細胞焦亡在腎臟疾病中的作用

楊 倩，葉 琨

（1.廣西中醫藥大學瑞康臨床醫學院，廣西 南寧 530200；2.廣西壯族自治區人民醫院腎內科，廣西 南寧 530021）

近年來細胞焦亡（pyroptosis）成為了研究熱點，目前已有研究證明細胞焦亡在腫瘤、消化系統、心血管系統、內分泌系統等多種疾病的發生發展中扮演了重要角色，并且還進行了相關通路的探索，旨在進一步了解細胞焦亡對疾病的作用機制。細胞焦亡本質上屬于非特異性的先天免疫反應，是一種與炎癥相關的程序性細胞死亡方式[1]。2001年，Cookson BT等[2]首次提出了焦亡的概念，定義為沙門氏菌感染的巨噬細胞非凋亡的、炎性半胱天冬酶-1（caspase-1）依賴的細胞死亡。后續研究發現[3]，細胞焦亡是由炎性半胱天冬酶caspase介導的一種炎性程序性細胞死亡形式。細胞焦亡不同與其他的細胞死亡方式，其特征是DNA斷裂、細胞核完整、細胞腫脹、細胞膜孔形成和釋放細胞內容物及促炎細胞因子，如白介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、白介素-18（interleukin-18，IL-18）和內源性危險性信號蛋白（high mobility group box 1，HMGB-1）等，因此焦亡的本質是促炎[4]。隨著GSDMD的發現，焦亡的機制得以進一步揭示，其被重新定義為gasdermin介導的程序性壞死[5]。本文將重點介紹細胞焦亡的分子機制，并且聚焦細胞焦亡在腎臟疾病中的作用，包括狼瘡性腎炎、糖尿病腎病、急性腎損傷等，以期為腎臟疾病的治療提供新思路。

1 焦亡的分子機制

細胞焦亡主要通過3種途徑發揮作用，分別是經典途徑、非經典途徑以及其他途徑。現將相關機制詳細介紹如下。

1.1 經典途徑 在經典途徑中，模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）識別胞內或胞外相關的病原體相關分子模式（damage-associated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關分子模式（athogen-associated molecular patterns，DAMPs）[6]，促進PRRs的pyrin結構域（pyrin domain，PYD）與凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein contain a CARD，ASC）結合，進而ASC招募pro-caspase-1并結合形成完整的炎癥小體[7]。炎癥小體將procaspase-1裂解為有活性的caspase-1。活化的caspase-1使GSDMD裂解成GSDMD-N端和GSDMDC端，具有成孔活性的GSDMD-N端插入細胞膜并在膜上形成孔道，這是焦亡的關鍵過程[8]。同時活化的caspase-1介導促炎細胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18轉化為活性形式的IL-1β和IL-18，最終引發焦亡。以下對在經典途徑中發揮重要作用的分子物質進行介紹。

1.1.1 PRRs PRRs根據其在細胞里的位置分為跨膜型和細胞質型兩種類型。跨膜型的PRR有Toll樣受體（toll-like receptors，TLRs）、C型凝集素受體（Ctype lectin receptors，CLRs），細胞質型的PRR有NOD樣受體（NOD-like receptors，NLRs）、視黃酸誘導基因-I樣受體（retinoic acid-inducible gene-I–like receptors，RLRs），黑色素瘤缺乏因子2樣受體（absent in melanoma 2-like receptors，ALRs）[9，10]。在焦亡發生過程中，PRRs的作用就是通過識別相關病原體的DAMPs和PAMPs，感知到宿主受到了感染，從而參與焦亡的“啟動”環節。

