GSDMD介導的細胞焦亡在心血管疾病中的研究進展

單少鵬，李 方，郝恩魁

1.山東大學齊魯醫學院，濟南 250012 2.濟南市中心醫院，濟南 250013 3.山東大學附屬千佛山醫院（山東省千佛山醫院）保健心內科，濟南 250014

焦亡作為細胞死亡形式之一，與機體的先天免疫反應密切相關，以細胞膜通透性改變及細胞外釋放炎性細胞因子為特征［1］。細胞焦亡過程的激活途徑包括依賴半胱氨酸天冬酶（caspase）-1的典型途徑、依賴caspase-4/5/11的非典型途徑及最近發現的依賴caspase-8的途徑［2］。目前研究［3］證實GSDMD（gasdermin D）是典型和非典型炎性小體下游caspase的直接底物，參與細胞因子釋放和細胞焦亡過程。近年來，越來越多的研究發現，GSDMD介導的細胞焦亡過程在各種心血管疾病的發生發展中起重要作用。本文將GSDMD介導的細胞焦亡與心血管疾病之間關系的研究進展綜述如下。

1 細胞焦亡的典型與非典型途徑

細胞焦亡的典型途徑與炎性小體，如核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（NLRP3）、NLRP1、含半胱氨酸天冬酶激活和募集結構域的NLRP4（NLRC4）、黑色素瘤缺乏因子2（AIM2）、PYRIN蛋白［4］等密切相關。炎性小體是由模式識別受體（PRRs）作為支架蛋白構成的大分子蛋白質復合物。PRRs廣泛表達于先天免疫細胞（單核細胞、巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞、DC細胞和NK細胞［5］）的表面，胞內囊泡和胞質中。典型的炎性小體由PRRs、凋亡相關斑點樣蛋白（ASC）、前caspase-1（pro-caspase-1）組成，能識別危險相關分子模式（DAMPs）和病原體相關分子模式（PAMPs）。典型炎性小體中的procaspase-1被加工成為有活性的caspase-1后，可促進促炎癥細胞因子（pro-IL-18和pro-IL-1β）的成熟，并誘導質膜上膜孔的形成，導致細胞膜的完整性喪失［6］。

脂多糖（LPS）又稱內毒素，是革蘭陰性菌重要的細胞壁成分和最保守的分子模式，細胞焦亡的非典型途徑為caspase-4/5/11通過識別LPS直接作用于底物GSDMD，進而導致焦亡。脂質A是LPS中最保守的區域，通過與caspase-4/5/11結合，誘導caspase的寡聚并使之激活，進而通過切割下游目標引起細胞焦亡。Caspase-4/5/11-LPS復合物被認為是非典型炎性小體［7］。

2 GSDMD

GSDMD屬于致孔蛋白家族Gasdermin家族成員［8］。細胞膜破裂是細胞焦亡最明顯的特征之一，這一過程由GSDMD所介導。GSDMD的NH2-末端起誘導細胞死亡的作用，而COOH-末端抑制NH2-末端誘導細胞死亡的作用。在健康細胞中，兩個結構域之間的相互作用使GSDMD處于功能性失活狀態。在細胞焦亡過程中，caspase介導GSDMD蛋白水解產生有功能的NH2-末端裂解產物（GSDMD-NT）［1］。當炎性小體被激活時，caspase-1/4/5/11裂解GSDMD，使其釋放出具有成孔 活 性 的GSDMD-NT［8］。GSDMD-NT被 轉 移 于質膜和線粒體膜，與磷脂酰肌醇磷酸鹽(PIPs)、磷脂酰絲氨酸(PS)、心磷脂(CL) 等酸性脂質結合，寡聚成環狀結構，并插入到磷脂雙分子層中形成大的跨膜孔。通過這些跨膜孔，炎性細胞因子（如IL-1β、IL-18）等細胞內容物被釋放，從而破壞細胞膜的滲透電位，引發細胞膜破裂，最終導致細胞焦亡［3］。既往研究［9］發現了GSDMD的裂解位點。還有研究［10］發現，GSDMD除了通過N-末端和C-末端結構域的連接子與caspase-1活性位點結合外，還可通過N-末端結構域遠端 C-末端結構域內的疏水口袋與caspase-1的L2和L20 環上的反平行β折疊結合，提示GSDMD C-末端結構域除了自身抑制作用外，還有caspase募集作用；同時，該研究認為GSDMD-N末端結構域不與caspase-1結合，而是GSDMD中含有裂解位點的連接子通過長環結構與caspase-1活性位點結合。目前caspase解離GSDMD氨基和羧基末端結構域的機制仍然不清楚，需要進一步的研究加以確定。

