細胞焦亡在免疫相關性皮膚病中的研究進展

陳小敏，丁媛

(1.新疆醫科大學研究生院，烏魯木齊 830000； 2.新疆維吾爾自治區人民醫院皮膚性病科，烏魯木齊 830000)

細胞焦亡(pyroptosis)一詞來源于希臘詞根pyro，與火或熱有關，ptosis表示下降。細胞焦亡首先由Cookson等[1]在沙門菌感染的巨噬細胞中發現并提出，用來描述伴隨炎癥反應的細胞程序性死亡方式。細胞焦亡由細胞模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMPs)和損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)，活化胱天蛋白酶(caspase)后裂解蛋白GSDMD(gasdermin-D)，促進炎癥小體的轉錄和表達以及炎癥因子白細胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18的分泌，最終導致細胞焦亡[2]。銀屑病、白癜風、系統性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)、特應性皮炎是皮膚科常見的自身免疫性疾病，發病機制尚不清楚，目前認為是遺傳、環境、免疫、精神心理等因素共同作用的結果，尚無滿意的治療方法，且病情反復發作，對患者身心健康造成嚴重影響。近年研究發現，細胞焦亡與多種疾病的發生發展有關，包括免疫性疾病、心血管疾病、神經系統疾病、感染性疾病、腫瘤[3]。現就細胞焦亡的形態學特征、機制及其在銀屑病、白癜風、SLE、特應性皮炎等自身免疫性皮膚病中的研究進展予以綜述，以期為細胞焦亡治療皮膚病的研究提供新的思路。

1 細胞焦亡的形態學特征和機制

1.1細胞焦亡的形態學特征 在形態學上，細胞焦亡與細胞凋亡、細胞壞死有區別也有共同點，見表1[4-5]。焦亡細胞的細胞核形態完整，無核碎裂，但有細胞核固縮、染色質斷裂。在細胞形態上，焦亡細胞的細胞膜上孔隙形成導致細胞完整性喪失，細胞內容物釋放、通透性增加和炎癥反應，最終導致細胞膜破裂和溶解[3]。通過caspase介導細胞焦亡的經典途徑和非經典途徑，裂解GSDMD，在細胞膜上形成孔，引起細胞腫脹和滲透溶解。GSDMD是GSDM家族的一員，位于人第8號染色體，存在于細胞質中，主要介導細胞焦亡。GSDMD被caspase活化后，裂解成可溶于細胞質的親脂性N端以及可嵌入細胞膜的親水性C端。GSDMD-N端中心結構為延伸的折疊，GSDMD-C端是一個α螺旋組成的袋狀結構，對GSDMD-N端有抑制作用，因此未經激活的GSDMD-C端對GSDMD-N端具有自抑制作用。裂解后的GSDMD-N端結構域能特異性地識別并結合細胞膜內側的膜脂，而后在細胞膜上形成10～14 nm 的GSDMD孔，引起細胞內外滲透壓變化、細胞腫脹和細胞膜裂解，引起IL-1β和IL-18等炎癥因子滲出及誘發炎癥級聯反應[6]。

1.2細胞焦亡的經典途徑 細胞焦亡的經典途徑由炎癥小體活化的caspase-1介導。焦亡細胞的PRR與PAMPs或DAMPs結合后，激活炎癥小體，促進細胞焦亡的發生。炎癥小體由細胞質內的PRR、凋亡相關斑點樣蛋白和caspase-1前體組成，當細胞受到內源性或外源性損傷時，PRR可識別PAMPs或DAMPs，促進炎癥小體的活化[7]。經典炎癥小體的PRR主要有核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP)家族1、NLRP3、NLRP家族半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶募集域蛋白質4、黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2，AIM2)受體和pyrin[8]。caspase-1前體被炎癥小體募集后，二聚化發生解朊反應，生成2個亞單位p10a和p20，最終完成活化。caspase-1活化后可切割細胞焦亡的效應蛋白GSDMD，產生GSDMD-N端和GSDMD-C端結構域，GSDMD-N端結構域具有脂選擇性，可與真核細胞膜特有的磷磷脂酰肌醇和原核細胞膜特有的含磷脂脂質體的磷脂酰膽堿結合，聚合形成中空環狀低聚物，在細胞膜形成微孔，鉀外流鈉內流引起細胞內外滲透壓改變，進而細胞腫脹破裂，細胞內容物和IL-1β和IL-18等炎癥因子釋放，導致炎癥級聯反應[9]。

1.3細胞焦亡的非經典途徑 人caspase-4、caspase-5，鼠的caspase-11介導細胞焦亡的非經典途徑。革蘭陰性菌的脂多糖刺激細胞后，caspase-4、caspase-5、caspase-11直接與脂多糖的脂質A結合，或者通過NLRP3炎性小體通路來活化caspase-1，裂解GSDMD成為GSDMD-N端和GSDMD-C端，進而引起細胞膜破裂溶解及炎癥因子IL-1β和IL-18等分泌釋放[10]。此外，細胞膜上小分子出入的pannexin-1通道被活化的caspase-4、caspase-5、caspase-11激活后，釋放ATP，激活ATP依賴的細胞膜通道P2X7在細胞膜上形成微孔，或通過促進NLRP3炎癥小體的激活，誘發細胞焦亡[11-12]。

