细胞焦亡在肝损伤微环境中的作用研究进展

张 钊,葛乃嘉,马新月,刁佳雯,全吉淑

(延边大学医学院,吉林 延吉 133002)

细胞焦亡(pyroptosis)是一种新型的细胞程序性死亡机制,其分子机制及形态学特征与凋亡,坏死,自噬等其他形式的细胞死亡机制有着显著的差别[1]。细胞焦亡以形成细胞微孔、细胞肿胀、胞膜破裂、最终导致炎症因子和细胞内容物的释放为主要特征。细胞焦亡激活后细胞内产生焦亡相关炎症因子及炎症小体,最终引发局部或全身的炎症反应[2]。一方面,细胞焦亡可以协助机体免疫系统及时清除病原体[3]。另一方面,过度的炎症小体激活可引起强烈的炎性反应,并最终导致疾病的加剧[3]。肝作为人体最大的腺器官,在维持机体代谢和免疫稳态中发挥着极其重要的作用[4]。而肝组织中的许多细胞均能发生细胞焦亡,从而参与肝的免疫防御反应,但是细胞焦亡的过度发生将会导致肝损伤的加剧,危害机体的健康[5]。本文主要就细胞焦亡的分子机制及其对肝损伤微环境中的多种细胞如免疫细胞、肝细胞、肝星状细胞的影响加以综述。

1 细胞焦亡的激活途径

细胞焦亡依赖于半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase),细菌感染以及细胞应激反应均能够激活炎性小体而引起细胞焦亡[6],其特征是caspase-1/4/5/11 被激活后,其下游蛋白如白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-18(IL-18)随之释放,并诱导打孔蛋白消皮素D(gasdermin D,GSDMD)的活化成熟,使细胞膜微孔形成,细胞快速肿胀破裂,细胞内容物及炎症因子释放,从而参与机体的免疫炎性反应[7]。细胞焦亡主要分为依赖caspase-1 激活的经典途径,以及依赖caspase-4/5/11 激活的非经典途径[8]。

1.1 经典途径

细胞焦亡的经典途径大多是由胞内多聚蛋白复合物炎症小体(inflammasome)介导完成[9],其起始于炎症小体识别各种外源性和内源性危险信号,包括病原相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)[10]。炎症小体系统的受体成分是由核苷酸结合寡聚结构域(NOD)样受体(NLRs)形成的,根据不同的胞质模式识别受体(PRR)蛋白,NLRs 可分为 NLRP1 (NLR family pyrin domain containing 1)、NLRP3 (NLR family pyrin domain containing 3)、NAIPs(NLR family apoptosis inhibitory proteins)、NLRC4 (NOD-like receptor containing a caspase activating and recruitment domain 4)或黑色素瘤缺乏因子-2(absent in melanoma 2,AIM2)。这些受体蛋白与凋亡相关斑点样蛋白(apoptosisassociated speck-like protein containing caspase recruitment domains,ASCs)相结合,ASC 包含两个结构域:分别是与PRR 相互作用的pyrin 结构域(PYD),以及与caspase-1 相互作用的caspase 招募结构域(CARD)[11]。通过这两个结构域,ASC 可以与PRR 和caspase 前体蛋白相互结合,最终组成炎症小体[12]。

其中caspase-1 是目前唯一确认的参与细胞焦亡经典途径的caspase 蛋白,而NLRP3 炎症小体由NLRP3 蛋白、ASC 和caspase-1 组成[13],是目前研究较为深入,且能够接收病原体、毒素等多种刺激信号的一种炎症小体。NLRP3 炎症小体激活caspase-1 导致IL-1β 前体和IL-18 前体的裂解,并使其产生成熟的、具有生物活性的细胞因子[13]。此外,活化的caspase-1 也将GSDMD 切割成具有活性的片段,并使其转移到细胞膜磷脂层,在胞膜上形成大小不等的蜂窝状孔洞,继而引起细胞肿胀破裂,最终导致IL-1β、IL-18、乳酸脱氢酶(LDH)及其他可溶性胞质内容物的大量释放,引起细胞发生焦亡[14]。因此,这证明了细胞焦亡是由炎症小体激活并通过GSDMD 介导的细胞炎性坏死。

