Caspase-1及其在心血管疾病中的作用研究进展*

姜艳娇，孙增先，胡盼盼 综述，刘 云 审校

(徐州医科大学附属连云港医院药学部，江苏连云港 222061)

细胞焦亡是一种程序性细胞死亡方式，被认为是针对细胞内病原体的重要的先天免疫反应[1]，以天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)介导、质膜破坏及细胞成分和促炎性介质释放为特征[2]。Caspase-1在体内无活性，需经炎症小体NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3)将其激活为具有两个p20和两个p10亚基的异四聚体[3]，激活后的caspase-1紧接着将白细胞介素(IL)-1β前体和IL-18前体裂解为成熟的活性IL-1β和IL-18[2]。此外，caspase-1可裂解gasdermin D(GSDMD)形成其N末端结构域片段，其N末端片段富集促进膜孔形成，从而导致炎性因子释放，引起细胞焦亡[4]。

如今，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是全球范围内威胁人类健康、造成人类死亡的主要原因之一，主要包括肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)、动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)、心力衰竭(heart failure，HF)、心肌缺血/再灌注损伤(myocardial ischemia-reperfusion injury，MI/RI)和心肌梗死(myocardial infarction，MI)。近年来研究发现，caspase-1参与的细胞焦亡相关的炎症免疫因素在CVD发生、发展过程中扮演着重要角色，深入探索caspase-1在CVD中的作用机制，将有利于为CVD的预防和治疗提供新的靶点和治疗措施。

1 Caspase-1的结构及其功能

Caspase-1是与炎症小体相关的caspase家族成员，具有一个氨基末端半胱天冬酶募集结构域(caspase recruitment domain,CARD)、一个中央大催化结构域和一个羧基末端小催化亚基结构域，它们共同参与了酶活性中心的形成[5]。早期研究已确定caspase-1可自动加工形成活性 p20/p10复合物。此外，线粒体功能障碍可致炎症小体NLRP3活化寡聚，以激活caspase-1[6]。Caspase-1 激活后可促进成熟 IL-1β和IL-18的产生和分泌[7]。在体外，caspase-1切割的重组GSDMD N-末端片段紧密结合脂质体并形成大的细胞膜通透性孔，从而诱导细胞焦亡，引起炎性反应。

1.1 Caspase-1与IL-1β

IL-1β属于 IL-1 超家族[8]，可由活化的巨噬细胞产生。作为一种促炎细胞因子，其生物活性受炎症小体控制[9]。IL-1β在实验模型中对心肌重塑和功能发挥具有负面影响，IL-1β mRNA的过表达可能造成小鼠急性MI后心脏重塑障碍和收缩功能障碍[3]。有证据表明，IL-1β的拮抗作用可能对HF患者的心脏重构和预后产生有利影响[10]。Caspase-1可将细胞因子IL-1β水解激活。有报道显示，caspase-1选择性抑制剂(VX-765)降低了活化的 caspase-1水平，并抑制了IL-18和IL-1β的成熟[11]。反之，可以推测IL-1β在炎性反应中发挥重要作用，控制心肌细胞中IL-1β mRNA的过表达有利于机体发挥保护作用。

1.2 Caspase-1与NLRP3

炎症小体NLRP3在细胞质内发挥免疫监视作用，是由NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和caspase-1组成的多蛋白复合物[12]。NLRP3在结构上由C端富含亮氨酸的重复序列、中间核苷酸结合寡聚域(nucleotide-binding oligomerization domain，NOD)和N端含吡啶的效应子结构域组成[13]。化学上广泛的刺激可以激活NLRP3炎症小体，包括细菌和病毒病原体相关的分子模式，以及受损或垂死细胞释放的内源性相关分子模式，后者的刺激是引发无菌炎症的基础[14]。在适当的刺激下，NLRP3发生寡聚，并通过两种热蛋白结构域的相互作用进一步募集ASC，形成螺旋状ASC细丝，组装成大ASC“斑点”[15]。在形成ASC斑点后，通过同型CARD-CARD相互作用募集caspase-1，诱导caspase-1在p20-p10接头区域的切割[16]，从而诱导细胞焦亡的发生，引起炎性反应。近年来，越来越多的研究证明，NLRP3炎症小体的激活与高脂血症、糖尿病、肥胖症和高同型半胱氨酸血症[1]等多种心血管危险因素有关。因此，深入研究NLRP3在CVD中的作用机制有助于了解与细胞死亡相关疾病的发生和发展，这可能为CVD的预防和治疗提供新的策略。

1.3 Caspase-1与GSDMD

GSDMD属于gasdermin家族，是caspase-1的底物和细胞焦亡的介质[17]，含有约480个氨基酸。其可分为两个结构域，GSDMD-N末端结构域和GSDMD-C末端结构域，它们通过长环连接。由于其C端结构域对N端结构的抑制作用，全长GSDMD无活性。活化的caspase-1可在连接环内的天冬氨酸位点有效切割GSDMD形成N末端片段，而N末端片段具有膜孔形成活性，其在哺乳动物细胞内聚集能够诱导细胞焦亡[18-19]。在体内，caspase-1对GSDMD的识别和裂解是在典型的和非典型的炎症小体信号传导途径下游引发的炎性细胞死亡的重要步骤[20]。因此，不断探索GSDMD与caspase-1在细胞中的作用机制有助于了解与细胞死亡相关的疾病的发生和发展，这可能为CVD的预防和治疗提供新的策略。

