細胞焦亡的作用機制及其在膿毒癥中的研究進展

［摘要］" 膿毒癥是可導致機體嚴重器官功能障礙、危及生命的炎性綜合反應，一般是由病原微生物侵入機體引發，近年來發生率和病死率居高不下，是重癥監護病房患者死亡的重要原因。細胞焦亡是新發現的一種伴隨炎癥因子釋放的細胞程序性死亡，可一定程度上抵御微生物的感染，但過度激活會誘導和加重膿毒癥。目前有研究證明，細胞焦亡的許多相關分子都參與了膿毒癥的發病進程，并在其中發揮重要作用。對膿毒癥中細胞焦亡的研究不僅可深入闡明細胞焦亡的病理作用和機制，也有助于對膿毒癥的發生發展和轉歸預判，尤其為發現治療膿毒癥的靶點拓展新思路。

［關鍵詞］ 細胞焦亡；膿毒癥；含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶；炎癥小體；Gasdermin家族

［中圖分類號］ R459.7" ［文獻標志碼］ A" ［文章編號］ 1671-7783（2024）04-0297-04

DOI： 10.13312/j.issn.1671-7783.y230083

［引用格式］丁玉婷，王薈，趙楊靜，等. 細胞焦亡的作用機制及其在膿毒癥中的研究進展［J］. 江蘇大學學報（醫學版）， 2024， 34（4）： 297-300.

［基金項目］國家自然科學基金資助項目（82071738）；江蘇大學大學生創新創業訓練計劃項目（202110299206Y）

［作者簡介］丁玉婷（2001—），女，本科生；邵啟祥（通訊作者），教授，博士生導師，E-mail： shao_qx@ujs.edu.cn

2016年《美國醫學會雜志》（JAMA）發布的國際共識將膿毒癥（sepsis）定義為一種由于宿主對感染的反應失調導致的危及生命的器官功能障礙，其診斷標準由Sepsis-1（全身炎癥反應綜合征）逐漸更新為Sepsis-3（序貫性器官功能衰竭評分），臨床醫學界開始將研究重點放在器官功能障礙相關指標的評估上，而不僅是識別炎癥指標［1］。膿毒癥在全球范圍內已成為一個嚴重的健康問題，也是危急重癥患者死亡的重要原因，據統計，2017年全球膿毒癥的發病人數為4 890萬例，每年死亡人數超過1 100萬例，占全球患者死亡總數的近20%［2］。我國的研究結果表明，重癥監護室中有20%左右為膿毒癥患者，90 d的死亡率高達35.5%，且60%的病例與重癥肺部感染相關［3］。因此，膿毒癥也是一個重要的公共衛生問題，耗費國家大量醫療資源。美國醫院膿毒癥患者的經濟成本和醫療費用不斷上升，2018年高達280億美元［4］。膿毒癥的發病機制尚未完全闡明，近年研究認為免疫炎癥因子風暴、免疫抑制、免疫麻痹和免疫耗竭帶來的免疫功能紊亂是其重要病理機制，這些機制最終導致器官損傷和功能障礙，其中細胞死亡是重要的病理改變之一。

細胞焦亡是一種炎性細胞程序性死亡，也被稱為細胞炎性壞死，表現為細胞脹大破裂，產生強烈的炎癥反應。隨著分子機制與疾病相關性研究的深入，發現細胞焦亡在腦卒中、動脈粥樣硬化和感染引起的膿毒癥等多種臨床疾病中普遍存在［5-8］。

1 細胞焦亡的研究歷程

2001年，Cookson和Brennan在傷寒沙門菌感染的巨噬細胞中發現了這種炎性細胞程序性死亡，并首次將它命名為細胞焦亡［9］。2011年，Kayagaki等［10］發現，小鼠中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶11（cysteinyl aspartate specific proteinase 11，caspase-11）在細菌感染的先天免疫應答中有獨特的促炎癥作用，能夠誘導一種不同于caspase-1介導的經典途徑，把由caspase-11所介導的細胞焦亡稱為“非經典的細胞焦亡”。邵峰院士是國內細胞焦亡領域的開拓者和國際領銜學者之一，在細胞焦亡的研究領域做出了重要貢獻。2014年，邵峰等證明了鼠源caspase-11及其在人體中的同源蛋白caspase-4和caspase-5等炎性caspase是脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的細胞內受體，能夠識別細胞質中的LPS，并使其被炎性特定的募集結構域（caspase recruitment domain，CARD）識別并結合，引起非經典的細胞焦亡［11］；2015年，該團隊和美國的Vishva M.Dixit團隊分別在Nature雜志上發表了研究結果，共同論證了一個重要發現：炎性caspase下游分子是消皮素D（gasdermin D，GSDMD），闡明了GSDMD的活化切割介導細胞焦亡效應過程［12-13］；并進一步研究揭示了GSDMD的作用機制：GSDMD蛋白的N端片段（N-GSDMD）可識別并結合細胞膜上的磷脂類分子并打孔，促使細胞膜裂解，最終導致細胞死亡［14-15］。

