細胞焦亡在中樞神經系統疾病中的研究進展

王成剛，麻彬

(上海市同濟醫院脊柱外科，上海 200065)

程序性細胞死亡是指正常的機體細胞在受到生理或病理信號后引發的自主性細胞清除過程[1]，在大腦發育、調節內穩態及清除感染細胞等過程中發揮重要作用。目前研究已發現12種程序性細胞死亡機制，從非炎癥細胞死亡(如細胞凋亡)到高度促炎細胞死亡(如細胞焦亡、程序性細胞壞死)，每種程序性細胞死亡均有其獨特的分子特征[2-3]。細胞焦亡是典型的促炎性程序性細胞死亡，其特征為GSDMD(Gasdermin D)蛋白分子在細胞膜上形成孔洞，導致細胞裂解死亡，釋放炎癥因子。中樞神經系統疾病的發生發展由多種機制共同作用，隨著深入研究發現，細胞焦亡與中樞神經系統疾病密切相關，涉及多發性硬化癥、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)及創傷性腦損傷等[3-4]。了解細胞焦亡在中樞神經系統疾病中的作用機制可能為防止疾病發展提供新的方向?，F對細胞焦亡的分子機制及其在中樞神經系統中的作用機制予以綜述。

1 細胞焦亡的分子機制

細胞焦亡是2002年首次在弗氏志賀桿菌感染的巨噬細胞中發現的一種新型程序性細胞死亡[4]。其特征是在細胞膜上形成10～15 nm孔洞，破壞膜的完整性，導致細胞內炎癥因子釋放，促進炎癥形成[5]。目前研究認為，細胞焦亡的激活需要依賴胱天蛋白酶(caspase)(人類caspase-1/4/5和小鼠caspase-1/11)[6-7]，根據蛋白酶的類型將細胞焦亡途徑分為由caspase-1介導的經典細胞焦亡途徑和由caspase-4/5/11介導的非經典細胞焦亡途徑[8]。

在經典途徑中，炎癥小體的組裝是細胞發生焦亡的關鍵步驟[9]。炎癥小體由3個部分組成，包括模式識別受體、凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和caspase-1。模式識別受體是炎癥小體的感受器，用于識別病原體相關分子模式和損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)，目前已發現多種模式識別受體[10]；①Toll樣跨膜受體，受體的胞外部分負責識別病原體相關分子模式，胞內部分負責轉導信號；②視黃酸誘導基因-I樣受體，含有解旋酶結構，負責識別病毒結構；③核苷酸結合寡聚化結構域樣受體(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor，NLR)，包括NLR受體蛋白(NLR receptor protein，NLRP)1、NLRP2和NLRP3，為細胞內結構，負責識別細胞內的DAMPs；④C型凝集素樣受體，配體分子為真菌細胞壁的甘露糖和β-葡聚糖,主要負責識別真菌。一旦這些炎性感受器被激活，將招募ASC和caspase-1前體。ASC是一種由PYCARD基因編碼的非酶支架蛋白，形成炎癥小體的骨架，將感受器與效應蛋白酶配對，并促進caspase-1前體向caspase-1轉化，使其具有水解活性[11]。當炎癥小體組裝完成后，活化的caspase-1將GSDMD蛋白裂解，釋放具有脂溶性的N端亞基，導致細胞膜上形成孔洞，介導細胞裂解；此外，活化的caspase-1作用于白細胞介素(interleukin,IL)-1和IL-18前體，形成有活性的IL-1β和IL-18，通過細胞膜孔洞釋放到細胞外，誘發炎癥，具體途徑見圖1。有研究顯示，caspase-1活化的結果并非都是細胞裂解和釋放炎癥因子同時發生，也可以單獨出現[12-13]。另有研究發現，當胞內炎癥小體的組裝成分(如NLRP3和ASC)處于高水平表達時，細胞焦亡能在模式識別受體尚未被激活的狀態下發生[14]。

非典型途徑需要人類caspase-4/5或小鼠caspase-11的前體直接通過結合脂多糖來激活?；罨腸aspase-4通過裂解GSDMD蛋白，導致細胞膜孔洞形成，誘發細胞焦亡。盡管caspase-4/11對底物的選擇更受限，但對GSDMD蛋白的親和力沒有改變[15]。目前發現，典型途徑與非典型途徑之間可以發生串擾。例如，在非典型志賀毒素/脂多糖非典型途徑中，裂解的GSDMD蛋白在線粒體中富集，導致線粒體內活性氧的產生，隨后激活典型途徑的NLRP3炎癥小體[16]。這些研究表明，非典型途徑介導的GSDMD蛋白激活與典型途徑炎癥小體的部分激活和細胞因子的釋放可通過細胞內的DAMPs產生相互聯系，但具體機制有待探究。