1.1.2 炎癥小體 炎癥小體位于細胞質中，是由傳感器、適配器和效應蛋白組成的多聚蛋白復合物[11]。炎癥小體是由其傳感器蛋白（如PRR）定義的，它在PAMPs或DAMPs的作用下寡聚形成一個pro-caspase-1的激活平臺。PRRs中有5個成員已被證實可形成炎癥小體并且參與了細胞焦亡，分別為NLRP1[12]、NLRP3[13]、NLRC4[14]、AIM2[15]和pyrin[16]。其中有關NLRP3的研究較為廣泛。此外，據報道[17-20]，PRRs的其他成員如NLRP2、NLRP6、NLRP12和干擾素-γ誘導蛋白質16（IFI16）也會在特定條件下形成炎癥小體。在經典途徑中，炎癥小體的激活非常關鍵，炎性小體形成后，可以激活caspase-1，從而促進細胞因子IL-1β和IL-18成熟和GSDMD的分解，進而促進細胞焦亡。

1.1.3 GSDMD 2015年，有學者[21，22]通過實驗確定了GSDMD是炎性caspase介導焦亡的重要底物。GSDMD屬于gasdermin家族，該家族成員還包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME（也稱DFNA5）和PJVK（也稱DFNB59）。除DFNB59外，所有gasdermin均擁有類似GSDMD的自我抑制結構。在靜息細胞中，GSDMD-C端與GSDMD-N端相結合時，其中C端結構域作為抑制結構域來限制N端功能，從而使整體GSDMD處于自我抑制的狀態[22]。活化的caspase-1/4/5/11可以切割GSDMD的N端和C端中間的連接區域，從而破壞這種自我抑制結構，發揮GSDMD-N端的活性作用。GSDMD-N端可與細胞膜的脂質成分如膜脂、磷脂酰肌醇、心磷脂等結合，發揮其成孔活性，使細胞膜上出現內徑10-14nm的小孔，并且通過這個小孔的形成，成熟的IL-18和IL-1β得以排出胞內以及胞外液體的可以流入胞內，導致細胞腫脹和滲透溶解[23，24]，GSDMD-C端則停留在胞質內。由此可見，GSDMD-N端的成孔活性對于通過炎性半胱天冬酶啟動細胞焦亡至關重要，因此GSDMD被稱為是細胞焦亡的關鍵執行者。

1.2 非經典途徑 非經典途徑主要是由小鼠caspase-11和人類同源的caspase-4/5參與。caspase-4/5/11可以直接與革蘭氏陰性菌胞質中的脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）相互作用，導致caspase的激活[25]。胞外革蘭氏陰性菌的LPS由跨膜的TLR4感知，激活的caspase-4/5/11可直接將GSDMD切割成C端和N端片段，從而引發焦亡[21，22]。但是，激活的caspase-4/5/11無法直接介導pro-IL-18或pro-IL-1β的成熟和分泌，而是通過NLRP3-ASC-cas pase-1途徑[26]。

此外，有研究發現[27]，縫隙連接蛋白1（Pannexin-1）是caspase-11誘導的非經典途徑中介導焦亡的一個關鍵蛋白。在LPS刺激下，活化的caspase-11可特異性剪切和修飾Pannexin-1，引起細胞ATP的釋放，從而誘導離子通道P2X7受體介導的焦亡。

1.3 其它途徑 隨著對焦亡機制的不斷探索，研究發現[28]，除caspase-1/4/5/11外，還存在其它途徑可以激活焦亡。化療藥物可以通過激活caspase-3，對GSDME高表達的癌癥細胞和正常細胞進行凋亡變為焦亡的轉化。活化的caspase-3對GSDME進行剪切，生成GSDME-N端片段，該片段識別細胞膜并且在膜上形成孔道，誘發細胞焦亡。在caspase-8介導的途徑中，抑制轉化生長因子β活化激酶（TGF-βactivated kinase 1，TAK1）可以誘導caspase-8的激活，從而裂解GSDMD，導致細胞焦亡[29]。此外，在缺氧條件下，PD-L1轉移到細胞核，與p-Stat3一起調控GSDMC的轉錄，從而促使TNF-α將caspase-8激活，從而參與細胞凋亡變為為焦亡的轉化過程[30]。在顆粒酶介導的途徑中，CAR-T細胞通過釋放顆粒酶B（granzyme B，GzmB）快速激活靶細胞中的caspase-3，然后裂解GSDME，引發焦亡[31]。在細胞毒性淋巴細胞中的顆粒酶A（granzyme A，GzmA）通過穿孔素進入靶細胞，裂解GSDMB的Lys229/Lys244位點引發焦亡[32]。還有研究提出在黑色素瘤細胞中，通過釋放細胞色素C進入細胞質來誘導caspase-9的激活，進而激活caspase-3，裂解GSDME導致焦亡[33]。