表1 細胞凋亡、壞死、焦亡鑒別表

2 細胞焦亡與相關自身免疫性皮膚病

2.1銀屑病 銀屑病是一種與遺傳、自身免疫、環境等因素有關的慢性炎癥性皮膚病，臨床主要表現為紅斑、鱗屑，病理特征為角質形成細胞角化不全、大量免疫細胞浸潤、血管生成過度。銀屑病發病機制復雜，目前尚無令人滿意的治療方法，因此深入研究銀屑病的發病機制十分重要。細胞焦亡可能參與銀屑病的發生發展。NLRP1、NLRP3炎癥小體是胞質型NOD樣受體家族的典型代表，各種內外因素引起NLRP1、NLRP3炎癥小體與凋亡相關斑點樣蛋白結合或直接激活caspase-1引起IL-1β及IL-18釋放，引發細胞焦亡[9]。多項研究表明，多種細胞焦亡相關炎癥小體及重要細胞因子在銀屑病患者皮損及外周血中高表達，Salskov-Iversen等[13]檢測到銀屑病皮損中NLRP1的高表達，免疫組織化學顯示，NLRP3在銀屑病皮損角質層和真皮乳頭層高度表達，實時熒光定量逆轉錄聚合酶鏈反應和蛋白印跡法顯示，銀屑病皮損中NLRP3的表達水平是正常組織的4.5～5.3倍，銀屑病皮損中caspase-1的表達水平是正常組織的3.2～4.4倍，IL-1β在銀屑病皮損中的表達是正常組織的3.7～5.6倍[14]。此外，NLRP3還可通過CD100-PlxnB2途徑參與銀屑病的發病，銀屑病患者皮損角質形成細胞上PlxnB2的表達明顯增加，血清及皮損角質形成細胞中的可溶性CD100和膜結合CD100水平均升高，CD100和PlxnB2結合通過激活核因子κB和NLRP3炎癥小體，促進銀屑病角質形成細胞的炎癥反應[15]。

角質形成細胞中AIM2炎癥小體的激活是炎癥性皮膚病發展和維持的另一個潛在觸發因素。Dombrowski等[16]研究發現，銀屑病患者皮損中的AIM2信使RNA表達量較健康對照組及非皮損區高，且γ干擾素是AIM2引發銀屑病必不可少的細胞因子。AIM2炎癥小體是細胞焦亡的重要參與者，銀屑病角質形成細胞表達的功能性AIM2炎癥小體，通過與細胞質雙鏈DNA結合引起IL-1釋放[17]。

IL-1β、IL-18是細胞焦亡的重要效應細胞因子，同時也與銀屑病的發生、發展有重要關系，IL-1β與真皮T細胞的IL-1受體結合誘導其增殖，產生IL-17以及刺激角質形成細胞分泌趨化因子[18]。IL-17是銀屑病發病機制的關鍵因子，針對IL-17的多種生物制劑已廣泛用于銀屑病的治療，且取得良好療效。IL-18作為細胞焦亡的另一效應細胞因子，其在銀屑病患者血清中的水平與銀屑病面積及嚴重程度相關，早期活躍和進展期斑塊型銀屑病皮損中的IL-18表達水平較正常對照和穩定期高[19]。多種細胞焦亡相關炎癥小體和效應細胞因子參與銀屑病的發病。

2.2白癜風 白癜風是一種常見的慢性自身免疫性皮膚病，其特征是T細胞介導的黑素細胞破壞，細胞焦亡相關炎癥小體及細胞因子與白癜風的發病機制有關。Levandowski等[20]對家族性白癜風患者NLRP1測序的關聯分析顯示，rs12150220(L155H)是與白癜風相關最顯著的單一變體，L155H是高風險單倍型2A和3共有的預測的唯一有害替代，M1184V能顯著提高NLRP1多肽翻譯后自蛋白水解激活率。NLRP1啟動子和編碼區中的單核苷酸多態性與白癜風遺傳易感性相關[21]。此外，NLRP1構象變化引發caspase-1過度激活，導致免疫細胞中IL-1β和IL-18生成增加[22]。

NLRP3炎癥小體的激活見于多種炎癥性疾病，也參與白癜風的發病。Li等[23]研究發現，白癜風患者皮損角質形成細胞中NLRP3和IL-1β表達持續增高，且IL-1β水平與疾病活動性和嚴重程度相關。氧化應激通過瞬時受體電位陽離子通道亞家族M成員2促進角質形成細胞NLRP3炎癥小體的激活，經IL-1β通路參與黑素細胞的死亡，有可能成為白癜風的治療靶點。靶向和抑制NLRP3炎癥小體相關作用途徑可能成為白癜風的一種治療方法。曲尼司特可以通過干擾NLRP3寡聚作用阻止角質形成細胞分泌IL-1β，減少黑素細胞死亡，促進黑素生成及優化黑素小體的移位。此外，曲尼司特可減輕氧化應激下角質形成細胞分泌IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α和IL-18等炎癥細胞因子，可能成為治療白癜風的有效方法[24]。

