細胞焦亡在卒中及抑郁癥中的研究進展

賈春凱, 王 韜綜述, 王 荔審校

細胞焦亡(pyroptosis)作為新型促炎性程序細胞死亡類型,通過半胱天冬氨酸蛋白酶1(Caspase-1)和NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor3,NLRP3)炎性小體的激活介導發生[1]。激活的炎性小體介導GasderminD(GSDMD)蛋白的裂解,隨后發生細胞焦亡[2]。卒中是以驟然發生、迅速發展的局限性或彌散性腦功能缺損為主要臨床特點的器質性腦血管病變。卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)表現為心情沮喪、自我認知價值觀念下降、睡眠障礙、自殺傾向等,是卒中患者最常見的一種并發癥。目前對卒中及抑郁癥的病因尚未完全明確。細胞焦亡作為當前中樞神經系統細胞死亡類型的研究熱點,通過炎性小體、miRNA等介導途徑為卒中及抑郁癥的相關研究提供了新的研究思路。本文對細胞焦亡在卒中及抑郁癥的發生機制及抑制細胞焦亡在疾病治療中的應用研究進展做一綜述。

1 細胞焦亡的四個途徑

1.1 細胞焦亡的經典途徑 經典途徑中,炎性小體的組裝是導致細胞焦亡的關鍵因素。炎性小體由模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR)、凋亡相關斑點樣蛋白(ASC)、Caspase-1三部分組成。目前最常見的PRR是以NLRP1、NLRP2和NLRP3為主的核苷酸結合寡聚化結構域NOD樣受體(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor,NLR)[3]。PRR作為炎性小體的感受器,當被病原體相關分子(PAMP)和損傷相關分子(DAMP)特異性識別后激活。ASC作為炎性小體的結構骨架,是PYCARD基因編碼的一類能使PPR偶聯效應蛋白酶的非酶支架蛋白。它可以激活Caspase-1前體并將其轉化為活躍狀態的Caspase-1。當炎性小體組裝完成時,激活的Caspase-1可裂解GSDMD蛋白,使GSDMD-N暴露,在細胞膜上形成大小為10～15 nm的膜孔,細胞膜兩側的離子濃度失衡、滲透壓改變,是細胞裂解的最主要原因。同時,激活的Caspase-1使活化的IL-1β和IL-18在細胞膜孔中被釋放到胞外,誘導隨后的炎癥反應。激活的Caspase-1能使細胞裂解和炎性介質釋放過程獨立發生。此外,也有研究表明即使沒有激活PPR時,當炎性小體組分(例如NLRP3和ASC)在細胞內高表達時,亦會引起細胞焦亡。

1.2 細胞焦亡的非經典途徑 非經典途徑與經典途徑相比幾乎不與相關炎性小體結合而發揮作用。人的Caspase-4/5或小鼠的Caspase-11前體與細菌內毒素的脂多糖(LPS)結合可使Caspase-4/5/11激活。激活后的Caspase-4/5裂解GSDMD蛋白形成具有活性的GSDMD-N,它能使膜孔形成跨膜孔通道進而誘導細胞焦亡發生。另外,Caspase-11與LPS結合,促進跨膜蛋白-1(Pannexin-1,Panx1)激活,釋放腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)與胞膜的嘌呤能受體(P2X7)受體結合,觸發鉀離子及鈣離子發生內外交換,形成非選擇性細胞膜孔,激活NLRP3-ASC-Caspase-1的細胞焦亡信號通路,隨后導致成熟的IL-1β、IL-18等炎癥因子釋放[4]。研究人員發現志賀毒素/LPS在非典型細胞焦亡途徑中,典型途徑的NLRP3炎性小體可被該菌株線粒體中裂解的GSDMD蛋白產生的活性氧激活。其次非典型途徑中GSDMD蛋白的激活以及典型途徑炎性小體的部分激活可能與DAMP在細胞內發揮的作用有關,該過程同時涉及細胞焦亡的經典與非經典途徑。

1.3 凋亡相關Caspase蛋白途徑 除了以是否通過Caspase-1激活的經典及非經典途徑之外,細胞焦亡亦可由一些凋亡性Caspase引發。研究發現化療藥物引起的細胞焦亡,是通過Caspase-3對GSDME進行剪接,形成GSDME-N使細胞膜穿孔而發生的。另有研究發現Caspase-1/3/7對GSDME的切割是誘導硬骨魚類細胞焦亡的唯一途徑。Zheng等[4]認為Caspase-8可以同時裂解 GSDMD和GSDME并釋放N端結構域來誘導細胞焦亡,Demarco等[5]發現Caspase-8可通過裂解GSDMD并釋放GSDMD-N來觸發細胞焦亡。更有Orning等[6]研究表明Caspase-8不但介導細胞焦亡,而且還可以抑制機體的先天性免疫功能。

