細胞焦亡在肝損傷微環(huán)境中的作用研究進展

張 釗,葛乃嘉,馬新月,刁佳雯,全吉淑

(延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院,吉林 延吉 133002)

細胞焦亡(pyroptosis)是一種新型的細胞程序性死亡機制,其分子機制及形態(tài)學(xué)特征與凋亡,壞死,自噬等其他形式的細胞死亡機制有著顯著的差別[1]。細胞焦亡以形成細胞微孔、細胞腫脹、胞膜破裂、最終導(dǎo)致炎癥因子和細胞內(nèi)容物的釋放為主要特征。細胞焦亡激活后細胞內(nèi)產(chǎn)生焦亡相關(guān)炎癥因子及炎癥小體,最終引發(fā)局部或全身的炎癥反應(yīng)[2]。一方面,細胞焦亡可以協(xié)助機體免疫系統(tǒng)及時清除病原體[3]。另一方面,過度的炎癥小體激活可引起強烈的炎性反應(yīng),并最終導(dǎo)致疾病的加劇[3]。肝作為人體最大的腺器官,在維持機體代謝和免疫穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著極其重要的作用[4]。而肝組織中的許多細胞均能發(fā)生細胞焦亡,從而參與肝的免疫防御反應(yīng),但是細胞焦亡的過度發(fā)生將會導(dǎo)致肝損傷的加劇,危害機體的健康[5]。本文主要就細胞焦亡的分子機制及其對肝損傷微環(huán)境中的多種細胞如免疫細胞、肝細胞、肝星狀細胞的影響加以綜述。

1 細胞焦亡的激活途徑

細胞焦亡依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase),細菌感染以及細胞應(yīng)激反應(yīng)均能夠激活炎性小體而引起細胞焦亡[6],其特征是caspase-1/4/5/11 被激活后,其下游蛋白如白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-18(IL-18)隨之釋放,并誘導(dǎo)打孔蛋白消皮素D(gasdermin D,GSDMD)的活化成熟,使細胞膜微孔形成,細胞快速腫脹破裂,細胞內(nèi)容物及炎癥因子釋放,從而參與機體的免疫炎性反應(yīng)[7]。細胞焦亡主要分為依賴caspase-1 激活的經(jīng)典途徑,以及依賴caspase-4/5/11 激活的非經(jīng)典途徑[8]。

1.1 經(jīng)典途徑

細胞焦亡的經(jīng)典途徑大多是由胞內(nèi)多聚蛋白復(fù)合物炎癥小體(inflammasome)介導(dǎo)完成[9],其起始于炎癥小體識別各種外源性和內(nèi)源性危險信號,包括病原相關(guān)分子模式(PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)[10]。炎癥小體系統(tǒng)的受體成分是由核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域(NOD)樣受體(NLRs)形成的,根據(jù)不同的胞質(zhì)模式識別受體(PRR)蛋白,NLRs 可分為 NLRP1 (NLR family pyrin domain containing 1)、NLRP3 (NLR family pyrin domain containing 3)、NAIPs(NLR family apoptosis inhibitory proteins)、NLRC4 (NOD-like receptor containing a caspase activating and recruitment domain 4)或黑色素瘤缺乏因子-2(absent in melanoma 2,AIM2)。這些受體蛋白與凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(apoptosisassociated speck-like protein containing caspase recruitment domains,ASCs)相結(jié)合,ASC 包含兩個結(jié)構(gòu)域:分別是與PRR 相互作用的pyrin 結(jié)構(gòu)域(PYD),以及與caspase-1 相互作用的caspase 招募結(jié)構(gòu)域(CARD)[11]。通過這兩個結(jié)構(gòu)域,ASC 可以與PRR 和caspase 前體蛋白相互結(jié)合,最終組成炎癥小體[12]。

其中caspase-1 是目前唯一確認(rèn)的參與細胞焦亡經(jīng)典途徑的caspase 蛋白,而NLRP3 炎癥小體由NLRP3 蛋白、ASC 和caspase-1 組成[13],是目前研究較為深入,且能夠接收病原體、毒素等多種刺激信號的一種炎癥小體。NLRP3 炎癥小體激活caspase-1 導(dǎo)致IL-1β 前體和IL-18 前體的裂解,并使其產(chǎn)生成熟的、具有生物活性的細胞因子[13]。此外,活化的caspase-1 也將GSDMD 切割成具有活性的片段,并使其轉(zhuǎn)移到細胞膜磷脂層,在胞膜上形成大小不等的蜂窩狀孔洞,繼而引起細胞腫脹破裂,最終導(dǎo)致IL-1β、IL-18、乳酸脫氫酶(LDH)及其他可溶性胞質(zhì)內(nèi)容物的大量釋放,引起細胞發(fā)生焦亡[14]。因此,這證明了細胞焦亡是由炎癥小體激活并通過GSDMD 介導(dǎo)的細胞炎性壞死。

