細胞焦亡與血管重塑相關疾病的研究進展*

陳穎弘，李 倩，吳學銘 綜述，李鵬云 審校

(西南醫科大學醫學電生理學教育部重點實驗室/四川省心血管疾病防治協同創新中心/心血管醫學研究所，四川瀘州 646000)

細胞焦亡(pyroptosis)又叫細胞炎性壞死，是新近發現并證實的一種程序性細胞死亡方式，與炎癥反應密切相關。其典型特征是細胞膜腫脹破裂，促炎因子和細胞質內容物釋放到細胞外，引發機體產生炎癥反應。目前研究發現，細胞焦亡廣泛參與感染性疾病、神經系統相關疾病及動脈粥樣硬化等疾病的發生、發展，靶向細胞焦亡可有效改善這些疾病相關的病理學過程。近年來研究證實，在心肌缺血、高血壓、糖尿病等血管重塑性疾病的發生、發展過程中，核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小體、半胱天冬酶(caspase)、Gasdermin D (GSDMD)、白細胞介素(IL)-1β等細胞焦亡相關因子參與血管重塑過程。然而，細胞焦亡如何影響血管重塑性疾病的發生、發展需要進一步研究。探究細胞焦亡在血管重塑方面的作用及其機制，可為靶向細胞焦亡治療心血管疾病提供潛在的治療靶點，為多種心血管疾病的臨床防治研究奠定理論基礎。

1 細胞焦亡的分類及其機制

程序性細胞死亡是由基因調控的細胞主動死亡過程。以往細胞凋亡被認為是程序性死亡的唯一形式，但近期研究發現細胞主動死亡的方式還包括細胞焦亡和程序性壞死。細胞焦亡與凋亡、壞死等其他細胞死亡方式在形態特征、發生和調控機制上均有不同。細胞焦亡除了具有與細胞凋亡相似的細胞核皺縮、外吐小泡、DNA斷裂等現象之外，也可表現出細胞腫脹破裂、炎性內容物釋放等細胞壞死的特征。相關研究發現，細胞焦亡是依賴caspase家族切割GSDMD蛋白導致細胞死亡的方式，包括依賴caspase-1的經典途徑和依賴caspase-4/5/11的非經典途徑[1]。

caspase是一類存在于細胞質內，具有同源性相似結構特征、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶，為細胞焦亡信號通路的核心。在正常細胞中，caspase通常以非激活的酶原形式(pro-caspase)存在于細胞質中，被激活后才能進行底物識別和切割。迄今為止，在人體內已經發現了13種caspase，在小鼠中有11種caspase。根據結構和功能的差異，caspases主要可分為促凋亡類和促炎性類：其中凋亡類主要包括caspase-2/3/6/7/8/9/10，它們以級聯放大的方式對細胞內蛋白進行高效切割，進而導致細胞凋亡；促炎性類主要包括caspase-1/4/5/11/12/13，主要介導炎癥反應，可促進細胞因子如IL-1β前體(pro-IL-1β)和IL-18前體(pro-IL-18)激活形成成熟有活性的IL-1β和IL-18，最終引起細胞焦亡[2]。

Gasdermins是細胞焦亡的效應執行蛋白，普遍表達于多種細胞和組織類型中。人類的Gasdermins由Gasdermin A(GSDMA)、Gasdermin B(GSDMB)、Gasdermin C(GSDMC)、GSDMD、Gasdermin E(GSDME)和Pejvakin(PJVK)組成[3]。除PJVK外，大多數Gasdermins都有兩個保守的結構域，N末端成孔結構域和C端阻遏物結構域。Gasdermins的N末端具有細胞毒性，可插入細胞膜并形成較大的寡聚孔，破壞質膜完整性，引起胞內鉀離子(K+)外流、細胞外鈉離子(Na+)和鈣離子(Ca2+)內流，破壞正常的離子穩態和滲透屏障。滲透壓變化一旦超過細胞的代償能力，大量液體進入細胞，最終導致細胞膨脹、破裂和死亡，即細胞焦亡[4-5]。

