細胞焦亡在風濕免疫類疾病中作用機制的研究進展

高晶月,劉維,王愛華,李培豪,張淑敏

天津中醫藥大學第一附屬醫院風濕免疫科,國家中醫針灸臨床醫學研究中心,天津 300193

細胞可以通過不同的生化途徑觸發死亡,從而產生不同的形態和生理結果。細胞凋亡(Apoptotic)可能是最廣為人知的細胞死亡方式,細胞凋亡的形態特征包括細胞質和核的縮合,DNA裂解和細胞膜的完整。凋亡的細胞被包裝成凋亡小體,在體內被吞噬和清除,不會導致炎癥因子的釋放[1-2]。而細胞焦亡(Pyroptosis)是一種新的程序性細胞死亡,由Brennan和Cookson[3]在2001年首次提出。不同于細胞凋亡,其特征是細胞膜出現孔洞、細胞腫脹破裂,導致細胞內促炎因子的釋放,導致強烈的炎癥反應發生[4]。

細胞焦亡的觸發包括經典途徑和非經典途徑。經典途徑由胱天蛋白酶-1(caspase-1)介導,機體受到外來刺激時,NOD樣受體蛋白3(NLRP3)識別病原體相關分子模式(PAMPs),與凋亡相關斑點樣蛋白(ASC)聚合,并募集pro-caspase-1形成NLRP3炎性小體,隨后pro-caspase-1被水解為有活性的cleaved-caspase-1,活化的caspase-1進一步切割GasderminsD(GSDMD),導致細胞打孔,白細胞介素(IL)-1β、IL-18等細胞因子釋放[5-7]。非經典途徑由caspase-4和caspase-5(在小鼠中由caspase-11)介導,革蘭陰性菌脂多糖(LPS) 誘導這些caspase的寡聚和激活,直接裂解GSDMD,使細胞成孔[8-9]。

Gasdermins蛋白家族是一類具有打孔效應的蛋白,可使細胞膜打孔,導致細胞焦亡的發生。目前發現該家族包括6個蛋白:GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME(也稱DFNA5)和PJVK(也稱DFNB59)。其中GSDMD是細胞焦亡的執行蛋白,是所有炎性caspase的共同底物蛋白,GSDMD可被caspase切割為具有成孔作用的GSDMD-N和具有自抑制作用的GSDMD-C,GSDMD-N可與細胞上的脂質結合,在膜上打孔進而破壞細胞膜的完整性,使細胞內物質釋放[8-10]。近年來有研究顯示GSDME可被caspase-3切割,從而引起細胞焦亡,此途徑可被線粒體途徑激活[11-13]。

現已證實細胞焦亡與許多疾病密切相關,如腫瘤[14]、感染性疾病[15]、心血管疾病[16]等。細胞焦亡在風濕免疫類疾病的發病機制中也起到重要作用[17],如類風濕關節炎、痛風、骨關節炎、系統性紅斑狼瘡等。本文就細胞焦亡在風濕免疫類疾病發病機制中的作用進行綜述,為闡明風濕免疫類疾病的發病機制提供新的視角,也為風濕免疫類疾病的治療提供新的可能靶點。

1 類風濕關節炎(RA)

RA是一種進行性、侵蝕性多關節炎,以滑膜炎為主要病理特征,是造成我國人群勞動力喪失和致殘的主要病因之一,已有許多研究證實炎癥因子參與RA的發病[18-20]。Yang等[21]發現LPS可以通過NLRP3/caspase-1/GSDMD 和caspase-3/GSDME這2條信號通路誘導滑膜成纖維細胞焦亡,并且這2條信號通路可以相互促進。Wu等[22]發現,與健康對照者(HC)單核細胞相比,RA患者單核細胞中GSDMD-N的表達和乳酸脫氫酶(LDH)的釋放顯著增加,且在電鏡下細胞呈典型的腫脹,胞膜出現大氣泡。使用RA患者的血清培養HC單核細胞也得到相同結果。且與低疾病活動度的RA患者血清培養的細胞相比,高疾病活動度的RA患者血清培養的細胞GSDMD的表達更高,IL-1β、IL-6的釋放也更多。這表明細胞焦亡參與了RA的發病,且細胞焦亡的發生率可能與RA疾病活動度呈正相關。

此外,研究發現PTX3(pentraxin-3)與補體C1q通過協同作用增加了RA細胞焦亡的發生[22]。Chen等[23]還發現環狀RNAhsa_circ_0044235在RA患者中表達被抑制,過表達hsa_circ_0044235可以抑制NLRP3介導的細胞焦亡的發生,此調控作用可能是通過miR-135b-5p/SIRT1調控軸來實現。

