細胞焦亡在腫瘤中的研究進展

覃高升，李佳樂，王婉婉，孫達欣

桂林醫(yī)學院附屬醫(yī)院乳腺甲狀腺外科，廣西 桂林 541000

近年來，惡性腫瘤的發(fā)病率逐年升高，世界衛(wèi)生組織（WTO）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018年全球新發(fā)惡性腫瘤共1810萬例，病死960萬例，且中國惡性腫瘤的發(fā)病率和病死率居全球首位[1]。隨著工業(yè)化程度的不斷提高、環(huán)境污染和不良生活習慣，腫瘤的發(fā)病率將會不斷升高，早發(fā)現(xiàn)，早診斷，早治療極其重要。細胞焦亡在腫瘤的發(fā)展轉歸中發(fā)揮重要作用，深入探究細胞焦亡與腫瘤關系有利于對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及新的預防治療提供新思路，2000年，Molly等就證明了沙門氏菌通過一種依賴于caspase 1誘發(fā)的炎性壞死機制引起巨噬細胞凋亡，并提出這一概念為細胞焦亡[2]。2018年，細胞死亡命名委員會對細胞死亡的不同形態(tài)提出了統(tǒng)一的命名標準，將細胞死亡分為細胞凋亡、細胞自噬、細胞壞死和細胞焦亡等[3]。在醫(yī)療技術不斷發(fā)展進步的同時，病原體也在不斷地進化升級，可在機體細胞的保護環(huán)境中頑強生存和復制而不受免疫反應的影響；通過細胞焦亡在腫瘤中可能發(fā)生的分子機制，找到細胞焦亡的可能調(diào)控方式而達到控制或治療腫瘤的方法，對于基礎研究或臨床治療腫瘤均有重要作用。

1 細胞焦亡的定義及其機制

程序性細胞死亡指依賴于細胞內(nèi)的遺傳編碼調(diào)控的死亡[3-4]，細胞焦亡和細胞凋亡均同屬于程序性細胞死亡，但它們之間也有差別。細胞凋亡是當前研究得比較透徹的程序性死亡方式，凋亡一詞在希臘語中用來表示“脫落”，指的是一種可控的生理過程，主要通過caspase 3、caspase 8、caspase 9介導，細胞凋亡的發(fā)生主要是為了維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，在沒有組織破壞和炎癥的情況下，由基因調(diào)控的細胞自發(fā)的有序死亡，其發(fā)生可以使細胞成分得到再次利用。細胞壞死則是由于炎性因子釋放導致的內(nèi)環(huán)境絮亂從而發(fā)生的被動的、意外的死亡。細胞自噬指細胞內(nèi)細胞成分的降解，形態(tài)學特征包括空泡化、胞質(zhì)內(nèi)容物降解和染色質(zhì)微凝[5]。細胞焦亡則是一種依賴于caspase 1、caspase 4、caspase 5、caspase 11，由Gasdermin D（GSDMD）蛋白介導的炎癥性程序性死亡方式；固有免疫系統(tǒng)是抵御病原體的第一道防線，通過細胞分子機制對病原體產(chǎn)生有效的抗炎和抗菌作用，感染和細胞應激均可觸發(fā)典型或非典型炎癥小體的組裝，從而激活caspase 1和caspase 11，活化的caspase則通過切割GSDMD蛋白使其轉化為活化狀態(tài)從而導致細胞焦亡，在固有免疫中發(fā)揮關鍵作用[6-8]。

Gasdermin家族包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、DFNA5和DFNB59，GSDMD由487種氨基酸構成，是 caspase 1、caspase 4、caspase 5、caspase 11誘發(fā)焦亡的共同底物，亦可稱為成孔蛋白質(zhì)。GSDMD穩(wěn)態(tài)下保持自抑狀態(tài)，可被裂解為與細胞膜相關的GSDMD-N端p30片段和GSDMD-C端片段，從而解除自抑狀態(tài)，研究表明，其自抑狀態(tài)是由于GSDND-C端靶向GSDMD-N末端殘基導致的，GSDMD-N端p30片段具有固有的細胞膜毒性作用，其可靶向定位于細胞膜脂質(zhì)雙分子層上使其形成10～14 nm的孔隙，破壞細胞膜的完整性，消除膜內(nèi)外的等離子濃度梯度，導致細胞腫脹破裂，大量內(nèi)容物（溶酶體、炎性因子等）釋放，最終導致細胞發(fā)生炎性死亡，有研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD蛋白是在ASP-276位點被caspase裂解，而將ASP-276位點突變后，caspase則無法切割激活GSDMD而不能觸發(fā)細胞焦亡，同時，GSDMD的缺失也將不能引起焦亡過程的發(fā)生，可見GSDMD蛋白在細胞焦亡中的重要作用[8-14]。