1.2 非经典途径

与典型的焦亡相比,焦亡的非经典途径是由caspase-4/5(小鼠中的caspase-11)激活介导的,它可以直接被脂多糖(LPS)激活[15]。LPS 的lipidA 部分可以识别并与CARD 结构域结合,然后促进caspase-4/5/11 寡聚和激活,使其切割并激活GSDMD,这一过程类似于焦亡经典途径[16]。caspase-4/5/11 也可以激活泛连接通道蛋白1(pannexin-1),随后打开膜通道P2X7,导致细胞膜上形成微孔。此外,激活的pannexin-1 可以通过K+外排激活NLRP3 炎症小体,导致caspase-1 活化及IL-1β 的产生和释放[16]。通过GSDMD 和pannexin-1,细胞焦亡的经典与非经典途径将协同发挥作用。

细胞膜上的GSDMD 孔对细胞是有害的,但如果质膜中的孔隙数量较少,细胞正常的修复能力可以填补这些孔道。然而,如果GSDMD 孔的数量超过细胞的自我修复能力,Na+和水将进入细胞,细胞体积将逐渐增大,最终引起细胞的肿胀破裂[14]。此外,通过GSDMD 孔释放的IL-18 与IL-1β,可以招募免疫细胞至炎症部位,IL-18 可以刺激T 细胞增殖,加强NK 细胞活性,诱导细胞因子的生成并触发炎症急性期信号反应[17]。而IL-1β 能够引起肝中主要的促纤维化细胞肝星状细胞(HSCs)的增殖和反分化,导致肝纤维化组织的积累[18]。

2 细胞焦亡在肝损伤微环境中的作用

肝是机体抵御血液循环系统中各种病原微生物及毒素的第一道防线,而炎症小体作为焦亡的受体,在肝中的免疫细胞、肝细胞、肝星状细胞等多种细胞中均高表达[5]。这些细胞的焦亡途径激活后,可以及时发挥肝正常的免疫防御反应,也可以直接或间接导致肝损伤的进一步加剧。

2.1 免疫细胞

肝组织中的免疫细胞主要包括巨噬细胞和粒细胞,其中巨噬细胞可以第一时间检测到肝中存在的危险信号[19],因此巨噬细胞的焦亡是导致肝病发展的重要原因之一。Pelegrin 等[20]研究表明LPS 与ATP 协同作用可以诱导J774a.1 巨噬细胞焦亡,并激活P2X7 受体,使其快速释放大量IL-1β。库普弗细胞(Kupffer cell)是肝组织中可以自我更新的一种巨噬细胞,它可以清除内毒素,并释放IL-1β、IL-18等炎症因子以维持肝组织微环境的免疫稳态[21]。Mirshafiee 等[22]研究表明稀土氧化物可以引起NLRP3 炎性小体和caspase-1 的激活,导致库普弗细胞及其他巨噬细胞系,如J774A.1 和RAW264.7 细胞的焦亡。因此,肝组织中巨噬细胞焦亡对肝损伤微环境的影响主要表现在两方面:一是巨噬细胞的焦亡可以影响免疫防御系统及时对病原体,内毒素等危险信号作出应答；另一方面,巨噬细胞焦亡产生的IL-1β 等炎症因子可以进一步加深肝损伤的程度。

