細胞焦亡在肝臟疾病方面的研究進展

【摘要】 細胞焦亡是一種炎癥反應介導的程序性細胞死亡，其形態學和生化特征明顯不同于其他形式的細胞死亡，與肝臟疾病的發生密切相關。基于此，本文將介紹細胞焦亡的發生機制，并闡述細胞焦亡在病毒性肝炎、肝纖維化、肝細胞癌、代謝相關脂肪性肝病中的發生發展作用，以期為臨床肝病的預防及治療提供新的思路和方法。

【關鍵詞】 細胞焦亡 肝纖維化 肝細胞癌

Research Progress of Pyroptosis in Liver Diseases

[Abstract] Pyroptosis is a kind of programmed cell death mediated by inflammatory response， its morphological and biochemical characteristics are obviously different from other forms of cell death， and it is closely related to the occurrence of liver diseases. Based on this， this paper will introduce the mechanism of pyroptosis， and explain the role of pyroptosis in the occurrence and development of viral hepatitis， liver fibrosis， hepatocellular carcinoma and metabolic associated fatty liver disease， in order to provide new ideas and methods for the prevention and treatment of clinical liver disease.

[Key words] Pyrodeath Liver fibrosis Hepatocellular carcinoma

焦亡是一種針對細胞內細菌的先天免疫防御，越來越多的證據表明，其也參與無菌炎癥，如急性或慢性肝病。細胞焦亡作為一種非典型的程序性細胞死亡方式，若發生在肝癌細胞等異常細胞中，可加速其免疫應答以應對感染；但若發生在肝星狀細胞（hepatic stellate cell，HSC）等正常細胞中，則易加劇炎癥反應，導致細胞大量死亡、組織增生和器官功能衰竭等，因此細胞焦亡在肝臟疾病的發展過程中既有益也有弊。

1 細胞焦亡概念

“細胞焦亡”這一細胞死亡方式是由Zychlinsky等在福氏志賀菌感染的巨噬細胞中首次發現[1]。2001年，Cookson首次使用“細胞焦亡”這一名詞來形容這種細胞死亡方式[1]。半胱氨酸依賴性天冬氨酸特異性蛋白酶（cysteine aspartic acid specific protease， caspase）-1/4/5/11被激活后，其下游蛋白如白細胞介素-1β（IL-1β）隨之釋放，并誘導成孔蛋白（gasdermin，GSDM）D的活化，其活化后在細胞膜上形成微孔，從而使細胞快速吸水腫脹破裂，細胞內容物及細胞內炎癥因子釋放，從而參與機體的免疫炎癥反應[2]。細胞焦亡的特征是染色質凝固、細胞膜穿孔、細胞質空泡化、內質網擴張、完整的細胞器結構保留和基因組電泳中DNA斷裂。

2 細胞焦亡的機制

GSDM家族由6個成員組成，其中5個與細胞膜微孔形成和誘導細胞焦亡的發生有關，這5個成員分別為GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD和GSDME，另一個成員DFNB59（PJVK）與常染色體隱性聽力損失有關[3]。這些蛋白具有相似的N端和C端結構域結構，其中C端結構域作為抑制性結構域使N端功能受到抑制。GSDM家族主要表達于皮膚、胃腸道和免疫細胞中，可在黏膜屏障中發揮作用。

