录亚鹏郝伟 钟海莲 刘洋 王迎斌兰州大学第二医院麻醉科，兰州 730030国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(7):776-780.DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20211230-00600REVIEW ARTICLES【综述】细胞焦亡作为新发现的可导致炎症反应的程序性细胞死亡，与机体多种病理损伤过程密切相关，包括缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury, IRI）。IRI作为一种常见的临床并发症，可导致多器官功能障碍，具有较高的病死率，是临床诊治的主要挑战之一[1]。因此，器官IRI的发生机制和防治措施一直是基础和临床研究的热点，而细胞焦亡的发现为IRI的防治提供了新希望。1 细胞焦亡 2001年，Cookson和Brennan[2]首次将胱天蛋白酶（caspase）‑1介导的程序性细胞死亡命名为“细胞焦亡”后，细胞焦亡便在巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞等多种细胞类型中被广泛报道[3]。Shi等[4‑5]发现，细胞焦亡还可由脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）激活人caspase‑4/5和鼠caspase‑11引起；同时，他们证实caspase通过裂解消皮素D（gasdermin D, GSDMD）蛋白诱导焦亡的发生。细胞焦亡兼具坏死和凋亡的部分特征。相比凋亡，焦亡也会发生细胞核浓缩、染色体DNA裂解、末端脱氧核苷转移酶介导的脱氧尿苷三磷酸标记呈阳性，但其强度低于凋亡[6]。类似于坏死，细胞焦亡也可引起细胞破裂溶解和炎症的级联反应[7]，而坏死是极端病理刺激引起的组织损伤和细胞死亡，属于病理学概念。目前细胞焦亡主要包括炎症小体激活caspase‑1的经典途径和LPS激活caspase‑4/5/11的非经典途径[6]。1.1 经典焦亡途径经典焦亡途径是指炎症小体激活caspase‑1，进而裂解GSDMD蛋白引起焦亡的过程。常见焦亡相关炎症小体包括核苷酸结合寡聚化域样受体3［nucleotide‑binding oligomerization domain（NOD）‑ like receptor 3, NLRP3］和黑色素瘤缺乏因子2等[8]。其在病原体相关分子模式或危险相关分子模式的作用下激活形成炎症小体复合物，进而诱导pro‑caspase‑1自我剪接成活化caspase‑1。caspase‑1除可促使pro‑IL‑1β和pro‑IL‑18激活发挥促炎作用外，还可裂解GSDMD蛋白，将其解离为GSDMD‑N和GSDMD‑C，亲脂性的GSDMD‑N端可与细胞膜相结合并低聚化形成直径10~15 nm的膜通道，该通道可引起离子及小分子物质的跨膜流动，最终导致细胞焦亡和炎症反应[9‑10]。然而，Kayagaki等[11]最新研究表明，诱发细胞焦亡的质膜破裂是由ninjurin‑1蛋白介导的主动过程，因此提出ninjurin‑1是另一种焦亡执行蛋白，但其详细作用机制还需进一步研究。1.2 非经典焦亡途径非经典焦亡途径中，caspase‑4/5/11通过识别LPS而被激活，进而裂解GSDMD蛋白引发焦亡，其过程与经典焦亡途径相似。