1.4 顆粒酶(Granzyme)途徑 顆粒酶是一種外源的絲氨酸蛋白酶,它是從細胞毒性和自然殺傷細胞中釋放出來的。Zhou等[7]發現顆粒酶A可裂解GSDMB,釋放GSDMB-N片段,造成細胞膜穿孔,導致表達GSDMB的癌細胞發生細胞焦亡。Zhang等[8]發現顆粒酶B可以直接切割GSDME或間接激活Caspase-3來誘導表達GSDME使得腫瘤細胞發生細胞焦亡。

細胞焦亡與細胞凋亡的發生存在交叉點,GSDMD-N可以激活細胞焦亡經典途徑的NLRP3炎性小體,繼而促進GSDMD蛋白的切割以及炎癥因子釋放。且該炎性小體亦參與細胞凋亡過程。細胞焦亡與細胞凋亡之間存在相互轉化,研究發現Caspase-3切割GSDME后可以實現此轉化過程。若將 GSDMD的裂解位點轉化為Caspase-3,亦可介導此轉化過程的發生。

2 發生細胞焦亡的中樞神經細胞

2.1 細胞焦亡與小膠質細胞 常駐于中樞神經系統中的小膠質細胞,其作用為調節神經細胞發育、髓鞘修復、神經可塑性,在激活炎性小體中起主要作用。小膠質細胞能表達多種PRR,例如Toll-like受體等,可上調髓系細胞觸發受體2(triggering receptor expressed on myeloid cells-2,TREM2)的表達進而識別PAMP和DAMP,通過經典途徑介導細胞焦亡[9,10]。神經炎性反應引起的小膠質細胞焦亡與許多神經系統病變(如卒中、抑郁癥、神經退行性疾病等)的發病機制密切相關,是細胞發生焦亡的主要細胞類型。Gu等[11]發現在出血性卒中的小鼠模型中,香蜂草甙能顯著減少血腫周圍組織中的小膠質細胞活化及中性粒細胞的浸潤,同時下調細胞焦亡相關分子和神經炎癥因子的表達進而改善小鼠神經行為表現。Bora等[12]證明富馬酸二甲酯通過降低IL-1β、IL-18、Caspase-1和NLRP3水平,減少活性氧的形成以及抑制核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,Nrf2)/核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)途徑的N9小鼠小膠質細胞中的細胞焦亡水平來改善LPS引起的抑郁行為。有關學者在體外試驗中發現,小膠質細胞能在阿爾茨海默病患者的主要神經毒性成分Aβ纖維作用下分泌ASC及產生依賴性NLRP3的IL-1β炎癥因子,從而證實 ASC基因的缺失及抗體的阻滯對Aβ纖維的募集起抑制作用,提示抑制細胞焦亡釋放的ASC可能延緩阿爾茲海默病的進展。

2.2 細胞焦亡與星形膠質細胞及神經元 星形膠質細胞中存在炎性小體,如NLRP1、Caspase-1、黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2,AIM2)等。Kir6.1/K-ATP通道(Kir6.1/K-ATP)是星形膠質細胞中表達的代謝性應激傳感器。目前已有研究表明,ATP通過結合蛋白激活NLRP2炎性小體在星狀膠質細胞中發揮作用。Li等[13]在星形膠質細胞Kir6.1敲除的抑郁癥小鼠模型中發現星形膠質細胞Kir6.1的缺失增加了NLRP3炎性小體介導的星形膠質細胞焦亡,認為Kir6.1是細胞焦亡的重要調控環節,在抑郁癥中發揮重要作用。研究發現在小鼠模型中星形膠質細胞在LPS、乙醇等刺激后會誘發Caspase-1介導的細胞焦亡。Mckenzie等[14]在神經元用合成的雙鏈DNA試劑激活AIM2炎性小體后可引起大鼠Caspase-1依賴的皮質神經元細胞焦亡。

