王欣悅， 李德冠

中國醫學科學院&北京協和醫學院 放射醫學研究所，天津市放射醫學與分子核醫學重點實驗室， 天津 300192

細胞焦亡是一種非典型的程序性細胞死亡方式，其發生依賴半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶(caspases)的激活，并伴隨著細胞膜穿孔和細胞內容物釋放引發的炎癥反應。細胞焦亡如果發生在肝癌細胞等損傷細胞中，可以加速免疫應答，清除損傷細胞以拮抗病原體的感染；但是如果發生在肝星狀細胞等正常細胞中，就容易擴大炎癥反應，導致正常細胞大量死亡、組織增生和器官功能衰竭，可見細胞焦亡在肝臟疾病的發生發展中具有“雙刃劍”的特征。現圍繞著細胞焦亡的發生機制及其在肝臟疾病中的研究進展進行綜述，以期為此類疾病的防治和新藥開發提供新的思路。

1 細胞焦亡的發現

“細胞焦亡”這一現象于1992年由Zychlinsky等[1]在弗氏志賀桿菌感染的巨噬細胞中首次發現。2001年，Cookson首次使用“細胞焦亡(pyroptosis)”來形容這種細胞死亡方式[2]。2009年，細胞死亡命名委員會根據細胞死亡的形態學改變命名了13種類型，“細胞焦亡”是第13種死亡方式[3]。在形態學上，細胞焦亡伴隨著細胞核固縮、DNA斷裂、細胞膜氣泡樣凸起，膜上迅速形成12～14 nm的小孔，水分內流，細胞發生腫脹而膜破裂[4]。在生化上，細胞焦亡伴隨著caspases的激活，Gasdermin蛋白的切割和IL-1β、IL-18等炎性因子的釋放，其發生過程為一種新型程序性細胞死亡方式[5]。

2 細胞焦亡的分子機制

人和鼠細胞焦亡的發生均存在三種途徑[6](圖1)。

2.1 依賴caspase-1的細胞焦亡途徑 病原體表面或核內的特殊微生物結構為病原體相關分子模式，受損宿主細胞釋放的內容物信號為損傷相關分子模式，二者均可作為刺激原信號被固有免疫細胞上的模式識別受體識別，發生寡聚化，組裝成炎性小體[7]。炎性小體募集caspase-1前體，使caspase-1前體蛋白發生自剪接激活。激活的caspase-1蛋白裂解GSDMD蛋白釋放出31 kD的GSDMD-N片段，這一片段能特異性的識別并結合細胞膜內側的磷酯酰絲氨酸和磷脂酰肌醇，從而在細胞膜上形成大的非選擇性膜孔道，使細胞膜失去控制物質進出的能力，細胞釋放出IL-1β、IL-18等炎性小體，同時腫脹破裂，發生細胞焦亡[8]。

2.2 依賴caspase-11 (caspase-4、5)的細胞焦亡途徑 在由細菌脂多糖(LPS)啟動的細胞焦亡中，caspase-11發生寡聚化后被激活[9]。活化的caspase-11切割GSDMD前體釋放出GSDMD-N端P30片段[10]，GSDMD-N片段與細胞膜上的心磷脂結合[11]，從而在細胞膜上穿孔，激活控制小分子進出的受體Pannexin-1，打開膜通道P2X7，導致K+和ATP外流，從而促進細胞焦亡的發生[12]。在這一焦亡途徑中，雖然caspase-11可以不依賴于caspase-1而直接介導細胞焦亡的發生，但是IL-1β前體只能由caspase-1裂解，GSDMD蛋白可被已經活化的caspase-1/11/4、5蛋白切割。

注：Death Receptor，死亡受體；Chemotherapy drugs，化療藥物；Virus，病毒；Toxins，毒素；Bacteria，細菌；Cytochrome c，線粒體細胞色素c；Apoptosis，細胞凋亡。

2.3 依賴caspase-3的細胞焦亡途徑 在化療藥物作用下，腫瘤細胞中激活的caspase-3可特異性地切割GSDME蛋白，生成具有活性的GSDME-N片段，隨后驅動細胞從凋亡轉換成焦亡[13-14]；進而可以激活抗腫瘤免疫力抑制腫瘤生長[15]。

3 細胞焦亡與肝臟相關疾病

據國際癌癥研究機構公開數據，中國已經有超過五分之一的人口受到肝臟疾病的影響，約有700萬人患有肝硬化，每年新發肝癌病例為46萬例，中國已成為全球肝臟疾病患者數量最多的國家[16]。常見的肝臟疾病包括病原體感染等引起的病毒性肝炎、酒精性肝病(ALD)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、藥物性肝損傷(DILI)，以及肝細胞癌(HCC)等[17]。細胞焦亡在肝臟疾病中發揮重要作用，現對其研究進展總結如下。

