平滑肌細胞焦亡在相關疾病中作用的研究進展▲

陳 林 李高鵬 李小紅 黃惠橋

(廣西醫科大學第二附屬醫院護理部，南寧市 530021，電子郵箱：1947256977@qq.com)

【提要】 平滑肌細胞異常增殖、遷移造成的表型轉化及死亡在多種器官組織疾病中起重要作用。細胞焦亡是一種調控性促炎引起的細胞死亡，目前研究已發現平滑肌細胞焦亡參與動脈粥樣硬化、肺動脈高壓和膀胱炎癥等疾病的發生發展。因此，改善平滑肌細胞功能，抑制平滑肌細胞焦亡，對臨床預防和治療相關疾病具有重要意義。本文就平滑肌細胞焦亡及其相關疾病中作用的研究進展做一綜述。

細胞是生物體基本的結構和功能單位，而細胞死亡是維持組織內穩態和基本生物學功能的關鍵，在疾病的病理學中具有重要意義，常見的細胞死亡有3種類型，即細胞凋亡、細胞自噬和細胞壞死[1]。2001年，Cookson等[2]在沙門氏菌誘導的巨噬細胞死亡中，首次提出了細胞焦亡的概念，目前細胞焦亡被定義為一種伴炎癥的程序性死亡方式，在形態學上具有壞死和凋亡的雙重特征。與細胞凋亡不同的是，細胞凋亡是非裂解性死亡，而焦亡細胞有壞死樣細胞膜孔的形成，導致細胞腫脹、細胞膜破裂，同時釋放出大量促炎癥細胞因子，如白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-18、IL-6等誘發炎癥反應[3]。但是細胞焦亡維持了細胞核和線粒體的完整性，并且不涉及細胞色素C的釋放[4-6]。研究證實[1，7-8]，巨噬細胞、內皮細胞、平滑肌細胞、心肌細胞、樹突狀細胞等均可發生焦亡，其中平滑肌細胞焦亡參與動脈粥樣硬化、肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH)和膀胱炎癥等疾病的發生、發展。因此，本文就平滑肌細胞焦亡及其在相關疾病中作用的研究進展做一綜述。

1 細胞焦亡的分子機制

病原體相關分子模式或內源性應激誘導的危險相關分子模式[9]在入侵病原體后，被不同的炎性小體所檢測，進而介導經典半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)-1和非經典Caspase-4/5/11(人Caspase-4/5和鼠Caspase-11)途徑激活，細胞焦亡機制被觸發[10]。炎性小體包括細胞質中的多蛋白復合家族[如核苷酸結合寡聚化結構域樣受體(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor，NLR)3、NLRP1、NLRC4、NLRP9和NLRP6][11]、PHYIN蛋白家族[又稱HIN-200 蛋白家族如黑色素瘤缺乏因子2)][12]和吡喃蛋白[13]。活化的炎癥小體除NLRP1和NLRP4通過直接招募半胱氨酸蛋白酶1前體(pro-Caspase-1)來激活Caspase-1外[14-15],其余均直接或者間接在凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a Caspase recruitment domain，ASC)的協助下募集促炎細胞因子前體pro-Caspase-1來激活Caspase-1[16]。激活后的Caspase-1和Gasdermin(GSDM)D蛋白有著密切聯系[17]， Taabazuing等[18]研究發現，GSDMD是唯一誘導細胞焦亡的Caspase-1底物。GSDMD屬于GSDM蛋白質家族，在多種細胞類型和組織中表達[19]，在人類中其余成員還有GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME和Pejvakin(PJVK)。除了PJVK之外，所有的GSDMs都由一個保守的C-端域和N-端域的雙域結構組成[20]。Caspase-1可對GSDMD進行切割，從C-末端抑制域中解放出N-末端效應域，并在細胞膜中齊聚，形成直徑約10～16 nm的細胞膜孔，導致細胞膜破裂，胞質內容物外泄，并伴隨著大量的促炎細胞因子釋放，細胞焦亡發生[21-23]。

Caspase-11與Caspase-1激活小鼠細胞焦亡的機制略有不同，Caspase-11僅能被含半胱天冬酶募集結構域的細菌內毒素脂多糖激活[24]。活化后的Caspase-11不僅通過切割GSDMD介導細胞膜孔的形成，還可以通過活化縫隙連接蛋白1，釋放胞內的三磷酸腺苷，并與細胞膜上P2X7受體結合，促進胞內的K+外流及胞外的Na+、Ca2+內流，導致細胞膜內外離子失衡，發生滲透性腫脹進而破裂，導致細胞膜完整性受損[25-26]；同時，釋放出的三磷酸腺苷可活化NLRP3，進而激活Caspase-1，釋放出大量細胞促炎因子IL-1β和1L-18，誘導細胞焦亡[27]。人源Caspase-4和Caspase-5的功能與小鼠Caspase-11基本相同，雖可觸發與小鼠Caspase-11相似類型的細胞焦亡[28]，但其在人類細胞中發生細胞焦亡的非經典通路還需進一步探究。另外還有研究發現，GSDMD誘導的細胞膜孔形成可促進Ca2+內流，提示轉運必需的內體分選復合體(endosomal sorting complexes required for transport，ESCRT)的募集，以啟動修復人細胞中細胞膜的完整性，而通過促進 ESCRT蛋白的表達或阻斷Ca2+的內流可抑制Caspase-11的激活，揭示了一種新的抑制細胞焦亡的途徑[29]。