1.1 經典途徑

由caspase-1介導的細胞程序性死亡是焦亡的經典途徑(圖1)。細胞通過病原體相關分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)和損傷相關分子模式識別危險信號(damage associated molecular patterns,DAMPs)，激活細胞質內的模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)。PRRs被激活后，其熱蛋白結構域可以募集細胞質中的凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a carboxy-terminal，ASC)，并與之結合成復合體，共同招募pro-caspase-1，組裝形成炎性小體[6-7]。該炎性小體使相鄰的兩個pro-caspase-1發生水解，成為具有酶活性的caspase-1分子，繼而活化pro-IL-1β和pro-IL-18，導致細胞焦亡。激活后的caspase-1分子，不僅能介導促炎癥細胞因子IL-1β和IL-18的成熟和分泌，還可以進一步切割下游GSDMD目的蛋白，將GSDMD蛋白分割成親脂性N端結構域和親水性C端結構域，其中N端結構域與生物膜結合，在膜內側聚集形成孔道，使水分子進入細胞，觸發細胞焦亡[8]。

1.2 非經典途徑

非經典焦亡途徑依賴于caspase-4/5/11的激活(圖1)。在細菌等信號刺激下，小鼠的caspase-11或人類的caspase-4/5/11被活化，識別并結合脂多糖，進一步切割GSDMD形成含有切割活性的N端結構域，促進細胞焦亡[9]。雖然caspase4/5/11并不直接介導IL-1β和IL-18的產生，但GSDMD介導的K+外流可誘導NLRP3炎癥小體的產生和IL-1β的激活[10]。同時，激活的caspase-4/5/11在NLRP3和ASC存在下可以與caspase-1相互作用，促進其激活，引起經典途徑的細胞焦亡。進一步研究發現，細胞膜上的縫隙連接蛋白-1 (pannexin-1)在調控小分子物質進出細胞膜方面起著關鍵性的作用。活化的caspase-11通過裂解細胞膜通道蛋白pannexin-1導致ATP的釋放并激活細胞膜上的P2X7通道，細胞內外離子平衡被打破，促進細胞焦亡[11]。

圖1 細胞焦亡的經典途徑和非經典途徑

2 細胞焦亡與血管重塑性疾病

2.1 細胞焦亡與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化時管壁內常有炎癥細胞浸潤，這些炎癥細胞分泌的基質金屬蛋白酶可以降解彈性蛋白和膠原，導致動脈中膜變薄，使血管發生正性重塑。正性重塑雖然可以代償管腔的狹窄，但由于其斑塊內含大量的巨噬細胞、壞死核心及薄纖維帽，更容易發生破裂，導致心腦血管突發事件。以往研究認為細胞凋亡與動脈粥樣硬化的發生和發展密切相關。然而，凋亡的重要成分caspase-3在晚期動脈硬化病變中卻很少被激活，敲除caspase-3不能改善動脈粥樣硬化病變[12]。提示有新的細胞死亡方式參與動脈粥樣硬化的發生和發展過程。

近年來越來越多的研究表明細胞焦亡在促進動脈粥樣硬化斑塊的不穩定中發揮重要的作用。動脈粥樣硬化早期病變主要涉及血管內皮功能受損、脂肪沉積和單核細胞的招募聚集和浸潤。研究表明血管內皮細胞的焦亡可通過激活caspase-1通路促進單核細胞向內膜和血管炎癥處募集，而抑制caspase-1可顯著減少外周血中單核細胞招募到血管內膜中[13]。在晚期病變中，巨噬細胞和平滑肌細胞的焦亡可使斑塊的不穩定性增加。研究證實，巨噬細胞吞噬氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein，ox-LDL)和膽固醇晶體后可產生NLRP3炎性小體和caspase-1，激活IL-1β和IL-18，進而發生細胞焦亡[14-16]。此外，TNF-α可通過抑制NLRP3和IL-1β的激活來調控人平滑肌細胞的炎癥反應，延緩動脈粥樣硬化斑塊的形成。焦亡的平滑肌細胞還可釋放ox-LDL和促炎細胞因子，如IL-1β和IL-18，促進動脈粥樣硬化的發生和發展[17-18]。大量的細胞焦亡和炎性因子的釋放使炎癥加劇，促進了斑塊核心的形成，增加其不穩定性，故動脈斑塊中的細胞焦亡與血管炎癥反應和斑塊破裂有密切聯系。以上研究結果提示，NLRP3炎癥小體與動脈粥樣硬化關系密切，靶向NLRP3治療可能成為動脈粥樣硬化的一種代替策略。