3 細胞焦亡與氧化應激的關系

氧化應激是引起機體組織損傷的重要因素，其引起的細胞損傷引發了復雜的機體抗氧化保護機制。在正常情況下，機體通常能維持自身產生的自由基和抗氧化物之間的平衡，嚴重的氧化應激則會破壞這一平衡［11］。既往研究［12］發現，異常的細胞死亡信號通路及有害的氧化應激過程與人類多種病理狀態相關，尤其表現于心血管疾病、神經退行性病變、肝臟疾病和藥物毒性。細胞的氧化還原平衡狀態由細胞內活性氧（ROS）和多種抗氧化物系統之間的平衡維持。最近一項研究［13］表明，GSDMD的氧化是線粒體ROS促進細胞焦亡的起始機制。目前，氧化應激在細胞焦亡中的確切作用尚不明確，針對兩者關系的更深層次研究有重要意義。

4 細胞焦亡與心血管疾病之間的關系

炎癥反應是各種心血管疾病的發生發展中的共同過程。細胞焦亡作為一種伴隨炎癥反應的程序性細胞死亡方式在其中發揮重要作用。因此，針對細胞焦亡過程的治療可作為心血管疾病研究的重點。

4.1 動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是以彈性動脈內膜上纖維組織和脂質沉積導致血栓形成為特征，以血管壁增厚和硬化為標志的結構性損害。此外，細胞死亡和炎癥反應在動脈粥樣硬化的不同階段起關鍵作用。血管內皮細胞、巨噬細胞和平滑肌細胞的焦亡在動脈粥樣硬化的形成和發展中起重要作用。細胞焦亡可加重斑塊的不穩定性，導致斑塊破裂和血栓形成。Caspase-1或NLRP3的表達與冠狀動脈病變的嚴重程度及心血管疾病的臨床危險因素相關，提示caspase-1或NLRP3可被作為動脈粥樣硬化相關炎癥的標志物［14］。因此，針對炎性小體、caspase或GSDMD的抑制劑可以用為防治動脈粥樣硬化。相關研究［15］發現，作為香煙主要成分的尼古丁，可以通過ROS-NLRP3介導內皮細胞焦亡，進而加重動脈粥樣硬化斑塊的形成和發展。最近一項研究［16］表明，在人內皮細胞中，阿托伐他汀可通過非降脂作用來抗動脈粥樣硬化，表 現 為 通 過 降 低NLRP3、caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18在mRNA和蛋白水平的表達來抑制細胞焦亡；同時，lncRNA NEXN-AS1的表達上調可以起到抗動脈粥樣硬化的作用，而阿托伐他汀可通過增強lncRNA NEXN-AS1及其同源基因NEXN的表達來抑制細胞焦亡。另有一項研究［17］表明，紅景天苷可明顯抑制動脈粥樣硬化斑塊形成，且具有抗氧化和抗炎作用，該作用可能與其可以抑制caspase-1活化、IL-1β釋放和減少GSDMD表達有關。

4.2 心肌梗死及心臟缺血再灌注損傷 在心肌梗死和再灌注損傷過程中，均會伴隨炎癥反應的發生。既往研究［18］表明，細胞焦亡相關因子廣泛存在于心肌細胞、心臟成纖維細胞、炎癥細胞內，參與心肌梗死的發生發展過程。一項研究［19］發現，心肌梗死激活了由caspase-1、NLRP3和ASC組成的多蛋白炎性小體復合體，并引發了心肌細胞的焦亡。核轉錄因子（NF-κB）作為細胞對氧化應激反應的關鍵分子開關，參與各種與炎癥、凋亡和增殖相關的疾病（如心肌梗死）的發生和發展，是GSDMD的必需轉錄因子，參與GSDMD介導的心肌細胞焦亡過程。NF-κB-GSDMD軸是氧化應激和NLRP3介導的心肌細胞焦亡的橋梁。心肌梗死后心臟缺血再灌注會誘導無菌性炎癥反應，導致心臟進一步損傷，進而導致梗死范圍擴大，表現為局部釋放DAMPs，觸發NLRP3表達，并通過激活caspase-1放大炎癥反應，促進細胞死亡。ROS是心臟缺血和再灌注期間產生的最常見副產物，是NLRP3的有效觸發因子，可以誘導依賴NLRP3的溶酶體的損傷和炎性小體的激活。ROS可以通過多種機制引發氧化應激及炎性小體級聯反應［20］。相關研究［21］表明，心臟缺血再灌注可誘導大鼠心臟表達GSDMD；β-細辛醚可抑制NLRP3通路，減少caspase-1的募集和激活，降低GSDMD蛋白的裂解和活化，表明β-細辛醚可通過抑制炎癥反應及NLRP3活化和GSDMD介導的細胞焦亡來減輕心臟缺血再灌注損傷和縮小心肌梗死面積，從而保護心臟功能。另有一項研究［22］表明，一種新的蒽醌類化合物康樂欣可以阻止心肌梗死誘導的焦亡，其抑制GSDMD、GSDMD-NT和裂解的caspase-1等細胞焦亡相關蛋白的增加。該研究提示，康樂欣可通過抑制NLRP3和隨后出現的細胞焦亡，預防心肌梗死造成的心肌損傷和心臟功能障礙。

