細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系研究

麻永勝 蔣宜偉 宋重東 周玉英 劉沛郝東昶 羅春暉 魏博俞中超

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000

2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,甘肅 蘭州 730000

細(xì)胞焦亡屬于新型的細(xì)胞程序性死亡機(jī)制,其形態(tài)學(xué)特征和分子機(jī)制不同于細(xì)胞的自噬、凋亡、壞死等[1]。

細(xì)胞焦亡激活過程中釋放炎癥因子及炎癥小體,引發(fā)局部或全身的炎癥反應(yīng)[2]。適度可控的細(xì)胞焦亡有助于機(jī)體及時清除病原體。然而,細(xì)胞過度焦亡會促發(fā)強(qiáng)烈的炎性反應(yīng),加劇疾病病理進(jìn)程[3]。骨質(zhì)疏松癥是臨床中一類可發(fā)生在全身的骨代謝疾病,多見于老年人和絕經(jīng)后女性,其特征為骨密度降低,骨量明顯減少,臨床表現(xiàn)多為腰背部及全身疼痛、脊柱畸形以及容易發(fā)生骨折等。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[4],全球大約有2億多名骨質(zhì)疏松癥患者,其中絕大多數(shù)的老年人群骨折病例是由骨質(zhì)疏松引起的,已成為老年人死亡的主要原因之一。近年來研究發(fā)現(xiàn),成骨細(xì)胞發(fā)生焦亡參與了骨組織的免疫防御反應(yīng),過度細(xì)胞焦亡的發(fā)生將會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的骨質(zhì)損傷。細(xì)胞焦亡參與介導(dǎo)OP的發(fā)生發(fā)展,提示其與骨質(zhì)疏松癥有密切的關(guān)系,現(xiàn)就細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)性展開說明。

1 細(xì)胞焦亡概述

細(xì)胞焦亡是抵御病原體及危險信號的重要防線,它影響機(jī)體正常的免疫反應(yīng),進(jìn)而增加疾病發(fā)生發(fā)展的風(fēng)險。細(xì)胞焦亡現(xiàn)象于1992年被發(fā)現(xiàn),Zychlinsky等[5]在感染福氏志賀菌的巨噬細(xì)胞中注意到一種裂解式死亡,發(fā)現(xiàn)和細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征不同。后來Cookson等[6]提出“焦亡”來描述促炎性細(xì)胞的程序性壞死,其表現(xiàn)為細(xì)胞不斷膨脹,然后破裂,從而發(fā)揮機(jī)體免疫反應(yīng),有效的對抗感染。如圖1[9]所示,在病原體分子模式(PMAPS)和損傷分子模式(DAMPS)中,細(xì)胞焦亡有賴于半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase)的激活轉(zhuǎn)導(dǎo),通過入侵的病原體和內(nèi)源性刺激,細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)激活炎性小體而引起細(xì)胞焦亡[7]。具體機(jī)制是炎性半胱天冬酶(caspase)被激活后轉(zhuǎn)導(dǎo),效應(yīng)蛋白消皮素D(gasdermin D,GSDMD)的N端裂解,并激活 proIL-1β和proIL-18(白細(xì)胞介素1β和白細(xì)胞介素18的前體),通過焦亡信號途徑其下游白細(xì)胞介素-1β、白細(xì)胞介素-18隨之釋放,并誘導(dǎo)GSDMD的活化成熟,促使孔隙形成和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)及炎癥因子釋放[8],引發(fā)細(xì)胞焦亡。

圖1 細(xì)胞焦亡信號傳達(dá)圖

2 細(xì)胞焦亡的信號途徑

細(xì)胞焦亡的信號途徑主要為經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。病原微生物感染后,經(jīng)典途徑對病原體和損傷相關(guān)分子模式作出反應(yīng),而非經(jīng)典途徑對革蘭氏陰性菌的細(xì)胞內(nèi)脂多糖 (LPS)作出反應(yīng)。炎性體作為細(xì)胞內(nèi)模式識別受體,激活caspase[10]。具體來說,經(jīng)典炎癥小體被激活,為多分子蛋白復(fù)合物和平臺募集caspase-1,導(dǎo)致其自身蛋白水解激活,隨后產(chǎn)生成熟的白細(xì)胞介素IL-1b和IL-18,導(dǎo)致細(xì)胞溶解形式的細(xì)胞死亡。同樣,非經(jīng)典炎癥小體半胱天冬酶(人類 caspase-4/5和小鼠caspase-11)既可作為傳感器又可作為效應(yīng)器,識別細(xì)胞內(nèi)LPS等刺激物并誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[11]。