Wu等[24]發現酸敏感離子通道1a(ASIC1a)可能通過升高細胞內鈣離子濃度([Ca2+]i),介導佐劑性關節炎(AA)大鼠關節軟骨細胞的細胞焦亡。用不同的pH水平刺激大鼠原代關節軟骨細胞,發現細胞外酸中毒可增加ASIC1a、NLRP3炎性小體的蛋白表達升高,LDH的分泌增加;抑制ASIC1a表達可減少細胞焦亡相關分子的表達。Xie等[25]發現miRNA-33內膜信號通路可能與RA細胞焦亡的發生相關。與健康對照者相比,RA患者外周血單核細胞中miRNA-33和NLRP3表達明顯升高。而抑制miRNA-33表達可抑制NLRP3的表達,進而抑制細胞焦亡的發生。Li等[26]發現MRE11A的缺乏加劇了RA患者細胞焦亡的發生。RA患者CD4+T細胞中DNA修復核酸酶MRE11A蛋白濃度比對照組低50%,抑制MRE11A活性導致caspase-1依賴的T 細胞病死率增加。Ge等[27]發現,安石榴苷(Punicalagin)能夠降低CIA小鼠NLRP3炎性小體的表達,抑制細胞焦亡的發生,從而起到改善炎癥的作用。

2 痛風性關節炎

痛風性關節炎是單鈉尿酸鹽(MSU)介導的晶體性關節病,由于機體血尿酸水平升高,尿酸鹽結晶析出,沉積于關節,導致急性關節炎的發生[28-30]。Fabio等[31]發現,MSU可激活NLRP3,促使ASC完成NLRP3炎性小體的裝配,從而激活caspase-1,促使IL-1β和IL-18的成熟與分泌。而在NLRP3、ASC、caspase-1缺乏的細胞中,MSU的刺激不能產生成熟的IL-1β。

Rashidi等[32]發現,使用MSU刺激LPS預處理過的小鼠骨髓巨噬細胞(BMDMs)后,在細胞裂解液和上清液中同時檢測到GSDMD被切割至活性形式p30。而使用GSDMD抑制劑后,MSU刺激導致的caspase-1及IL-1β的活化均減少。這表明GSDMD在痛風炎癥的發展中起到重要作用,但該研究也表明MSU晶體在體外誘導的細胞死亡和IL-1β的釋放并不完全依賴于GSDMD。Wang等[33]發現P2Y14R基因參與了痛風細胞焦亡的調控,P2Y14R基因敲除的GA大鼠滑膜組織NLRP3炎性小體裝配被抑制,細胞焦亡發生減少。在隨后的人單核細胞系(THP-1)細胞實驗中也得到了相同的結果。Tian等[34]發現miR-223-3p通過靶向抑制NLRP3從而減少MSU誘導的細胞焦亡。MSU能夠加劇GA大鼠滑膜成纖維細胞(FLSs)中miR-223-3p的表達下調,而miR-223-3p的模擬物可以抑制細胞焦亡的發生,過表達NLRP3可以抵消miR-223-3p模擬物的作用。

Lin等[35]發現崗松提取物能夠減輕GA小鼠氧化應激損傷,抑制NLRP3炎性小體的裝配,從而抑制細胞焦亡的發生。Wang等[36]也發現菊苣酸能夠顯著抑制MSU刺激的THP-1中核因子抑制蛋白(IκBα)的降解,抑制了核因子(NF-κB)信號通路的激活以及NLRP3炎性小體的活化,并降低了IL-1β、TNF-α等炎癥因子的水平。

3 骨關節炎(OA)

OA是常見的退行性病變,以關節軟骨進行性破壞、軟骨下骨硬化、滑膜增生和骨贅形成為主要特征,現已證實IL-1β、IL-18、NF-κB等炎癥因子在OA發病中起著重要作用[37-38]。研究表明NLRP3在OA中被激活,NLRP3抑制劑CY-09能夠抑制細胞焦亡,從而達到維持細胞外基質穩態以及調節炎癥的作用[39]。Zhang等[40]發現,KOA大鼠滑膜組織中焦亡相關分子表達上調。降低caspase-1的表達,可減少巨噬細胞焦亡的發生,而降低GSDMD的表達可降低KOA滑膜成纖維細胞的纖維化標志物水平。該團隊另一項研究[41]發現缺氧誘導因子1α(HIF-1α)升高與KOA細胞焦亡發生相關,抑制HIF-1α的表達可抑制KOA中FLSs細胞焦亡的發生,下調細胞焦亡相關分子的表達,改善滑膜纖維化。表明細胞焦亡參與了OA的發病,且可能與纖維化的發生相關。Qian等[42]發現過表達miR-107可以抑制OA中細胞焦亡的發生,且miR-107可直接靶向于caspase-1從而起到抑制焦亡的作用。還有研究[43]表明病毒雙鏈RNA類似物polyI:C刺激人軟骨細胞(ACF)后,ACF細胞增殖受到抑制,NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18的mRNA表達顯著升高。且胞內受體MDA5表達為對照組的118倍。提示MDA5受體通路是polyI:C誘導軟骨細胞細胞焦亡重要通路之一。