2 細胞焦亡與腎臟疾病

細胞焦亡是屬于先天的免疫反應，而腎臟疾病大多與免疫系統有著密切的關聯。并且越來越多的證據表明，許多腎臟疾病的病理進展源于炎癥，從而導致腎臟損傷。因此，近年來人們進行了許多有關細胞焦亡及腎臟疾病的研究。以下將簡要闡述細胞焦亡在狼瘡性腎炎（lupus nephritis，LN）、糖尿病腎病（diabetic kidney disease，DKD）、急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）、慢性腎臟病（chronic kidney disease，CKD）等腎臟疾病中的最新研究進展。

2.1 LN LN是系統性紅斑狼瘡（systemic lupus erythematosus，SLE）累及腎臟所引起的一種免疫相關性腎炎，是SLE嚴重的并發癥。由于狼瘡性腎炎患者腎組織大都會出現明顯的炎癥細胞浸潤，結合細胞焦亡的“促炎”本質，近年來狼瘡性腎炎與細胞焦亡的關系受到關注和研究。Fu R等[34]發現狼瘡患者及小鼠足細胞中的NLRP3炎癥小體被激活，進而導致了LN的足細胞損傷。有研究[35，36]發現在MRL/lpr狼瘡小鼠模型中，隨著病情的發展，焦亡相關因子（如NLRP3、caspase-1等）在小鼠模型中的表達隨之增加，實驗結果表明焦亡與LN病情的發展存在顯著的相關性，并且NLRP3可能成為一個可以期待的LN的治療靶點。所以后續Peng X等[37]研究發現，胡椒堿作為一種已知的靶向NLRP3炎癥小體的生物活性化合物，通過靶向AMPK來顯著抑制NLRP3炎性小體的激活，抑制促炎細胞因子的釋放，阻斷腎小管上皮細胞的焦亡，從而抑制LN的發展。Cao H等[38]研究發現對LN患者應用潑尼松、霉酚酸酯及他克莫司聯合治療方案，可抑制caspase-1/GSDMD介導的細胞焦亡，延緩疾病進展。以上研究通過體內外實驗以及臨床患者相關實驗，多角度證明了焦亡與LN的發生發展具有顯著的相關性。

2.2 DKD DKD是糖尿病患者最主要的微血管病變之一，也是導致終末期腎病（end stage renal disease，ESRD）的重要原因之一[39]。有研究表明[40]，高血糖引起的炎癥因子的激活在糖尿病腎病的進展中起著至關重要的作用。Cheng Q等[41]發現在高血糖條件下，可以激活caspase-11/4和GSDMD介導的細胞焦亡，參與足細胞損傷和DN的發展。Li X等[42]發現在DN大鼠及細胞模型中MALAT1發揮了顯著的促焦亡作用，而miR-23c則表達出抗焦亡作用。An X等[43]發現安石榴甙可通過TXNIP/NLRP3抑制細胞焦亡，從而保護糖尿病腎病。以上靶點的發現，不僅有助于DN發病機制的探索，更是有助于開發DN新的治療策略。