1.1 經(jīng)典細胞焦亡通路

當機體受到自身或病原體的各種刺激后，固有免疫細胞會對病原體迅速做出免疫應答，這種識別模式主要是通過模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）來實現(xiàn)的，PRR主要包括黑色素瘤缺乏因子2受體（absent in melanoma 2 like receptor，ALR）、Nod樣受體（Nod-like receptor，NLR）、Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）、C型凝集素受體（C-type lectin receptors，CLR）[15-17]，PRR可識別細胞表面和核內(nèi)的微生物結構，稱為病原體相關分子 模 式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）；識別受損機體細胞釋放的內(nèi)容物信號，稱為危險相關分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP），PAMP和DAMP均可激活多種信號通路，從而引起典型炎癥小體復合物的組裝，這些炎癥小體是一種高分子復合物，主要包括一個傳感器（ALR/NLR/TLR/CLR）、一個接頭蛋白[凋亡相關點狀蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）]和一個效應體[半胱氨酸蛋白酶1前體蛋白（pro-cysteiny laspartate specific proteinase 1，pro-caspase 1）]構成，ASC是由熱蛋白結構域（pyrin domain，PYD）和胱天蛋白酶激活募集結構域（caspase activation and recruitment domain，CARD）組成，并通過PYD-PYD結構方式與傳感器結合，通過CARD-CARD結構方式與效應體結合，組裝成為一個炎癥小體[18-19]。這些炎癥小體可激活pro-caspase 1，一方面活化的caspase 1可切割GSDMD蛋白，形成具有膜毒性的GSDMDN端p30片段引起焦亡；另一方面caspase 1可活化白細胞介素前體（pro-IL-1β和pro-IL-18），使其成熟為有活性的炎性因子白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18，并進一步擴大炎性反應。由此可見，這些依賴于caspase 1的炎癥小體稱為經(jīng)典炎癥小體，主要包括 NLRP1、NLRP3、NLRC4和AIM2，由此引起的焦亡通路則稱為經(jīng)典焦亡通路[9,20-21]。

1.2 非經(jīng)典細胞焦亡通路

革蘭陰性菌感染時，小鼠體內(nèi)由caspase 11（人體內(nèi)由caspase 4/caspase 5）介導非典型炎癥小體信號導致感染細胞焦亡，革蘭陰性菌的細胞壁成分——脂多糖，是激活caspase 4/caspase 5/caspase 11的關鍵，caspase 4/caspase 5/caspase 11是脂多糖的受體，脂多糖可以直接與caspase 4/caspase 5/caspase 11的CARD結構域結合使其活化，蛋白水解GSDMD，形成GSDMD-N端p30片段誘導細胞焦亡[8,12,22-23]。研究顯示，活化的caspase 11也可通過誘導NLRP3炎癥小體的組裝參與經(jīng)典焦亡通路，激活caspase 1，活化并分泌pro-IL-1β和pro-IL-18，進一步擴大炎性反應。此外，有研究表明，活化的caspase 4/caspase 5/caspase 11可激活細胞膜上控制小分子物質(zhì)進出的通道Pannexin-1，釋放出單價陽離子、陰離子和ATP，參與導致細胞腫脹破裂過程，同時，釋放的大量ATP可激活細胞膜上對ATP敏感的P2X7通道，P2X7相關孔道的打開，進一步破壞細胞膜的完整性，誘導細胞焦亡[16,24-25]。

