSDMD 以誘導細胞焦亡[39]。由此可推測，細胞死亡方式并不是取決于caspase的種類，關(guān)鍵在于其作用的底物。目前已發(fā)現(xiàn)腺泡細胞中的NLRP3和GSDMD激活是介導細胞焦亡的關(guān)鍵，可促進胰腺損傷和發(fā)生全身性炎癥反應(yīng)[40]。Wang等[41]研究表明，AP時circHIPK3的上調(diào)會抑制miR-193a-5p的表達，促使GSDMD介導腺泡細胞焦亡，最終加重AP病情。另有研究證明，下調(diào)GSDMD蛋白表達可降低血清IL-1β和IL-18水平，即通過降低與炎癥反應(yīng)有關(guān)的細胞焦亡減輕AP病情[42]。

三、焦亡和AP相關(guān)腸道損傷

AP過程中常伴有腸道功能障礙，其潛在機制包括微循環(huán)障礙(局部缺血和再灌注損傷)，免疫防御功能受損(細胞因子和遞質(zhì)釋放)以及腸道微生態(tài)變化，導致腸道黏膜完整性喪失，使內(nèi)毒素甚至細菌入血[43]。已在人類和動物模型中證明，腸道菌群失調(diào)受AP病情嚴重程度影響[44-45]，AP患者具有特征性的腸道微生態(tài)表型，菌群多樣性降低和病原菌增多與腸道屏障功能損害相一致。此外，有研究揭示了在雨蛙肽誘導的AP小鼠模型中，通過組合抗生素處理抑制腸道TLR4/NLRP3炎性體作用，可阻礙腸道細菌向胰腺移位，改善胰腺炎癥，并延遲AP進入全身性炎癥反應(yīng)進程[46]。抑制腸道炎癥反應(yīng)和維持腸道穩(wěn)態(tài)進而減輕胰腺炎癥的機制，可能是通過抑制NF-κB途徑和NLRP3炎癥小體激活，阻礙了腸道細胞焦亡進程[47-48]。焦亡關(guān)鍵蛋白GSDMD也可在腸上皮細胞上表達，研究發(fā)現(xiàn)SAP過程中腸道緊密連接蛋白ZO-1和Occludin水平與GSDMD表達呈負相關(guān)，推測GSDMD可能通過介導細胞焦亡調(diào)控SAP時的腸道損傷[42,49]。

四、總結(jié)與展望

細胞焦亡作為由多種基因調(diào)控的新型細胞程序性死亡方式，已在免疫性疾病、感染性疾病、動脈粥樣硬化、惡性腫瘤等多種疾病中被報道。目前研究普遍認為細胞焦亡存在于AP過程中，并影響其發(fā)生、進展及預(yù)后，因此通過對細胞焦亡機制的探索，為進一步探究AP發(fā)病機制有積極意義，可尋求AP診療的新靶點，改善患者預(yù)后，為臨床新型藥物研究提供理論依據(jù)和參考。但目前AP過程中不同類型細胞焦亡對疾病轉(zhuǎn)歸的影響尚未完全闡明，該過程確切的調(diào)控機制還有待進一步研究。

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