【關(guān)鍵詞】細(xì)胞焦亡；機(jī)械應(yīng)力；壓應(yīng)力；拉伸力；流體剪切應(yīng)力

細(xì)胞死亡分為意外性細(xì)胞死亡（accidental cell death，ACD）和程序性細(xì)胞死亡（programmed cell death，PCD），后者也被稱為調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulated cell death，RCD）[1-2]。外界突然的刺激或損傷可能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的任何調(diào)節(jié)機(jī)制失效，從而引發(fā)ACD。相反，PCD包含精確的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，由一系列明確的效應(yīng)分子執(zhí)行，具有獨(dú)特的生理功能和免疫學(xué)結(jié)果，其具體形式主要包括凋亡、焦亡及壞死性凋亡[3-4]。在這之中，焦亡是一種促炎形式的PCD，其依賴于炎性蛋白酶的活性，后者屬于半胱氨酸依賴的天冬氨酸特異性蛋白酶（caspase）家族[5]。細(xì)胞焦亡因其胞內(nèi)容物泄漏至胞外空間誘導(dǎo)趨化和炎癥，在炎癥和疾病的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用[7-8]。

在多細(xì)胞生物中，細(xì)胞長(zhǎng)期暴露于機(jī)械環(huán)境中，機(jī)械刺激可來(lái)源于微環(huán)境（如細(xì)胞外基質(zhì)硬度），也可來(lái)源于外力（如壓應(yīng)力、拉伸力、流體剪切應(yīng)力等）[9-10]。細(xì)胞可以感知周圍環(huán)境中的機(jī)械應(yīng)力是否發(fā)生變化，并適應(yīng)不斷變化的機(jī)械應(yīng)力，但是過(guò)度的機(jī)械應(yīng)力也能激活繼發(fā)的應(yīng)激信號(hào)通路，如死亡通路，從而引起細(xì)胞及組織的損傷和炎癥反應(yīng)[11-13]。因此，探究細(xì)胞焦亡及其與機(jī)械應(yīng)力的關(guān)系對(duì)未來(lái)研究疾病病理具有重要意義。本文就細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制及機(jī)械應(yīng)力影響細(xì)胞焦亡的具體機(jī)制進(jìn)行文獻(xiàn)回顧及綜述。

1細(xì)胞焦亡

1.1細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制

細(xì)胞焦亡最先于2001年被提出，用于描述沙門氏菌或志賀菌感染的巨噬細(xì)胞中依賴caspase-1的程序性細(xì)胞死亡[14]。細(xì)胞焦亡是一種由炎性小體傳感器激活引起的細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜完整性喪失[15]。炎性小體是胞質(zhì)內(nèi)多蛋白復(fù)合物，負(fù)責(zé)凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（apoptosis-associatedspeck-like protein containing a CARD，ASC）的形成，以及促炎半胱蛋白酶的激活[3]。作為細(xì)胞死亡的固有炎癥形式，焦亡受到多環(huán)節(jié)的調(diào)控，NLRP3和細(xì)胞因子IL-1的表達(dá)需要通過(guò)刺激TLRs、TNFR或IL-1R來(lái)啟動(dòng)，前者隨后激活NF-κB通路；另外，炎性小體傳感器的活化需要翻譯后修飾，如磷酸化和泛素化[16-17]。下文總結(jié)了細(xì)胞焦亡的分子途徑（圖1）。

經(jīng)典通路：細(xì)胞焦亡通路一旦被激活，上述傳感器會(huì)招募適配的ASC，形成一個(gè)微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，稱為炎性小體，其是激活蛋白水解酶caspase-1的平臺(tái)。caspase-1常以二聚體形式存在，通過(guò)自身蛋白水解生成具有活性的p33/p10 亞基。隨后，具有活性的caspase-1可以剪切細(xì)胞因子IL-1β和IL-18；另外，caspase-1 還可以將消皮素D（gasdermin D，GSDMD）剪切成30 kD的片段，后者在細(xì)胞膜上形成孔道，進(jìn)而使成熟的IL-1β 和IL-18 釋放至胞外，引起細(xì)胞腫脹和焦亡[18-22]。

