潘旭紅 李林俞 陳 鑫 周 璇 李紅玲

1.甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院腫瘤內科，甘肅蘭州 730000

細胞死亡是生命的最基本問題之一，在生物體的進化、調節(jié)機體細胞增殖和分化平衡、維持機體內環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起著至關重要的作用。人們對細胞死亡的認識經歷了一個漫長的過程，隨著研究的不斷細化深入，細胞死亡形式基于不同劃分標準，也出現(xiàn)了多種不同的種類。目前，細胞死亡命名委員會（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）提出，細胞死亡分為調節(jié)性細胞死亡（regulated cell death，RCD）和意外細胞死亡（accidental cell death，ACD），其中發(fā)生在生理條件下的RCD 亦可被稱作程序性細胞死亡（programmed cell death，PCD）[1]。RCD是一種具有獨特生物學特征且受基因控制的過程，凋亡、壞死性凋亡、焦亡等均屬于RCD。

近年來，在這些固有的細胞死亡形式中，細胞焦亡受到了更多的關注。細胞焦亡是PCD的一種新形式，由多種病理因素（如感染、惡性腫瘤等）觸發(fā)，Gasdermin家族蛋白介導使細胞膜通透性發(fā)生改變，細胞形成孔洞，細胞外的水分透過孔道進入細胞，引起細胞腫脹破裂，釋放白細胞介素–1β（interleukin–1β，IL–1β）、白細胞介素–18（interleukin–18，IL–18）等炎癥因子，促進炎性反應[2]。隨著研究的深入，細胞焦亡與腫瘤的關系日益凸顯，因此理解細胞焦亡的特征、分子機制及其與腫瘤疾病的關系對于尋找靶向治療藥物提供了一定的新啟示。

1 細胞焦亡的分子機制

細胞焦亡于1992年首次由Zychlinsky等[3]發(fā)現(xiàn)，以區(qū)別于形態(tài)學上截然不同的細胞凋亡。1997年，Hilbi等[4]發(fā)現(xiàn)痢疾桿菌可以激活宿主細胞中的半胱天冬酶–1（cysteinyl aspartate specific proteinase–1，Caspase–1）。1999年，進一步的研究表明，敲除Caspase–1可以阻斷沙門氏菌引起的細胞死亡[5]。2001年，Cookson等[6]率先提出了用“pyroptosis”來描述這種獨特的炎性程序性細胞死亡方式，“pyro”意為火，表示炎癥因子的釋放及一系列炎性反應過程，“ptosis”指下降，表明細胞程序性死亡的本質，“pyroptosis”即為細胞焦亡。根據(jù)NCCD的推薦定義[1]：細胞焦亡是由活化后的炎性半胱天冬酶（如Caspase–1/4/5/11）切割Gasdermin蛋白引起質膜穿孔，最終導致細胞死亡的一種調節(jié)性細胞死亡形式。

1.1 依賴于Caspase–1的經典焦亡途徑

Martinon等[7]在2002年提出炎性小體復合物是構成天然免疫的重要組成部分，是觸發(fā)Caspase–1活化和IL–1β加工的分子平臺。在細胞焦亡的經典路徑中，一方面，當NOD樣受體（NOD–like receptor，NLR）等感知危險跡象時便會引發(fā)炎性小體的組裝并激活，接下來Caspase–1的激活便是整個焦亡進程的關鍵，同時還可促使IL–1β和IL–18的成熟與釋放[2]；另一方面，活化的Caspase–1可切割GSDMD，使之形成22 kda C端（GSDMD–C）和31 kda N端（GSDMD–N），接著GSDMD–N在細胞膜上寡聚化形成10～15nm[8]（另有報道21nm[9]）的非選擇性通道，離子和水分子等小分子可通過這個孔道進入細胞內部，導致細胞內外滲透壓發(fā)生變化，細胞吹泡、腫脹、破裂，炎癥因子和溶酶體等細胞內容物釋放到細胞外，從而誘導細胞焦亡的發(fā)生。