2.1 經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑

首先,在經(jīng)典途徑中,當(dāng)胞質(zhì)蛋白檢測到危險信號及病原刺激因素后,通過銜接蛋白募集前caspase-1,經(jīng)活化成為caspase-1,介導(dǎo)細(xì)胞焦亡[12]。內(nèi)源性的分子模式和外源性的病原體模式都能結(jié)合識別受體激活細(xì)胞焦亡[13]。核苷酸受體蛋白3(NLRP3)作為一種模式識別受體,與炎癥密切相關(guān)[14]。其中通過病原模式激活核因子κB和絲裂原活化蛋白激酶通路,促進(jìn)NLRP3、前體白細(xì)胞介素IL-1β和IL-18的表達(dá);另一種模式是激活NLRP3后通過銜接蛋白募集pro-caspase-1形成炎癥小體,生 成 活 化 的caspase-1,將前體白細(xì)胞介素活化成熟,然后裂解GSDMD產(chǎn)生N端結(jié)構(gòu)域,GSDMD-N作用于胞膜形成小孔,細(xì)胞滲透性改變,致使其腫脹而細(xì)胞膜破裂發(fā)生焦亡。

2.2 非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑

細(xì)胞焦亡非經(jīng)典途徑是由caspase-4/5/11激活介導(dǎo)的,caspase-4/5/11能被LPS直接激活[15]。LPS存在于革蘭陰性菌外膜,進(jìn)入胞漿后與pro-caspase-4/5/11結(jié)合并將其活化,活化后的caspase-4/5/11進(jìn)而作用于GSDMD的N端,GSDMD-N介導(dǎo)細(xì)胞膜裂解,孔隙形成。然后隨著細(xì)胞膜孔的數(shù)量不斷增多,一些離子和水分子進(jìn)入細(xì)胞,使得細(xì)胞不斷膨脹,一旦超過細(xì)胞的承受能力,最終引起其腫脹破裂[17]。此外,這一焦亡途徑激活NLRP3,導(dǎo)致IL-1β和IL-18外流產(chǎn)生細(xì)胞因子并擴(kuò)大炎癥信號反應(yīng)。與此同時,隨細(xì)胞焦亡破裂釋放的這些炎癥因子可以招募免疫細(xì)胞,其中IL-18可以刺激T細(xì)胞在炎癥部位增殖。caspase-4/5/11也可以激活泛連接通道蛋白1(pannexin-1),該蛋白通過排出鉀離子激活NLRP3炎癥小體,使促炎物質(zhì)活化并釋放[16]。通過GSDMD介導(dǎo)和pannexin-1激活途徑將協(xié)同發(fā)揮細(xì)胞焦亡作用。

3 細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)性

細(xì)胞焦亡最關(guān)鍵的作用是誘導(dǎo)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng),幫助宿主防御病原體感染。焦亡途徑是重要的藥物靶點,其在多種疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用,包括但不限于腫瘤、敗血癥、心臟疾病、糖尿病、肝病、阿爾茨海默病、人類免疫缺陷病毒(HIV)和痛風(fēng)。除上述疾病外,骨質(zhì)疏松癥與細(xì)胞焦亡并沒有明確直接的聯(lián)系,但骨細(xì)胞現(xiàn)象都與炎癥密切相關(guān)。炎癥因子IL-1β和IL-18在caspase激活細(xì)胞焦亡下參與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制,NLRP3在炎癥誘導(dǎo)下通過細(xì)胞焦亡抑制成骨細(xì)胞,有些中藥影響細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)水平。因此,細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展關(guān)系緊密,細(xì)胞焦亡會導(dǎo)致骨細(xì)胞損傷的加劇,從而出現(xiàn)骨質(zhì)逐漸疏松并加劇骨折的風(fēng)險。此外,作為焦亡途徑中的重要參與者,NLRP3、GSDMD、IL-1β、IL-18、和caspase 1/4/5/11都是積極追求的藥物靶點。

