細胞焦亡在心力衰竭進程中的研究進展*

胡厚祥 陳海燕

細胞焦亡在心力衰竭進程中的研究進展*

胡厚祥 陳海燕

(川北醫學院附屬醫院心內科 ， 四川 南充 637000)

細胞焦亡(pyroptosis)是一種新的程序性細胞死亡方式，主要通過半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)來介導，并伴有大量的促炎性細胞因子的釋放。在心力衰竭進展的不同階段，細胞焦亡通過炎癥小體活化及激活caspase-1參與心力衰竭的病理生理過程。本文就細胞焦亡在心力衰竭進程中的作用作一評述。

細胞焦亡； 心力衰竭； NLRP3 炎癥小體； caspase-1

執行編委簡介：胡厚祥，主任醫師，醫學博士，碩士生導師，加拿大留學歸國人員，川北醫學院附屬醫院心內科副主任，川北醫學院學術和技術帶頭人，四川省第十一批有突出貢獻優秀專家，四川省醫學會心血管分會委員，四川省醫學會臨床流行病學分會常委。擔任國家自然科學基金一審評審專家，《西部醫學》編委，《American Journal of Hypertension》及《PLOS ONE》雜志的審稿專家。先后主持國家自然科學基金面上項目、教育部留學基金委、四川省科技廳、四川省教育廳和四川省衛生廳科研項目10余項。發表論文60余篇，其中SCI論文7篇。近年主持研究的科研成果項目獲四川省科技進步一等獎、四川省醫學會科技進步一等獎和南充市科技進步一等獎各1項，四川省科技進步三等獎1項。

心力衰竭(heart failure，HF，心衰)是各種心血管疾病的最終歸宿，根據其不同臨床進展分為前心衰階段(有心衰的高危因素，心臟無結構異常)、前臨床心衰階段(有結構性心臟病，但沒有心衰的臨床癥狀體征)、臨床心衰階段(有結構性心臟病，并有心衰的臨床癥狀和體征)和難治性終末期心衰階段。從冠狀動脈粥樣硬化癥到冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)、再進展到心肌梗死、心室重構和心衰的病理生理過程中，心肌細胞、血管平滑肌細胞和內皮細胞在高膽固醇、缺血缺氧等作用下發生一系列應激反應導致的細胞死亡起著非常重要的作用。細胞焦亡是最近定義的一種程序性細胞死亡形式，其發生伴隨著大量促炎性危險相關分子模式(DAMPs)的釋放，引起鄰近細胞的炎癥反應和粒細胞浸潤，進而導致和加重組織炎癥反應。近年來，細胞焦亡在心衰進程中的作用受到大家關注。本文就細胞焦亡在心力衰竭進程中的作用作一評述，以供基礎與臨床研究參閱。

1 細胞焦亡

細胞焦亡的發生依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1，在鼠類細胞中為caspase-1和caspase-11)的激活，而區別于細胞凋亡時caspase-3的活化依賴[1]。細胞焦亡兼有細胞凋亡和細胞壞死的特點，表現為核固縮、DNA片段化、細胞膜孔形成、細胞水腫、胞膜破裂和細胞內容物釋放到胞外引起的炎癥反應[2]。

細胞焦亡的發生是細胞內炎癥小體活化的結果，包括典型性炎癥小體活化和非典型性炎癥小體活化兩種途徑。典型性炎癥小體活化模型中，病原體或DAMPs通過活化NLRP3(NOD-,LRR and pyrin domain[PYD]-containing protein3, NLRP3)、NLRC4、NLRP1等炎癥小體，引起caspase-1(或caspase-11)前體剪切為活性caspase-1；活化的caspase-1進一步剪切IL-1β和IL-18的前體為其成熟體，同時引起細胞的焦亡[3]。非典型炎癥小體途徑是指病原體或DAMPs誘導非典型性炎癥小體活化，激活caspase-11，活化的caspase-11直接引起細胞焦亡或通過激活NLRP3炎癥小體，進而由caspase-1介導細胞的焦亡反應。目前在介導細胞焦亡的炎癥小體活化中，對NLRP3炎癥小體活化的研究最為廣泛和全面，其由NLRP3、ASC(Apoptosis-associated speck-like protein containing CARD, ASC)和pro-caspase-1三種蛋白組成[4]。NLRP3由C端亮氨酸富集結構域(LRRs)、中央區的核苷酸結合寡聚化域(NACHT域)和N端效應結構域(PYD)三部分組成，在病原體或DAMPs的刺激作用下,NLRP3通過PYD連接ASC,ASC通過其CARD結構域與caspase-1的CARD域結合，形成NLRP3炎癥小體，最終導致caspase-1的剪切活化[5]。

