血管內皮細胞焦亡在動脈粥樣硬化發生、發展中的作用及機制研究進展

柴 鈺 金翠柳 凌 望 吳美平

動脈粥樣硬化( atherosclerosis, AS)是一種以血管異常炎性反應為主要表現，以脂質沉積、斑塊形成以及內膜增厚為主要病理特征，發生于血管內膜及內膜下的慢性炎癥性疾病，是心絞痛、心肌梗死、心力衰竭、腦卒中等多種心腦血管疾病發生的主要病理基礎[1]。內皮細胞是人體最大、最重要、功能高度活躍的器官，廣泛分布于血管腔的內表面，其連續性和完整性是維持血管穩態的關鍵[2，3]。在動脈粥樣硬化發生、發展的病理過程中通常伴有血管內皮細胞的死亡，研究表明，血管內皮細胞死亡是動脈粥樣硬化形成的始動環節，同時存在于動脈粥樣硬化發生、發展的整個病理進程[4]。

內皮細胞生存命運及其機制一直是冠心病病理學研究熱點。迄今為止已發現的內皮細胞死亡方式包括凋亡、壞死、焦亡、鐵死亡等，其中焦亡作為一種新的、獨特的細胞死亡方式引起人們越來越多的關注。目前，在血管內皮細胞、血管平滑肌細胞、巨噬細胞和其他多種細胞類型中均發現細胞焦亡的存在，并且多項研究表明,細胞焦亡與動脈粥樣硬化的形成密切相關。因此，深入探討內皮細胞焦亡在動脈粥樣硬化病理進程中的潛在作用和分子機制，可為動脈粥樣硬化性心腦血管疾病的預防和治療提供新的依據及策略。

一、血管內皮細胞之命運與動脈粥樣硬化的關系

動脈粥樣硬化是一種影響血管樹并導致冠狀動脈疾病(coronary artery disease，CAD)、外周動脈疾病和腦卒中的病理生理過程[5]。自1755年Albrecht von Haller提出“動脈粥樣硬化”一詞以來，人們對動脈粥樣硬化病理生理學的理解有了很大的發展。現在認識到，最終導致冠心病的細胞和組織級聯反應遠比內皮細胞內層膽固醇顆粒的積累復雜得多。目前被普遍接受的由美國華盛頓大學醫學院心血管病研究專家ROSS提出并修正的“損傷反應”學說認為,內皮細胞損傷是動脈粥樣硬化早期病變發生的始動環節。

生理狀態下,血管內皮細胞大多呈梭形,其排列與血流方向一致，可通過不同類型的黏附結構或連接方式形成連續的細胞單層，能有效隔離血液和組織液，使血管壁免受體內外各種物理、化學因素的損傷。但當血管內皮受到血流的沖刷、血脂紊亂、高血糖、煙草、藥物、病原微生物等危險因素的刺激時，內皮細胞受損，內皮下空間中循環脂蛋白顆粒局部滲透、捕獲和物理、化學修飾[6]。循環單核細胞從血液中選擇性招募進入內膜，在內膜中它們分化成巨噬細胞并內化修飾過的脂蛋白成為泡沫細胞[7]。泡沫細胞進一步聚集形成脂紋，這是動脈粥樣硬化的早期病變。動脈粥樣硬化的病理變化過程可分為脂質條紋期、纖維樣斑塊期、粥樣斑塊期及復合病變期4個期，在一個特定的個體中，多個動脈粥樣硬化斑塊可以同時存在，每個斑塊都處于其各自的病理生物進化階段。在這一系列復雜事件中，內皮細胞扮演著極其重要的角色，內皮細胞功能減退乃至死亡構成了動脈粥樣硬化致病的必要條件。

二、決定血管內皮細胞命運的方式

“生老病死”是生命的必經歷程，亦是自然界的基本規律。但凡有生，終有歸途。細胞死亡是細胞生命過程中的一個必經階段，不僅對生物體的生長、發育具有重要的調節作用，而且對于維持生物體的穩態和基本生物學功能具有重要意義[8]。2009年細胞死亡學術命名委員會根據細胞形態學標準將細胞死亡分為壞死、凋亡、鐵死亡、自噬及焦亡等[9]。