Zhao等[44]發現除NLRP3外,NLRP1炎性小體與OA病理中細胞焦亡的發生也高度相關。膝骨關節炎(KOA)患者滑膜中NLRP1、NLRP3、ASC、caspase-1表達升高,LPS+ATP誘導的FLSs細胞中也發生NLRP1、NLRP3表達升高。敲低NLRP1和NLRP3的表達均能降低LPS+ATP誘導的FLSs中ASC、caspase-1、GSDMD和IL-18的表達。

Liu等[45]發現小劑量吲哚美辛聯合Hedgehog信號抑制劑GANT-61能夠下調OA中caspase-1、IL-1β、IL-18的表達,提示吲哚美辛和GANT-61可協同抑制OA的細胞焦亡,從而達到改善炎癥的作用。Zu等[46]發現淫羊藿苷也能夠抑制NLRP3/caspase-1介導的細胞焦亡,從而達到改善OA的作用。

4 強直性脊柱炎(AS)

AS主要累及骶髂關節及脊柱關節,其特征性病理改變為骶髂關節炎、中軸關節炎、肌腱及韌帶附著點炎癥[47-48]。研究表明在AS患者的腸道、滑膜和骨髓樣本中均觀察到NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18的表達上調,GSDMD的膜定位也證實了存在細胞焦亡的發生[49]。有研究[50]也發現,AS患者外周血單核細胞(PBMC)中NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β、IL-17A和IL-23的表達均升高。體外實驗也證實LPS可誘導PBMC表達NLRP3、caspase-1、ASC、IL-1β、IL-17A和IL-23。

Gu等[51]發現AS患者滑膜組織miR-204表達降低,NLRP3、caspase-1、caspase-11、GSDMD升高,過表達miRNA-204可抑制FLSs細胞焦亡發生率,降低FLSs中[Ca2+]i、NLRP3、caspase-1和caspase-11的水平。而過表達GSDMD可阻斷miR-204過表達對FLSs的保護作用。

5 系統性紅斑狼瘡(SLE)

SLE是自身免疫介導的彌漫性結締組織病。其病理特點是自身抗體的產生,免疫復合物的沉積,以及多系統的受累。程序性細胞死亡在SLE的發病中起到重要作用[52-53]。Fan等[54]發現,狼瘡模型小鼠MRL/lpr小鼠胸腺和脾臟中NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18、TNF-α的mRNA表達均升高。免疫組化顯示5個指標在脾臟的表達均高于胸腺,且脾臟/ 胸腺表達比值穩定。Zhao等[55]發現,與健康對照組小鼠相比,在MRL/lpr小鼠腎臟中嘌呤類受體P2X7、NLRP3、ASC、caspase-1(p20)的蛋白表達增強,IL-1β水平升高。降低P2X7表達可減少MRL/ lpr小鼠腎臟NLRP3、ASC和caspase-1(p20)的表達,降低IL-1β水平,且能減輕MRL/lpr小鼠腎損傷的程度。并且在狼瘡性腎炎模型小鼠實驗中得到了相似的結果。這提示了炎癥因子在SLE的發病中也起到重要作用。

有研究[56]表明GSDMD可通過不同機制促進中性粒細胞胞外殺菌網絡NETs形成釋放,而后Kahlenberg等[57]發現,NETs和LL-37(一種位于NETs上的抗菌蛋白)可以通過P2X7受體介導的鉀外流激活巨噬細胞NLRP3炎癥小體,使caspase-1活化,導致IL-1β和IL-18的釋放。IL-18又能進一步刺激NETosis導致前饋炎癥循環,以致疾病活動和(或)器官損傷。提示了GSDMD在SLE的炎癥產生中發揮作用,且可能參與SLE的器官損害,并可能起到加重疾病活動度的作用。

與既往研究不同,Wang等[58]發現在咪喹莫特誘導的SLE模型小鼠中,GSDMD(-/-)小鼠出現更高的病死率、更嚴重的腎臟和肺部炎癥,并加劇了自身抗體的產生；研究結果發現GSDMD除了促進炎癥反應外,還可能在SLE中發揮以前未被重視的保護作用,其中的作用機制還需今后的研究繼續證實。