1.2 非經典細胞焦亡途徑

與經典的焦亡途徑一樣，非經典細胞焦亡通路的效應蛋白也是GSDMD，不同的是，非經典細胞焦亡通路是由Caspase–11（小鼠）和Caspase–4/5（人類）直接識別，結合革蘭氏陰性菌細胞壁中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）并激活自身的蛋白酶活性?；罨蟮腃aspase–4/5/11直接將GSDMD切割成C段和N端片段，并由GSDMD–N寡聚化形成細胞膜孔隙。這種由Caspase–4/5/11–GSDMD介導的細胞焦亡被稱為非經典細胞焦亡，是一個不依賴于Caspase–1的過程[10]。

1.3 其他Caspase誘導的細胞焦亡

Gasdermin蛋白家族中，除前面所述的GSDMD具有焦亡執(zhí)行蛋白的功能外，還有GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME（DFNA5）等，均有C端和N端結構域，且N端同樣具有質膜打孔功能[11,12]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)了依賴于Caspase–3/GSDME的細胞焦亡通路，某些化療藥物可誘導活化的Caspase–3切割下游的GSDME，形成GSDME–N端，識別并在細胞膜上打孔，導致細胞腫脹和破裂釋放炎癥因子而誘導細胞焦亡[13,14]。此外，除了Caspase–3，在發(fā)生耶爾森菌感染時可通過YopJ途徑抑制轉化生長因子β活化激酶1（transforming growth factor–β activated kinase 1，TAK1）的表達激活Caspase–8，切割GSDMD和GSDME，從而誘導細胞焦亡[15]。雖然Caspase–8和Caspase–1在同一位點切割GSDMD，但Caspase–8對GSDMD的處理能力遠低于Caspase–1[16]。此外，Caspase–8對于Caspase–11介導的細胞焦亡是必不可少的，二者都是驅動LPS誘導小鼠死亡所必需的[17]。這些觀察表明，與Caspase–1和Caspase–11的切割不同，Caspase–8介導的Gasdermin蛋白切割是在特定條件下觀察到的，如TAK1失活或耶爾森菌感染。Caspase–8可能是炎性Caspase家族中的一個新成員，具有誘導凋亡和焦亡雙重功能。

2 焦亡在腫瘤治療中的意義

2.1 細胞焦亡與結直腸癌

結直腸癌（colorectal cancer，CRC）是最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率居癌癥死亡的第4位[18]。肝X受體（liver X receptors，LXR）屬于核受體家族，Derangère等[19]率先發(fā)現(xiàn)LXR激動劑可通過激活LXRβ誘導炎性小體的組裝，以依賴于Caspase–1的經典途徑誘導CRC焦亡。另外，LXR激動劑可以促使LXRβ綁定到細胞膜上的孔隙半通道蛋白（pannexin–1）上，觸發(fā)pannexin–1的開放和細胞內ATP的釋放，通過激活Caspase–1，誘發(fā)細胞焦亡。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，洛鉑可提高活性氧（reactive oxygen species，ROS）和c–Jun氨基末端激酶（c–Jun N–terminal kinase，JNK）的磷酸化水平，將Bax蛋白募集到線粒體，促進細胞色素C的釋放，誘導Caspase–3/ Caspase–9裂解，活化的Caspase–3進一步切割GSDME，最終誘導CRC細胞發(fā)生焦亡[20]。GSDME依賴性焦亡是洛鉑清除結腸癌細胞的新機制，對臨床應用抗癌藥物具有重要意義。