細胞焦亡是一種特殊的非凋亡的程序性細胞死亡，其過程主要由NLRP3等炎癥小體活化及其下游效應因子(caspase-1)的激活介導。故可通過檢測NLRP3炎癥小體活化及下游效應炎性因子水平、TUNEL染色、胞核的變化及DNA的連續性等來間接反應細胞焦亡。

2 細胞焦亡在心力衰竭進程中的作用

心衰的主要發病機制之一為心肌病理性重構，而導致心衰進展的有兩個關鍵過程：一是心肌死亡(如凋亡、壞死、自噬等)的發生；二是神經內分泌系統過度激活所致的系統反應。此外，心衰伴隨著輕度慢性的炎癥反應，使其發展為不良的心臟重構[6]。細胞焦亡是一種促炎性的細胞死亡，這種積炎癥反應和細胞死亡為一身的新型細胞死亡方式在心衰進程中也發揮著重要作用。

2.1 細胞焦亡與動脈粥樣硬化癥 在動脈粥樣硬化斑塊中，特別是晚期斑塊中，可見增多的各種細胞死亡，包括巨噬細胞、血管平滑肌細胞和內皮細胞等。傳統上，人們使用凋亡和壞死這一范式界定細胞死亡，但除了凋亡和壞死，還存在脹亡、焦亡等多種形式的細胞死亡。在動脈粥樣硬化斑塊中，很多研究已致力于建立細胞死亡與炎癥反應的聯系。而在電子顯微鏡下顯示，動脈粥樣斑塊中大多數的死亡細胞伴有細胞裂解，并不是細胞凋亡。并且caspase-3激活在動脈粥樣斑塊中僅輕微升高，而敲除caspase-3或p53雖然可以抑制斑塊中巨噬細胞凋亡，卻會增多巨噬細胞，加重斑塊的炎癥反應和斑塊的進一步惡化[7]。因此，一個合理的假設就是其他形式的細胞死亡(包括細胞焦亡)參與動脈粥樣斑塊的形成與發展。

細胞焦亡是一種新發現的caspase-1活化依賴的細胞死亡。Caspase-1的活化及其導致的細胞焦亡已被證實在免疫系統和中樞神經疾病中具有重要作用。現在越來越多的證據表明，細胞焦亡在動脈粥樣硬化中，特別是進展性粥樣斑塊中同樣發揮重要作用[8～10]。細胞焦亡最顯著的特征是caspase-1活化的依賴性，而在粥樣斑塊中則發現caspase-1的高表達，并且與斑塊進展程度相一致[11]。并且應用caspase-1抑制劑ac-YVAD-CHO能顯著抑制粥樣斑塊的TUNEL陽性反應[7]。此外，膽固醇結晶和oxLDL可激活NLRP3炎癥小體，導致caspase-1的活化，引起細胞裂解，DNA斷裂，并釋放IL-1β和IL-18，從而促進動脈粥樣斑塊的形成[12, 13]。

2.2 細胞焦亡與急性心肌梗死 炎癥和細胞死亡在動脈粥樣硬化中未得到控制而進一步發展將導致冠狀動脈病變和急性冠脈綜合癥(ACS)。ACS病人中NLRP3炎癥小體的水平與冠狀動脈粥樣硬化的程度呈正相關，可作為主要不良心血管事件的獨立預測因子[14]。

急性心肌梗死除損傷區域的心肌組織發生死亡之外，還會通過炎癥小體的活化產生無菌性炎癥反應[15]。NLRP3炎癥小體中的NLRP3蛋白通過與適配器ASC相互作用，從而募集并活化caspase-1，活化的caspase-1將IL-1β前體(Pro-IL-1β)剪切成為其活性形式IL-1β，并最終導致心肌細胞焦亡。IL-1β作為炎癥反應的關鍵性因子，現已成為心肌梗死中早期炎癥反應的突出標志。在急性心肌梗死邊緣區的心肌細胞中ASC、NLRP3、caspase-1的量隨時間的延長明顯增多。在缺血心肌區域心肌成纖維細胞中NLRP3水平顯著升高。而抑制NLRP3活化可以減少心肌梗死的面積，并保存梗死后心肌的功能[16]；Txnip還通過調節心臟微血管內皮細胞中的NLRP3炎癥小體，阻止Txnip/NLRP3信號通道，抑制NLRP3炎癥小體發揮作用[17]。冠心病心肌梗死后即進展到前臨床心衰階段(小面積心肌梗死)，甚至臨床心衰階段(大面積心肌梗死)。在此過程中作為一種促炎性的細胞死亡，心肌細胞焦亡(包括心肌細胞的死亡和心肌組織中的炎癥反應)參與了心肌的損傷和心室重構。心肌細胞死亡使其心肌受損，心肌功能紊亂，心肌組織中的炎癥反應進一步加重心肌的損傷，促進心肌重構。所以，在心肌梗死的治療中，針對NLRP3炎癥小體活化的干預將減少心肌細胞焦亡及心肌組織的炎癥反應，可能成為潛在有效的治療手段。