3 細胞焦亡與卒中

細胞焦亡經典途徑過程相關炎性標志物在腦缺血半暗帶的中高表達[15,16]。在急性期卒中時,DAMP激活PRR形成炎性小體并觸發炎癥反應,炎性介質(如IL-1β、IL-18等)釋放。小膠質細胞焦亡誘發的神經炎癥被認為是導致缺血性卒中后神經元損傷的關鍵因素。Wang等[17]在大腦中動脈栓塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)的缺血性卒中模型中,發現梗死區周圍細胞焦亡水平在急性期卒中顯著升高,降低GSDMD水平可有效抑制小膠質細胞分泌成熟型IL-1β和IL-18。在局灶性卒中模型中發現,IL-1和IL-18在小膠質細胞TREM-1和脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase,SKY)的下游,IL-1和IL-18表達上調伴隨GSDMD蛋白高表達,推測TREM-1和SYK是卒中病程中細胞焦亡的上游因子。卒中產生活性氧(ROS)是激活NLRP3炎性小體的中介因子,可加劇卒中的炎癥級聯反應和細胞損傷。此外,miRNA作為一類小的、單鏈的、非編碼的RNA,參與了自身免疫系統的調控,NLRP3炎性小體的轉錄后調節與多種miRNA表達相關,相關miRNA激活或抑制可以誘導卒中的細胞焦亡,影響功能恢復。由此可見,細胞焦亡與卒中之間存在緊密的聯系。

3.1 NLRP3炎性小體介導細胞焦亡途徑與卒中 近年來,隨著卒中在NLRP3炎性小體依賴的細胞焦亡途徑中相關研究不斷深入。Franke等[18]在短暫大腦中動脈閉塞(tMCAO)再灌注的缺血性卒中小鼠模型中發現NLRP3炎性小體誘導急性期卒中的神經炎癥。Gu等[19]在小鼠出血性卒中模型中發現Raf激酶抑制劑(RKIP)與ASC結合之后中斷NLRP3炎性小體的裝配,通過經典途徑顯著緩解神經元變性,減少膜孔的形成,下調細胞焦亡相關標志物的表達。降低血腦屏障的破壞,促進出血性卒中之后24 h的血腫吸收,從而改善神經功能缺損。Zhang等[20]在大鼠腦缺血/再灌注(I/R)模型中發現天麻素通過下調NLRP3、IL-1β、IL-18等炎癥因子和Caspase-1來抑制細胞焦亡。Ma等[21]利用原代小膠質細胞的氧-葡萄糖剝奪/復氧(OGD/R)模型發現丹參酸能抑制小膠質細胞M1表型向M2表型的變化,從而抑制NLRP3炎性小體依賴性的細胞焦亡途徑,從而起到神經保護的作用。更有學者在缺血性卒中細顆粒物(particulate matter 2.5,PM2.5)介導的毒性作用研究中發現腦缺血條件下伴隨PM2.5暴露可觸發NLRP3炎性小體的激活和細胞焦亡,推測可能是由缺血性卒中后產生的ROS所介導的[22]。因此通過抑制NLRP3炎性小體依賴的細胞焦亡途徑可以改善卒中的進展。

近來Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)及NF-κB已成為通過抑制細胞焦亡途徑進而改善卒中的關鍵一環。Liu等[23]發現在OGD/R處理的BV2細胞模型中,紅景天苷通過抑制TLR4/NF-κB信號通路間接抑制小膠質細胞中NLRP3炎性小體的激活,最終抑制BV2細胞焦亡過程和改善卒中誘導的神經元損傷。Wang等[24]發現在局灶性腦缺血大鼠模型中褪黑激素治療通過調節TLR4/NF-κB信號通路降低了缺血誘導的炎癥反應和炎性小體介導的細胞焦亡水平。Li等[25]對MCAO大鼠吲哚布芬或阿司匹林預處理后,聯合氯吡格雷或替格瑞洛發現通過NF-κB/NLRP3信號通路介導減少了炎性小體和OGD后PC12細胞的焦亡。Ran等[26]在MCAO后小鼠中發現姜黃素也通過抑制NF-κB/NLRP3信號通路,減少了卒中引起的白質損傷同時減輕了小膠質細胞的焦亡。Luo等[27]認為重復經顱磁刺激(rTMS)通過抑制TLR4/NF-κB/NLRP3信號通路,間接抑制促炎型M1活化和增強梗死周圍抗炎型M2活化,改變小膠質細胞M1/M2表型平衡,來緩解卒中誘導的運動障礙和神經元細胞焦亡。由此可見,通過對TLR4、NF-κB、NLRP3等調控進而抑制細胞焦亡途徑來延緩卒中的進展。