2 Caspase-1与CVD

2.1 Caspase-1与AS

AS以中型和大型动脉病变为主要特征，其病因是高血脂症引起斑块产生，以及脂蛋白颗粒从血管壁的清除功能障碍[5]。此外，慢性无菌炎症是AS的另一重要致病机制。一项研究表明，涉及内皮细胞、巨噬细胞和平滑肌细胞的焦亡在AS的形成和发展中起着重要作用[21]。例如，低密度脂蛋白和胆固醇晶体可以触发NLRP3炎症小体和caspase-1的产生，并导致caspase-1介导巨噬细胞中IL-1β和IL-18的活化，通过NLRP3/caspae-1/IL-1β信号通路促进内皮细胞活化和功能障碍，从而促进AS的发生和发展。有动物模型实验表明，caspase-1基因敲除小鼠的AS症状明显减轻[22]，这提示caspase-1在血管细胞炎症病变所致AS中发挥重要作用。因此，深入探究caspase-1与AS之间的关系，有益于AS的预防和治疗。

2.2 Caspase-1与MI/RI

MI/RI的标志是程序性细胞死亡，包括凋亡、自噬及炎性反应。炎性反应是MI/RI引起的微血管损伤和功能障碍的关键特征[23]，抑制炎性反应对损伤修复有益[24]。体外实验表明，活性氧产生和钾离子外排可激活心肌组织成纤维细胞中的NLRP3炎症小体，导致caspase-1激活和GSDMD裂解[25]。Caspase-1的激活在一定程度上加重了MI/RI。NLRP3炎性小体激活caspase-1后，一方面caspase-1可活化促炎细胞因子IL-1β和 IL-18前体；另一方面，其可作用于另一个底物GSDMD促进膜孔形成。这些孔形成后可破坏细胞膜完整性，增加细胞膜对IL-1β和IL-18的通透性。而IL-1β和IL-18被释放到细胞外后，放大了炎性反应并进一步加重MI/RI[25-26]。因此，caspase-1在MI/RI中发挥了举足轻重的作用，有望成为未来心脏保护疗法的靶标。

2.3 Caspase-1与HF

病理性心肌肥大是心脏病中发生的变化，可致HF。Caspase-1的激活通过诱导IL-1β分泌可加重血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)诱导的心肌肥大，最终引发HF。体外实验表明，心肌肥大模型中caspase-1和IL-1β表达水平显著上调[26]。用caspase-1抑制剂处理心肌细胞显示caspase-1抑制剂减弱了AngⅡ的促肥大作用，这与caspase-1和IL-1β的下调相呼应。另外，有实验证明，扩张型心肌病患者心肌细胞通过NLRP3/caspase-1/GSDMD信号通路发生细胞焦亡，引起机体免疫反应[27]。因此，可以推断caspase-1 介导的细胞焦亡参与了HF的发病机制[28]，靶向抑制caspase-1激活可阻断心肌细胞焦亡，有望成为治疗HF的潜在策略。

2.4 Caspase-1与MI

MI具有高发病率和高病死率。在急性MI期间，心肌细胞死亡，MI面积增加。已有证据支持MI通过产生活性氧和(或)钾外排激活NLRP3炎症小体[18]。NLRP3炎症小体可激活caspase-1，诱导 IL-1β从心肌细胞释放，加重MI。因此认为，由caspase-1介导的心肌细胞焦亡在MI中发挥重要作用[29-30]。此外，有学者表明，使用caspase-1抑制剂VX-765通过磷脂酰肌醇-3激酶/丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信号通路保护了离体灌注的大鼠心脏，减小了大鼠MI面积，可保护心脏以免损伤加重[31]。因此，caspase-1可能成为未来预防和治疗MI的新靶点。

2.5 Caspase-1与PAH

PAH是一种破坏性疾病，其特征为血管周围炎性细胞浸润和肺血管重塑，最终导致右心衰竭和死亡[32]，被称为心血管系统的“恶性肿瘤”。有学者证明，在缺氧条件下小鼠肺动脉平滑肌中炎症小体NLRP3激活caspase-1，其通过caspase-1/IL-18/IL-6/信号转导子与激活子3(STAT3)途径诱导肺动脉平滑肌细胞增殖，从而诱导缺氧小鼠PAH[33-34]。另外，使用caspase-1抑制剂可减弱PAH的炎症症状[7]，还可抑制肺血管纤维化。因此，推测caspase-1在PAH的发生和发展中发挥重要作用，深入研究caspase-1在PAH中的作用机制，其有望成为治疗PAH的有效靶点。

3 小 结

Caspase-1可协同IL-1β、NLRP3、GSDMD等多种细胞因子参与细胞焦亡和炎性反应，而这些因子在AS、HF、MI/RI、MI和PAH中发挥重要作用。迄今为止，caspase-1的确切作用及其在上述疾病病理过程发生、发展中的机制，尚有待深入研究探讨，其结果有望为临床CVD提供新的治疗方向和策略。