2 平滑肌細胞與細胞焦亡

平滑肌細胞廣泛分布于人體血管、呼吸道、消化道和泌尿、生殖等系統。平滑肌作為人體的保護組織，其功能主要通過縮短和產生張力使器官發生運動和變形,也可產生連續收縮或緊張性收縮,使器官對抗額外負荷而保持原有的形狀[30]。目前對平滑肌細胞的研究多集中于血管平滑肌細胞的功能障礙和表型轉換，如異常增殖、遷移及細胞外基質的分泌等，其被認為是導致血管狹窄病變的重要環節[31],也是動脈粥樣硬化發生的必要條件[32]。同時，平滑肌細胞的異常死亡也參與了多種疾病的發生發展[33-35]。

2.1 動脈粥樣硬化與平滑肌細胞焦亡 血管平滑肌細胞通常位于血管基質層,可塑性較強，主要發揮收縮功能，并能調節血管張力[36]。當血管損傷或局部環境變化時，血管平滑肌細胞向內膜層遷移，聚集在由凋亡的泡沫細胞組成的脂質池周圍，在血小板衍生生長因子或轉化生長因子β的刺激下，血管平滑肌細胞由收縮向合成轉變，通過產生彈性蛋白和膠原等細胞外基質分子，形成覆蓋動脈粥樣硬化斑塊的纖維帽[37]，對預防斑塊破裂具有重要的保護作用。血管平滑肌細胞由分化成熟收縮態去分化或轉分化為分泌增殖態的過程，稱之為表型轉換[38]。血管平滑肌細胞的表型轉換是眾多血管疾病的病理始動因素，如動脈粥樣硬化、高血壓血管重構[39]。

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)涉及動脈壁脂質的積累和炎癥細胞浸潤的過程[40]。血管平滑肌細胞是參與AS各個病變階段的主要細胞類型之一。研究表明，低濃度的氧化性低密度脂蛋白通過觸發血管平滑肌細胞向促炎癥表型轉變，調控血管平滑肌細胞中可收縮蛋白、促進炎癥分子的表達而激活AS信號[41]；同時，氧化性低密度脂蛋白可誘導血管平滑肌細胞中黑色素瘤缺乏因子2、活化的GSDMD的NH2末端片段GSDMD-N、ASC和Caspase-1的表達及DNA片段化，其中黑色素瘤缺乏因子2的過度表達可增加斑塊病變面積和血管平滑肌細胞焦亡，從而加重AS[42]。Pan等[43]研究表明，黑色素瘤缺乏因子2可通過ASC、Caspase-1途徑激活GSDMD-N活性，誘導細胞發生焦亡。Tangi等[44]研究發現，腫瘤壞死因子α可通過調節IL-1β和NLRP3的基因表達介導血管平滑肌細胞炎癥的發生，而沉默NLRP3基因可降低IL-1β的活化和分泌，從而減輕炎癥反應。同時，血管平滑肌細胞焦亡及其產生的細胞外基質(包括膠原蛋白和彈性蛋白)與粥樣斑塊的穩定性和急性心血管事件密切相關[10]。研究表明，參與細胞焦亡的相關分子如NLRP3、ASC、Caspase-1、IL-1β、IL-18等在不穩定斑塊中的表達水平高于穩定斑塊[42]，而且血管平滑肌細胞死亡在促進AS疾病進展中亦發揮重要作用，可引起斑塊纖維帽變薄、壞死核心增大導致斑塊易損性增加等[45]。

綜上，發生焦亡的血管平滑肌細胞通過釋放促炎細胞因子介導血管炎癥，并干擾與斑塊穩定性和急性心血管事件密切相關的膠原和基質來減弱纖維帽，最終加劇斑塊的不穩定性，導致AS的惡化[7，10]。

2.2 PAH與平滑肌細胞焦亡 PAH是一種以肺血管重塑和右心室功能障礙為特征的進行性致死性心血管疾病。其血流動力學診斷標準為：海平面、靜息狀態下，右心導管檢測肺動脈平均壓≥25 mmHg(3.33 kPa)[46]。PAH發病機制復雜，包括血栓形成、肺血管收縮、炎癥、纖維化及平滑肌細胞異常分化、增殖和凋亡等[47-48]。