2.3 AKI AKI是一種以腎小球濾過率迅速下降和代謝廢物積累為特征的臨床綜合征[44]。AKI按病因可分為腎前、腎內和腎后，其中常見的有缺血再灌注、造影劑、膿毒血癥、腎毒性藥物等[44]。其中缺血再灌注（Ischemia-reperfusion，I/R）可直接導致AKI和NLRP3炎癥小體的激活[45]，并且可以通過抑制NLRP3/caspase-1軸，從而抑制I/R誘導的AKI和細胞焦亡[46]。有關造影劑導致的AKI中，Zhang Z等[47]學者發現全身暴露于造影劑的情況下，可以激活炎性的caspase 4/5/11，導致嚴重的腎小管上皮細胞焦亡。Zhu X等[48]也發現通過抑制NLRP3炎癥小體的激活，可以減少造影劑誘導的腎小管細胞焦亡，保護腎臟，說明了腎小管上皮細胞焦亡在造影劑誘導的AKI中所起的必要作用。在藥物導致的AKI中，焦亡也參與其中。Miao N等[49]研究表明在順鉑引發的AKI中，caspase-11/GSDMD介導的腎小管上皮細胞焦亡對腎小管細胞損傷和腎功能惡化中起著重要作用。此外，除了GSDMD導致的焦亡，Xia W等[50]研究發現caspase-3/GSDME引發的焦亡和炎癥也介導了AKI的發生。對介導AKI的焦亡相關因子的不斷探索，為理解和治療AKI提供了新的視野。

2.4 CKD進行性 CKD常見的致病機制包括腎臟炎癥和纖維化[51]。DAMP通過激活先天免疫系統來驅動炎癥，從而促進CKD的進展[52]。在小鼠單側輸尿管梗阻（UUO）模型中，caspase-1、IL-1β和IL-18的表達增加，而NLRP3-/-小鼠的UUO模型中腎小管損傷、炎癥和纖維化程度較輕，并伴隨著caspase-1的和IL-1β、IL-18的減少[53]。并且有研究表明可以通過抑制NLRP3依賴性的焦亡途徑來改善CKD的發展，保護腎臟[54，55]，這說明了NLRP3炎癥小體有參與慢性腎臟病的發病過程。還有研究表明[56]，AIM2炎癥體被腎臟中壞死細胞的DNA激活，促進了巨噬細胞IL-1β和IL-18的釋放，從而導致了CKD。此外，Wu M等[57]證明可通過GSDME依賴細胞焦亡來參與CKD腎小管間質纖維化和腎功能障礙，為預防和治療CKD的一個新的潛在靶點。

2.5 其它腎臟疾病 在其它腎臟疾病中也有焦亡的參與，在IgA腎病模型中，IgA免疫復合物可通過巨噬細胞內的ROS激活炎癥小體，誘導IL-1β和caspase-1的分泌。還有研究提出[58]，淫羊藿苷可通過抑制NF-κB介導的NLRP3炎癥小體活化來減輕IgA腎病大鼠的腎損傷，提示NLRP3可能參與了IgA腎病的炎癥過程。在晶體相關性腎病中，草酸鈣晶體通過激活腎內單核巨噬細胞中NLRP3/ASC/caspase-1直接損傷腎小管細胞[59]。有關高血壓腎病的研究表明[60]，腎臟中NLRP3炎癥體的激活與鹽敏感型高血壓有關；還有學者[61]提出NLRP3抑制劑MCC950可以顯著降低血壓和減輕腎臟纖維化程度，保護腎功能。此外，HIV轉基因小鼠（Tg26）腎組織中的NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β的蛋白以及mRNA水平的表達明顯增加，并且caspase-1抑制劑作用于足細胞后，caspase-1和IL-1β的表達下降，發揮了抗焦亡作用，這也提示caspase-1激活介導的足細胞損傷在HIV相關性腎病中具有重要作用[62]。

3 總結與展望

細胞焦亡作為一種炎癥性和程序性的細胞死亡方式，其作用機制的探索不斷取得新進展，從最開始的經典通路，到后來的非經典通路，再有非炎性的caspase以及GSDME、GSDMA、GSDMB等在焦亡中作用的發現不斷的開拓了視野，使得大家對焦亡的機制有了更深入全面的認知。近年來也有越來越多的研究提示通過調節焦亡相關因子水平可以改善腎臟疾病的損傷程度，從而發揮腎臟保護作用。這些新發現可能會為腎病患者帶來更多有效、有前景的治療方法。但是目前腎臟疾病中關于焦亡的相關研究大多處于動物模型及細胞水平，其在臨床上的探索仍處于空白階段，未來如何將這些已發現的成果應用于臨床及指導臨床診療亟需更多學者去探索。