3.1 IL-1β和IL-18參與細(xì)胞焦亡介導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制

IL-1β和IL-18的前體在細(xì)胞焦亡期間被caspase-1加工,并與細(xì)胞碎片一起分泌到細(xì)胞外環(huán)境中,從而加重炎癥狀況。IL-1β和IL-18可直接或間接促進(jìn)造血干細(xì)胞和前破骨細(xì)胞分化為成熟破骨細(xì)胞,導(dǎo)致破骨細(xì)胞過度形成。此外,NLRP3的過度激活可以通過處理IL-1β和IL-18前體來影響破骨細(xì)胞的形成,IL-1β和IL-18在破骨細(xì)胞生成中產(chǎn)生多種作用,并且在老年骨質(zhì)疏松癥中細(xì)胞焦亡對破骨細(xì)胞生成的刺激可能更為明顯。破骨細(xì)胞的形成超過成骨細(xì)胞,從而導(dǎo)致過多的骨吸收和骨重塑的不平衡,從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥[18]。當(dāng)機(jī)體受到細(xì)菌感染或衰老信號時,或者由于激素缺乏,會激活多種炎癥通路,炎癥因子分泌增加,NLRP3炎癥小體放大該信號。還有實驗研究用IL-17處理的成骨細(xì)胞出現(xiàn)大量毛孔、腫脹和破裂,其中NLRP3炎性體通路參與了成骨細(xì)胞的焦亡[19]。Lina Yang等[20]發(fā)現(xiàn)高糖通過caspase-1/GSDMD/IL-1β通路激活細(xì)胞焦亡,細(xì)胞焦亡對牙槽骨成骨細(xì)胞增殖分化的抑制作用。成骨細(xì)胞發(fā)生焦亡,進(jìn)一步激活破骨細(xì)胞,導(dǎo)致骨質(zhì)流失加重。此外,炎癥小體的激活參與了其他全身/局部疾病與骨質(zhì)疏松癥中骨質(zhì)流失的相互作用。一些研究還發(fā)現(xiàn),IL-1β在許多骨骼疾病中發(fā)揮重要作用,例如雌激素短缺下IL-1β的高表達(dá)水平通過抑制成骨分化加劇骨質(zhì)疏松癥[21]。綜上所述,炎癥小體激活誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的作用,可能在骨質(zhì)疏松癥中起關(guān)鍵作用。

3.2 NLRP3通過細(xì)胞焦亡對成骨細(xì)胞的影響機(jī)制

NLRP3通過細(xì)胞焦亡在炎癥誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松中起核心作用,通過影響成骨細(xì)胞直接抑制成骨。McCall SH等[22]證明成骨細(xì)胞表達(dá)NLRP3,其介導(dǎo)細(xì)菌誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡并參與炎癥期間的骨質(zhì)流失。許多研究發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥引起的細(xì)菌感染,NLRP3的相關(guān)表達(dá)是必不可少的[23-25]。研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性體在骨組組中表達(dá)不斷上升可以激活caspase-1細(xì)胞焦亡通路,導(dǎo)致成骨細(xì)胞死亡[26],這時炎癥因子IL-1和IL-18的表達(dá)水平也上調(diào)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)雌激素缺乏的骨質(zhì)疏松癥中NLRP3水平也會逐漸升高,對成骨細(xì)胞活力影響明顯[27],通過滅活NLRP3炎性小體可以促進(jìn)成骨細(xì)胞形成,骨質(zhì)疏松癥也得到緩解[28]。在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥大鼠中也觀察到依賴于NLRP3表達(dá)的成骨細(xì)胞死亡增加,導(dǎo)致小梁厚度、小梁數(shù)量、小梁分離和BMD降低[29]。因此,上述發(fā)現(xiàn)是NLRP3影響成骨細(xì)胞焦亡的證據(jù)。體內(nèi)外實驗表明,NLRP3蛋白的過表達(dá)與骨吸收加重和成骨缺陷密切相關(guān)。還有,NLRP3炎癥小體的異常激活不僅會產(chǎn)生炎癥,還會通過上調(diào)Caspase-1和GSDMD的表達(dá)而導(dǎo)致成骨細(xì)胞的焦亡和功能障礙[30]。綜上,NLRP3炎癥小體總體上不僅加速骨吸收,而且抑制骨形成,助長了骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險,NLRP3激活的細(xì)胞焦亡在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3.3 細(xì)胞焦亡治療骨質(zhì)疏松癥靶向思路