非經(jīng)典通路：細(xì)胞內(nèi)的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）也能夠?qū)е录?xì)胞焦亡。細(xì)胞內(nèi)鳥(niǎo)苷酸結(jié)合蛋白（GTPbindingprotein，GBPs）識(shí)別細(xì)菌產(chǎn)物，隨后GBP1、2、3和4蛋白與 caspase-4和caspase-11前體結(jié)合，組成caspase-4/11活化平臺(tái)?；罨腸aspase-4和caspase-11剪切GSDMD和IL-1β，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡[23-26]。

1.2細(xì)胞焦亡與其他PCD形式的區(qū)別

1.2.1與凋亡的區(qū)別 雖然凋亡和焦亡都屬于PCD，但在機(jī)制上凋亡不同于焦亡，前者通過(guò)細(xì)胞色素C與凋亡酶激活因子（apoptotic protease activating factor-1，Apaf-1）結(jié)合，隨后招募半胱氨酸蛋白酶9前體（procaspase-9），與其結(jié)合形成凋亡小體[16，27]。在凋亡小體中，procaspase-9被蛋白酶解激活，啟動(dòng)caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)。另一方面，在形態(tài)學(xué)上焦亡不同于凋亡，焦亡的特點(diǎn)是細(xì)胞不會(huì)發(fā)生DNA斷裂，但存在核凝聚、細(xì)胞腫脹、質(zhì)膜上形成大氣泡，最終破裂引發(fā)免疫反應(yīng)；而凋亡細(xì)胞則具有DNA片段化及細(xì)胞形態(tài)皺縮的特點(diǎn)[28]。

1.2.2與壞死性凋亡的區(qū)別 焦亡和壞死性凋亡都是炎癥溶解性的細(xì)胞死亡，具有相似的死亡形態(tài)特征。但2者在機(jī)制上是不同的，焦亡的執(zhí)行者是GSDMD，而壞死性凋亡是混合譜系激酶域樣蛋白（mixed lineage kinase domain like protein，MLKL）[29]。另一方面，焦亡或壞死后釋放的損傷相關(guān)的分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs）相似，但GSDMD和MLKL介導(dǎo)的死亡過(guò)程在形態(tài)學(xué)上是不同的。經(jīng)歷焦亡的細(xì)胞保持貼壁，直到胞膜受損，表現(xiàn)出細(xì)胞腫脹減輕和胞質(zhì)變平坦。相反，壞死信號(hào)導(dǎo)致細(xì)胞剝離，因?yàn)殡x子選擇性MLKL的形成，影響了細(xì)胞內(nèi)滲透壓導(dǎo)致細(xì)胞腫脹和隨后的滲透性溶解[30-31]。

2機(jī)械應(yīng)力與細(xì)胞焦亡的關(guān)系

細(xì)胞可以感知周圍環(huán)境中的機(jī)械刺激并對(duì)其做出反應(yīng)，該過(guò)程稱為機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)。機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)是將機(jī)械力、應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)化為控制細(xì)胞行為的生化信號(hào)的過(guò)程，具有重要的生理意義[32-34]。近幾十年來(lái)，研究表明適當(dāng)?shù)臋C(jī)械信號(hào)對(duì)細(xì)胞、組織的健康至關(guān)重要，但是過(guò)度的機(jī)械應(yīng)力也可引起細(xì)胞及組織損傷。當(dāng)應(yīng)激刺激持續(xù)存在，或細(xì)胞對(duì)應(yīng)激的適應(yīng)能力較差，應(yīng)激反應(yīng)就會(huì)變得劇烈、持續(xù)，并激活繼發(fā)的應(yīng)激信號(hào)通路，死亡通路（如焦亡），從而對(duì)細(xì)胞及組織產(chǎn)生不利的影響[35-37]。下面將探討機(jī)械應(yīng)力（壓應(yīng)力、拉伸力與流體剪切應(yīng)力）與細(xì)胞焦亡的具體關(guān)系。