2 細胞焦亡與腫瘤關系

2.1 細胞焦亡與結直腸癌

結腸癌是全球常見的惡性腫瘤，病死率高，預后極差。肝X受體（LXR）被認為具有某種抗癌特性，在LXR受體激動劑作用下，LXRβ誘導結腸癌細胞發(fā)生細胞焦亡，為結腸癌的治療提供了新的可能性。Derangère等[26]通過在人結腸癌細胞HCT116、HT29、HCT8和 SW480細胞系中使用LXR受體激動劑——T0901317，結果發(fā)現(xiàn)，該受體激動劑的劑量和作用時間影響了結腸癌細胞的存活能力，并證明T0901317是通過誘導NLRP3炎癥小體的組裝激活caspase 1，從而引起腫瘤細胞的焦亡，并阻止其進一步擴散。此外，通過免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)，人結腸癌HCT116細胞中的LXRβ定位于細胞膜，并與Pannexin-1相互作用產(chǎn)生大量的ATP，進而打開ATP介導的P2X7相關通路，加速焦亡的發(fā)生，在小鼠結腸癌模型中表現(xiàn)出了抗腫瘤作用[26]。綜上所述，誘導腫瘤細胞焦亡是治療腫瘤的一個有效途徑。Dupaul-Chicoine等[27]研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎癥小體成分缺失的結腸癌肝轉移小鼠，其IL-18信號通路和FasL通路的受損，將影響自然殺傷細胞的成熟過程并啟動其殺傷功能，細胞焦亡途徑的缺失促進了腫瘤的進展。Dihlmann等[28]通過檢測并分析414例結腸癌患者腫瘤組織內(nèi)黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）表達情況，結果發(fā)現(xiàn)，AIM2的表達與腫瘤分級和微衛(wèi)星不穩(wěn)定性狀態(tài)成明顯負相關，與性別、年齡、腫瘤位置、國際抗癌聯(lián)盟（Union for International Cancer Control，UICC）分期無相關性，超過50%的AIM2表達缺失的結直腸癌患者在2年內(nèi)復發(fā)，近50%的AIM2陰性腫瘤患者在確診5年內(nèi)死亡，相比之下，AIM2特異性表達的患者中，80%患者2年內(nèi)無復發(fā)情況，5年后仍有70%生存。表明AIM2表達缺失，即不能通過焦亡途徑殺死腫瘤細胞，與結直腸癌患者預后不良密切相關。Chen等[29]通過在結直腸癌HCT116細胞中重建AIM2的表達，結果發(fā)現(xiàn)，結直腸癌細胞的活性受到了抑制，腫瘤細胞死亡增加；通過其細胞周期分析發(fā)現(xiàn)，AIM2抑制了腫瘤細胞從G1期向S期的轉變，從而達到抑癌作用。上述研究有力地證明了細胞焦亡與腫瘤的相關性。

2.2 細胞焦亡與胃癌

Wang等[30]發(fā)現(xiàn)，GSDMD在胃癌中的表達水平較低，GSDMD沉默可顯著促進腫瘤細胞的增殖，還可通過抑制胃癌細胞外信號調(diào)節(jié)激酶、信號轉導器和轉錄激活因子3、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路和調(diào)節(jié)細胞周期相關蛋白來抑制S/G2轉變，促進腫瘤細胞焦亡，表明利用GSDMD作為胃癌診斷和治療依據(jù)有一定的可能性。

2.3 細胞焦亡和肝癌

Wei等[31]對NLRP3炎癥小體在肝癌進展中的作用展開了研究，共納入128例肝癌患者，采用免疫組化技術對128例肝癌患者的肝癌組織和相應的癌旁組織進行NLRP3炎癥小體成分的表達分析，結果發(fā)現(xiàn)，NLRP3、ASC、caspase 1、IL-1β表達陽性，表明均存在有細胞焦亡，統(tǒng)計分析顯示，與肝炎和肝硬化組織相比，肝癌組織中NLRP3炎癥小體成分的表達明顯較低，而與正常肝組織無顯著差異，提示NLRP3炎癥小體在正常組織中的表達水平較低。此外，肝癌患者肝癌組織中NLRP3的表達水平與其病理分級、臨床分期呈負相關，由此推測細胞焦亡可能抑制了肝癌的發(fā)生發(fā)展。Ma等[32]納入了113例肝癌患者，結果發(fā)現(xiàn)，與癌旁正常組織相比，肝癌細胞中AIM2炎癥小體的表達明顯較少，肝癌患者AIM2炎癥小體的表達與腫塊體積、Edmonson分級、TNM分期呈負相關，證實了AIM2炎癥小體以誘導腫瘤細胞焦亡的方式對肝癌細胞產(chǎn)生抗腫瘤的作用。此外，Chu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，黃連素可通過激活caspase 1，引起肝癌細胞焦亡從而達到抑制肝癌進展的作用。Chen等[34]在對247例肝癌患者肝癌組織的研究發(fā)現(xiàn)，肝癌細胞焦亡參與了腫瘤進展，并通過實驗驗證了黃酮類藥物可明顯升高NLRP3炎癥小體的表達，進而誘導肝癌細胞焦亡，發(fā)揮抗肝癌作用。此外，有研究者證實了激活丙肝病毒感染患者NLRP3炎癥小體，可引起細胞焦亡，通過用caspase 1抑制劑特異性阻斷細胞焦亡過程，可逆轉細胞焦亡引起的肝細胞損傷[35]。