目前臨床上用于治療骨質(zhì)疏松癥的藥物主要是經(jīng)典的抗破骨細(xì)胞藥物如雙膦酸鹽或抗成骨的特立帕肽。此外,根據(jù)研究Romosozumab治療可增加骨形成并改善骨密度(BMD),瑞舒單抗和羅莫索單抗在骨質(zhì)疏松癥的治療中顯示出良好的前景,但需要進(jìn)一步的研究來更好地評估其副作用[31]。該研究強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞焦亡過程中如基本成分GSDMD、NLRP3以及caspase作為藥物靶點的潛力。然而,詳細(xì)的激活和作用機(jī)制尚不完全清楚。因此,筆者總結(jié)了一些與細(xì)胞焦亡有關(guān)的重要因素及其與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的串?dāng)_途徑。研究發(fā)現(xiàn),髓系分化因子88 (MyD88)在大鼠中的最大表達(dá)可能通過上調(diào)MCP-1和RANKL的表達(dá)使得破骨細(xì)胞增多,但下調(diào)MyD88則消除了IL-1的影響,降低了破骨細(xì)胞的發(fā)生[32]。在鏈脲菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠體內(nèi),破骨細(xì)胞的數(shù)量和骨吸收能力顯著升高,脛骨近端炎性體相關(guān)蛋白MAPK-、NF- ii B-和NLRP3的表達(dá)也顯著升高,然而,胰島素和LXA4治療逆轉(zhuǎn)了這種升高[33]。此外,經(jīng)Pyrrolidine Dithiocarbamate (PDTC)治療[34]后,NF-ⅱB表達(dá)明顯降低,炎癥反應(yīng)減輕,骨吸收過程(破骨細(xì)胞形成、脂肪形成和細(xì)胞凋亡)明顯減少,而在誘導(dǎo)骨壞死后,骨吸收過程明顯增強(qiáng)。PDTC還顯著增加了被干擾的Wnt/ catenin通路,并提高了骨形成過程。因此,提出NF-ⅱb靶向治療為一種新的治療策略。綜上,上述分化因子、細(xì)胞信號、細(xì)胞通路都是潛在的治療靶點。