2.2 細胞焦亡與胃癌

研究證實，GSDMD在胃癌（gastric carcinoma，GC）細胞中較正常組織表達低，沉默GSDMD可顯著促進腫瘤細胞的增生。GSDMD通過抑制胃癌細胞ERK、PI3K/AKT等信號通路而降低細胞周期蛋白cyclin A2和和周期蛋白依賴性激酶2（cyclin–dependent kinase 2，CDK2）的表達抑制細胞周期S/G2轉變，促進腫瘤細胞焦亡而發(fā)揮抗腫瘤作用[21,22]。Wang等[23]發(fā)現(xiàn)，化療藥物可通過激活GC細胞中的Caspase–3切割GSDME來觸發(fā)細胞焦亡，GSDME在細胞焦亡中的作用與GSDMD在孔隙形成中的作用相同。此外，GSDME可將5–氟尿嘧啶等化療藥物誘導GC細胞發(fā)生的Caspase–3依賴性凋亡轉變?yōu)榻雇鯷24]。上述研究證明了細胞焦亡與腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療密切相關。

2.3 細胞焦亡和食管癌

基于焦亡相關分子對消化道腫瘤的影響，一些藥物研究試圖通過干預細胞焦亡通路發(fā)揮抗癌效果。小劑量的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（polo–like kinase 1，PLK1）抑制劑BI2536聯(lián)合順鉑（DDP）可通過激活食管鱗癌（esophageal squamous cell carcinoma，ESCC）細胞中凋亡相關蛋白Bax和Caspase–3使GSDME裂解及誘導細胞發(fā)生焦亡，并使得ESCC細胞對DDP的敏感性升高，且GSDME高表達的患者對PLK1抑制劑和DDP聯(lián)合治療更敏感，其抗腫瘤作用更好[25]，推測GSDME高表達的腫瘤細胞在內源性或外源性應激下更容易發(fā)生焦亡，提示GSDME可作為ESCC良好的治療靶點和預后指標。這一發(fā)現(xiàn)可能為未來ESCC的個性化、精確化醫(yī)學的發(fā)展提供一個有前途的方向。

2.4 細胞焦亡和肺癌

Gao等[26]研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD的高表達與腫瘤大小、侵襲性特征、TNM分期呈正相關，是肺腺癌（lung adenocarcinoma，LUAD）的獨立預后生物標志物。與癌旁組織相比，非小細胞肺癌（non–small cell lung cancer，NSCLC）組織中GSDMD蛋白水平顯著上調，GSDMD基因敲除可通過內源性線粒體凋亡途徑和EGFR/Akt信號通路抑制腫瘤細胞增殖。此外，Wang等[27]證實辛伐他汀可通過NLRP3– Caspase–1–IL–1β/IL–18通路誘導A549、H1299肺癌細胞焦亡，在異種移植小鼠模型中進行驗證后提示辛伐他汀有可能成為臨床治療NSCLC的藥物，且不會對正常肺細胞產生毒性作用。

2.5 細胞焦亡和乳腺癌

GSDMB在人表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）陽性的乳腺癌（breast cancer，BC）患者中呈較高水平，其高表達與低生存率和高轉移率相關，預示著對HER2靶向治療的低反應性[28]。因此，GSDMB有可能成為BC的一個新標志物，并參與預后的評估。二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）是一種omega–3脂肪酸，Pizato等[29]發(fā)現(xiàn)，經DHA處理的BC細胞，Caspase–1和GSDMD活性增加，細胞膜形成孔徑，IL–1β分泌增加，最終可誘導細胞發(fā)生焦亡，證實了DHA的抗癌作用及其機制。同樣，三氯苯達唑通過Caspase–3/GSDME途徑誘導MCF–7和MDAMB–231細胞發(fā)生焦亡，且在異種移植模型中，三氯苯達唑通過促進Caspase–3和GSDME的切割顯著減小了腫瘤體積，這表明誘導細胞焦亡的發(fā)生可能是抗癌治療的新靶點[30]。此外，Wang等[31]發(fā)現(xiàn)，僅需要不到15%的腫瘤細胞焦亡就足以清除整個4T1乳腺腫瘤移植物，腫瘤消退的程度與增強的抗腫瘤免疫反應有關，其在免疫缺陷小鼠或T細胞耗盡時不存在，說明炎性小體激活和焦亡的精確調控可能為提高免疫治療的療效提供很好的機會。

