細胞焦亡與腦卒中關系的研究進展

唐瓊燕， 陳勇軍

(南華大學附屬南華醫院神經內科，湖南省衡陽市421000)

在人的生長發育過程中，隨時都在發生細胞死亡，這是生物世界中普遍存在的一種生命現象，對多細胞生物的生長、發育和內環境平衡起著重要作用。在以往人們的認識中，細胞死亡主要有兩種方式，即細胞壞死和細胞程序性死亡，后者包括程序性細胞壞死和細胞凋亡[1]。近年來，研究人員發現了許多細胞程序性死亡的新方式，如細胞自噬、鐵死亡和細胞焦亡。細胞焦亡是研究人員在使用志賀氏菌感染的小鼠巨噬細胞中首次發現的一種不同于以往的細胞死亡形式，其后研究表明其依賴于半胱天冬酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase 1，Caspase-1)和Caspase-4/5/11，并最終定義為細胞焦亡[2]。

近年來，越來越多的研究表明細胞焦亡與腦卒中的發生發展密切相關。因此，深入了解細胞焦亡在腦卒中發病進程中的作用，有助于提高腦卒中診斷和治療水平。現擬對細胞焦亡與腦卒中的最新研究進展做一綜述，以期為腦卒中的治療提供新策略。

1 細胞焦亡

1.1 細胞焦亡的形態學特征

細胞焦亡與細胞凋亡有一些相似的特征，如DNA損傷、細胞核濃縮和Caspase依賴性，但從形態學上看，其與凋亡有許多不同之處。首先，雖然細胞發生焦亡時同樣會發生細胞核變化和DNA損傷，但細胞焦亡過程中細胞核始終保持完整。其次，凋亡細胞的DNA損傷依賴于Caspase激活的DNA酶(Caspase-activated deoxyribonuclease,CAD)的激活和CAD抑制劑(inhibited Caspase-activated deoxyribonuclease,ICAD)的抑制，而細胞發生焦亡不需要CAD，即使Caspase-1也可以裂解CAD；此外，焦亡發生后以Caspase-1依賴性的方式使細胞膜的通透性增加、細胞腫脹直至破裂，而凋亡發生過程中的細胞始終保持細胞膜的完整性。再次，Caspase雖然既可以激活凋亡又可以激活焦亡，但與凋亡相關的主要是Caspase-3/6/7/8，而只有激活炎性Caspase如Caspase-4/5/11才能誘導焦亡發生[3]。最后，細胞凋亡受到ATP水平的影響，DNA損傷可激活Poly(ADP-核糖)聚合酶(PARP)，最終使ATP耗竭，因此，在凋亡發生過程中，Caspases為了維持ATP的平衡會剪切和下調PARP，而細胞焦亡的發生卻與PARP無關，即使Caspase-1也可以剪切PARP[4]。

1.2 細胞焦亡的分子學特征

炎性小體是含有模式識別受體(pattern-recognition receptor,PRR)的多分子復合物，PRR激活后通過激活炎癥引發焦亡。PRR可以識別入侵病原體誘導的特定病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)和內源性病原體誘導的特定損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)[5]。PRR家族包括Toll樣受體(TLRs)、核苷酸結合結構域和富含亮氨酸重復序列的受體(NLRs)。PRRs識別DAMPs和PAMPs后，誘導ASC形成一個巨大的超分子組合，將NLR與Caspase-1連接起來。該復合物通過激活Caspase-1介導經典炎癥小體通路和Caspase-11/4/5介導的非典型炎癥小體通路而觸發焦亡[6]。