2.2 細胞焦亡與冠心病

冠心病是由于冠狀動脈狹窄、缺血引起的心臟功能異常的器質性病變。冠狀動脈的重塑在冠心病的發生發展過程中發揮了重要作用。冠心病早期的偏心性斑塊增加了血管壁的局部剪切力，刺激血管內皮擴張，伴有不穩定斑塊的形成，使冠狀動脈發生正性重塑，以維持正常的管腔面積和功能。隨著病變的發展，斑塊被纖維成分替代，并有鈣鹽沉積，使動脈管壁變硬，此時逐漸轉為失代償狀態，表現為負性重塑[19]。細胞焦亡在冠心病發生發展過程中涉及經典和非經典兩種途徑。目前為止，大多數研究從細胞焦亡經典途徑中各個環節釋放的炎癥因子含量、其是否增厚冠狀動脈內壁面積、心臟功能能否得到改善等多方面來探討與冠心病的聯系。相關研究證實，隨著冠脈血管病變程度的加重，血清中炎癥小體NLRP3的水平也逐漸升高，進而促使冠狀動脈血管壁IL-1β水平增加，激活caspase-1介導細胞焦亡參與冠心病的發生和發展[20-21]。相關研究證實，急性冠脈綜合征患者外周血中的NLRP3小體表達量顯著增多，且與冠狀動脈病變程度及分叉病變的數目呈正相關[20-21]。NLRP3的高表達激活了caspase-1的活性，引起其下游IL-1β、IL-18等炎癥因子通過GSDMD-NT細胞膜打孔作用大量釋放，引起細胞焦亡，導致較為劇烈的炎癥級聯反應，進一步破壞血管內皮細胞并促進平滑肌細胞的遷移，增加冠狀動脈壁厚度，促進冠狀動脈粥樣硬化的發展[22-23]。其他研究也發現，炎癥小體caspase-1活性明顯增強也會誘導促炎因子IL-1β、IL-18的激活，增加冠心病患者體內脂蛋白、膽固醇的水平，增強炎癥反應和組織損傷[22，24]。抑制caspase-1的表達后，IL-1β、IL-18水平降低，進而抑制細胞焦亡和局部炎癥反應，減輕冠脈血管損傷并改善心臟功能。提示靶向caspase-1抑制其下游的炎癥通路可作為治療冠心病的潛在靶點。此外，由于GSDMD是細胞焦亡經典途徑和非經典途徑的共同底物，IL-1β等其他炎癥因子可通過GSDMD-NT打孔作用大量釋放，引起細胞焦亡和炎癥反應，導致多種缺血性疾病的發生。目前有發現靶向抑制GSDMD和GSDMD-NT的一些藥物，可通過抑制細胞焦亡進而減緩冠心病的進展[23-24]。以上研究表明，靶向細胞焦亡信號通路中的NLRP3，caspase-1及GSDMD等可有效改善冠心病的病程，有望成為研究冠心病發生發展機制的重要切入點。由于目前細胞焦亡非經典途徑研究較少，在冠心病發生發展中的作用和機制仍需進一步研究。

2.3 細胞焦亡與高血壓

高血壓病早期血流動力學異常，血管隨之發生適應性改變。然而，長期慢性高血壓會導致不良的血管重塑。在高血壓發病過程中，大中動脈重構主要是通過增加內膜中層厚度、增大中心彈性動脈腔徑來適應增加的周圍血管壁應力，而遠側的肌性動脈腔徑無變化。微循環障礙主要表現為小動、靜脈數量減少，造成終端微循環組織缺失[25]。大動脈順應性下降促進斑塊形成，甚至管腔狹窄導致血流動力學異常[26]。血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)是血管壁的主要結構細胞之一，在高血壓等病理條件下，VSMCs的增殖遷移和表型改變導致血管重塑[27]。