2015年，研究發現GSDMD在細胞焦亡中扮演著關鍵效應蛋白的角色[4]。直到炎癥性caspase分割GSDMD被確定為細胞焦亡發生的關鍵事件，GSDMS作為關鍵效應蛋白的才為人所知。GSDMD的N端結構域具有親脂性并有成孔活性，通過連接器與C端結構域連接，在穩態下，C端結構域抑制N端結構域的成孔活性。特定的蛋白酶在響應不同的信號時被激活，切割連接區域，分離N端和C端，并激活N端的成孔活性。分離后的N端結構域移位到質膜上，并與質膜胞質小葉的酸性磷脂（如磷酸肌苷）結合，隨后，N端結構域寡聚并在質膜上形成環狀孔[5]。焦亡最初被定義為一種“caspase-1依賴性程序性細胞死亡”的過程[6]，但隨著研究深入，其他caspase，包括caspase-3/4/5/6/8/9/11也可引起細胞焦亡，并會在先天性免疫和腫瘤發生發展中發揮重要作用。典型的焦亡途徑由caspase-1介導，caspase-1由多個典型炎性小體啟動引發焦亡，并伴隨著GSDMD的裂解和IL-1β/18的釋放[7]。炎性小體是多蛋白細胞質復合物，作為模式識別受體，它們與各種各樣的免疫和細胞死亡途徑交叉[8]，是調節炎癥反應和協同宿主抗菌的多蛋白信號傳導平臺[7]。目前研究證實與細胞焦亡相關的炎性小體有：核苷酸結合寡聚結構域樣受體蛋白（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP）1、NLRP3、NLRP4、先天性免疫受體黑色素瘤缺乏因子（absent in melanoma 2， AIM2）等[9]。如NLRP3在吡喃結構域（pyrin domain， PYD）和caspase募集區（caspase recruitment domain， CARD）的影響下，募集失活的前體caspase-1生成成熟的caspase-1。caspase-1可在GSDMD中間連接處裂解N端和C端，使DSDMD的N端誘導細胞膜穿孔，導致細胞腫脹、破裂和炎癥因子釋放[10]。非典型焦亡途徑則由caspase-4/5/11組成的大分子信號復合物“非典型炎性小體”介導[11]。caspase-4/5/11-脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）復合物被認為是介導非典型途徑的非典型炎性小體。在細胞質中，一些革蘭陰性菌的致病性相關LPS可以通過CARD片段與caspase-4/5/11結合，而不需要炎性小體[12]。caspase-4的激活依賴于鳥苷酸結合蛋白在細菌膜上的募集和激活，而caspase-11的激活是由高遷移率族蛋白B1（HMGB1）介導的。激活的caspase-4/5/11在中間連接處切割GSDMD，隨后釋放C端和N端，誘導細胞膜穿孔并引發焦亡。此外，非典型炎性小體也可激活NLRP3炎性小體[13]，提示非典型途徑與典型途徑存在關聯。然而，典型途徑和非典型途徑之間的關系仍然是未知的，值得研究。

3 細胞焦亡與肝臟疾病

3.1 細胞焦亡與病毒性肝炎

肝炎病毒可感染肝細胞并引起高病死率的病毒性肝炎，其中約90%為乙型肝炎病毒（HBV）和丙型肝炎病毒（HCV），若沒有有效的治療措施，病毒性肝炎會使肝臟逐漸從早期纖維化發展為肝硬化，甚至肝癌，直接威脅患者的生命。文獻[14]發現，肝臟疾病的發生發展伴隨著炎性小體的活化和IL-1β和IL-18的釋放，以及GSDMD表達的增加。隨著肝臟炎癥的加重，NLRP3、GSDMD、caspase-1、IL-1β和IL-18的表達水平逐漸升高，未治療的活躍HBV感染患者肝臟中NLRP3、caspase-1和IL-1β的表達水平顯著高于緩解患者。研究表明，在HCV感染期間，焦亡早于凋亡，并證實NLRP3參與了HCV誘導的焦亡，HCV通過典型途徑誘導焦亡，但這種caspase-1的激活也可能依賴于其他傳感器，并且在HCV感染的情況下，凋亡通路和焦亡通路之間似乎存在大量的串擾[15]。

3.2 細胞焦亡與肝纖維化

肝纖維化是一種以肝臟纖維結締組織過度積聚為特征的進展性病理過程，通常發生在慢性肝病中，可導致肝硬化、門靜脈高壓和肝功能衰竭。代謝性肝病、酗酒、肝炎病毒感染、自身免疫性疾病、膽汁淤積和遺傳是公認的促進肝纖維化發病的因素[16]。肝纖維化是由細胞外基質（extracellular matrix，ECM）蛋白（主要是Ⅰ型和Ⅲ型交聯膠原蛋白）積累而形成的纖維瘢痕，這些蛋白取代了正常的受損組織。肌成纖維細胞是肝纖維化中ECM的主要來源，因此也是治療肝纖維化的主要靶點。肌成纖維細胞的起源已經被深入研究，并且已經確定了肝臟肌成纖維細胞的幾種來源，包括肝臟駐留細胞、造血干細胞和門靜脈成纖維細胞及骨髓來源的細胞，如間充質干細胞[17]。