6 其他

6.1 多發性肌炎/皮肌炎 多發性肌炎(PM)和皮肌炎(DM)是一組累及橫紋肌為主的慢性非化膿性炎性肌病,以四肢近端肌肉、頸肌、咽喉肌、呼吸肌等肌群無力、壓痛,后期導致肌肉萎縮為主要表現。皮肌炎還伴有特征性皮膚表現[59-60]。已有研究證實,GasderminE(GSDME)的過度表達可使細胞凋亡轉變為細胞焦亡[61]。有研究[62]發現caspase-3和GSDME依賴的線粒體焦亡與DM的致病有關。在DM/DM肌肉組織caspase-3,caspase-9,GSDME、IL-1α等蛋白表達及mRNA表達水平升高。GSDME陽性和IL-1α陽性染色主要定位在穿孔的液泡或肌膜周圍。

Liu等[63]發現,DM/PM肌纖維中丙酮酸激酶同工酶M2(PKM2)和NLRP3炎性小體表達上調,并呈正相關。此外,DM/PM肌纖維中細胞焦亡相關蛋白表達增強。抗信號識別顆粒(SRP)抗體陽性患者肌肉組織中的PKM2水平和血漿中的IL-1β水平更高。且PKM2抑制劑可以減少DM/PM的NLRP3炎性小體激活,并隨后抑制了細胞焦亡的發生。

6.2 干燥綜合征(SS) SS是一種主要累及外分泌腺體的慢性炎癥性自身免疫病,主要臨床表現為涎腺和淚腺受損導致的口干、眼干,也可出現其他系統受累。病理特征為外分泌腺淋巴細胞浸潤[64-65]。Hong等[66]發現,與健康對照相比較,SS患者血清/唾液中IL-18水平升高,唾液中cleaved-caspase-1蛋白表達升高。與僅有干燥癥狀的患者對比發現,SS 患者小唾液腺caspase-1,GSDMD,黑素瘤缺乏因子2(AIM2)和IL-18的mRNA表達顯著升高,且1型干擾素(IFN-1)基因表達顯著升高。相關性分析顯示caspase-1和GSDMD的表達與干擾素誘導蛋白44樣蛋白(IFI44L),三角形四肽重復干擾素誘導蛋白3(IFIT3),和干擾素誘導基因15(ISG15)相關。在人頜下腺(HSG)細胞中,IFN-1的刺激也增加了caspase-1和GSDMD的表達。這提示了SS中的細胞焦亡可能受到IFN-1的調控,IFN-1可能是SS治療的靶點之一。

6.3 川崎病 川崎病(Kawasaki disease)是一種常見的兒童風濕性疾病,表現為全身中小血管血管炎,最易累及冠狀動脈,是兒童后天性心臟病的主要原因[67-68]。李真真等[69]發現,與對照組相比,川崎病患兒急性期血清中細胞焦亡經典途徑信號通路重要信號分子pro-caspase-1、cleaved-caspase-1,及非經典途徑信號通路重要信號分子caspase-4及caspase-5的蛋白表達均明顯增加。細胞焦亡關鍵效應分子GSDMD、GSDMD-N蛋白表達及炎癥因子IL-1β和IL-18蛋白表達均增加。提示細胞焦亡參與了川崎病的發病,為川崎病的治療提供新的思路。

7 小結

細胞焦亡是近年新發現的程序性細胞死亡方式,其特點是細胞膜穿孔,細胞完整性被破壞,細胞內容物釋放,導致強烈的炎癥反應。而炎癥因子及炎癥反應與風濕免疫類疾病的發病關系密切,現已有許多研究證實了在RA、GA、OA等關節炎中細胞焦亡都起到了重要的作用,影響著疾病的活動和進展,抑制細胞焦亡的發生可以減輕關節炎的炎癥反應。細胞焦亡的發生也受到了HIF-1α、P2X7等上游因子的調控,也提示這些因子可能成為疾病治療的靶點。

細胞焦亡在SLE、SS、PM/DM等系統疾病中研究目前還較少,尤其在SLE中細胞焦亡相關分子GSDMD的作用機制還存在不同的研究結果。且目前對細胞焦亡靶向抑制藥物的研究較少,因此也期待有更多的研究,能更深入地闡述細胞焦亡在風濕免疫類疾病中的分子機制,也期待細胞焦亡的靶向抑制可能為風濕免疫類疾病的治療開辟全新途徑。