近年來，越來越多的實驗證明細胞焦亡參與調控高血壓病血管重塑。研究發現，高血壓大鼠VSMCs的NLRP3炎癥小體和IL-1β表達明顯增加，促進了大鼠VSMCs的增殖和表型轉化，導致主動脈中膜厚度增加和血管管腔狹窄，引起外周阻力增加，血壓上升又進一步加重了血管重塑，血管結構和功能受損，形成惡性循環[28-29]。另有研究發現，pro-caspase-1 mRNA的表達在高血壓大鼠的主動脈和腎動脈中有上調趨勢，這也間接證明了細胞焦亡在高血壓引起的血管重塑中發揮了重要作用[20]。以上研究表明，引起細胞焦亡的NLRP3炎癥小體在高血壓狀態下大中動脈VSMCs的表型轉化引起的血管重塑中發揮重要作用。早期檢測發現高血壓VSMCs相關焦亡小體的表達增加，提示VSMCs焦亡可成為高血壓病的一個診斷和治療靶點。

2.4 細胞焦亡與糖尿病

血管重塑是始于糖尿病早期并貫穿糖尿病整個病理過程的血管結構和功能性的變化。在糖尿病早期，由于高血糖、胰島素抵抗等因素的影響，血管內皮損傷激活內皮細胞和巨噬細胞釋放大量炎癥因子，NO分泌減少和內皮素表達增加進一步加重血管內皮細胞和VSMCs損傷。糖尿病血管的病理變化與動脈粥樣硬化類似。糖尿病時，病變的小血管以VSMCs增生為主，從血管壁中膜遷移進入內皮下層的VSMCs異常增殖并合成大量的細胞外基質，導致微循環結構和功能改變；此外小血管還出現內皮細胞損傷、基底膜增厚，血管壁有無定型的玻璃樣物質沉積等現象，造成小動脈的硬化[30]。

細胞焦亡介導的炎癥反應在此階段發揮了重要作用，在患有微血管和大血管并發癥的患者中，細胞內線粒體的分解代謝增加，活性氧積聚增多，觸發NLRP3炎性小體通路，一些炎癥因子如caspase-1、IL-6等均有所增加[31]。另有研究發現，VSMCs中的糖基化終產物與其受體相互作用可激活細胞內GSDMD介導的焦亡信號通路，促進炎癥和血栓形成[32-33]：細胞焦亡釋放的炎癥因子導致細胞焦亡相關因子IL-6、IL-8等分泌增加，進而促進糖尿病微血管的炎性病變和病理性重構。此外，當炎癥小體被抑制后caspase-1水平會相應降低，一方面使糖尿病心肌對缺血再灌注損傷的敏感性降低，減緩心肌缺血再灌注損傷，緩解血管失代償狀態，減少了高糖、高胰島素等造成細胞焦亡的危險因素。另一方面也減少了胰島素抵抗，從而緩解糖尿病病理癥狀[34]。上述研究表明，靶向NLRP3、caspase-1等細胞焦亡相關的信號通路蛋白將為糖尿病的防治策略提供新思路。

3 小 結

血管重塑是多種疾病的代償反應之一，在心血管疾病的發生、發展中至關重要。 細胞焦亡釋放的炎癥因子及激活的炎癥反應是動脈粥樣硬化、冠心病、高血壓、糖尿病等血管重塑性疾病的重要發病機制。盡管目前多項動物研究證實，抑制細胞焦亡過程中的GSDMDs、NLRP3、caspase-1等關鍵蛋白可減輕炎癥反應，有效延緩相關疾病的進展。GSDMDs激動劑或拮抗劑的研發將有可能改善血管重塑伴隨的炎癥反應。然而，對細胞焦亡和GSDMDs家族的研究還尚未成熟，具體的分子機制仍需進一步探索。