2.3 細胞焦亡與心力衰竭 心肌缺血性損傷可觸發強烈的炎性反應，從而促進心臟功能紊亂和心衰的發生[18, 19]。NLRP3是細胞內的Nod樣受體，作為危險信號的傳感器，可被細胞內感染、ATP、尿酸、膽固醇結晶及損傷組織釋放的細胞碎片激活[16]。被激活的NLRP3炎癥小體進一步活化caspase-1，釋放IL-1β。另外，缺血性心肌壞死后釋放ATP和細胞碎片，激活膜P2X7受體通道，使K+外流，從而激活NLRP3，活化的NLRP3募集ASC和Pro-caspase-1，組裝成復合體NLRP3炎癥小體，從而自催化激活caspase-1，caspase-1剪切Pro-IL-1β和其他促炎性細胞因子為有活性的成熟體，進一步擴大炎性反應。此外，Caspase-1是炎癥反應中的重要調制器，活化的caspase-1可觸發細胞焦亡，進一步損害心肌功能而引發心肌梗死后心衰。

心肌損傷后的病理性重構是心衰發生的主要機制之一，炎性反應主要是修復心臟，但是過度的炎性反應將導致不良的心室重構而引發心衰。在心肌重構和修復中，NLRP3炎癥小體活化主要發生在心肌成纖維細胞中[20]。心肌缺血性損傷后主要通過ROS產生和K+外流來激活NLRP3炎癥小體，引發無菌性炎性反應，炎性成纖維細胞釋放趨化因子，募集巨噬細胞和中性粒細胞等到損傷的組織區域，進一步擴大炎性反應[21]。此外，在心衰的發展過程中，NLRP3炎癥小體活化后最終導致IL-1β釋放，IL-1β一方面可誘發心肌肌漿網中的鈣離子溢出，直接影響鈣離子的內環境和心肌興奮-收縮偶聯，損害心肌收縮功能；另一面可刺激誘導型一氧化氮合酶 (iNOS)合成，引起細胞死亡和組織重塑導致心衰發生(圖1)。

圖1 急性心肌梗死激活炎性反應

Figure 1 Initiation of inflammatory response following acute myocardial infarction

3 小結與展望

在多種心血管危險因子刺激下，心血管相關細胞中炎癥小體被激活，進而導致caspase-1的活化。Caspase-1的活化則進一步引起活化依賴的細胞焦亡并參與心力衰竭的發生發展。細胞焦亡是一種促炎性的細胞死亡，伴隨著大量DAMPs的釋放，釋放的DAMPs啟動炎癥反應并進一步激活其它細胞的炎癥小體，啟動新一輪的細胞焦亡。這一循環將細胞死亡與炎癥反應聯系起來，加重心血管病變中的炎癥反應和不穩定性。炎癥小體活化和細胞焦亡也揭示在心衰發展進程的各階段均有細胞死亡和炎癥反應的參與。當然，細胞焦亡在心衰中的確切作用，以及細胞焦亡在心衰中如何發生都有待進一步的研究闡明。

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The role of pyroptosis in heart failure

HU Houxiang,CHEN Haiyan

(DepartmentofCardiology,NorthSichuanMedicalCollegeAffiliatedHospital,Nanchong637000,Sichuan,China)

Pyroptosis is a newly identified form of programmed cell death mediated by caspase-1. It leads to inflammatory response through the release of pro-inflammatory cytokines. Pyroptosis participates in the pathophysiological progress of heart failure through inflammasome activation and activated caspase-1.

Pyroptosis; Heart failure； NLRP3 inflammasome； Caspase-1

國家自然科學基金(81070101)

R 541.6

A

10.3969/j.issn.1672-3511.2016.03.003

2015-12-17； 修回日期： 2016-01-05； 編輯： 母存培)