caspase‑4/5/11并不能直接活化pro‑IL‑1β和pro‑IL‑18，而是通过活化NLRP3炎症小体进而激活caspase‑1并介导pro‑IL‑1β和pro‑IL‑18成熟，间接发挥促炎作用。目前研究揭示了两种NLRP3活化机制：一种是通过GSDMD‑N端激活NLRP3炎症小体[9‑10]；另一种是活化的caspase‑11通过裂解pannexin‑1通道并释放ATP，从而激活P2X7通道引起K+外排，K+外流可直接激活NLRP3炎症小体[12]。2 细胞焦亡与器官IRI2.1 心肌IRI缺血再灌注（ischemia reperfusion, IR）是心肌损伤和继发心衰最重要、最常见的原因，针对其机制研究一直是临床治疗的希望。最近，细胞焦亡在心肌IRI中的重要作用也被揭示[13]。Shen等[14]研究表明，IR在引起小鼠心肌损伤的同时伴随焦亡相关蛋白NLRP3、caspase‑1和IL‑1β等高表达，而使用BAY11 7082选择性抑制NLRP3炎症小体则可明显逆转上述损伤过程，提示细胞焦亡参与心肌IRI。Tang等[15]不仅证实心肌IRI时发生了细胞焦亡，且明确提出焦亡可作为心肌IRI的治疗靶点。此外，微RNA（microRNA, miRNA）参与心肌IRI的机制也与细胞焦亡密切相关。Wei等[16]在小鼠心肌IRI模型中首次证明miR‑703是通过抑制NLRP3/caspase‑1焦亡通路减轻心肌IRI。而Zhou等[17]也发现，抑制miR‑132表达可明显改善心肌IRI，其机制与抑制细胞焦亡直接相关。此外，Zhong等[18]发现，右美托咪定可通过下调miR‑29b激活FoxO3a/ARC轴抑制IR诱导的心肌细胞焦亡，改善大鼠心肌IRI。因此，抑制细胞焦亡可作为保护心肌细胞免受IRI的潜在靶点。2.2 脑IRI脑缺血性损伤会导致大量神经元不可逆死亡，虽然及时的再灌注是防止神经元进一步死亡的有效方法，但持续的再灌注也会加重脑损伤。An等[19]发现，细胞焦亡是IR诱发脑损伤的重要机制之一，通过抑制NLRP3炎症小体相关性焦亡可明显改善脑IRI模型的神经功能，减少梗死面积和水肿程度。另外，Wang等[20]发现，脑IRI时NLRP3炎症小体依赖性焦亡主要发生在小胶质细胞，与其免疫特性相关，是潜在的治疗靶点。而Cao等[21]证实了上述保护作用，发现CHRFAM7A过表达时通过抑制NLRP3/caspase‑1通路介导的小胶质细胞焦亡减轻脑IRI。此外，Wang等[22]发现，神经元细胞同样会发生焦亡，且抑制细胞焦亡已成为改善脑IRI的有效措施。2.3 肾IRI细胞焦亡在肾IRI中也具有重要作用。Diao等[23]发现，细胞焦亡是肾I/R时引起肾小管上皮细胞死亡进而导致肾损伤的主要原因，抑制细胞焦亡可作为改善肾IRI的有效方法。另外，miRNA可通过作用于细胞焦亡调控肾IRI。Wang等[24]研究证实，miR‑92a‑3p是肾小管上皮细胞发生焦亡的重要调控因子，抑制miR‑92a‑3p表达可降低体内NLRP3、caspase‑1、GSDMD‑N、IL‑1β、IL‑18等蛋白表达，改善肾IRI。此外，糖尿病患者易发生肾IRI的原因也与细胞焦亡密切相关，高血糖通过下调Sirtuin 1信号通路促进细胞焦亡的发生[25]。2.4 消化系统IRI消化系统IRI主要发生在肝和小肠，其损伤不仅导致肝、肠局部功能障碍，还会损伤远端器官甚至引起多器官功能障碍综合征，严重影响患者康复。越来越多的研究表明，细胞焦亡在肝、肠IRI中扮演重要角色。Wang等[26]研究发现，异氟醚预处理通过抑制肝细胞焦亡改善肝IRI。