細胞壞死是一種裂解性細胞死亡，它由環境擾動觸發，導致細胞核皺縮、質膜破裂、細胞自溶以及炎性細胞內容物失控釋放[10]。細胞凋亡遵循細胞固有的程序性自殺機制,屬于正常的細胞周期發育。其生理特征主要表現為細胞在不釋放胞質內容物到細胞外空間的情況下自動解體并有效抑制炎癥。鐵死亡是一種氧化性非凋亡性的細胞死亡形式，其病理特征主要表現為細胞內鐵依賴的脂質過氧化物蓄積，形態特征主要表現為細胞膜斷裂出泡，線粒體體積變小，膜密度增加，嵴減少或消失，線粒體外膜破裂，但細胞核大小正常且無染色質凝聚[11]。自噬最早由著名細胞學家克里斯汀·德·迪夫提出，指膜包裹部分細胞質和細胞內衰老損傷的細胞器形成自噬體,并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物，以實現對細胞自身代謝需要的調控和細胞器的更新[12]。細胞焦亡(pyroptosis)是一種介于凋亡和壞死之間的炎癥性程序性細胞死亡[13～15]。作為一種新進發現并被證實的細胞死亡模式，有研究證明，細胞焦亡依賴于半胱氨酸依賴性天冬氨酸特異性蛋白酶家族(caspase)而存在，且在形態、機制和病理生理上均不同于細胞凋亡和細胞壞死。焦亡發生時，孔道形成，質膜破裂，細胞內容物和促炎性介質進入細胞間質，激發機體的免疫反應，募集更多的炎性細胞進而擴大了炎性反應并導致細胞死亡。

三、細胞焦亡信號轉導通路

1.經典細胞焦亡途徑：經典細胞焦亡途徑是依賴于caspase-1的細胞焦亡途徑[16]。當細菌、真菌和病毒等病原體感染宿主細胞時，pro-caspase-1通過凋亡相關斑點樣接頭蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC)與特異性模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)NLR間接連接形成一個多聚體蛋白復合物炎性小體。pro-caspase-1一旦被募集到炎性小體后，它就會二聚體化并激活自身的蛋白酶活性，將無活性的caspase-1前體裂解形成有活性的caspase-1。活化的caspase-1一方面可以切割GSDMD使其成為GSDMD-N，后者能插入細胞膜誘導形成細胞膜孔道，這些孔道驅散細胞離子梯度，增加滲透壓并導致滲透水流入，進而誘導發生細胞腫脹、質膜裂解、細胞死亡及胞內物質釋放等一系列炎性反應。另一方面，活化的caspase-1也能切割白細胞介素-1β和白細胞介素-18前體，將其激活成為有活性的IL-1β和IL-18，并通過GSDMD細胞膜孔道將其釋放至細胞外，招募更多炎性細胞，擴大炎性反應[17，18]。這種依賴caspase-1的細胞焦亡途徑就被稱為經典細胞焦亡途徑。其中炎性小體的形成是經典細胞焦亡途徑的重要特征之一。

2.非經典細胞焦亡途徑:人的caspase-4/5和小鼠的caspase-11作為胞內受體，在受到革蘭陰性細菌細胞壁脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激后，可識別LPS并與之直接結合而介導炎癥壞死，這種依賴caspase-4/5/11的細胞死亡方式被稱為非經典細胞焦亡途徑[19]。其機制是LPS可通過與caspase-4/5/11結合而誘導其活化，活化的caspase-4/5/11在N末端和C末端結構域間的接頭內直接剪切GSDMD,從而釋放具有成孔活性的N端結構域GSDMD-N,GSDMD-N 通過結合膜磷酸肌醇轉移到質膜，在膜上穿孔進而引起細胞焦亡[20]。此外，LPS與caspase-11特異性結合后，活化的caspase-11可促進縫隙連接半通道蛋白Pannexin-1的激活和Pannexin-1依賴性ATP通道的開放。裂解的Pannexin-1打開自身通道以釋放ATP與細胞膜上P2X7 受體結合，打開非選擇性P2X7陽離子通道，繼而導致胞內的K+外流，胞外的Na+和Ca2+內流，細胞膜完整性受損，釋放內容物引發炎性反應及細胞死亡[21]。雖然經典途徑中的炎性小體也參與依賴caspase-11的細胞焦亡途徑,但是caspase-11的自身活化與細胞死亡并不依賴于PRRs和ASC。因此，炎性小體并不是介導非經典細胞焦亡途徑的必需條件。