1.2 非經(jīng)典途徑

與典型的焦亡相比,焦亡的非經(jīng)典途徑是由caspase-4/5(小鼠中的caspase-11)激活介導(dǎo)的,它可以直接被脂多糖(LPS)激活[15]。LPS 的lipidA 部分可以識別并與CARD 結(jié)構(gòu)域結(jié)合,然后促進caspase-4/5/11 寡聚和激活,使其切割并激活GSDMD,這一過程類似于焦亡經(jīng)典途徑[16]。caspase-4/5/11 也可以激活泛連接通道蛋白1(pannexin-1),隨后打開膜通道P2X7,導(dǎo)致細胞膜上形成微孔。此外,激活的pannexin-1 可以通過K+外排激活NLRP3 炎癥小體,導(dǎo)致caspase-1 活化及IL-1β 的產(chǎn)生和釋放[16]。通過GSDMD 和pannexin-1,細胞焦亡的經(jīng)典與非經(jīng)典途徑將協(xié)同發(fā)揮作用。

細胞膜上的GSDMD 孔對細胞是有害的,但如果質(zhì)膜中的孔隙數(shù)量較少,細胞正常的修復(fù)能力可以填補這些孔道。然而,如果GSDMD 孔的數(shù)量超過細胞的自我修復(fù)能力,Na+和水將進入細胞,細胞體積將逐漸增大,最終引起細胞的腫脹破裂[14]。此外,通過GSDMD 孔釋放的IL-18 與IL-1β,可以招募免疫細胞至炎癥部位,IL-18 可以刺激T 細胞增殖,加強NK 細胞活性,誘導(dǎo)細胞因子的生成并觸發(fā)炎癥急性期信號反應(yīng)[17]。而IL-1β 能夠引起肝中主要的促纖維化細胞肝星狀細胞(HSCs)的增殖和反分化,導(dǎo)致肝纖維化組織的積累[18]。

2 細胞焦亡在肝損傷微環(huán)境中的作用

肝是機體抵御血液循環(huán)系統(tǒng)中各種病原微生物及毒素的第一道防線,而炎癥小體作為焦亡的受體,在肝中的免疫細胞、肝細胞、肝星狀細胞等多種細胞中均高表達[5]。這些細胞的焦亡途徑激活后,可以及時發(fā)揮肝正常的免疫防御反應(yīng),也可以直接或間接導(dǎo)致肝損傷的進一步加劇。

2.1 免疫細胞

肝組織中的免疫細胞主要包括巨噬細胞和粒細胞,其中巨噬細胞可以第一時間檢測到肝中存在的危險信號[19],因此巨噬細胞的焦亡是導(dǎo)致肝病發(fā)展的重要原因之一。Pelegrin 等[20]研究表明LPS 與ATP 協(xié)同作用可以誘導(dǎo)J774a.1 巨噬細胞焦亡,并激活P2X7 受體,使其快速釋放大量IL-1β。庫普弗細胞(Kupffer cell)是肝組織中可以自我更新的一種巨噬細胞,它可以清除內(nèi)毒素,并釋放IL-1β、IL-18等炎癥因子以維持肝組織微環(huán)境的免疫穩(wěn)態(tài)[21]。Mirshafiee 等[22]研究表明稀土氧化物可以引起NLRP3 炎性小體和caspase-1 的激活,導(dǎo)致庫普弗細胞及其他巨噬細胞系,如J774A.1 和RAW264.7 細胞的焦亡。因此,肝組織中巨噬細胞焦亡對肝損傷微環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在兩方面:一是巨噬細胞的焦亡可以影響免疫防御系統(tǒng)及時對病原體,內(nèi)毒素等危險信號作出應(yīng)答；另一方面,巨噬細胞焦亡產(chǎn)生的IL-1β 等炎癥因子可以進一步加深肝損傷的程度。