Li等[27]也发现，肝IRI时发生了细胞焦亡，且使用caspase‑1抑制剂可明显减轻肝损伤，改善肝功能。此外，细胞焦亡在肠IRI中的作用也被证实。Jia等[28]不仅证实经典焦亡途径参与肠IRI，且首次将其作为治疗靶点用于减轻肠IRI。他们发现，IR可诱导小肠产生过量活性氧，并通过硫氧还蛋白相互蛋白引起小肠中NLRP3炎症小体的激活，从而活化caspase‑1、裂解GSDMD，提高GSDMD‑N、IL‑1β和IL‑18表达，最终引起肠细胞焦亡及炎症损伤。而当使用氧化应激抑制剂二甲双胍和NLRP3抑制剂CY‑09抑制NLRP3炎症小体活化、降低GSDMD‑N的表达时，IR导致的肠损伤被明显改善。因此，抑制细胞焦亡可作为改善肝、肠IRI的有效方法。2.5 肺IRI肺IRI是由心搏骤停、外伤、肺血栓形成和肺移植等多种临床因素引起的复杂病理过程，可导致患者预后不良[29‑30]。Lin等[31]发现，IR引起肺损伤的机制与肺泡巨噬细胞焦亡相关，抑制肺泡巨噬细胞焦亡可明显减轻肺IRI。此外，Zhou等[32]研究发现，肺IRI的机制还与肺微血管内皮细胞焦亡相关，IR介导单核细胞分泌的IL‑1β可通过活化IL‑1R/NF‑κB/NLRP3信号通路引起肺微血管内皮细胞发生焦亡并引起肺损伤。他们的研究为肺IRI的调节机制提供了新思路，是临床治疗肺IRI新方向。3 细胞焦亡与凋亡在IRI中的相互作用 细胞焦亡和凋亡均是IR致细胞死亡的主要方式，可同时存在于IRI中。戴文芝等[33]在缺氧/复氧致心肌细胞损伤模型中发现，细胞焦亡和凋亡的激活主要发生在复氧阶段，且焦亡的激活早于凋亡。此外，细胞焦亡与凋亡的相互作用也是当前研究热点。相比于凋亡是单个细胞发生的无炎症性死亡，细胞焦亡引起的促炎症细胞死亡对机体损伤更大，而二者之间的平衡与刺激强度密切相关。Sagulenko等[34]研究发现，NLRP3炎症小体在较强刺激下引起细胞焦亡，而刺激较弱时，则通过凋亡相关斑点样蛋白活化caspase‑8导致细胞凋亡。此外，在焦亡介导炎症的级联反应中，可通过诱导促炎细胞凋亡发挥抗炎作用。聂颖青等[35]研究发现，甲苯磺酰维达列汀通过抑制巨噬细胞焦亡、促进其凋亡减轻LPS对巨噬细胞的损伤。Taabazuing等[36]进一步研究了凋亡抑制细胞焦亡发生的作用机制，发现caspase‑1可直接激活凋亡相关蛋白caspase‑3和caspase‑7，进而于D87处裂解GSDMD蛋白使其失活，阻断细胞发生焦亡。此外，IL‑1β等炎症因子还可上调线粒体促凋亡蛋白B淋巴细胞瘤‑2相关X蛋白表达，从而提高线粒体膜通透性，释放细胞色素C到细胞质，并作用于caspase‑3引起细胞凋亡，抑制细胞焦亡的发生[35,37]。综上所述，凋亡作为调控细胞焦亡的一种方式，可通过抑制细胞焦亡及其介导的炎症反应减轻器官损伤。然而，细胞焦亡与凋亡之间的相互关系极为复杂，详细作用机制还需进一步研究。4 细胞焦亡的治疗 抑制细胞焦亡已成为改善IRI的重要方向。目前针对细胞焦亡的抑制剂主要包括焦亡通路相关蛋白靶向抑制剂和上游信号通路抑制剂两大类。4.1 焦亡通路相关蛋白靶向抑制剂4.1.1 NLRP3炎症小体抑制剂NLRP3作为参与IRI的主要炎症小体，目前已有许多NLRP3炎症小体靶向抑制剂的报道，如秋水仙碱、格列本脲衍生物、INF4E、Dapansutrile/OLT1177、MCC950和CY‑09等[3]。其中，MCC950和CY‑09是最具代表性的选择性NLRP3抑制剂，通过抑制NLRP3炎症小体激活，降低其下游分子caspase‑1、IL‑1β、IL‑18的表达，减轻细胞焦亡和炎症反应，改善脑、肠等器官IRI[28，38]。