3.1 細胞焦亡與病毒性肝炎 病毒性肝炎是世界上最常見的慢性病毒感染性疾病，其中HBV和HCV是最常見的感染[18-19]。研究證實細胞焦亡在病毒性肝炎發生中發揮著重要作用。

利用 HBV感染HL7702肝細胞系時發現HBV中的X蛋白可以激活依賴caspase-1的細胞焦亡通路[20]。與未經治療的HBV感染者肝臟相比，接受持續抗病毒治療HBV感染者的肝臟中caspase-1、NLRP3和IL-1β的表達顯著下調，肝細胞內mitoROS含量增加，細胞外基質沉積的雜質增加[21]，提示HBV感染導致正常肝細胞發生了PAMP/NLRP3/caspase-1/IL-1β途徑的細胞焦亡，阻斷正常肝細胞的細胞焦亡可以起到抗HBV的效果。HBV除了引起普通肝細胞發生細胞焦亡，還可以引起肝血竇中的外周血單個核細胞(peripheral blood mononuclear cell，PBMC)等免疫細胞發生細胞焦亡，釋放的IL-18、IL-1β等促炎介質募集巨噬細胞清除病原體和損傷細胞，阻斷疾病進程。Chen等[22]研究發現，HBV感染者中PBMC發生依賴AIM2/ caspase-1/GSDMD/IL-18通路的細胞焦亡，進而促進HBV的免疫清除；但是HBV表面的HBeAg蛋白會通過NF-κB通路抑制PBMC發生細胞焦亡。

Kofahi等[23]用HCV感染Huh-7.5肝細胞后，在細胞中檢測到活化的caspase-1和NLRP3，在細胞外檢測到乳酸脫氫酶。HCV相關晚期肝硬化患者中的caspase-1和NLRP3的表達水平也較健康的肝臟樣本高[24]。提示HCV被識別后可以誘導炎性小體NLRP3的組裝，引發肝細胞發生細胞焦亡，導致肝損傷。Alhetheel等[25]研究發現，HCV通過下調STAT1和IRF-1的表達，抑制PBMC中細胞焦亡通路，阻止PBMC對HCV發生反應，導致HCV免疫逃逸，使肝細胞易受感染。上調PBMC中的細胞焦亡，可以加強免疫清除，阻止HCV的侵襲。

3.2 細胞焦亡與ALD ALD是一種由長期酗酒導致的慢性肝病，其特征是初期表現為脂肪肝，后期肝衰竭，發生酒精性肝炎并伴隨敗血癥和多器官功能衰竭等并發癥，其短期病死率很高[26]。肝細胞焦亡是導致ALD的重要原因，依賴caspase-1和依賴caspase-11的細胞焦亡途徑均參與了ALD的發生發展[27]。Heo等[28]研究發現，乙醇代謝產生的FoxO1蛋白導致TXNIP蛋白過表達；而TXNIP可激活NLRP3 炎性小體和caspase-1細胞焦亡通路，導致ALD的發生。Khanova等[29]研究發現，經8周乙醇飲食喂養的小鼠肝勻漿中caspase-11和GSDMD的活性明顯增加。乙醇代謝增加了NADH/NAD+的比例，產生的活性氧(ROS)引起NLRP3的組裝，誘導肝細胞發生依賴caspase-11的細胞焦亡，引起全身性炎癥反應綜合征和敗血癥，危及生命。此外，caspase-11基因敲除可抑制乙醇喂養造成的小鼠肝細胞焦亡的發生，減輕肝臟炎癥和脂肪變性[30]；NLRP3缺陷也可以改善肝脂肪變性和慢性乙醇造成的損傷[31]。這些結果說明，抑制caspase介導的細胞焦亡，可以緩解ALD的癥狀[32]。

3.3 細胞焦亡與NASH NASH是指與酒精濫用無關的肝臟疾病。高脂飲食、缺乏鍛煉等都可能會引起非酒精性脂肪肝，其特征為肝細胞內脂肪變性和過度堆積，非酒精性脂肪肝患者會逐漸發展為NASH[33]。在NASH的發生發展中，細胞焦亡發揮著重要的作用。

高脂飲食會引發肝細胞發生細胞焦亡，Ioannou等[34]用膽固醇含量≥0.5%的飲食喂養小鼠時，在肝巨噬細胞Kupffer細胞中檢測到了細胞焦亡。Koh等[35]發現，NLRP3基因敲除的小鼠由于缺乏誘導細胞焦亡通路的炎性小體，因而避免了高膽固醇飲食導致的NASH。Xu等[36]檢測到NASH小鼠肝組織中GSDMD-N末端片段的表達上調，而GSDMD敲除的小鼠表現出較低的脂肪變性和炎癥反應。提示膽固醇晶體可激活炎性小體NLRP3，切割生成GSDMD-N誘發細胞焦亡，誘發炎癥。