4.3 心肌炎 心肌炎的特征為免疫細胞浸潤心臟及心肌水腫、纖維化和心臟功能障礙進行性惡化。心肌炎可由病毒（柯薩奇病毒、腺病毒、細小病毒、肝炎病毒、甲和乙型流感病毒、HIV等）、細菌（伯氏疏螺旋體）和原生生物（克氏錐蟲）等感染因素和非感染因素（毒素、酒精、毒品等）引起。大量免疫細胞被募集到心臟，可以去除壞死的組織、清除病原體以及促進損傷的愈合，但在一些特定情況下，免疫細胞會對心臟造成不可逆轉損害［23］。一項動物研究［24］表明，膽維丁乳(CCE)可以通過抑制細胞焦亡信號通路，進而減輕小鼠的實驗性自身免疫性心肌炎(EAM)。此外，CCE還可以減輕線粒體的損傷。相關研究［25］表明，通過抑制鈣蛋白酶表明可以減輕柯薩奇病毒B3誘導的心肌炎，其具體機制為典型途徑（NLRP3/caspase-1途徑）和非典型途徑（caspase-11途徑）介導的細胞焦亡被抑制，鈣蛋白酶抑制劑過表達可以顯著降低心肌組織內GSDMD-NT、IL-1β、高遷移率族蛋白1（HMGB1）的表達和外周IL-1β和HMGB1的表達。

4.4 糖尿病性心肌病 心肌病常為特發，發生發展可能與機體感染、代謝、遺傳和免疫因素有關。擴張性心肌病、遺傳性結構性心肌病、查加斯心肌病與NLRP3的激活密切相關［26］。糖尿病性心肌病是糖尿病的一種并發癥，以心肌纖維化、左心室肥厚和左心室收縮和舒張功能受損為特征。糖尿病性心肌病的患病率逐年升高，與糖尿病的高發病率有關。糖尿病性心肌病的發生與代謝紊亂導致炎癥、纖維化和心肌細胞死亡有關［27-28］。此外，高血糖可導致ROS的產生增加，進而使機體各個組織中氧化應激反應增加［11］。最近一項研究［29］發現，2型糖尿病小鼠心臟中NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA水平較對照組顯著升高。絞股藍可通過抑制ROS產生來減少NLRP3的激活，從而改善高糖引起的心肌損傷［30］。一項動物實 驗［31］表明，應用二甲雙胍治療后的糖尿病小鼠模型 中NLRP3、caspase-1、IL-1β和GSDMD-NT的表達水平均較對照組降低。上述研究表明，細胞焦亡在糖尿病性心肌病的發生發展中起重要作用，這為糖尿病性心肌病患者的治療提供了新思路。

4.5 心力衰竭 心力衰竭是各種心血管疾病的終末結局［32］。心肌梗死、心肌炎、心肌病、高血壓等引起的心力衰竭均伴有炎癥反應的發生［33］。炎癥反應導致心肌細胞及內皮細胞損傷加重，進一步加重心臟功能障礙。同時，氧化應激反應在衰竭的心臟中增加，促進心肌重塑的發生發展［34］。花青素、芹菜素可以通過抑制炎癥反應和氧化應激過程來減輕LPS誘導的心力衰竭和心肌損傷過 程［35-36］。既往研究［37］表明，卡維地洛作為被用于治療高血壓和充血性心力衰竭的藥物，可以抑制小鼠巨噬細胞內NLRP3 炎性小體的激活和GSDMD介導的細胞焦亡。曲美他嗪作為抗心絞痛藥物，可通過調節巨噬細胞的功能來改善LPS引起的心臟功能障礙。因此，心臟細胞焦亡在心衰的發生發展過程中起重要作用，有必要對細胞焦亡和心力衰竭的關系進行進一步研究。

綜上所述，GSDMD通過介導心肌細胞、心臟成纖維細胞、血管內皮細胞和巨噬細胞等多種細胞的焦亡，引發機體炎癥反應，在各種心血管疾病的發生發展中起重要作用。氧化應激作為GSDMD介導炎癥反應的重要環節，相關因子可作為心血管疾病預防和治療的潛在作用靶點。目前針對GSDMD膜孔形成及細胞焦亡過程在心血管疾病發生發展中作用的研究還處于起步階段，對其進行深入研究能為心血管疾病的預防與治療提供新方向。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。