隨著研究不斷深入，發現炎性小體和炎性小體相關的焦亡參與了多種病理的肝纖維化發生[18]。NLRP3炎性小體是傳染性和慢性炎癥疾病中研究最廣泛、特征最好的炎性小體[19]。雖然對損傷的先天性免疫防御可以有效地減緩疾病的進展，但NLRP3炎性小體的不適當活化也會加速各種疾病的發生發展[20]。此外，炎性小體可直接和間接誘導肝纖維化。肝星狀細胞（hepatic stellate cell，HSC）中的炎性小體激活會直接導致HSC活化，從而導致ECM的形成和肝纖維化。近年來，越來越多的研究表明，肝細胞炎性小體激活、隨后的焦亡及炎性小體與造血干細胞的交叉作用在各種慢性肝損傷中具有重要作用。除了NLRP3外，肝細胞內的其他炎性小體也參與了肝損傷和肝纖維化，研究表明，肝細胞表達并激活其他炎性小體，這些炎性小體參與細胞與造血干細胞的通訊，從而誘導肝纖維化，但這些炎性小體的作用尚未完全清楚，需進一步研究[21]。NLRP3強大的炎癥潛能，以及它在疾病中的作用，使其成為一個有研究潛力的藥物靶點。NLRP3激動劑可以作為有效的免疫刺激分子來增強免疫功能，如逆轉實體腫瘤中的免疫抑制微環境，NLRP3途徑的抑制劑在一系列自身炎癥性疾病中具有強大的治療潛力[22]。3，4-亞甲基二氧基-β-硝基苯乙烯（MNS）是一種合成的硝基烯烴，通過抑制NLRP3炎性小體的活化來抑制焦亡，它對NLRP3有特異性作用。除了抑制NLRP3的激活外，該分子還抑制凋亡相關斑點樣蛋白質（apoptosis- associated speck-like protein containing a CARD，ASC）的寡聚。研究發現，咖啡酸、綠原酸、阿魏酸和對香豆酸可通過下調人惡性膠質母細胞瘤（U87MG）細胞中NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β的mRNA表達來抑制IL-1β的釋放[23]。

3.3 細胞焦亡與肝細胞癌

肝細胞癌（HCC）的發病率逐漸上升，HCC的主要危險因素是任何病因導致的慢性肝損傷進展為的肝硬化。在全球范圍內，HBV和HCV是肝硬化的主要致病因子，肝硬化患者進展為HCC的年發生率為2%～4%[24]。已有證據表明NLRP3炎性小體與不同惡性腫瘤相關，但是也表明其是治療癌癥的雙刃劍，因為其對免疫力的影響不同。鑒于NLRP3炎性小體與腫瘤形成之間獨特而復雜的關系，腫瘤炎性小體相關的免疫治療近年來成為一個有前景的研究領域。最近的一項研究指出，NLRP3顯著增強了抗程序性死亡受體1（programmed death-1，PD-1）抗體免疫治療黑素瘤的效果[25]。大量證據表明，NLRP3炎性小體與腫瘤進展、預后和治療反應相關[26]。另一方面，有證據表明NLRP3通過調節宿主免疫在預防腫瘤發展中發揮關鍵作用[27]。考慮到HCC發生率的性別差異，研究證明了雌二醇（estradiol，E2）可以誘導NLRP3炎性小體激活和caspase-1釋放，從而引發焦亡，并證明了在E2處理下，HCC的自噬抑制是由NLRP3炎性小體激活介導的，這表明了NLRP3炎性小體激活在誘導細胞焦亡對抗癌細胞方面的潛力[28]。

3.4 細胞焦亡與代謝性功能障礙相關的脂肪性肝病

代謝相關脂肪性肝病（metabolic associated fatty liver disease， MASLD）在全球范圍內引起嚴重的健康問題，代謝相關脂肪性肝炎（metabolic associated steatohepatitis，MASH）是MASLD進展的關鍵一步，NLRP3炎性小體和焦亡在MASH的進展中起著至關重要的作用[29]。在動物實驗中，采用高脂飲食誘導小鼠MASLD，發現NLRP3炎性小體被激活，NLRP3和caspase-1表達上調，GSDMD切割誘導了焦亡的發生，小鼠外周血和肝臟組織炎癥因子表達同時上調，提示焦亡促進了MASLD的發生進展[30]。NLRP3炎性小體誘導的炎癥因子釋放和焦亡過程是肝臟疾病的關鍵炎癥信號。基于此，應用調節NLRP3炎性小體的藥物是MASLD管理的一個有效干預措施。如：NLRP3抑制劑直接靶向抑制NLRP3本身具有特異性的優勢；NLRP3炎性小體成分的抑制劑主要針對炎性小體激活過程；與NLRP3炎性小體相關的化學藥物具有改善MASLD的作用，其部分機制與NLRP3炎性小體阻斷有關；與NLRP3炎性小體相關的中藥制劑也可改善MASLD，它們含有更復雜的成分[31]。

4 總結與展望

綜上，細胞焦亡在許多肝病中都扮演了重要角色，通過炎性小體、caspase和GSDMD影響肝臟疾病的發生和發展。但細胞焦亡仍有許多未解決的問題，炎性小體的作用仍未完全闡明，與炎性小體有關的藥物仍需大量實驗，而GSDMD主要表達在免疫細胞和胃腸道中，肝細胞中少有表達，還需進行更多的動物實驗。目前，細胞焦亡調控肝臟疾病的機制尚未清楚，還存有許多關鍵的問題仍未闡明。

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