研究表明许多慢性肝损伤疾病的明显特征是免疫反应失调和肝细胞死亡[23]。Palacios-Macapagal 等[24]的体内模型研究发现坏死肝细胞能够诱导嗜酸性粒细胞的募集,使其分泌IL-1β 和IL-18,并伴有脱颗粒和细胞死亡现象,而caspase-1 抑制剂能够阻断所有这些反应。进一步研究表明曼氏血吸虫感染小鼠肝窦中的曼氏菌卵可导致肝细胞死亡、炎症和进行性肝纤维化,从中可以分离出大量嗜酸性粒细胞,并证实其发生了由caspase-1 介导的细胞焦亡。这表明,细胞焦亡是嗜酸性粒细胞用来应对大规模肝细胞死亡的一种重要途径。

2.2 肝实质细胞

除免疫细胞外,细胞内在炎症小体的激活可以引起肝细胞焦亡并加剧肝组织炎症及纤维化[25]。Lebeaupin 等[26]用LPS 诱导内质网应激,引起NLRP3 炎症小体的激活,从而导致肝细胞焦亡及炎症的发生。而Chen YL 用盲肠结扎穿孔术诱导小鼠肝脓毒症模型,引起NLRP3 及caspase-1 上调,进而使肝细胞发生焦亡,并且其研究表明肝损伤程度与焦亡相关蛋白如NLRP3、caspase-1 表达量等呈正相关[27]。肝细胞可以感知循环系统中的PAMPs,如LPS,随后将高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)释放到细胞外结合LPS,并通过晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation end-products,RAGE)内化到巨噬细胞和内皮细胞的溶酶体中。随后HMGB1 在溶酶体的酸性环境中使磷脂双分子层通透性增强,导致LPS 泄漏到细胞质中引起caspase-11 的激活,继而引起肝损伤的进一步恶化[28]。这一结果也证实了肝细胞焦亡在肝损伤微环境中发挥着重要作用。

2.3 肝星状细胞

肝星状细胞中炎症小体的激活在肝纤维化的发展中起着重要作用[29]。肝纤维化的特征是细胞外基质的沉积,而肝星状细胞是主要储存细胞外基质的细胞[30]。Boaru 等[31]研究表明NLRP3 炎症小体激活后释放的促炎细胞因子(IL-1β 和IL-18)可以在体外激活肝星状细胞和组织成纤维细胞的焦亡。Watanabe 等[32]研究证实从损伤的肝细胞和巨噬细胞中释放的细胞因子和DAMPs 可以激活肝星状细胞的焦亡并诱导肝纤维化。Wree 等[25]的体内实验表明,NLRP3 突变小鼠高表达的NLRP3 诱导肝星状细胞发生焦亡,使其结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)和基质金属蛋白酶组织抑制剂1 (tissue inhibitor of matrix metalloproteinase1,TIMP1)表达增高,致肝组织胶原沉积增多,引起较为严重的肝炎及肝纤维化。因此,肝组织中肝星状细胞焦亡的激活是肝炎,肝纤维化发生、发展的关键环节。

3 总结与展望

综上所述,细胞焦亡对肝组织在抵御病原体及各种危险信号时发挥的免疫防御作用极其重要,但过度的焦亡会促进肝损伤的进一步加剧。然而细胞焦亡过程复杂,其在肝多种细胞中的详细分子机制以及不同细胞间的窜扰作用有待进一步研究。近年来,抗细胞焦亡药物以及针对焦亡的靶点治疗在肝损伤的治疗上有着非常可观的发展前景。我们可以通过阻断相关分子(如NLPR3、caspases 和IL-1 等)来抑制焦亡对肝损伤的影响,这对于肝病来说是一种潜在的治疗方法。但是细胞焦亡是抵御病原体及危险信号的一道重要防线,抑制焦亡可能影响机体正常的免疫反应,进而增加机会性感染的风险。因此,如何在维持机体正常免疫的情况下,抑制细胞焦亡的发生,并达到动态的平衡,仍需要更多的研究。所以,对于细胞焦亡机制的进一步探索将有助于抗细胞焦亡药物与细胞焦亡相关靶点治疗的研究与利用。