2.1壓應(yīng)力與細(xì)胞焦亡

在生理狀態(tài)下，細(xì)胞及組織長(zhǎng)期接觸到壓應(yīng)力，尤其是牙齒、肌肉和骨骼等器官[38-39]。壓應(yīng)力可來(lái)源于微環(huán)境，也可來(lái)自外力。當(dāng)壓應(yīng)力過(guò)大或細(xì)胞處于病理狀態(tài)時(shí)，其往往會(huì)造成組織損傷，甚至是疾病的發(fā)生。有文獻(xiàn)顯示，中等強(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷可以抑制骨關(guān)節(jié)炎環(huán)境下的軟骨細(xì)胞發(fā)生焦亡，顯著降低NLRP3、caspase-1的表達(dá)[40]；另一方面，也有研究發(fā)現(xiàn)過(guò)度的機(jī)械刺激會(huì)導(dǎo)致軟骨穩(wěn)態(tài)失衡，進(jìn)一步加劇軟骨退變[41]。在過(guò)度的正畸力作用下，大鼠牙周組織中NLRP3、caspase-1和IL-1β的表達(dá)水平升高，同時(shí)在與靜態(tài)壓力預(yù)處理的人牙周膜細(xì)胞共培養(yǎng)的THP-1細(xì)胞內(nèi)也檢測(cè)到NLRP3/caspase-1/IL-1β軸的激活和M1樣巨噬細(xì)胞的極化[42]。上述研究表明在骨組織中壓應(yīng)力的強(qiáng)度與焦亡的發(fā)生密切相關(guān)，壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，鈍性機(jī)械力導(dǎo)致的物理腦損傷，被稱為創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）[43-44]。TBI的發(fā)病歷程包括兩個(gè)階段，第一階段為外力直接損傷腦組織，造成細(xì)胞膜破裂、不可逆的細(xì)胞損傷和組織壞死[45-46]；隨后是第二階段，細(xì)胞死亡導(dǎo)致胞內(nèi)和軸突內(nèi)的內(nèi)容物快速釋放，如谷氨酸、ROS、鉀和組織蛋白酶B。這些物質(zhì)具有較強(qiáng)的促炎作用，引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)[47-48]。有研究顯示TBI能夠誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，并且caspase-1在神經(jīng)炎癥中發(fā)揮重要作用，而敲除caspase-1可促進(jìn)受損皮質(zhì)的抗炎反應(yīng)，抑制細(xì)胞焦亡，減輕TBI急性期的神經(jīng)炎癥和神經(jīng)功能缺損[29]。另一方面，也有研究顯示隨著TBI的進(jìn)展，在受損組織中可發(fā)現(xiàn)顯著的神經(jīng)損傷和caspase-1、caspase-11和GSDMD表達(dá)水平的上調(diào)。上述研究結(jié)果表明外部壓力引起腦部細(xì)胞損傷，進(jìn)而誘導(dǎo)焦亡發(fā)生；隨著細(xì)胞內(nèi)容物的大量泄露，引起級(jí)聯(lián)反應(yīng)，腦組織焦亡水平進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致TBI。

在眼部組織中，眼壓的升高可導(dǎo)致視網(wǎng)膜缺血-再灌注損傷和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（retinal ganglion cells，RGCs）死亡[49]。當(dāng)壓力引起血管缺血導(dǎo)致氧氣和葡萄糖短缺時(shí)，視網(wǎng)膜會(huì)變得脆弱，隨后發(fā)生級(jí)聯(lián)性炎癥過(guò)程，甚至引發(fā)青光眼[50]。有研究顯示焦亡與青光眼密切相關(guān)，敲除GSDMD明顯減輕RGCs的死亡和視網(wǎng)膜缺血性損傷的嚴(yán)重程度，提示焦亡在急性青光眼發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。從機(jī)制上講，NLRP1與NLRP3和NLRC4協(xié)同作用，通過(guò)caspase-1依賴的GSDMD 剪切、乳酸脫氫酶和成熟的IL-1β 釋放促進(jìn)焦亡[51-52]。另外，Zeng Z等[53]發(fā)現(xiàn)Ier2的下調(diào)、miR-1839的過(guò)表達(dá)及TSPO的沉默都可以有效抑制視網(wǎng)膜損傷和細(xì)胞焦亡，其潛在機(jī)制為Ier2/miR-1839/TSPO 軸通過(guò)NLRP3/caspase-1/GSDMD通路調(diào)控視網(wǎng)膜神經(jīng)元的焦亡。

