細(xì)胞焦亡與腦卒中關(guān)系的研究進(jìn)展

唐瓊燕， 陳勇軍

(南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，湖南省衡陽市421000)

在人的生長發(fā)育過程中，隨時(shí)都在發(fā)生細(xì)胞死亡，這是生物世界中普遍存在的一種生命現(xiàn)象，對多細(xì)胞生物的生長、發(fā)育和內(nèi)環(huán)境平衡起著重要作用。在以往人們的認(rèn)識中，細(xì)胞死亡主要有兩種方式，即細(xì)胞壞死和細(xì)胞程序性死亡，后者包括程序性細(xì)胞壞死和細(xì)胞凋亡[1]。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了許多細(xì)胞程序性死亡的新方式，如細(xì)胞自噬、鐵死亡和細(xì)胞焦亡。細(xì)胞焦亡是研究人員在使用志賀氏菌感染的小鼠巨噬細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)的一種不同于以往的細(xì)胞死亡形式，其后研究表明其依賴于半胱天冬酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase 1，Caspase-1)和Caspase-4/5/11，并最終定義為細(xì)胞焦亡[2]。

近年來，越來越多的研究表明細(xì)胞焦亡與腦卒中的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。因此，深入了解細(xì)胞焦亡在腦卒中發(fā)病進(jìn)程中的作用，有助于提高腦卒中診斷和治療水平。現(xiàn)擬對細(xì)胞焦亡與腦卒中的最新研究進(jìn)展做一綜述，以期為腦卒中的治療提供新策略。

1 細(xì)胞焦亡

1.1 細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征

細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡有一些相似的特征，如DNA損傷、細(xì)胞核濃縮和Caspase依賴性，但從形態(tài)學(xué)上看，其與凋亡有許多不同之處。首先，雖然細(xì)胞發(fā)生焦亡時(shí)同樣會發(fā)生細(xì)胞核變化和DNA損傷，但細(xì)胞焦亡過程中細(xì)胞核始終保持完整。其次，凋亡細(xì)胞的DNA損傷依賴于Caspase激活的DNA酶(Caspase-activated deoxyribonuclease,CAD)的激活和CAD抑制劑(inhibited Caspase-activated deoxyribonuclease,ICAD)的抑制，而細(xì)胞發(fā)生焦亡不需要CAD，即使Caspase-1也可以裂解CAD；此外，焦亡發(fā)生后以Caspase-1依賴性的方式使細(xì)胞膜的通透性增加、細(xì)胞腫脹直至破裂，而凋亡發(fā)生過程中的細(xì)胞始終保持細(xì)胞膜的完整性。再次，Caspase雖然既可以激活凋亡又可以激活焦亡，但與凋亡相關(guān)的主要是Caspase-3/6/7/8，而只有激活炎性Caspase如Caspase-4/5/11才能誘導(dǎo)焦亡發(fā)生[3]。最后，細(xì)胞凋亡受到ATP水平的影響，DNA損傷可激活Poly(ADP-核糖)聚合酶(PARP)，最終使ATP耗竭，因此，在凋亡發(fā)生過程中，Caspases為了維持ATP的平衡會剪切和下調(diào)PARP，而細(xì)胞焦亡的發(fā)生卻與PARP無關(guān)，即使Caspase-1也可以剪切PARP[4]。

1.2 細(xì)胞焦亡的分子學(xué)特征

炎性小體是含有模式識別受體(pattern-recognition receptor,PRR)的多分子復(fù)合物，PRR激活后通過激活炎癥引發(fā)焦亡。PRR可以識別入侵病原體誘導(dǎo)的特定病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)和內(nèi)源性病原體誘導(dǎo)的特定損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)[5]。PRR家族包括Toll樣受體(TLRs)、核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域和富含亮氨酸重復(fù)序列的受體(NLRs)。PRRs識別DAMPs和PAMPs后，誘導(dǎo)ASC形成一個(gè)巨大的超分子組合，將NLR與Caspase-1連接起來。該復(fù)合物通過激活Caspase-1介導(dǎo)經(jīng)典炎癥小體通路和Caspase-11/4/5介導(dǎo)的非典型炎癥小體通路而觸發(fā)焦亡[6]。

1.3 細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑

經(jīng)典的細(xì)胞焦亡途徑是由炎癥小體介導(dǎo)的依賴于Caspase-1的促炎性程序性細(xì)胞死亡方式。炎癥小體是由NLR、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和Caspase-1組成的多蛋白復(fù)合物。Caspase-1被炎性小體激活后，一方面可剪切白細(xì)胞介素-1β前體(pro-IL-1β)和白細(xì)胞介素-18前體(pro-IL-18)，分別使之活化成為IL-1β和IL-18；另一方面，可特異性切割Gasdermin D(GSDMD)，產(chǎn)生一個(gè)有活性的N-端片段(GSDMD-N)，該片段能與細(xì)胞膜緊密結(jié)合使之形成穿孔、最終導(dǎo)致細(xì)胞焦亡，同時(shí)可促進(jìn)IL-1β和IL-18的釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[7]。