四、血管內皮細胞焦亡與動脈粥樣硬化

1.血管內皮細胞焦亡是促進動脈粥樣硬化發生、發展的新機制:有研究表明，動脈粥樣硬化病理變化過程中的多種體內外危險因素如高血壓、高血糖、高血脂、吸煙及肥胖等均可導致內皮細胞焦亡。如Yin等[22]研究發現氧化低密度脂蛋白作用于內皮細胞后，可使內皮細胞中NLRP1、NLRP3、caspase-1和IL-1β表達水平均明顯升高，誘導細胞焦亡。Xi等[23]研究發現內源性代謝刺激物同型半胱氨酸能夠通過激活caspase-1依賴的炎性小體活化誘導細胞焦亡。另有研究報道，金屬離子(Ni2+、Hg2+等)可導致內皮細胞NLRP3炎性小體活化、caspase-1激活和成熟的IL-1β產生，進而誘導細胞焦亡[24]。

內皮細胞焦亡可促進IL-1β、IL-18、P-選擇素、細胞間黏附分子、血管細胞黏附分子等大量分泌，觸發單核-吞噬細胞與血管內皮細胞的黏附，導致血管壁炎性反應的增強和血管內膜完整性的破壞，進而加劇動脈粥樣硬化病變進程(圖1)。如高膽固醇血癥可通過NADPH氧化酶誘導ROS產生從而激活NLRP3炎性小體和caspase-1，誘導內皮細胞焦亡，促進炎性反應，加劇動脈粥樣硬化[25]。吸煙是促使動脈粥樣硬化發生的重要危險因素之一，Wu等[26]研究發現尼古丁可以促進ROS的產生，進而激活NLRP3炎性小體，促使caspase-1成熟和IL-1β、IL-18的產生，促進內皮細胞焦亡而加劇動脈粥樣硬化。鎘元素是一種較為常見的金屬污染物，Chen等[27]研究發現，其可誘導線粒體產生ROS，進而活化NLRP3炎性小體及其下游的caspase-1和IL-1β，從而誘導人臍靜脈內皮細胞焦亡，促進動脈粥樣硬化的發生和發展。

圖1 血管內皮細胞焦亡與動脈粥樣硬化

2.基于血管內皮細胞焦亡西醫治療動脈粥樣硬化的現狀：動脈粥樣硬化是一種危及人類健康的慢性炎癥性病變，是導致心腦血管疾病的主要原因。鑒于其臨床與基礎研究的不斷深入，目前防治動脈粥樣硬化的藥物主要包括調脂類藥物、抗栓和抗凝類藥物、鈣通道阻滯劑、抗氧化類藥物等。調脂類藥物如他汀類、貝特類、煙酸類、膽酸螯合劑等主要通過降低低密度脂蛋白發揮抗動脈粥樣硬化的作用；抗栓類藥物如阿司匹林、氯吡格雷、阿昔單抗等主要通過降低血小板的黏附和聚集防止血栓形成；抗凝類藥物如普通肝素、低分子肝素、比伐盧定等通過影響凝血過程中的某些凝血因子抑制動脈粥樣硬化斑塊的形成；鈣通道阻滯劑則主要通過減少低密度脂蛋白的氧化和平滑肌細胞的增殖，增加血管內皮舒張因子的釋放，預防和控制動脈粥樣硬化；抗氧化類藥物如普羅布考和泛硫乙胺，可通過減少細胞因子和趨化因子對細胞的刺激作用，抑制細胞凋亡和壞死，從而阻斷動脈粥樣硬化的發生。

藥物治療的關鍵是發現靶點，通過靶點的抑制、激活和改變來達到阻止或逆轉病程進展的目的。然而，雖然他汀類、貝特類和抗栓類等藥物除靶向低密度脂蛋白和血小板外，還具有抗炎的功效，但對于血管內皮細胞焦亡這一新機制，目前尚無西藥對其有深入明確的研究。