1.3 細胞焦亡的經典途徑

經典的細胞焦亡途徑是由炎癥小體介導的依賴于Caspase-1的促炎性程序性細胞死亡方式。炎癥小體是由NLR、凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和Caspase-1組成的多蛋白復合物。Caspase-1被炎性小體激活后，一方面可剪切白細胞介素-1β前體(pro-IL-1β)和白細胞介素-18前體(pro-IL-18)，分別使之活化成為IL-1β和IL-18；另一方面，可特異性切割Gasdermin D(GSDMD)，產生一個有活性的N-端片段(GSDMD-N)，該片段能與細胞膜緊密結合使之形成穿孔、最終導致細胞焦亡，同時可促進IL-1β和IL-18的釋放，最終導致細胞死亡[7]。

1.4 細胞焦亡的非經典途徑

非經典途徑的細胞焦亡通常是胞質脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)直接激活Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11介導焦亡，該類因子被胞內革蘭氏陰性菌LPS直接刺激，然后會激活并水解自身蛋白酶活性。一方面，活化的Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可作用于GSDMD，產生與Caspase-1相同的使細胞膜裂解的作用，導致細胞膜穿孔；另一方面，在NLRP3和ASC存在的情況下，活化的Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可以與Caspase-1相互作用，從而激活Caspase-1，而Caspase-1可以裂解IL-1β和IL-18前體形成活性的IL-1β和IL-18，并通過GSDMD-N形成的膜通道釋放，引起細胞焦亡[8]。與經典途徑不同的是，在非經典細胞焦亡途徑中，只有IL-1β和IL-18前體的裂解依賴于Caspase-1，GSDMD的裂解由其他活化的炎性Caspase完成。

2 細胞焦亡與腦卒中

腦卒中(stroke)是神經系統第一大疾病，是血管病變引起的中樞神經系統急性局灶性損傷造成神經功能缺陷，腦卒中主要分為兩種類型，即缺血性腦卒中和出血性腦卒中，出血性卒中又分為腦出血和蛛網膜下腔出血兩類，腦卒中所致的大腦功能損害會導致患者長期或終身殘疾，甚至死亡[9]。

2.1 細胞焦亡與腦梗死

腦梗死(ischemic stroke)又稱缺血性腦卒中，是腦血管疾病最常見的一種類型，指各種腦血管病變所致大腦血液供應障礙，導致局部腦組織缺血缺氧性壞死，而迅速出現相應神經功能缺失的一類臨床綜合征[10]。目前，腦梗死有多種治療選擇，包括溶栓治療、血管內取栓和神經保護藥物治療。然而，由于治療時間窗狹窄，這些治療方法的應用在臨床實踐中受到限制[11]。因此，研究腦梗死新的發病機制，尋找更加有效的治療方法迫在眉睫。

Poh等[12]發現腦梗死缺血核心區的壞死細胞在激活Caspase-1后，誘導IL-1β和IL-18的釋放，引發一系列炎癥級聯反應，介導了腦梗死的發生。而Cao等[13]在大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)的大鼠腦梗死模型發現，NLRP1介導的炎癥反應明顯升高，包括增加Caspase-1、IL-1β和IL-18的水平。Li等[14]證實環磷酸鳥苷-腺苷合成酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)拮抗劑A151可以降低腦梗死小鼠腦組織中Caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18的水平，并可顯著減少腦梗死面積、減輕神經功能損傷。此外，有研究發現，靜脈注射人免疫球蛋白(intravenous immune globulin，IVIg)顯著降低缺血再灌注(ischaemia/reperfusion，I/R)誘導的初級皮層神經元及腦組織中NLRP1、NLRP3、ASC、Caspase-1、Caspase-11、IL-1β、IL-18和cleaved Caspase-3水平，提示細胞焦亡在腦梗死患者神經元細胞死亡及神經功能損害起著重要的作用[15]。另有研究表明，ASC以NLRP3依賴的方式加重了復發性缺血性腦卒中的梗死后神經缺損癥狀[16]。而最新的研究也發現，抑制Caspase-1的水平可以提高腦梗死后缺血帶中神經細胞的存活率[17]。因此，細胞焦亡可能是治療腦梗死的一種新策略，而其相關因子也許是將來治療腦梗死的新靶點。

