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

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

細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]。適度可控的細胞焦亡有助于機體及時清除病原體。然而,細胞過度焦亡會促發(fā)強烈的炎性反應(yīng),加劇疾病病理進程[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),成骨細胞發(fā)生焦亡參與了骨組織的免疫防御反應(yīng),過度細胞焦亡的發(fā)生將會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的骨質(zhì)損傷。細胞焦亡參與介導(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)就細胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)性展開說明。

1 細胞焦亡概述

細胞焦亡是抵御病原體及危險信號的重要防線,它影響機體正常的免疫反應(yīng),進而增加疾病發(fā)生發(fā)展的風(fēng)險。細胞焦亡現(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胞中注意到一種裂解式死亡,發(fā)現(xiàn)和細胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征不同。后來Cookson等[6]提出“焦亡”來描述促炎性細胞的程序性壞死,其表現(xiàn)為細胞不斷膨脹,然后破裂,從而發(fā)揮機體免疫反應(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,細胞應(yīng)激反應(yīng)激活炎性小體而引起細胞焦亡[7]。具體機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(白細胞介素1β和白細胞介素18的前體),通過焦亡信號途徑其下游白細胞介素-1β、白細胞介素-18隨之釋放,并誘導(dǎo)GSDMD的活化成熟,促使孔隙形成和細胞內(nèi)物質(zhì)及炎癥因子釋放[8],引發(fā)細胞焦亡。

圖1 細胞焦亡信號傳達圖

2 細胞焦亡的信號途徑

細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胞內(nèi)脂多糖 (LPS)作出反應(yīng)。炎性體作為細胞內(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)生成熟的白細胞介素IL-1b和IL-18,導(dǎo)致細胞溶解形式的細胞死亡。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,識別細胞內(nèi)LPS等刺激物并誘導(dǎo)細胞焦亡[11]。

2.1 經(jīng)典細胞焦亡途徑

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NLRP3、前體白細胞介素IL-1β和IL-18的表達;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,細胞滲透性改變,致使其腫脹而細胞膜破裂發(fā)生焦亡。

2.2 非經(jīng)典細胞焦亡途徑

細胞焦亡非經(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進而作用于GSDMD的N端,GSDMD-N介導(dǎo)細胞膜裂解,孔隙形成。然后隨著細胞膜孔的數(shù)量不斷增多,一些離子和水分子進入細胞,使得細胞不斷膨脹,一旦超過細胞的承受能力,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)生細胞因子并擴大炎癥信號反應(yīng)。與此同時,隨細胞焦亡破裂釋放的這些炎癥因子可以招募免疫細胞,其中IL-18可以刺激T細胞在炎癥部位增殖。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)揮細胞焦亡作用。

3 細胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)性

細胞焦亡最關(guān)鍵的作用是誘導(dǎo)強烈的炎癥反應(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)疏松癥與細胞焦亡并沒有明確直接的聯(lián)系,但骨細胞現(xiàn)象都與炎癥密切相關(guān)。炎癥因子IL-1β和IL-18在caspase激活細胞焦亡下參與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制,NLRP3在炎癥誘導(dǎo)下通過細胞焦亡抑制成骨細胞,有些中藥影響細胞焦亡相關(guān)蛋白的表達水平。因此,細胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展關(guān)系緊密,細胞焦亡會導(dǎo)致骨細胞損傷的加劇,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-18參與細胞焦亡介導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制

IL-1β和IL-18的前體在細胞焦亡期間被caspase-1加工,并與細胞碎片一起分泌到細胞外環(huán)境中,從而加重炎癥狀況。IL-1β和IL-18可直接或間接促進造血干細胞和前破骨細胞分化為成熟破骨細胞,導(dǎo)致破骨細胞過度形成。此外,NLRP3的過度激活可以通過處理IL-1β和IL-18前體來影響破骨細胞的形成,IL-1β和IL-18在破骨細胞生成中產(chǎn)生多種作用,并且在老年骨質(zhì)疏松癥中細胞焦亡對破骨細胞生成的刺激可能更為明顯。破骨細胞的形成超過成骨細胞,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)機體受到細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通路激活細胞焦亡,細胞焦亡對牙槽骨成骨細胞增殖分化的抑制作用。成骨細胞發(fā)生焦亡,進一步激活破骨細胞,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)的細胞焦亡在破骨細胞和成骨細胞的作用,可能在骨質(zhì)疏松癥中起關(guān)鍵作用。