綜上所述，在機(jī)體的多種組織內(nèi)壓力能夠?qū)е录?xì)胞焦亡，并且后者的免疫學(xué)效應(yīng)隨即引起炎癥反應(yīng)，最終造成各種疾病的發(fā)生發(fā)展。

2.2拉伸力與細(xì)胞焦亡

細(xì)胞及組織在受到壓應(yīng)力的同時(shí)，其某部分必定會(huì)受到或產(chǎn)生拉伸力，而后者也會(huì)對(duì)細(xì)胞及組織產(chǎn)生一定的功能影響[54]。目前在體外對(duì)細(xì)胞進(jìn)行力學(xué)刺激的主流裝置為Flexcell，其被廣泛用于評(píng)估細(xì)胞對(duì)機(jī)械力的反應(yīng)，該裝置可以設(shè)置力學(xué)刺激的方式、強(qiáng)度、頻率及持續(xù)時(shí)間[55]。

有研究證明在Flexcell循環(huán)拉伸力的作用下，人牙周膜細(xì)胞中NLRP3、Cleaved caspase-1、Cleaved GSDMD、IL-1β和IL-18的水平升高，焦亡通路激活，而這一過(guò)程又被caspase-1抑制劑或GSDMD的敲除部分阻斷[56-57]。另外，Sun Y等[58]利用拉伸力加載系統(tǒng)FX-4000T，對(duì)細(xì)胞加力6 h、12 h和24 h，發(fā)現(xiàn)機(jī)械拉伸能夠上調(diào)髓核細(xì)胞中的Piezo1、NLRP3、ASC和IL-1β的基因和蛋白表達(dá)量，其潛在機(jī)制是Piezo1的激活增加了細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+負(fù)荷，隨后Ca2+激活NF-κB通路，增加NLRP3、pro IL-1β 和pro IL-18 基因的表達(dá)；同時(shí)Ca2+進(jìn)一步促進(jìn)炎性小體的組裝，激活caspase-1，最終導(dǎo)致焦亡發(fā)生。由此可知，拉伸力可以導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生，其機(jī)制是通過(guò)Piezo1離子通道來(lái)激活NF-κB通路和促進(jìn)炎性小體的組裝。

2.3流體剪切應(yīng)力與細(xì)胞焦亡

血液流動(dòng)包括層流和湍流，在血液流動(dòng)的同時(shí)血管內(nèi)皮細(xì)胞持續(xù)受到血流的剪切應(yīng)力[59]。層流可促進(jìn)一氧化氮的形成，其作用是屏障保護(hù)和防止炎癥，而湍流導(dǎo)致血管收縮、滲透性屏障和炎癥反應(yīng)。層流中的血管內(nèi)皮細(xì)胞只在胞體軸方向上受到剪切力，然而在湍流中的細(xì)胞受到隨機(jī)方向的力[60]。有研究顯示，與靜態(tài)條件相比，低剪切應(yīng)力（5 dyne/cm2）通過(guò)miR-181b-5p介導(dǎo)的STAT-3通路激活導(dǎo)致人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡，miR‐181b‐5p是一種機(jī)械敏感的miRNA，低剪切應(yīng)力降低miR‐181b‐5p的表達(dá)，導(dǎo)致STAT‐3表達(dá)水平上升。后者激活NLRP3炎性小體，導(dǎo)致caspase‐1的激活?；罨腸aspase-1可將IL-1β和IL-18轉(zhuǎn)化為成熟的炎性細(xì)胞因子。另一方面，活化的caspase-1剪切GADMD，導(dǎo)致胞膜孔道形成，DNA斷裂，細(xì)胞釋放IL‐1β和IL‐18，進(jìn)一步加劇細(xì)胞焦亡[61]。此外，低剪切應(yīng)力（5 dyne/cm2）通過(guò)下調(diào)TET2加劇人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡和促炎細(xì)胞因子生成。其具體機(jī)制為TET2的下調(diào)導(dǎo)致線粒體呼吸道復(fù)合物Ⅱ亞基琥珀酸脫氫酶B（succinate dehydrogenase B，SDHB）的表達(dá)和活性上調(diào)，后者介導(dǎo)線粒體損傷，導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生增多，激活炎癥小體；而活性氧清除劑NAC減輕了由SDHB過(guò)表達(dá)和TET2 shRNA誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞焦亡[62]。綜上所述，剪切應(yīng)力能導(dǎo)致細(xì)胞焦亡，加速動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展，然而目前相關(guān)研究還較少，剪切應(yīng)力如何誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞焦亡，參與動(dòng)脈粥樣硬化仍有待于進(jìn)一步研究。