2.3SLE SLE是一種可累及多系統的自身免疫疾病，其特征為全身性炎癥和器官損傷相關的抗核抗體的產生，與遺傳和感染誘發有關。感染誘發SLE時，激活炎癥小體誘導細胞焦亡，釋放的細胞內容物作為DAMPs引起進一步的炎癥反應。細胞焦亡可導致完整細胞核的釋放，可能與狼瘡細胞形成有關[25]。Yang等[26]研究發現，SLE男性患者免疫細胞中AIM2基因表達水平升高，而女性SLE患者AIM2表達增加或減少。此外，與健康同胞兄弟姐妹相比，SLE患者AIM2基因的甲基化降低，表明AIM2差異表達或表觀遺傳學變化可能與SLE的發生發展有關。在小鼠模型中，AIM2與SLE的發病機制亦有關，AIM2蛋白對炎癥小體的激活起重要作用，介導IL-1β、IL-18的分泌和細胞焦亡。此外，AIM2基因缺乏也增加了β干擾素的組成性表達和p202蛋白的表達，而p202蛋白在雌性小鼠中的表達增加與SLE的發生有關[27]。

與健康對照組相比，SLE患者外周血NIMA相關蛋白激酶7、NLPR3和凋亡相關斑點樣蛋白水平較健康對照組低，caspase-1、IL-1β和IL-18的表達水平較高。NIMA相關蛋白激酶7、NLRP3和凋亡相關斑點樣蛋白的信使RNA水平與疾病活動性呈負相關，而與IL-1β和IL-18呈正相關，且與普通狼瘡組相比，狼瘡性腎炎的上述特征更明顯[28]。狼瘡性腎炎是由SLE引起的腎臟炎癥性疾病，是SLE死亡的主要原因。NLRP3炎癥小體的激活與狼瘡性腎炎的發病有關，提示其可能是治療狼瘡性腎炎的潛在靶點[29]。NLRP3炎癥小體在SLE的發展中起關鍵作用，調節NLRP3信號通路可能有助于控制SLE的炎性損害[30]。有關NLRP3炎癥小體多條通路的小鼠模型及體外實驗表明，抑制NLRP3相關通路可減輕小鼠SLE病情并降低相關細胞因子水平[31-32]。

細胞焦亡效應分子GSDMD也參與了SLE的發病。通過對咪喹莫特誘導的小鼠模型的研究顯示，Gsdmd-/-小鼠的死亡率增加，GSDMD對組織損傷后自身抗原的產生和免疫失調有負性調節作用，可能在SLE中起著重要的保護作用[33]。

2.4特應性皮炎 特應性皮炎是以反復發作的慢性濕疹樣皮疹為主要表現的自身免疫性疾病，與遺傳、皮膚屏障改變、免疫功能異常、環境等因素有關，具體發病機制尚不十分明確。Macalus等[34]通過德國特應性皮炎患者與正常人群的7個NLR基因(CARD4、CARD15、CARD12、NALP1、NALP3、NALP12、MHC2TA)中的23個單核苷酸多態性的基因分型分析發現，NLRP1與特應性皮炎的嚴重程度有關。病例對照研究顯示，NLRP1 rs12150220與特應性皮炎的總體易感性有很強的相關性[35]。

NLRP3炎癥小體在特應性皮炎中的作用尚存在爭議，Niebuhr等[36]研究發現，特應性皮炎患者皮損組織中NLRP3和caspase-1的表達水平明顯降低，γ干擾素可上調NLRP3。中波紫外線通過NLRP3炎癥小體途徑可加重特應性皮炎小鼠的炎癥反應，而caspase-1抑制劑可以部分逆轉照射的影響[37]。但Schwartz等[38]研究發現，特應性皮炎小鼠模型的炎癥不依賴于NLRP3炎癥小體的激活，但需要IL-1β和IL-1受體1信號轉導。抗IL-1β抗體治療可減輕皮膚炎癥反應，而NLRP3炎癥小體抑制劑MC950治療并不能改善皮膚炎癥。

3 小 結

隨著細胞焦亡的發現及其深入研究，細胞焦亡分子機制及其在多種疾病中的作用機制逐漸被了解，為疾病的診斷、治療、預防提供更多的可能，但其具體機制仍有待進一步探討。多種細胞焦亡相關的炎癥小體、細胞因子參與了銀屑病、白癜風、SLE、特應性皮炎的發病。各種針對細胞因子的生物制劑已用于臨床皮膚病的治療，且臨床治療效果良好。針對細胞焦亡過程的含有多種炎癥小體和細胞因子的小分子藥物治療效果的實驗性研究的結果良好。因此，深入研究細胞焦亡的機制、重要焦亡相關因子caspase-1、caspase-4、caspase-5、caspase-11、炎癥小體NLRP1/NLRP3/AIM2、細胞焦亡的執行者GSDMD、細胞因子IL-1β/18，有助于加深對其在皮膚病發生發展和轉歸中作用的認識，為探索系統性、難治性自身免疫性皮膚病的病因、發病機制及防治提供新的靶點和方向。