2 細胞焦亡引起的細胞形態學改變和作用機制

2.1 形態學過程

GSDMD被切割后形成的N-GSDMD在細胞膜上形成直徑為10～14 nm的gasdermin孔［14］，破壞胞膜的完整性。細胞膨大變形或腫脹破裂，DNA隨機降解，細胞內容物釋放。成熟的IL-1β和IL-18從膜孔溢出細胞，引起并擴大周圍組織的炎癥。

2.2 分子機制

目前的研究證明細胞焦亡可通過經典和非經典兩條途徑進行。在不同刺激條件下，細胞會激活不同的caspase，通過不同途徑介導細胞焦亡。

經典途徑是由caspase-1介導的。當細胞被病原體感染引起固有免疫激活時，病原體和受損組織共同形成病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）。PAMPs可被模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs），包括Nod樣受體（Nod-like receptors，NLRs）家族、熱蛋白、RIG-I樣受體（RIG-I like receptor，RLR）、Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）家族和黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）等識別。最初認為，NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）可以被PAMPs如ATP、某些微生物產物、細菌毒素等直接激活［16］，隨后發現，PAMPs通過激活TLRs來激活NLRPs［17］，進而組裝和激活炎癥小體和下游分子。凋亡相關的斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）同時包含熱蛋白結構域（pyrin domain，PYD）和CARD，作為接頭蛋白分別連接NLRP3和caspase-1前體，形成炎癥小體。caspase-1被寡聚后發生自剪切，形成有活性的caspase-1［18］。活化后的caspase-1一方面可切割活化GSDMD，在胞膜上形成gasdermin孔，導致細胞內物質流出、細胞炎性死亡；另一方面caspase-1也能夠切割IL-1β和IL-18前體，使其成為有效的生物活性分子，通過gasdermin孔釋放到細胞外［14］，促發炎癥反應［19-20］。

非經典途徑是由人源caspase-4、5或鼠源caspase-11介導的［21］。研究表明，這種途徑可直接介導細胞焦亡，而不需要生成炎癥小體。Aachoui等［22］在對伯克霍爾德菌感染機體所產生的免疫逃逸機制研究時發現，由caspase-4、5和11介導的非經典焦亡途徑能夠識別進入細胞質中的細菌LPS，捕獲逃逸到胞質中的病原體，引發細胞焦亡。與經典途徑類似的是，活化的caspase-4/5/11也是通過切割GSDMD引起焦亡［11］。但caspase-4/5/11不能切割IL-1β和IL-18前體，只能通過激活NLRP3炎癥小體活化caspase-1，進而切割IL-1β和IL-18前體［11，23］。

2.3 炎癥小體

炎癥小體是一種由細胞質內天然免疫識別受體參與組裝的較大的多聚體蛋白復合物，由受體蛋白、接頭蛋白和下游caspase家族組成，是先天免疫應答的重要組成部分。PAMPs激活受體蛋白如NLRs等，進而誘導炎癥小體的組裝。PAMPs是病原體特有的分子模式，具有結構相對穩定且進化相對保守的特點。損傷相關分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs）是組織或細胞受到損傷、缺氧、應激等因素刺激后釋放到細胞間隙或血液循環中的一類物質［24］。PRRs是一種表達于固有免疫細胞表面的特異性識別分子，它們在固有免疫應答過程中，可識別不同類型的PAMPs和DAMPs，如TLRs可感知細胞表面或內小體中的PAMPs；NLRs可識別宿主細胞質中的微生物分子，激活固有免疫應答，產生炎癥反應。

NLRs家族包含幾個亞家族，通過N端結構域進行區分，NLRP3炎性小體是其中最著名的分子，由NLRP3蛋白、接頭蛋白ASC和caspase-1組成［25］。ASC通過PYD和CARD發揮橋梁作用，分別連接受體蛋白和效應蛋白caspase［26］。NLRs家族另一成員NLRC4自身含有CARD結構域，故不需要結合ASC，就可直接與caspase-1結合使其激活發揮功能［19］。

NLRP3的激活機制目前普遍接受的是一種雙信號激活模型理論。第一信號稱為啟動信號，由內源性分子提供，通過激活NF-κB誘導NLRP3和pro-IL-1b表達上調，第二信號稱為激活信號，由RNA、病毒顆粒或ATP等刺激因子觸發NLRP3激活［8-9，14，27］。