最近相關研究表明，平滑肌細胞焦亡在PAH發病機制中起到關鍵作用[49-50]。膠質瘤相關癌基因家族鋅指1(glioma-associated oncogene family zinc finger 1，GLI1)是細胞內的一種鋅指蛋白，參與多種癌癥的發生發展[51]。He等[49]研究表明，低溫誘導的PAH其GLI1表達上調；抑制GLI1可明顯減輕大鼠體內PAH的變化，包括右心室收縮壓、血管重塑和右心室肥厚的變化。在缺氧大鼠模型和缺氧條件下培養的肺動脈平滑肌細胞中GLI1的表達上調，并且GLI1的富集促進了平滑肌細胞的焦亡，但ASC的缺乏可阻斷此種細胞焦亡。同時，還有研究發現，缺氧會上調NLRP3、Caspase-1、pro-Caspase-1、ASC和IL-18的表達和乳酸脫氫酶的釋放。進一步提示平滑肌細胞焦亡在缺氧性PAH中的作用，并且揭示了GLI1在PAH中調節平滑肌細胞焦亡和肺血管重塑的新功能。

PAH也是一種以部分血管纖維化為特征的疾病[55]，程序性死亡受體-配體1(programmed cell death ligand 1, PD-L1)也稱為CD274，與細胞死亡有關，在介導纖維化方面發揮重要作用[53]。Zhang等[50]研究發現，人肺動脈平滑肌細胞的焦亡及纖維化依賴于PD-L1的高表達。在PAH動物和細胞模型中還發現肺動脈平滑肌細胞中Caspase-1、IL-18和人高遷移率族蛋白B1表達高度上調，并且這3種蛋白也在缺氧和野百合堿誘導的PAH大鼠肺組織外膜和周圍組織中表達，這可能對肺血管重塑具有重要作用。此外，Caspase-1抑制劑可以逆轉缺氧和野百合堿誘導的PAH大鼠的血管重塑以及右心室收縮壓和右心室肥厚的升高，進一步表明抑制平滑肌細胞焦亡通路對血管纖維形成有正向的調節作用。上述的研究為PAH的發病機制提供了新的切入視角，并且為治療或控制該疾病提供新的治療靶點。

2.3 膀胱炎與平滑肌細胞焦亡 膀胱炎是用于定義任何類型膀胱炎癥的通用術語。在廣義的層面上，膀胱炎可以分為感染性膀胱炎和非感染性膀胱炎，其中非感染性膀胱炎包括輻射性膀胱炎和化學性膀胱炎。化學性膀胱炎最常見于環磷酰胺和異環磷酰胺靜脈化療的乳腺癌和淋巴瘤患者。丙烯醛作為環磷酰胺毒性代謝物，能夠通過誘導和促進脂質過氧化及活性氧的產生來維持細胞氧化應激[54-55]，當細胞接觸丙烯醛導致線粒體損傷，線粒體DNA的氧化態具有結合和激活炎癥復合物成分NLRP3 的能力[56]。因此，當環磷酰胺被腎臟代謝，積聚在膀胱中時，可引起膀胱炎癥反應，而膀胱疾病的主要功能障礙是炎癥反應引起肌肉擴張導致的順應性喪失[57]。環磷酰胺和放射治療可使NLRP3級聯產物IL-1β分泌及其下游肌增生介質胰島素樣生長因子1升高。然而，NLRP3級聯反應的另一個結果是導致Caspase-1依賴性細胞焦亡。Haldar等[57]對小鼠膀胱炎癥模型的平滑肌反應研究也表明，膀胱炎性損傷細胞產生的IL-1β刺激鄰近平滑肌(逼尿肌)細胞的增殖，而且在出血性膀胱炎模型中，細胞焦亡也是逼尿肌細胞增生和死亡的主要原因之一。

因此，膀胱平滑肌炎癥誘導的細胞焦亡伴隨著細胞增生和肥大，是導致膀胱功能低下的主要原因，但其分子機制還有待進一步探討。基于這些結論，有研究發現，類風濕關節炎治療藥物Anakinra和胰島素樣生長因子1中和抗體可逆轉炎癥相關的逼尿肌擴張[58]，這對臨床治療膀胱炎癥具有廣泛的借鑒意義。

3 小 結

平滑肌細胞的異常增殖、遷移及侵襲在多種疾病進展中扮演重要作用，而細胞焦亡作為平滑肌細胞的死亡方式之一，不僅對心血管疾病有著重要意義，更涉及多器官疾病的發生發展。細胞焦亡是一種程序性裂解性細胞死亡方式，其依賴于Caspase-1/4/5/11的激活，并通過切割GSDM蛋白，致細胞膜成孔破裂，釋放大量炎性物質。目前平滑肌細胞焦亡在AS研究中已取得了一定進展，炎性小體和GSDM蛋白家族的研究也成為熱點，但細胞焦亡觸發機制復雜、配體識別多樣、確切的作用方式不明確。因此，對細胞焦亡相關信號通路靶點檢測、調控機制等的進一步研究仍是科研工作的焦點。