2.4 細胞焦亡和乳腺癌

Pizato等[36]對乳腺癌MDA-MB-231細胞系使用二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）時觀察到了caspase 1的激活和膜孔的形成，形成了經(jīng)典焦亡通路，介導了乳腺癌細胞的死亡，揭示了DHA的抗癌作用，指出誘導細胞焦亡的發(fā)生是抗癌治療的新靶點。然而，在一些報道中，焦亡相關炎癥小體在某些微環(huán)境下反而可促進疾病進展。肥胖是乳腺癌的高危因素，NLRC4炎癥小體在肥胖乳腺癌患者的乳腺癌組織中表達上調(diào)，Kolb等[37]在肥胖的乳腺癌小鼠中發(fā)現(xiàn)了NLRC4炎癥小體的激活和IL-1β的活化，后者作用于脂肪組織，誘導脂肪細胞來源的血管內(nèi)皮生長因子和新生血管生成，從而有可能促進乳腺癌的進展。Guo等[38]研究表明，NLRP3炎癥小體激活和IL-1β產(chǎn)生營造的炎癥微環(huán)境促進了乳腺癌的進展，而在炎癥小體缺失的乳腺癌小鼠中，腫瘤細胞的生長和轉移能力明顯降低。綜上所述，細胞焦亡在不同腫瘤、腫瘤的不同階段或不同的腫瘤微環(huán)境中，對腫瘤的作用有可能是不一樣的。

2.5 細胞焦亡和肺癌

Gao等[39]研究發(fā)現(xiàn)，非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者的肺癌組織中GSDMD蛋白表達水平明顯高于癌旁組織，通過MTT和菌落實驗證明，GSDMD缺失可抑制非小細胞肺癌PC9、H1703和H1975細胞系的生長，采用膜聯(lián)蛋白Ⅴ（AnnexinⅤ）和碘化丙啶（propidium iodide，PI）聯(lián)合染色方法區(qū)分細胞凋亡和細胞焦亡后，NLRP3炎癥小體在GSDMD缺失的情況下誘導了細胞凋亡，使用GSDMD抑制劑可在一定程度上抑制NSCLC的進展。Wang等[40]使用脂多糖和ATP刺激肺腺癌A549細胞系后，觀察到了NLRP3炎癥小體的組裝和活化，活化的NLRP3炎癥小體促進蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1（extracellular signal-regulated kinase 1，ERK1）/ERK2和cAMP反應元件結合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）的磷酸化從而促進了疾病的進展，在使用caspase 1抑制劑來阻斷NLRP3炎癥小體的組裝后，肺癌A549細胞系的增殖受到了抑制。此外，Zou等[41]研究顯示，白藜蘆醇葡萄糖甙可通過抑制NLRP3炎癥小體的組裝和活化進而抑制了NSCLC的進展。另一方面，Wang等[42]使用辛伐他汀治療NSCLC小鼠，結果發(fā)現(xiàn)，辛伐他汀可誘導NLRP3炎癥小體的組裝，誘導了NSCLC細胞焦亡，抑制了疾病進展。

2.6 細胞焦亡和皮膚癌

Drexler等[43]研究了ASC在炎性環(huán)境下的啟動和功能，結果發(fā)現(xiàn)，ASC在骨髓細胞中表達時為腫瘤發(fā)生的驅(qū)動因子，而在角質(zhì)形成細胞中表達時則是腫瘤抑制因子，ASC在皮膚癌中的表達可以抑制皮膚癌的進展。

3 細胞焦亡與其他疾病

目前，臨床對細胞焦亡在糖尿病、人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIⅤ）、自身免疫疾病和心血管疾病中均已經(jīng)非常深入[44-47]，如組氨酸可以通過抑制NLRP3炎癥小體的表達，來阻斷在缺血再灌注損傷中神經(jīng)細胞的焦亡而發(fā)揮治療作用[48]。也有研究顯示，天麻素可用于治療心肌梗死，其作用也是通過抑制NLRP3/caspase 1相關通路介導的細胞焦亡的發(fā)生[49]。

4 小結與展望

細胞焦亡是一種新近發(fā)現(xiàn)的依賴于caspase 1活化由GSDMD執(zhí)行的程序性死亡方式，是近年來非常熱門的研究方向，從本綜述中概括的證據(jù)也可以清楚看出，對細胞焦亡途徑中的任何一個環(huán)節(jié)的調(diào)控均可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮不同的作用。細胞焦亡參與腫瘤發(fā)展中的炎癥過程是復雜的，不僅僅與焦亡本身機制有關，也可能與不同腫瘤進展階段和不同類型的腫瘤有關，因此，精心設計的針對不同腫瘤的后續(xù)實驗是有必要的，深入理解和研究焦亡的機制在相關腫瘤中的作用將可以為腫瘤的預防和治療提供全新的思路。