2.4 Gasdermin家族

Gasdermin家族成員目前已經鑒定出包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME［即非綜合征性聽力損傷蛋白5（non-syndromic hearing impairment protein 5，DFNA5）］和DFNB59。最早發現與細胞焦亡執行有關的gasdermin家族蛋白是GSDMD，由480個氨基酸組成，包含N端和C端兩個結構域，在哺乳動物細胞中，gasdermin-N結構域表現出固有的細胞毒性，但C端對N端有抑制作用，因此全長GSDMD處于一種自抑制狀態［14］。活化的炎性caspase能切割GSDMD的N端和C端結構域中間的連接區域，解除GSDMD的自抑制，形成游離的N-GSDMD，這對誘導細胞焦亡至關重要。重組的N端蛋白可以與細胞膜分子發生寡聚，寡聚后的N-GSDMD端蛋白能夠直接在膜上形成分子孔道，因細胞內外滲透壓差造成脂質體的嚴重滲漏以及生物膜的裂解。孔道直徑能夠允許成熟的IL-1β、IL-18和活化后的caspase-1通過［14，28］。

基于序列同源性進行鑒定后，發現gasdermin家族成員表現出不同的組織表達［29］，作為焦亡的實際執行者，不同的gasdermin家族蛋白在不同組織中的活化方式和水平，以及生理學功能可能會成為今后研究的熱點問題［27］。另有研究提示［30-32］，gasdermin家族可能還存在不同的上游活化分子和潛在的其他功能有待發掘。

3 細胞焦亡引起的炎癥與膿毒癥的關系

細胞焦亡是機體對外來微生物感染和內源性危險信號做出的固有免疫應答的效應，能夠促進IL-1β、IL-18等炎癥因子的釋放，抑制細胞內病原菌的增殖，啟動受感染細胞的炎性細胞程序性死亡，從而有效抵御外來微生物的侵襲。但固有免疫應答的過度活化可能會導致嚴重的全身炎癥反應，損傷機體靶器官，甚至誘發膿毒癥。膿毒癥發生初期是機體對抗入侵的病原體而產生的嚴重全身炎癥反應，接著各種炎癥介質大量釋放從而介導過度免疫炎癥反應，可導致多器官損傷和功能障礙、膿毒癥休克甚至死亡。因此，細胞焦亡是一把“雙刃劍”，既是清除病原體的重要“功臣”，也是誘導全身炎癥反應乃至膿毒癥的“罪魁禍首”。

在膿毒癥發生和進展過程中，發生了非常復雜的免疫應答，隨著病程的進展而變化，同時出現促炎和抗炎反應的相互“博弈”機制和持續長時間的免疫調節，最終引起機體對并發感染的易感性以及產生嚴重的免疫抑制［32-33］。正是由于這一原因，膿毒癥較難控制和治療，死亡率很高。器官功能障礙是膿毒癥患者預后的重要預測因素，嚴重的多器官功能障礙與患者的死亡高風險息息相關［34］。

4 細胞焦亡對膿毒癥治療的指導作用

膿毒癥管理需要早期診斷、治療，包括源頭控制、抗生素治療和復蘇［35］。目前尚缺乏有效的膿毒癥早期診斷指標，雖然血培養能夠提示微生物感染情況，但耗時長，也無法判斷膿毒癥的進展程度，結合膿毒癥前期的嚴重炎癥反應和后期的免疫抑制，治療應將最初幾個小時內的抗感染治療與72 h后的固有免疫應答相結合［36］。盡管目前對膿毒癥認知有了很大的進步，抗菌藥物、急性期護理等措施得到了一定程度的發展，但收效有限。總的來說，膿毒癥仍需要開發更有效的診斷標志物、靶向藥物和綜合治療措施。

近年來有關細胞焦亡的研究如火如荼，對其分子機制及其在膿毒癥中發揮作用及機制研究取得較大進展，抑制炎癥小體的激活、細胞焦亡終末效應和炎癥因子的釋放可能會是有效的治療策略［34，37］。利用膿毒癥中發生的細胞焦亡機制，根據每個病例的炎癥反應和膿毒癥表型進行個性化治療，將為膿毒癥患者預后改善帶來新希望。

5 小結

膿毒癥是全球具有重大影響的臨床危急重癥，嚴重危害人類生命健康，其發生發展非常復雜，因此迫切需要闡明致病機制，開發新的診療技術和方案。總的來說，目前對膿毒癥的發病機制和疾病轉歸仍然知之甚少，控制膿毒癥中的細胞焦亡仍是未來重要的研究方向之一。

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［收稿日期］ 2023-03-23" ［編輯］ 郭 欣