此外，Huang等[39]研究表明，右美托咪定可抑制心脏成纤维细胞中NLRP3炎症小体活化，从而抑制炎症反应，减轻心肌IRI；提示右美托咪定也具有抑制NLRP3炎症小体的作用，但其详细作用位点还需进一步研究。4.1.2 caspase‑1抑制剂caspase‑1不仅是炎症小体的底物蛋白，也是裂解GSDMD蛋白诱导细胞焦亡和促炎因子IL‑1β、IL‑18成熟的关键蛋白，所以抑制caspase‑1具有减轻细胞焦亡和炎症反应的双重作用，是治疗IRI的又一重要靶点。pralnacasan（VX‑740）及其类似物VX‑765是肽类caspase‑1抑制剂，通过共价修饰caspase‑1催化位点，阻断caspase‑1的活化来抑制细胞焦亡和炎症反应[10]。Liang等[40]在脑IRI模型中证实，VX‑765可阻断细胞焦亡的发生，降低焦亡相关分子NLRP3、caspase‑1、凋亡相关斑点样蛋白、GSDMD、IL‑1β、IL‑18的表达，改善缺血相关血脑屏障的损害，减轻脑损伤和保护脑功能。4.1.3 GSDMD抑制剂GSDMD蛋白作为细胞焦亡的执行蛋白，在细胞焦亡和炎症的级联反应中具有关键作用，是治疗IRI的另一关键点。研究显示，一种小分子抑制剂necrosulfonamide（NSA）可直接与裂解的GSDMD相互作用，抑制p30‑GSDMD低聚化，防止焦亡小孔形成，进而抑制细胞焦亡和IL‑1β、IL‑18的释放[41]。此外，Hu等[42]发现disulfiram可通过共价修饰GSDMD蛋白的保守结构Cys（小鼠Cys192和人类Cys191）来阻断焦亡孔的形成，这是唯一得到美国食品药品监督管理局批准的GSDMD蛋白靶向抑制剂，具有重要的临床使用价值。4.2 抑制上游激活信号NLRP3作为介导细胞焦亡的主要炎症小体，其生物学作用的发挥需要启动和激活两个过程。启动过程：在生理条件下，炎症小体相关蛋白的表达不足以引发细胞焦亡。只有当机体受到伤害性刺激，进而活化NF‑κB并上调NLRP3、pro‑IL‑1β、pro‑IL‑18等前体蛋白表达时，才可导致细胞焦亡[43]。因此，调控炎症小体相关蛋白表达可作为预防细胞焦亡的一种选择。El‑Sisi等[43]在肝IRI模型中发现，奥曲肽和褪黑素通过抑制Toll样受体4‑NF‑κB‑NLRP3通路缓解炎症小体诱导的肝细胞焦亡，减轻肝损伤。激活过程：经历启动过程后，大量表达的炎症小体可在多种不同刺激下发生活化，进而引起细胞焦亡和炎症反应，造成机体损伤。常见引起NLRP3炎症小体激活的上游事件包括活性氧生成、内质网应激、K+外排和溶酶体破裂等[12]。而抑制炎症小体上游激活事件的发生，也是目前抑制细胞焦亡重要、最常见的方法。5 展 望 细胞焦亡作为GSDMD蛋白介导的促炎性细胞死亡方式，已被证实是介导器官IRI的重要机制，靶向抑制细胞焦亡已成为治疗器官IRI的重要方法，且应用前景较大。但仍有许多问题还需进一步研究：首先，现有研究主要探讨了经典焦亡途径与器官IRI的关系，而非经典焦亡途径参与器官IRI的机制尚不清楚；其次，GSDMD蛋白诱导膜孔形成并导致细胞焦亡的详细作用机制尚不明确；最后，在器官IRI中，细胞焦亡通路及其相关蛋白靶向抑制剂的研究主要集中在基础研究阶段，与临床应用尚有一段距离。随着这些问题的不断揭示，靶向抑制细胞焦亡终将成为临床治疗器官IRI的重要方法。
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