2.2 細胞焦亡與腦出血

腦出血(intracerebral hemorrhage，ICH)是指主要因高血壓和腦動脈硬化引起的原發性非外傷性腦實質出血，是腦血管疾病中第二大常見的類型，腦出血后導致腦組織移位和破壞，從而導致繼發性腦損傷[18]。

Ma等[19]發現NLRP3炎癥體通過釋放IL-1β和促進中性粒細胞浸潤增強腦出血后炎癥反應，抑制NLRP3炎癥體可以有效減輕腦出血后的炎癥反應及腦水腫。Yang等[20]證明在大鼠誘導腦出血前30天及術后3天連續給予低劑量0.5 μg/g非馬沙坦灌服，可以減輕NLRP3、Caspase-1、ASC的激活及IL-1β的釋放，并且在不影響大鼠血壓的情況下，減輕腦血腫及腦水腫的范圍，改善腦出血大鼠的神經功能。Lin等[21]發現抑制Caspase-1的活化降低腦出血后細胞焦亡的水平，可以改善腦出血后神經功能障礙。Chen等[22]發現通過降低腦出血后神經元NLRP1依賴的細胞焦亡途徑，可以改善腦出血后神經功能。目前在臨床上應用廣泛的藥物依達拉奉也是通過抑制小膠質細胞NLRP3的表達，在腦出血后發揮神經保護作用，提示細胞焦亡的水平與腦出血后的神經功能呈負相關[23]。以上表明，細胞焦亡與腦出血的預后相關，而對細胞焦亡的抑制將可能成為治療腦出血的新方案。

2.3 細胞焦亡與蛛網膜下腔出血

蛛網膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)是指腦底部或腦表面的病變血管破裂導致血液直接流入蛛網膜下腔的一種臨床綜合征[24]，其中腦動脈瘤破裂是自發性蛛網膜下腔出血最常見的發病原因。

Zhang等[25]發現NLRP3、Caspase-1在人腦動脈瘤管壁中表達豐富，且在破裂動脈瘤組織中過表達，表明細胞焦亡參與蛛網膜下腔出血的發生發展。Xu等[26]發現NLRP3介導的小膠質細胞焦亡加重蛛網膜下腔出血模型大鼠的神經功能損害及腦水腫程度。而降低蛛網膜下腔出血模型大鼠小膠質細胞中NLRP3-ASC炎癥小體的激活，可以減輕蛛網膜下腔出血后的腦水腫和神經炎癥，短期內的神經功能也得到改善[27]。Wu等[28]使用蛋白質免疫印跡法分析顯示蛛網膜下腔出血患者腦脊液中焦亡關鍵炎性蛋白NLRP1、ASC和Caspase-1水平較對照組升高，嚴重患者術后3個月炎性蛋白水平升高與預后差有關，其中高水平NLRP1是蛛網膜下腔出血后預后不良的獨立危險因素。以上表明，細胞焦亡在蛛網膜下腔出血的發生發展中具有重要的作用。

3 結語與展望

綜上所述，細胞焦亡在腦卒中的發生發展過程中有著重要的作用，通過調節細胞焦亡關鍵因子的水平可減輕腦卒中后細胞焦亡水平。腦卒中的高發病率、高致殘率和高死亡率給全人類帶來沉重的負擔，而現有的治療方法在臨床上的應用受到限制。目前的研究表明通過阻止細胞焦亡的發生可減輕腦卒中的發生發展，通過靶向細胞焦亡有望使腦卒中在治療上取得新突破，有可能在未來成為阻斷腦卒中進展的有效治療方法，但目前的研究多以機制研究為主，且多在細胞水平和動物水平上進行，接下來可完善已有的研究成果，進一步加強細胞焦亡相關過程與腦卒中關系的臨床研究，為腦卒中的治療提供更有效的策略。