注：IL為白細胞介素，Activated caspase為活化的胱天蛋白酶，ASC為凋亡相關斑點樣蛋白，PRRs為模式識別受體，PAMPs為病原體相關分子模式，DAMPs為損傷相關分子模式，LPS為脂多糖

2 細胞焦亡與細胞類型

中樞神經系統存在多種細胞類型，包括神經元、腦巨噬細胞樣細胞、少突膠質細胞和星形膠質細胞。研究顯示，在中樞神經系統疾病或損傷時，不同的細胞類型均會發生不同程度的細胞焦亡現象[17]。

神經元是中樞神經系統主要的結構功能單位，且可發生細胞焦亡現象。Kesavardhana和Kanneganti[18]通過對人類胎兒神經元的免疫組織化學檢測出NLRP1、ASC、黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2,AIM2)、NLRC4和caspase-1等蛋白，表明神經元細胞常規存在大量炎癥小體的組成分子。有研究表明，高水平的IL-1對神經元有毒性作用[19]，但神經元仍可通過激活NLRP1、AIM2或NLRC4炎癥小體引發細胞焦亡，釋放IL-1炎癥因子[20]，其中NLRP1炎癥小體的表達量遠大于AIM2和NLRC4炎癥小體[21]。中樞神經系統中的腦巨噬細胞樣細胞包括小膠質細胞和圍繞在血管、脈絡膜叢、腦膜周圍的巨噬細胞，腦巨噬細胞樣細胞在穩態下常規表達炎癥小體的組成成分，在神經炎癥狀態下其表達量明顯升高[22]。在人類胎兒小膠質細胞中已檢測出NLRP1、AIM2、caspase-1和ASC的常規轉錄表達，而NLRP3的表達一般需要外界刺激的誘導[23]。在體外實驗中，小膠質細胞的胞質組成性表達GSDMD蛋白，當細胞受到外界刺激(如ATP或尼日利亞霉素)時，NLRP3炎癥小體被高度誘導表達，GSDMD蛋白水平顯著上調，促進了細胞焦亡的發生[24]。少突膠質細胞在中樞神經系統中包繞軸突形成髓鞘，使生物電信號跳躍式高效傳遞。在細胞焦亡現象被發現之前，Hisahara等[25]在實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)的少突膠質細胞中觀察到caspase-11的活化表達。利用GSDMD蛋白作為檢測細胞焦亡標志物的研究證實，少突膠質細胞在腫瘤壞死因子-α暴露和EAE期間均發生caspase-1依賴的細胞焦亡[25]。星形膠質細胞在大腦內分布廣泛，可分泌神經遞質，參加對外源性化合物的生物轉化?，F發現星形膠質細胞中也存在多種炎癥小體，如NLRP2炎癥小體在成人的星形膠質細胞中以連接蛋白的方式被ATP激活[23]。此外，在人類胎兒的星形膠質細胞中還檢測到NLRP1、AIM2、NLRC4、caspase-1和ASC的轉錄合成[26]。雖然NLRP3炎癥小體在星形膠質細胞中處于低表達狀態，但刺激因素[如重組β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)]可加速誘導小鼠星形膠質細胞中NLPR3的轉錄合成，促使細胞焦亡發生[27]。

由此可見，中樞神經系統中各種細胞類型的細胞焦亡均已被證實，但目前大多數研究僅聚焦于疾病相關的刺激因素和單種細胞類型的細胞焦亡，尚缺乏不同刺激因素或不同細胞類型的炎癥小體激活和細胞焦亡的差別研究。

3 細胞焦亡與中樞神經系統疾病

細胞焦亡與中樞神經系統疾病的發生發展密切相關[28-29]。因此，在不同的刺激條件下激活炎癥小體，促進炎癥因子釋放，誘發細胞焦亡，可能是中樞神經系統疾病的發病機制之一。