3.2 微小RNA(miRNA)介導細胞焦亡途徑與卒中 Shi等[28]發現通過敲低miR-155-5p可減輕OGD/R刺激的細胞損傷,減小MCAO大鼠的腦組織梗死面積,抑制細胞炎癥和細胞焦亡。增加miR-200a-3p表達可以減輕因細胞焦亡而導致的腦損傷,使用miR-129拮抗劑可以改善神經元細胞焦亡及認知障礙[29]。Wang等[30]發現上調miR-139可以通過負調節c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,c-Jun)/NLRP3炎性小體信號通路對OGD/R誘導的神經損傷發揮神經保護作用。Yao等[31]研究發現人參皂苷在MCAO小鼠模型可上調miR-139-5p,進而抑制調節胰腺β細胞團的關鍵調控因子(Foxo1)/Kelch 樣環氧氯丙烷相關蛋白1(Keap1)/Nrf2信號通路,促進NLRP3炎性小體的激活;在卒中后的炎癥中,牛磺酸上調基因1(lncRNA Tug1)通過miR-145a-5p/TLR4信號通路促進卒中后NLRP3炎性小體依賴性的細胞焦亡的發生[32]。研究發現長鏈非編碼RNA母系表達基因3(lncRNA MEG3)通過miR-485/AIM2信號通路激活Caspase-1信號傳導引起細胞焦亡,從而加速腦缺血的再灌注損傷。神經干細胞程序性死亡是卒中后神經再生的不利因素之一,有學者研究發現高壓氧治療[33]一方面增加OGD后的神經元生成,另一方面通過lncRNA-H19/miR-423-5p/NLRP3信號通路減弱神經干細胞的細胞焦亡。Zhang等[21]發現天麻素通過lncRNA NEAT1/miR-22-3p信號通路來減弱腦缺血誘導的神經元細胞炎癥。以上研究為在基因水平通過miRNA靶向藥物治療卒中后細胞焦亡提供了理論依據。當然,miRNA調節許多復雜的信號轉導通路途徑,可能其受體產生更全面的調節作用。因此,在臨床應用前還需要進行嚴格的風險和安全性評估。但由于miRNA循環水平與疾病的發生有關,因此量化其分泌物中miRNA的表達可能成為卒中診斷和評價的生物學標志物。

3.3 細胞焦亡與卒中后抑郁 卒中后抑郁是卒中幸存者功能恢復中最常見的精神病并發癥之一,會增加復發性卒中的風險和死亡率。據統計,卒中患者的PSD第一年的患病率高達33%,這種疾病的特征是導致認知缺陷、失眠、社交功能障礙。盡管PSD對患者的生活質量產生了嚴重影響,但它經常被忽視或未經治療。Zhou等[34]使用半胱氨酰白三烯受體2(CysLT2R)拮抗劑HAMI3379(HM3379)在對沙鼠進行短暫性全腦缺血(tGCI)和空間約束應激誘導的PSD模型中發現HM3379可下調含有NLRP3炎性小體和NOD樣受體pyrin結構域的蛋白表達,證明HM3379通過抑制NLRP3炎性小體依賴的細胞焦亡經典途徑對PSD有益。總之,細胞焦亡是一種新型炎性細胞程序化死亡途徑,參與了PSD的發病機制。

4 細胞焦亡與抑郁癥

抑郁癥是一種常見的精神障礙,它嚴重地制約著人們的社會心理功能,并影響著人們的生活質量。目前對抑郁癥患者預后及管理仍舊有很大挑戰。抑郁癥的直接發病機制目前尚不清楚,近期一項臨床研究表明,患有抑郁癥的兒童單核細胞中IL-1/IL-6的過表達和甲羥戊酸激酶的下調可能會使細胞過早衰老、發炎直至形成細胞焦亡[35]。研究發現慢性乙醇暴露(CEE)誘導了腸道微生物群失調和腸道穩態破壞,菌群改變導致循環系統中的LPS和炎癥因子增加,繼而激活海馬區NLRP3炎性小體,導致神經炎癥和抑郁樣行為。Li等[36]發現抑郁小鼠海馬星形膠質細胞的焦亡。另外,近期研究表明NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡可能由miRNA-27a調節。相關miRNA通過細胞焦亡途徑在抑郁癥的發展中起關鍵作用。總之,隨著細胞焦亡與抑郁癥的相關研究不斷深入,進一步明確細胞焦亡途徑對抑郁癥的研究具有一定意義。

