細胞焦亡機制及其在多種腎臟病中的作用

孫曉怡 姜玉勤 唐余燕 劉何晶 陸 迅 魏明剛

1.蘇州大學附屬第一醫院腎內科，江蘇蘇州 215006；2.蘇州大學附屬第一醫院中醫科，江蘇蘇州 215006；3.江蘇省蘇州市立醫院北區中醫科，江蘇蘇州 215000

細胞焦亡的主要特征為完整的細胞膜結構破壞、細胞腫脹及細胞質內容物的釋放[1]。根據細胞焦亡的發生過程可將其分為兩類：經典途徑細胞焦亡及非經典途徑的細胞焦亡。在多種原因所致的腎臟疾病中炎癥反應均可發揮作用。近年研究顯示，以炎癥小體為核心介導的無菌性炎癥反應細胞焦亡為腎臟疾病進展的重要原因[2-5]。因此根據細胞焦亡的特點，采取針對炎癥反應的干預措施將會在多種腎臟病的防治中提供優異的作用效果，為臨床診療帶來新的靶點。

1 細胞焦亡產生的機制

1.1 經典途徑細胞焦亡

經典途徑細胞焦亡為依賴caspase-1 的細胞焦亡，其起始原件為炎癥小體，炎癥小體主要包括模式識別受體（pattern recongnition receptor，PRRs），前活化半胱天冬酶-1（caspase-1）及凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing，ASC）組成[6]。PRRs 作為炎癥小體的感受器，有多種表達形式，在細胞焦亡過程中起主要參與作用的為NOD 樣受體（NOD-like receptors，NLRs）[7]，NLRs 包括NLRP1、NLRP2、NLRP3 和NLRC4 等，其具有共同分子結構特點：位于中心的核苷酸結合和寡聚化結構域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD），可以發生自身的寡聚；羧基末端亮氨酸重復區（leucinerichrepeat，LRR）發揮識別配體及自我調節的功能；N 末端有可變結構域等[8]。NLRs 可以識別外源性微生物攜帶的病原相關分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）或內源性細胞損傷釋放的相關分子模式（danger-associated molecular pattern，DAMPs），并激活下游促炎癥信號級聯通路，引起機體的防御或炎癥反應[9-13]。

當PRRs 識別外源性信號后作用于NLRs，NLRs通過LRR 進行信號的接受及傳遞，后通過ACS 信號識別及傳遞，使NOD 結構參與到炎癥小體組裝調節過程中，從而間接募集caspase-1 前體激活caspase-1，并進一步作用于下級效應分子gasdermin 家族蛋白D（GSDMD）[14]。GSDMD 為半胱氨酸天冬酶切割的底物，一般情況下保持自抑制構象，其C 末端結構域掩蓋了N 末端壞死域中的脂質結合部分，自抑制現象的解除需要外部作用消除C 末端抑制結構域從而暴露出N 末端壞死域后才可進行[15]。在炎癥小體的激活過程中，這種C 末端抑制結構域的解除過程即是由炎癥性胱天蛋白酶的水解作用實現[16]。N 端壞死域暴露后即可轉移至質膜并聚集形成跨膜通道引起細胞腫脹裂解，細胞內容物及炎癥因子釋放，最終導致細胞焦亡。

1.2 非經典途徑細胞焦亡

研究發現除了由caspase-1 介導的經典途徑細胞焦亡外，由人源性caspase-4/5 及鼠源性caspase-11 可介導的細胞焦亡途徑稱為非經典途徑細胞焦亡[17]。非經典途徑細胞焦亡是細胞焦亡概念的進一步延伸，Kayagaki 研究團隊使用霍亂毒素B、大腸埃希菌、嚙齒類念珠菌和霍亂弧菌誘導小鼠炎癥反應，在caspase-11 基因缺乏的小鼠中細菌所觸發的白細胞介素-1α（interleukin-1α，IL-1α）和高遷移率族蛋白-1的釋放明顯抑制，提示caspase-11 為這一途徑的關鍵因子，此途徑可以誘發IL-18 及IL-1β 大量產生從而引起細胞焦亡[18-19]。

圖1 細胞焦亡機制圖

2 細胞焦亡機制及其在多種急慢性腎臟病中的作用

2.1 腎臟結石類腎病

腎臟結石類腎病是指尿草酸鈣（calcium oxalate，CaOx）負荷過大超過腎臟腎小球濾過和分泌功能，從而導致CaOx 晶體在腎臟中沉積形成腎臟結石或引起彌漫性腎臟鈣化[20]。通過分別建立NLRP3 缺乏，ASC缺乏和caspase-1缺乏的小鼠模型，且使用CaOx 晶體與NLRP3 激動劑ATP 進行對照實驗，發現CaOx 晶體是通過NLRP3/ASC/caspase-1 途徑從而誘導IL-1β 表達，且這一過程需要使用細胞預刺激劑脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），提示LPS 預刺激是誘導pro-IL-1β 表達的先決條件。在非經典途徑細胞焦亡中，LPS 亦為發生該機制的必要條件，因此或許在草酸鹽結晶所致的腎臟病中也會有非經典途徑細胞焦亡的參與，對實驗中caspase-4/5/11 的檢測有助于進一步研究[21]。