3.1細胞焦亡與中樞神經系統感染性疾病 膿毒癥期間，全身的炎癥反應會影響中樞神經系統的功能，血腦屏障的滲透性增高、細胞內炎癥因子的大量釋放以及神經認知的破壞均可導致膿毒癥腦病的發生[30]。研究表明，細胞焦亡參與了膿毒癥腦病的疾病進展，通過抑制caspase-1或NLRP3炎癥小體的生成可以提高膿毒癥腦病模型小鼠的存活率，緩解神經認知缺陷[31-32]。而在中樞神經系統直接發生病毒或細菌感染的情況下，細胞焦亡也起到重要作用。例如，許多病毒包括人類免疫缺陷病毒、西尼羅河病毒和寨卡病毒可以激活神經元和星形膠質細胞中的NLRP3炎癥小體，誘發細胞焦亡，促進疾病發展[33-35]；在金黃色葡萄糖球菌腦膿腫動物模型中也檢測出NLRP3和AIM2炎癥小體[36]?？梢?，細胞焦亡與中樞神經系統感染性疾病密切相關，由于細胞焦亡、病毒裂解及炎癥因子釋放均會影響感染細胞和正常細胞的生存，炎癥小體的激活過程與中樞神經系統感染下的細胞死亡之間的復雜關系仍有待闡明。

3.2細胞焦亡與中樞神經系統損傷 中樞神經系統損傷包括創傷性腦損傷和脊髓損傷。中樞神經系統的損傷包括兩個階段，第一階段為初始損傷，細胞發生壞死，廣泛釋放DAMPs；第二階段為繼發性神經炎癥級聯反應，包括神經膠質細胞激活、血腦屏障通透性改變、活性氧激活以及細胞因子、趨化因子釋放[37]。在第二階段中，因接觸了大量DAMPs細胞焦亡過程被啟動，釋放細胞炎癥因子，促進炎癥級聯反應的擴散。對腦外傷后腦脊液的分子檢測發現，caspase-1水平升高，并檢出ASC、NLRP1炎癥小體[4]。Adamczak等[38]研究發現，神經元損傷后細胞內AIM2炎癥小體被激活，促進IL-1β釋放和細胞焦亡；該實驗將正常神經元置于腦外傷后的腦脊液中培養，發現正常神經元內的caspase-1激活和AIM2炎癥小體表達增加，表明損傷裂解的細胞會釋放游離DNA到腦脊液中，這可能是激活AIM2炎癥小體的啟動信號，但具體機制仍待進一步探討。目前研究已證實，多種炎癥小體包括NLRP1、NLRP3、NLRC4和AIM2均與創傷性腦損傷有關，體現了中樞神經系統損傷機制的多樣性[39]。

3.3細胞焦亡與腦卒中 缺血性腦卒中的發病機制包含復雜的炎癥反應，其過程涉及梗死區域內神經細胞免疫反應的激活和循環中大量炎癥細胞的募集，兩者共同促進腦卒中的病理發展。研究表明，在體內和體外條件下的缺血性腦卒中動物模型中，AIM2炎癥小體均發生活化，誘導細胞焦亡[40]。在模型中，刪除或抑制炎癥小體成分(包括炎癥小體相關的細胞因子、NLRP1、AIM2、NLRC4、ASC和caspase-1/11)均對腦損傷有保護作用[22,41]；甚至在腦梗死早期(30 min內)，神經元細胞中即可檢出活化的caspase-1[42]，這可能為極早期干預腦梗死進程提供新思路。在血栓性腦梗死動物模型中，神經細胞對各種炎癥小體的組成成分呈免疫陽性，包括NLRP1、ASC和caspase-1[43]。Xu等[44]對局灶性腦缺血模型進行深入研究發現，在小膠質細胞中髓樣細胞觸發受體-1(triggering receptors expressed on myeloid cells-1，TREM-1)和脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase，SKY)的下游，IL-1和IL-18表達上調并伴隨GSDMD蛋白表達、裂解增加，通過透射電子顯微鏡證實，小膠質細胞膜上GSDMD蛋白孔密度更高，提示TREM-1和SYK可能是腦缺血病程中細胞焦亡的上游啟動信號，因此通過注入SYK抑制劑可以減輕細胞焦亡，緩解腦梗死進展[45]。綜上，阻斷細胞焦亡可以影響缺血性腦卒中的進展，可作為治療腦卒中的一種潛在靶點。