4.1 NLRP3炎性小體介導細胞焦亡途徑與抑郁癥 近年來認為NLRP3炎性小體介導的神經炎癥和小膠質細胞活化是抑郁癥加重的重要原因。研究發現重度抑郁癥與NLRP3小體誘導的神經炎癥之間存在密切的相關性。在慢性不可預測的輕度應激(CUMS) 誘導的抑郁小鼠模型中發現血清和海馬中IL-1 β蛋白的水平顯著升高,但在NLRP3基因敲除小鼠中卻沒有。原因可能是基因敲除小鼠MAPK、NF-κB通路被抑制導致的。隨著X射線的應用越來越廣泛,放射性腦損傷的機會也隨之增加。Xu等[37]研究表明,X射線誘導大鼠前額葉皮質ROS的生成,促進高遷移率族蛋白(HMGB1)的表達,并通過NLRP3炎性小體信號通路的激活,使其釋放促炎細胞因子、體內外的細胞焦亡發生,從而誘發神經元丟失及類似抑郁癥的行為。進一步應用HMGB1抑制劑甘草甜素后發現因X射線引起的抑郁癥樣行為改變被逆轉。類似的,Li等[38]在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠模型中發現高血糖以NLRP3依賴性方式導致海馬神經元細胞焦亡和凋亡。Yang等[39]在谷氨酸鈉誘導的大鼠抑郁模型中,發現米諾環素和Caspase-1特異性抑制劑(VX-765)均可改善大鼠的抑郁樣表現,但兩者機制不同。米諾環素的使用顯著降低了HMGB1/晚期糖基化終產物受體(RAGE)/NLRP3和GSDMD誘導的海馬神經元凋亡。但VX-765僅抑制GSDMD信號傳導,表明GSDMD依賴性焦亡在抑郁癥進展中的關鍵作用。總之,細胞焦亡與抑郁癥之間的相互作用機制的有很大研究空間。近期大多數研究以NLRP3依賴性焦亡為靶點來治療抑郁癥。重癥抑郁癥小膠質細胞的數量下降加劇了抑郁癥發生,此時誘導小膠質細胞的激活可以顯著改善抑郁癥的癥狀。適當的炎性小體激活一定程度上可以改善患者預后,但過度激活和完全抑制都會導致抑郁癥狀的惡化[40]。因此,適當的調節NLRP3炎性小體依賴性焦亡途徑,對于治療抑郁癥具有一定意義。

此外,ATP通過調控腺苷酸活化蛋白激酶(5-AMP activated protein kinase,AMPK)信號對巨噬細胞炎性小體的激活及細胞焦亡產生影響。Deng等[41]證明AMPK通過巨噬細胞中的激酶或磷酸酶調節NLRP3炎性小體介導的磷酸化。鹿茸肽可以通過提高p-AMPK和沉默信息調節因子1(Sirt1)來抑制NF-κB、GSDMD-N、NLRP3、Caspase-1、裂解IL-1β及IL-18的表達,從而減輕CUMS刺激引起的抑郁樣行為,AMPK和Sirt1在鹿茸肽緩解抑郁癥中發揮了關鍵作用[42]。因此,當抑郁癥發作時,AMPK的磷酸化高表達可以抑制依賴NLRP3炎性小體的細胞焦亡,激活AMPK及其相關通路可能會成為抑郁癥治療的突破口。

4.2 miRNA介導細胞焦亡途徑與抑郁癥 Li等[43]研究發現miRNA-27a水平在抑郁癥患者的血清和LPS及慢性社會挫敗應激(CSDS)小鼠抑郁癥模型血清及海馬中表達下降,進一步給予異甘草素后發現通過miRNA-27a/SYK/NF-κB信號通路調控抑制NLRP3級聯控制的細胞焦亡,從而減輕抑郁癥狀。Zhu等[44]研究發現木犀草素的抗乳腺癌相關抑郁癥的作用是通過調節miR-124-3p/TNF-α/泛素連接酶6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6)相關途徑和抑制神經元細胞焦亡和炎癥來實現的。由此可見,進一步探索miRNA介導的細胞焦亡途徑所致的抑郁癥研究具有重要意義。除此之外,Tian等[45]用利血平處理小鼠,發現小鼠海馬中過度激活的小膠質細胞誘導Caspase-11依賴性細胞焦亡途徑來誘導神經炎癥,而芍藥苷通過抑制此途徑發揮抗抑郁作用。Yang等[46]發現匹諾霉素通過抑制海馬體中P2X4受體介導的細胞焦亡來緩解CUMS誘導的大鼠模型的抑郁樣行為。

5 總結與展望

細胞焦亡與卒中及抑郁癥各種病理機制相互聯系,在疾病發生、發展中扮演著重要的角色。諸多體內、體外實驗研究表明,通過炎性小體等介導的細胞焦亡途徑相關藥物治療,可以顯著緩解卒中及抑郁癥模型的發病癥狀。目前關于細胞焦亡在卒中及抑郁癥疾病中的作用仍舊以基礎研究為主,故減少細胞焦亡的發生及調節炎癥因子釋放相關因子在卒中及抑郁癥的治療具有很大的前景,未來仍需大量的基礎及臨床研究來探索細胞焦亡與卒中及抑郁癥之間的關系。