2.6 細胞焦亡和血液腫瘤

絲氨酸二肽酶DPP8/DPP9是二肽基肽酶4（dipeptidyl peptidase–4，DPP–4）家族中的兩個相對較新的成員，Johnson等[32]發(fā)現(xiàn)，DPP8/DPP9抑制劑在引起急性髓系白血?。╝cute myelocytic leukemia，AML）細胞焦亡的同時，還能抑制AML患者來源的異種移植瘤小鼠的生長。這些結果突出了這種小分子DPP8/DPP9抑制劑在治療AML方面的潛在價值。

骨髓增生異常綜合征（myelodysplastic syndrome，MDS）是以骨髓細胞異常增生和無效造血為特征的造血干細胞惡性腫瘤。近期研究表明，造血干/祖細胞中NLRP3–炎性小體誘導的細胞焦亡是MDS無效造血的致病驅動因素，在低危MDS中有針對性地抑制這一途徑中的不同步驟，可以恢復有效造血[33]。這為MDS的治療帶來新的希望。

3 細胞焦亡與放化療不良反應

最新研究已經證實，在高表達GSDME的腫瘤細胞種系中，多種化療藥物可通過Caspase–3/ GSDME介導的細胞焦亡途徑誘導腫瘤細胞死亡。Wang等[23]研究證實GSDME基因由于啟動子甲基化，導致其在大多數(shù)腫瘤細胞種系中呈低表達，在正常細胞種系中廣泛高表達；同時還發(fā)現(xiàn)，人原代細胞在化療藥物激活Caspase–3后表現(xiàn)出GSDME依賴性細胞焦亡；在體內試驗中，相對于野生鼠，GSDME敲除鼠在結核菌素試驗或博來霉素作用下引發(fā)的肺損傷、炎性反應以及體質量下降均明顯減輕，說明GSDME介導的細胞焦亡與化療引起的不良反應密切相關，化療藥物在抗腫瘤的同時也能誘導高表達GSDME的正常細胞發(fā)生焦亡，這可能是化療產生不良反應的機制之一。

除此以外，細胞焦亡還與放射治療的不良反應相關。Hu等[34]研究發(fā)現(xiàn)，黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）在感知電離輻射誘導的細胞核DNA損傷方面發(fā)揮了意想不到的作用。AIM2通過炎性小體途徑在腸上皮細胞和骨髓細胞中觸發(fā)Caspase–1介導的細胞焦亡，而AIM2的缺失可以使小鼠免受輻射誘導的小腸綜合征和造血衰竭的影響，這表明阻斷AIM2炎性小體活性的藥物可有效地減輕放射治療不良反應。另有研究表明，氧化應激、生物能量損傷以及NLRP3炎性小體的激活均參與了放射性腸損傷，鞭毛蛋白可在腸上皮細胞中抑制輻射誘導的ROS生成，降低NLRP3活性，減少Caspase–1依賴性焦亡的發(fā)生，可能成為治療腫瘤患者放射性腸道損傷的一種潛在的預防性治療方法[35]。

4 小結與展望

細胞焦亡是一種新型的程序性細胞死亡，近年來在各種疾病中得到了廣泛的研究，利用這一途徑調節(jié)組織發(fā)育和動態(tài)平衡的研究也得到了重視。細胞焦亡相關因子具有促進或抑制腫瘤發(fā)生的雙重機制，可通過多種細胞信號通路調節(jié)細胞形態(tài)、增生、浸潤、遷移和化療耐受性等惡性表型從而影響腫瘤的進展，并且可能與患者的預后有關。同時，細胞焦亡還與化學藥物治療、耐藥性及放射治療的不良反應相關。因此，還需更多的研究來進一步探討不同腫瘤細胞的焦亡機制，了解細胞焦亡的腫瘤特異性調控機制及信號通路上下游相關蛋白，可以為腫瘤的診斷和治療提供新思路。