3.干預血管內皮細胞焦亡是中醫藥防治動脈粥樣硬化的新策略：細胞焦亡是一種伴隨炎性因子釋放并引發細胞膜破裂溶解的新型死亡方式。近年來研究發現，該死亡形式在感染性疾病、代謝性疾病及動脈粥樣硬化等多種疾病的發生、發展進程中扮演著重要角色。目前雖然用于干預細胞焦亡的藥物種類不少，但多數還處于基礎研究階段，中醫藥作為經驗醫學，其研究與西醫不同，多是在已有臨床功能效果的基礎下的機制研究。因此，中醫藥干預細胞焦亡的研究日益增多。洪蕾等[28]在探究很多中藥如虎杖等的有效單體白藜蘆醇對脂多糖誘導的人肺上皮細胞增殖、炎性因子釋放及焦亡的影響時發現，白藜蘆醇可以通過減少炎性因子的釋放，降低NLRP3、Gasdermin D、caspase-1及ELAVL1的表達，對脂多糖誘導的人肺上皮細胞焦亡起到一定的保護作用。景艷蕓等[29]研究發現，燈盞花乙素可通過上調巨噬細胞中cAMP水平來激活PKA，從而抑制ATP誘導的NLRP3炎性小體激活及巨噬細胞的焦亡。唐標等[30]以缺氧、缺糖(復氧)復糖誘導構建體外缺血再灌注SH-SY5Y細胞模型，探討三七總皂苷對SH-SY5Y細胞焦亡的調控作用，結果發現三七總皂苷可降低細胞中GSDMD、GSDMD-N及caspase-1蛋白水平，抑制IL-1β和IL-18釋放，進而減輕缺氧缺糖(復氧)復糖誘導的SH-SY5Y細胞功能損傷。中醫藥干預細胞焦亡或已成為新的研究熱點。

血管內皮細胞作為血液與血管壁之間的保護性屏障，其焦亡容易導致血管內膜上脂質沉積，促使一系列的免疫反應導致白細胞沉積到血管壁，從而形成局部血栓。因此中醫藥針對血管內皮細胞焦亡的預防或治療亦成為研究的熱點之一。吳樹寧等[31]在探索大黃素對脂多糖誘導的人臍靜脈內皮細胞焦亡的影響時發現，大黃素可通過下調內皮細胞內活性氧水平來抑制NLRP3、caspase-1和IL-1β的表達，進而抑制缺氧條件下細胞焦亡，減少血管內皮損傷，防治心血管疾病。有研究采用二氫楊梅素預處理棕櫚酸誘導的焦亡人臍靜脈血管內皮細胞后，血管內皮細胞的活性及其細胞膜完整性增強，LDH釋放減少，caspase-1、IL-1β和ICAM-1表達降低，內皮細胞焦亡減少。目前，細胞焦亡作為新的死亡方式已逐漸步入人們的視線，其釋放的大量炎性物質及參與的多種蛋白成為可能的治療靶點。中醫藥對血管內皮細胞焦亡的治療與西醫比較，對機體有更少的損害及不良反應。因此，中醫藥干預血管內皮細胞焦亡在防治動脈粥樣硬化發生、發展中是一項新思路。

五、展 望

內皮細胞焦亡作為新進發現并被證實的一種伴隨炎性因子釋放的獨特的程序性細胞死亡方式，其在內皮屏障和動脈粥樣硬化發生、發展的病理進程中起著重要作用。在動脈粥樣硬化病理進程中，多種體內外危險信號均可通過經典或非經典細胞焦亡途徑引起血管內皮細胞發生焦亡，促進IL-1β、IL-18等炎性因子的大量釋放，進而可以誘導炎性反應增強，促使斑塊形成、易損和破裂。但由于研究處于開始階段，使得目前研究相關性結論多，內皮焦亡與冠心病因果關系尚需開展深入研究予以證實。

中醫對內皮細胞焦亡的研究目前處于基礎階段。因此，從中醫藥角度對內皮細胞焦亡的作用及機制進一步深入研究，發揮中醫藥的獨特優勢，通過中醫藥調控內皮細胞焦亡至陰陽平和狀態同樣必不可少。相信隨著未來研究的不斷深入，內皮細胞焦亡在動脈粥樣硬化病理進程中的作用將逐步闡明，而內皮細胞焦亡也會成為解釋中醫藥作用機制的有力證據。