1.4 細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑

非經(jīng)典途徑的細(xì)胞焦亡通常是胞質(zhì)脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)直接激活Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11介導(dǎo)焦亡，該類因子被胞內(nèi)革蘭氏陰性菌LPS直接刺激，然后會激活并水解自身蛋白酶活性。一方面，活化的Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可作用于GSDMD，產(chǎn)生與Caspase-1相同的使細(xì)胞膜裂解的作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔；另一方面，在NLRP3和ASC存在的情況下，活化的Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可以與Caspase-1相互作用，從而激活Caspase-1，而Caspase-1可以裂解IL-1β和IL-18前體形成活性的IL-1β和IL-18，并通過GSDMD-N形成的膜通道釋放，引起細(xì)胞焦亡[8]。與經(jīng)典途徑不同的是，在非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑中，只有IL-1β和IL-18前體的裂解依賴于Caspase-1，GSDMD的裂解由其他活化的炎性Caspase完成。

2 細(xì)胞焦亡與腦卒中

腦卒中(stroke)是神經(jīng)系統(tǒng)第一大疾病，是血管病變引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)急性局灶性損傷造成神經(jīng)功能缺陷，腦卒中主要分為兩種類型，即缺血性腦卒中和出血性腦卒中，出血性卒中又分為腦出血和蛛網(wǎng)膜下腔出血兩類，腦卒中所致的大腦功能損害會導(dǎo)致患者長期或終身殘疾，甚至死亡[9]。

2.1 細(xì)胞焦亡與腦梗死

腦梗死(ischemic stroke)又稱缺血性腦卒中，是腦血管疾病最常見的一種類型，指各種腦血管病變所致大腦血液供應(yīng)障礙，導(dǎo)致局部腦組織缺血缺氧性壞死，而迅速出現(xiàn)相應(yīng)神經(jīng)功能缺失的一類臨床綜合征[10]。目前，腦梗死有多種治療選擇，包括溶栓治療、血管內(nèi)取栓和神經(jīng)保護(hù)藥物治療。然而，由于治療時(shí)間窗狹窄，這些治療方法的應(yīng)用在臨床實(shí)踐中受到限制[11]。因此，研究腦梗死新的發(fā)病機(jī)制，尋找更加有效的治療方法迫在眉睫。

Poh等[12]發(fā)現(xiàn)腦梗死缺血核心區(qū)的壞死細(xì)胞在激活Caspase-1后，誘導(dǎo)IL-1β和IL-18的釋放，引發(fā)一系列炎癥級聯(lián)反應(yīng)，介導(dǎo)了腦梗死的發(fā)生。而Cao等[13]在大腦中動(dòng)脈閉塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)的大鼠腦梗死模型發(fā)現(xiàn)，NLRP1介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)明顯升高，包括增加Caspase-1、IL-1β和IL-18的水平。Li等[14]證實(shí)環(huán)磷酸鳥苷-腺苷合成酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)拮抗劑A151可以降低腦梗死小鼠腦組織中Caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18的水平，并可顯著減少腦梗死面積、減輕神經(jīng)功能損傷。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，靜脈注射人免疫球蛋白(intravenous immune globulin，IVIg)顯著降低缺血再灌注(ischaemia/reperfusion，I/R)誘導(dǎo)的初級皮層神經(jīng)元及腦組織中NLRP1、NLRP3、ASC、Caspase-1、Caspase-11、IL-1β、IL-18和cleaved Caspase-3水平，提示細(xì)胞焦亡在腦梗死患者神經(jīng)元細(xì)胞死亡及神經(jīng)功能損害起著重要的作用[15]。另有研究表明，ASC以NLRP3依賴的方式加重了復(fù)發(fā)性缺血性腦卒中的梗死后神經(jīng)缺損癥狀[16]。而最新的研究也發(fā)現(xiàn)，抑制Caspase-1的水平可以提高腦梗死后缺血帶中神經(jīng)細(xì)胞的存活率[17]。因此，細(xì)胞焦亡可能是治療腦梗死的一種新策略，而其相關(guān)因子也許是將來治療腦梗死的新靶點(diǎn)。