研究表明許多慢性肝損傷疾病的明顯特征是免疫反應(yīng)失調(diào)和肝細胞死亡[23]。Palacios-Macapagal 等[24]的體內(nèi)模型研究發(fā)現(xiàn)壞死肝細胞能夠誘導(dǎo)嗜酸性粒細胞的募集,使其分泌IL-1β 和IL-18,并伴有脫顆粒和細胞死亡現(xiàn)象,而caspase-1 抑制劑能夠阻斷所有這些反應(yīng)。進一步研究表明曼氏血吸蟲感染小鼠肝竇中的曼氏菌卵可導(dǎo)致肝細胞死亡、炎癥和進行性肝纖維化,從中可以分離出大量嗜酸性粒細胞,并證實其發(fā)生了由caspase-1 介導(dǎo)的細胞焦亡。這表明,細胞焦亡是嗜酸性粒細胞用來應(yīng)對大規(guī)模肝細胞死亡的一種重要途徑。

2.2 肝實質(zhì)細胞

除免疫細胞外,細胞內(nèi)在炎癥小體的激活可以引起肝細胞焦亡并加劇肝組織炎癥及纖維化[25]。Lebeaupin 等[26]用LPS 誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,引起NLRP3 炎癥小體的激活,從而導(dǎo)致肝細胞焦亡及炎癥的發(fā)生。而Chen YL 用盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)誘導(dǎo)小鼠肝膿毒癥模型,引起NLRP3 及caspase-1 上調(diào),進而使肝細胞發(fā)生焦亡,并且其研究表明肝損傷程度與焦亡相關(guān)蛋白如NLRP3、caspase-1 表達量等呈正相關(guān)[27]。肝細胞可以感知循環(huán)系統(tǒng)中的PAMPs,如LPS,隨后將高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)釋放到細胞外結(jié)合LPS,并通過晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end-products,RAGE)內(nèi)化到巨噬細胞和內(nèi)皮細胞的溶酶體中。隨后HMGB1 在溶酶體的酸性環(huán)境中使磷脂雙分子層通透性增強,導(dǎo)致LPS 泄漏到細胞質(zhì)中引起caspase-11 的激活,繼而引起肝損傷的進一步惡化[28]。這一結(jié)果也證實了肝細胞焦亡在肝損傷微環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。

2.3 肝星狀細胞

肝星狀細胞中炎癥小體的激活在肝纖維化的發(fā)展中起著重要作用[29]。肝纖維化的特征是細胞外基質(zhì)的沉積,而肝星狀細胞是主要儲存細胞外基質(zhì)的細胞[30]。Boaru 等[31]研究表明NLRP3 炎癥小體激活后釋放的促炎細胞因子(IL-1β 和IL-18)可以在體外激活肝星狀細胞和組織成纖維細胞的焦亡。Watanabe 等[32]研究證實從損傷的肝細胞和巨噬細胞中釋放的細胞因子和DAMPs 可以激活肝星狀細胞的焦亡并誘導(dǎo)肝纖維化。Wree 等[25]的體內(nèi)實驗表明,NLRP3 突變小鼠高表達的NLRP3 誘導(dǎo)肝星狀細胞發(fā)生焦亡,使其結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF)和基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑1 (tissue inhibitor of matrix metalloproteinase1,TIMP1)表達增高,致肝組織膠原沉積增多,引起較為嚴(yán)重的肝炎及肝纖維化。因此,肝組織中肝星狀細胞焦亡的激活是肝炎,肝纖維化發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 總結(jié)與展望

綜上所述,細胞焦亡對肝組織在抵御病原體及各種危險信號時發(fā)揮的免疫防御作用極其重要,但過度的焦亡會促進肝損傷的進一步加劇。然而細胞焦亡過程復(fù)雜,其在肝多種細胞中的詳細分子機制以及不同細胞間的竄擾作用有待進一步研究。近年來,抗細胞焦亡藥物以及針對焦亡的靶點治療在肝損傷的治療上有著非?？捎^的發(fā)展前景。我們可以通過阻斷相關(guān)分子(如NLPR3、caspases 和IL-1 等)來抑制焦亡對肝損傷的影響,這對于肝病來說是一種潛在的治療方法。但是細胞焦亡是抵御病原體及危險信號的一道重要防線,抑制焦亡可能影響機體正常的免疫反應(yīng),進而增加機會性感染的風(fēng)險。因此,如何在維持機體正常免疫的情況下,抑制細胞焦亡的發(fā)生,并達到動態(tài)的平衡,仍需要更多的研究。所以,對于細胞焦亡機制的進一步探索將有助于抗細胞焦亡藥物與細胞焦亡相關(guān)靶點治療的研究與利用。