2.2 急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）

AKI 是臨床常見的由各種原因導致的腎功能短時間內快速減退的一種臨床綜合征，可以由血容量減少、缺血再灌注、造影劑使用及藥物原因等多種情況引起，而在以這些因素為始動刺激引起AKI 的過程中，也有細胞焦亡的密切參與。缺血再灌注腎損傷產可通過Toll 樣受體降解及其下游所致核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB）炎癥及細胞焦亡免疫反應參與AKI的發生過程[22-23]。在使用造影劑主要成分碘丙啶（propidium iodide，IOP）誘導AKI 實驗中，可以檢測到體內外caspase-1、IL-1β 和IL-18 水平均有顯著升高，同時伴有LDH、NLRP3、ASC 和GSDMD 產生，均可提示IOP 可通過細胞焦亡誘導AKI[24]。而在常見的抗腫瘤藥物的使用過程中，AKI 作為藥物使用的副作用也不罕見，細胞焦亡同樣參與其中。在順鉑誘導的小鼠AKI 過程中，腎臟組織及腎小管細胞中均檢測到GSDMD 片段的產生，且使用順鉑處理GSDMD 基因缺失小鼠，小鼠發生AKI 及相關炎癥反應均較前有所減輕，而活躍或增加GSDMD 片段的操作則可起到相反的作用[25]。

2.3 糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）

DN 為多種致病因子所致的代謝性疾病，其為一種以糖尿病為基礎疾病的微血管并發癥。在DN 發病過程中，由炎癥小體NLRP3、caspase-1、GSDMD 介導的經典途徑細胞焦亡發揮重要作用[26]。研究顯示，在肥胖條件下模擬成年小鼠2 型糖尿病模型，內源性大麻素作為外周血CB1 受體激活劑可以通過激活CB1受體并且引起胰島β 細胞的衰竭，而在NLRP3 缺失的小鼠模型中，β 細胞衰竭現象未明顯觀察到[27]。另外，在NLRP3 炎癥小體缺乏的野生型小鼠中反復低劑量的予以四氧嘧啶可抵抗缺氧及氧化應激所致的細胞損傷，這與胰島β 細胞衰竭減少及巨噬細胞浸潤減少相關，而NLRP3 在這一實驗反應過程中扮演著中間介質的角色，NLRP3 缺乏降低了四氧嘧啶誘導的糖尿病患者的β 細胞丟失和胰島炎癥[26,28]。因此，對于這一級聯反應進行更為詳盡地探索并在此基礎上進行相應的干預性措施，可能對DN 的診療具有重大的意義。

2.4 腎臟纖維化

腎臟纖維化是慢性腎臟病不斷發展至終末期的關鍵機制，腎組織內炎癥因子與抗炎因子之間的失衡，引起組織內過度代謝反應及組織損傷，纖維組織不斷增生的同時伴隨腎臟固有細胞轉化，不斷加重腎臟纖維化的進展[29]。研究顯示，NLRP3 缺失對于介導線粒體調解腎臟纖維化具有保護作用[30-31]。微生物分子或細胞內危險因子作用于腎組織時，可檢測到腎組織中NLRP3、pro-IL-1β 和pro-IL-18 的表達，這可能由NF-κB 通路介導[32]，這一過程中伴有活性氧產生，再次作用于NLRP3 引起細胞焦亡，研究顯示，TGF-β/Smad 可激活NLRP3，而NLRP3 又可進一步作用于Smad磷酸化過程導致進一步的腎臟纖維化[33]，在這一過程中，細胞焦亡過程與腎臟纖維化機制相互作用形成加重細胞損傷的惡性循環[34-35]。

綜上所述，細胞焦亡機制為細胞程序性死亡的形式之一，細胞焦亡的發病機制包括經典途徑細胞焦亡及非經典途徑細胞焦亡，而NLRs、caspase-1、IL-1 及GSDMD 為細胞焦亡通路的關鍵因子，在多種腎臟病發病及進展過程中均有所參與。在對多種腎臟病中細胞焦亡機制的研究可知氧化應激所致活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生增加、炎癥小體激活及炎癥因子的釋放均有較大作用，在針對ROS 產生增加或減少炎癥小體的激活對細胞焦亡的進展可起到至關重要的作用，而基于細胞焦亡機制進行更加深入地探索并尋找可能延緩疾病進展的關鍵環節對于明確腎臟病的發病機制，并且對于多種腎臟病的診療亦大有裨益。