2.2 細(xì)胞焦亡與腦出血

腦出血(intracerebral hemorrhage，ICH)是指主要因高血壓和腦動(dòng)脈硬化引起的原發(fā)性非外傷性腦實(shí)質(zhì)出血，是腦血管疾病中第二大常見的類型，腦出血后導(dǎo)致腦組織移位和破壞，從而導(dǎo)致繼發(fā)性腦損傷[18]。

Ma等[19]發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥體通過釋放IL-1β和促進(jìn)中性粒細(xì)胞浸潤增強(qiáng)腦出血后炎癥反應(yīng)，抑制NLRP3炎癥體可以有效減輕腦出血后的炎癥反應(yīng)及腦水腫。Yang等[20]證明在大鼠誘導(dǎo)腦出血前30天及術(shù)后3天連續(xù)給予低劑量0.5 μg/g非馬沙坦灌服，可以減輕NLRP3、Caspase-1、ASC的激活及IL-1β的釋放，并且在不影響大鼠血壓的情況下，減輕腦血腫及腦水腫的范圍，改善腦出血大鼠的神經(jīng)功能。Lin等[21]發(fā)現(xiàn)抑制Caspase-1的活化降低腦出血后細(xì)胞焦亡的水平，可以改善腦出血后神經(jīng)功能障礙。Chen等[22]發(fā)現(xiàn)通過降低腦出血后神經(jīng)元NLRP1依賴的細(xì)胞焦亡途徑，可以改善腦出血后神經(jīng)功能。目前在臨床上應(yīng)用廣泛的藥物依達(dá)拉奉也是通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞NLRP3的表達(dá)，在腦出血后發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，提示細(xì)胞焦亡的水平與腦出血后的神經(jīng)功能呈負(fù)相關(guān)[23]。以上表明，細(xì)胞焦亡與腦出血的預(yù)后相關(guān)，而對細(xì)胞焦亡的抑制將可能成為治療腦出血的新方案。

2.3 細(xì)胞焦亡與蛛網(wǎng)膜下腔出血

蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)是指腦底部或腦表面的病變血管破裂導(dǎo)致血液直接流入蛛網(wǎng)膜下腔的一種臨床綜合征[24]，其中腦動(dòng)脈瘤破裂是自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血最常見的發(fā)病原因。

Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)NLRP3、Caspase-1在人腦動(dòng)脈瘤管壁中表達(dá)豐富，且在破裂動(dòng)脈瘤組織中過表達(dá)，表明細(xì)胞焦亡參與蛛網(wǎng)膜下腔出血的發(fā)生發(fā)展。Xu等[26]發(fā)現(xiàn)NLRP3介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞焦亡加重蛛網(wǎng)膜下腔出血模型大鼠的神經(jīng)功能損害及腦水腫程度。而降低蛛網(wǎng)膜下腔出血模型大鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中NLRP3-ASC炎癥小體的激活，可以減輕蛛網(wǎng)膜下腔出血后的腦水腫和神經(jīng)炎癥，短期內(nèi)的神經(jīng)功能也得到改善[27]。Wu等[28]使用蛋白質(zhì)免疫印跡法分析顯示蛛網(wǎng)膜下腔出血患者腦脊液中焦亡關(guān)鍵炎性蛋白NLRP1、ASC和Caspase-1水平較對照組升高，嚴(yán)重患者術(shù)后3個(gè)月炎性蛋白水平升高與預(yù)后差有關(guān)，其中高水平NLRP1是蛛網(wǎng)膜下腔出血后預(yù)后不良的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。以上表明，細(xì)胞焦亡在蛛網(wǎng)膜下腔出血的發(fā)生發(fā)展中具有重要的作用。

3 結(jié)語與展望

綜上所述，細(xì)胞焦亡在腦卒中的發(fā)生發(fā)展過程中有著重要的作用，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡關(guān)鍵因子的水平可減輕腦卒中后細(xì)胞焦亡水平。腦卒中的高發(fā)病率、高致殘率和高死亡率給全人類帶來沉重的負(fù)擔(dān)，而現(xiàn)有的治療方法在臨床上的應(yīng)用受到限制。目前的研究表明通過阻止細(xì)胞焦亡的發(fā)生可減輕腦卒中的發(fā)生發(fā)展，通過靶向細(xì)胞焦亡有望使腦卒中在治療上取得新突破，有可能在未來成為阻斷腦卒中進(jìn)展的有效治療方法，但目前的研究多以機(jī)制研究為主，且多在細(xì)胞水平和動(dòng)物水平上進(jìn)行，接下來可完善已有的研究成果，進(jìn)一步加強(qiáng)細(xì)胞焦亡相關(guān)過程與腦卒中關(guān)系的臨床研究，為腦卒中的治療提供更有效的策略。