3總結(jié)與展望

細(xì)胞死亡是決定細(xì)胞命運(yùn)的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)PCD的分子特征，其可被分為數(shù)個(gè)子程序，其中少數(shù)具有明確的生理學(xué)意義（如凋亡、焦亡及壞死性凋亡）；而關(guān)于其他形式PCD（如鐵死亡、內(nèi)源性細(xì)胞死亡、嗜堿性細(xì)胞死亡、依賴性細(xì)胞死亡、溶酶體依賴性細(xì)胞死亡、自噬依賴性細(xì)胞死亡、細(xì)胞內(nèi)堿化死亡和氧自由基誘導(dǎo)死亡）的研究較少，可能僅限于細(xì)胞對(duì)特定毒素的特殊反應(yīng)[2]。細(xì)胞焦亡是炎癥性細(xì)胞死亡（inflammatory cell death，ICD），而細(xì)胞凋亡是非炎癥性的。與凋亡相比，焦亡的免疫學(xué)效應(yīng)更強(qiáng)，對(duì)微環(huán)境的影響更顯著，所以筆者在本文中著重探討了細(xì)胞焦亡。細(xì)胞在多種刺激下會(huì)發(fā)生焦亡，這是一種由細(xì)胞質(zhì)感知的危險(xiǎn)信號(hào)和病原體感染引起ICD，在該過(guò)程中，GSDMD是決定焦亡細(xì)胞命運(yùn)的真正執(zhí)行者和決定性參與者。

焦亡誘導(dǎo)的炎癥結(jié)果是否會(huì)對(duì)宿主造成損傷或提高免疫活性在很大程度上取決于環(huán)境、時(shí)間和反應(yīng)程度。本文主要探討了機(jī)械應(yīng)力與焦亡的關(guān)系及潛在機(jī)制，由前述可知，機(jī)械刺激的種類、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間與細(xì)胞焦亡關(guān)系密切，壓應(yīng)力、拉伸力及流體剪切應(yīng)力都可以導(dǎo)致焦亡的發(fā)生，并且應(yīng)力的強(qiáng)度、加力的頻率和持續(xù)時(shí)間會(huì)影響焦亡水平的高低。另外，有研究顯示，焦亡細(xì)胞的形態(tài)特征是由基于血影蛋白的膜骨架和細(xì)胞間競(jìng)爭(zhēng)性張力活動(dòng)介導(dǎo)的，后者被稱為亞細(xì)胞張力，其介導(dǎo)焦亡細(xì)胞發(fā)生腫脹和起泡，在焦亡發(fā)生過(guò)程中起重要作用[63]。由此可推測(cè)在機(jī)械應(yīng)力刺激下，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，亞細(xì)胞張力增加，促進(jìn)了焦亡的發(fā)生?？傊跈C(jī)體的多種組織內(nèi)，異常的外力作用于細(xì)胞，激活死亡通路，進(jìn)而導(dǎo)致焦亡的發(fā)生，引起炎癥和疾病的發(fā)生發(fā)展。但是目前相關(guān)的研究還較少，并且多數(shù)研究的深度只限于表型，有待于深入研究機(jī)械應(yīng)力引起細(xì)胞焦亡的具體機(jī)制及參與的相關(guān)分子靶點(diǎn)，為未來(lái)研究靶向藥物和治療相關(guān)疾病提供理論依據(jù)。