一些促炎細(xì)胞因子,如 IL-7、IL-12、IL-23和IL-17以及INF-g,已被證明具有雙重促破骨細(xì)胞和抗破骨細(xì)胞特性。似乎它們的凈效應(yīng)在體內(nèi)取決于研究其骨骼特定病理生理狀況,而在體外取決于破骨細(xì)胞的發(fā)育階段。其中,IFN-g可通過直接靶向破骨細(xì)胞前體抑制破骨細(xì)胞生成,但通過刺激T細(xì)胞活化和破骨細(xì)胞生成因子(TNF-g、RANKL)的產(chǎn)生使破骨細(xì)胞形成并且促進(jìn)骨吸收。在缺乏雌激素和炎癥存在的情況下,這兩種相反特性的凈效應(yīng)偏向于骨吸收[35]。并且IL-12的雙重作用可以被視為IFN-g的相反特性,因為它是IFN-g的有效誘導(dǎo)劑[36]。IL-17處理誘導(dǎo)成骨細(xì)胞焦亡,而NLRP3抑制劑阻止其炎性體的激活,從而恢復(fù)了成骨細(xì)胞的形態(tài)和功能。IL-17通過誘導(dǎo)“NF-kappaB (RANK)配體受體激活劑”(RANKL)的表達(dá),刺激破骨骨吸收。此外,IL-17A能夠通過減少破骨細(xì)胞組織蛋白酶K和相關(guān)因子的產(chǎn)生,抑制骨吸收過程中基質(zhì)蛋白的水解[37]。在OP發(fā)生發(fā)展過程中,Ac-YVAD-CMK作為caspase-1抑制劑,可抑制caspase-1的激活,從而減輕糖尿病小鼠模型的骨壞死[38]。另外,caspase-1和NLRP3抑制劑顯著降低了金黃色葡萄球菌誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞焦亡,恢復(fù)骨形成特性,并在體外減弱骨髓巨噬細(xì)胞中的破骨細(xì)胞活化并減少體內(nèi)骨丟失[39]。在葡萄球菌誘導(dǎo)的小鼠骨髓炎模型中,注意到細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)較高。因此,焦亡相關(guān)蛋白的抑制劑在體內(nèi)和體外都減輕了金黃色葡萄球菌誘導(dǎo)的焦亡。更重要的是,抑制細(xì)胞焦亡恢復(fù)了骨形成特性,減弱了體外破骨細(xì)胞的異常活化,逆轉(zhuǎn)了體內(nèi)骨損傷。綜上,細(xì)胞焦亡中存在的其他成分對破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化和生成具有重要作用,尋找和研究相關(guān)蛋白抑制劑對于骨質(zhì)疏松癥的靶向治療具有重要意義。

特別注意的是,近年來中醫(yī)藥抑制細(xì)胞焦亡防治疾病的研究不斷涌現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),芍藥苷單體衍生物、石斛生物堿、虎杖醇提取物等多種中藥有效成分以及如獨活寄生湯等中藥復(fù)方能夠降低caspase-1等焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)水平;人參、雞血藤,紅花、杜仲、女貞子、當(dāng)歸能夠抑制 NLRP3與炎癥小體的表達(dá)抑制細(xì)胞焦亡。淫羊藿苷結(jié)合MAPK信號通路[40],促進(jìn)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞增殖分化,抑制破骨細(xì)胞分化。綜上,根據(jù)上述治療OP的中藥方劑在細(xì)胞焦亡方面的研究,對其進(jìn)一步的深入研究或許可以為防治骨質(zhì)疏松提供新的靶點。目前中醫(yī)藥抑制細(xì)胞焦亡的研究還處于初步探索階段,因此,對于具有細(xì)胞焦亡靶向作用的中藥有待深入研究。

4 總結(jié)與展望

綜上所述,細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥之間有著密切相關(guān)性,細(xì)胞焦亡對骨細(xì)胞在抵御病原體時發(fā)揮的免疫防御和分化形成骨組織的作用極其重要。越來越多的研究證明細(xì)胞焦亡在骨質(zhì)疏松癥進(jìn)展中起著重要作用,研究細(xì)胞焦亡介導(dǎo)骨細(xì)胞分子機(jī)制及其與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)系,對于探尋新的治療靶點具有重要意義。目前的研究多通過阻斷相關(guān)傳達(dá)信號蛋白及分子(如GSDMD、NLPR3、及IL-17等)來抑制焦亡對骨質(zhì)疏松癥的影響。事實上中醫(yī)藥參與抗細(xì)胞焦亡藥物治療以及針對焦亡的靶點在骨質(zhì)疏松的治療上有著廣闊的發(fā)展前景,但研究還處在探索階段,相關(guān)報道文獻(xiàn)不足。由于目前相關(guān)的文獻(xiàn)研究和實驗研究不足,關(guān)于細(xì)胞焦亡介導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制以及細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)性研究梳理尚不夠全面,因此期待后續(xù)能夠有更多的深入研究來進(jìn)一步闡明兩者的關(guān)系,為細(xì)胞焦亡機(jī)制對骨質(zhì)疏松癥的防治提供依據(jù)。