3.2 NLRP3通過細胞焦亡對成骨細胞的影響機制

NLRP3通過細胞焦亡在炎癥誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松中起核心作用,通過影響成骨細胞直接抑制成骨。McCall SH等[22]證明成骨細胞表達NLRP3,其介導(dǎo)細菌誘導(dǎo)的細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)疏松癥引起的細菌感染,NLRP3的相關(guān)表達是必不可少的[23-25]。研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性體在骨組組中表達不斷上升可以激活caspase-1細胞焦亡通路,導(dǎo)致成骨細胞死亡[26],這時炎癥因子IL-1和IL-18的表達水平也上調(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,對成骨細胞活力影響明顯[27],通過滅活NLRP3炎性小體可以促進成骨細胞形成,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表達的成骨細胞死亡增加,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影響成骨細胞焦亡的證據(jù)。體內(nèi)外實驗表明,NLRP3蛋白的過表達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的表達而導(dǎo)致成骨細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激活的細胞焦亡在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3.3 細胞焦亡治療骨質(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,但需要進一步的研究來更好地評估其副作用[31]。該研究強調(diào)了細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,詳細的激活和作用機制尚不完全清楚。因此,筆者總結(jié)了一些與細胞焦亡有關(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可能通過上調(diào)MCP-1和RANKL的表達使得破骨細胞增多,但下調(diào)MyD88則消除了IL-1的影響,降低了破骨細胞的發(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表達明顯降低,炎癥反應(yīng)減輕,骨吸收過程(破骨細胞形成、脂肪形成和細胞凋亡)明顯減少,而在誘導(dǎo)骨壞死后,骨吸收過程明顯增強。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、細胞信號、細胞通路都是潛在的治療靶點。

一些促炎細胞因子,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胞和抗破骨細胞特性。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胞的發(fā)育階段。其中,IFN-g可通過直接靶向破骨細胞前體抑制破骨細胞生成,但通過刺激T細胞活化和破骨細胞生成因子(TNF-g、RANKL)的產(chǎn)生使破骨細胞形成并且促進骨吸收。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,刺激破骨骨吸收。此外,IL-17A能夠通過減少破骨細胞組織蛋白酶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)的成骨細胞焦亡,恢復(fù)骨形成特性,并在體外減弱骨髓巨噬細胞中的破骨細胞活化并減少體內(nèi)骨丟失[39]。在葡萄球菌誘導(dǎo)的小鼠骨髓炎模型中,注意到細胞焦亡相關(guān)蛋白的表達較高。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,抑制細胞焦亡恢復(fù)了骨形成特性,減弱了體外破骨細胞的異常活化,逆轉(zhuǎn)了體內(nèi)骨損傷。綜上,細胞焦亡中存在的其他成分對破骨細胞和成骨細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與炎癥小體的表達抑制細胞焦亡。淫羊藿苷結(jié)合MAPK信號通路[40],促進了骨髓間充質(zhì)干細胞和成骨細胞增殖分化,抑制破骨細胞分化。綜上,根據(jù)上述治療OP的中藥方劑在細胞焦亡方面的研究,對其進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)藥抑制細胞焦亡的研究還處于初步探索階段,因此,對于具有細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,細胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥之間有著密切相關(guān)性,細胞焦亡對骨細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胞焦亡在骨質(zhì)疏松癥進展中起著重要作用,研究細胞焦亡介導(dǎo)骨細胞分子機制及其與骨質(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)報道文獻不足。由于目前相關(guān)的文獻研究和實驗研究不足,關(guān)于細胞焦亡介導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制以及細胞焦亡與骨質(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一步闡明兩者的關(guān)系,為細胞焦亡機制對骨質(zhì)疏松癥的防治提供依據(jù)。