3.4細胞焦亡與神經退行性疾病 炎癥小體參與中樞神經系統退行性疾病的發生發展，如AD、帕金森病和運動神經元病等。AD是一種與Aβ形成、神經原纖維纏結及神經元炎癥死亡等相關的神經退行性疾病，其中Aβ纖維被認為是毒害神經的主要物質[46]。AD患者大腦中的小膠質細胞、星形膠質細胞、神經元以及腦脊液中均檢測到IL-1、IL-18和IL-1β，這些促炎因子被認為能夠促進AD的進展[47]，且AD患者神經元中也可檢測到NLRP1炎癥小體[19]，可見炎癥因子的釋放和細胞焦亡在AD發病機制中發揮重要作用。研究發現，Aβ纖維與細胞焦亡關系密切，在體外實驗中，Aβ纖維可以誘導星形膠質細胞和小膠質細胞釋放ASC和NLRP3依賴性的IL-1β炎癥因子，而在AD患者腦組織和AD動物模型中均檢測到Aβ纖維與ASC的結合，且該模型中，ASC的遺傳缺陷和抗體阻斷可以防止Aβ纖維聚集，表明細胞焦亡釋放的ASC有助于Aβ纖維的聚集沉積。因此未來可嘗試通過抑制ASC來延緩AD的發生[48-49]。Tan等[50]在AD動物實驗中發現，Aβ纖維可以誘導NLRP1炎癥小體形成，促使神經元發生caspase-1依賴性的細胞焦亡；通過NLRP1抑制劑可以減少神經元細胞死亡。鑒于以上研究，僅靶向針對Aβ纖維還不足以預防AD的發生，探索細胞焦亡與AD發病機制之間的關系可能是重要的突破途徑。此外，細胞焦亡與帕金森病也密切相關，通過抑制炎癥小體的激活能有效減少多巴胺能神經元的死亡[51]。

3.5細胞焦亡與多發性硬化癥 多發性硬化癥的病理特征為中樞神經系統炎性脫髓鞘性病變，其病因尚不明確?；顒有远喟l性硬化癥患者血清、腦脊液和白細胞中IL-18、IL-1β、NLRP3和caspase-1表達均升高，其中腦脊液中的IL-1β表達水平與中樞神經系統皮質脫髓鞘病變數量和嚴重程度呈正相關[52-53]。EAE動物模型是多發性硬化癥理想的動物模型，通過特異性致敏的CD4+T細胞導致中樞神經系統單核細胞浸潤，從而誘發炎性髓鞘脫失。在體內的脫髓鞘病變和正常白質小膠質細胞中均可檢測出炎癥小體的組成成分，包括caspase-1和IL-1β[54]，而EAE動物模型小膠質細胞中GSDMD蛋白表達水平較高，提示細胞焦亡參與了疾病的發生[23]。Jha等[55]發現在EAE動物模型中，敲除炎癥小體組成成分(如IL-1β、ASC、NLRP3及caspase-11)會明顯緩解神經炎癥程度。因此，有研究嘗試通過藥物抑制細胞焦亡，減少EAE的疾病進展，如通過NLRP3酶抑制劑(MCC950)減少IL-1β的產生，或通過caspase-1抑制劑(VX-765)阻斷細胞焦亡，從而減輕神經炎癥，緩解神經變性[56-57]。目前認為，多發性硬化癥的發病機制包括細胞凋亡、壞死及焦亡等細胞死亡機制，因此進一步探究中樞神經系統微環境中多種細胞死亡之間的相互作用可能有助于開發更好的神經保護策略。

4 小 結

細胞焦亡作為一種新型炎癥細胞死亡類型，在多種中樞神經系統疾病的發病機制中發揮重要作用。調控細胞焦亡的激活途徑可影響中樞神經系統炎癥、創傷、缺血性卒中、神經退行性病變及多發性硬化癥等的發生發展。GSDMD蛋白是細胞焦亡的主要執行者，通過特定GSDMD蛋白抑制劑緩解細胞焦亡在發病中的作用，目前在動物模型上已取得良好的成效，并可能成為神經炎癥和神經退行性病變的一種可行神經保護策略。未來仍有許多重要問題有待解決，如需要進一步界定神經炎癥和神經退行性疾病中炎癥因子的產生和細胞焦亡之間的關系；神經元細胞具有終末分化、更新能力低下、組織結構復雜精細等特性，在細胞焦亡刺激下可能呈現獨特的反應。此外，在不同疾病背景和不同細胞類型條件下，細胞焦亡的區別有待利用單細胞RNA測序、質譜分析及高分辨率顯微鏡來進一步闡明。因此，深入探究細胞焦亡與中樞神經系統疾病的相關性，不僅可以進一步闡明疾病的發病機制，還可為疾病的治療提供新方向。