3.4 細胞焦亡與DILI DILI發病機制復雜，涉及遺傳、代謝和免疫等多種因素；表現為短時間內發生大量的肝細胞壞死和肝功能的迅速喪失，是引起急性肝衰竭的重要原因[37]。細胞焦亡也參與了DILI的發生。

對乙酰氨基酚引起的DILI是研究最多的藥物之一。Jaeschke等[38]研究發現，對乙酰氨基酚的代謝產物可以作為DAMP引起炎性小體NLRP3組裝，從而導致依賴caspase-1的細胞焦亡發生，導致DILI。Imaeda等[39]發現利用阿司匹林等限制DILI中caspase-1的組裝可以抑制細胞焦亡發生，進而降低肝細胞的病死率，減輕了肝損傷。

DILI中發生細胞焦亡會加重肝損傷。Xu等[40]研究發現，caspase-3特異性抑制劑Ac-DMPD/DMLD-CMK可以降低DILI中肝細胞的細胞焦亡發生，從而減少肝細胞損傷，緩解DILI。但是由于DILI的發病機制是多因素的，宿主因素如年齡、性別、伴發疾病和藥物、表觀遺傳學、感染、飲食等其他因素都使其變得更加復雜，再加上缺乏有效的動物模型，人們對DILI的機制了解甚少，目前細胞焦亡在DILI中的作用機制仍有待進一步明確[41]。

3.5 細胞焦亡與HCC 細胞焦亡對于細胞本身而言，不利于自身的存活和增殖，但是如果發生在癌細胞中則有利于癌細胞的清除。因此，激活癌細胞中細胞焦亡或許能為癌細胞的治療提供新思路。

在HCC中，肝癌細胞通過抑制自身的caspase-1途徑防止細胞焦亡發生，起到自我保護的作用。Chen等[42]研究發現，HepG2肝癌細胞系中小核仁RNA宿主基因7(small nucleolar RNA host gene 7，SNHG7)通過靶向microRNA-34a/SIRT1軸抑制細胞焦亡發生，促進細胞增殖、遷移和侵襲；而敲低SNHG7基因可解除HCC中細胞抑制自身發生caspase-1依賴的細胞焦亡，從而加劇肝癌細胞的死亡，抑制體內HCC腫瘤的生長。Guo等[43]研究表明，天然異喹啉生物堿小檗堿通過激活caspase-1活化誘導小鼠HCC發生細胞焦亡，從而增強HCC小鼠中癌細胞的免疫清除作用。Wei等[44]研究發現，雌激素17β-雌二醇通過上調NLRP3的表達誘導HCC發生依賴caspase-1途徑的細胞焦亡，阻礙HCC的發展和轉移。

HCC細胞還可通過抑制caspase-11和caspase-3的途徑發揮自我保護作用。Lozano-Ruiz等[45]研究發現，在HCC發生的早期階段，細胞會通過mTOR-S6K1途徑下調AIM2和caspase-11的表達抑制自身發生細胞焦亡，增加細胞增殖和集落形成。Wang等[46]發現，HCC細胞中caspase-3的活性受到PI3K/AKT/mTOR信號途徑抑制，進而抑制細胞焦亡，刺激HCC細胞的生長，上調HCC焦亡通路中相關蛋白的表達，可使腫瘤細胞發生細胞焦亡，減少腫瘤細胞數量。Wang等[47]發現，上調HepG2細胞中的GSDME基因表達會誘導細胞周期阻滯在G2/M中，從而抑制其細胞增殖。Liang等[48]研究發現，姜黃素可以通過細胞內ROS積累，誘導caspase-3和GSDME的表達，導致HepG2細胞發生細胞焦亡。

HCC細胞死亡方式中除細胞焦亡外，還存在細胞凋亡等其他死亡方式的疊加和轉化[49]。Zhang等[50]發現從丹參根中分離出的菲醌衍生物Miltirone能激活線粒體固有凋亡通路并通過中心信號軸ROS/ERK1/2-BAX-caspase 9-caspase 3-GSDME誘導HCC細胞從細胞凋亡轉換成細胞焦亡。

4 小結

細胞焦亡在肝臟疾病中發揮了“雙刃劍”的作用，如果在治療過程中促進損傷細胞和免疫細胞發生細胞焦亡，同時能抑制正常細胞的焦亡，或許能起到清除損傷細胞和保護正常組織的作用，從而控制肝臟的發生發展，提高疾病的治愈率。但是由于肝臟疾病的復雜性和缺乏有效的臨床模型，該領域還需要更深入的探索。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：王欣悅等負責收集數據，資料分析，撰寫論文；李德冠等負責擬定寫作思路，指導撰寫文章并最終定稿。