郅 強(qiáng),張 楠,馮光玲,孫維義,趙媛媛,楊世發(fā)
(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 鄭州 450000;2.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院 鄭州 450000)
膿毒癥(sepsis)是因外傷、手術(shù)創(chuàng)傷或感染等引起全身嚴(yán)重炎癥反應(yīng)失控,進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重器官功能障礙的急危重癥,甚至可能發(fā)展為膿毒性休克,嚴(yán)重威脅患者生命[1]。膿毒癥是一個(gè)涉及全球的嚴(yán)重健康問題,全球膿毒癥每年新發(fā)超過1900萬例,死亡人數(shù)超過530萬,且許多患者即使存活下來也會(huì)遺留有嚴(yán)重的認(rèn)知障礙和功能殘疾[2-3]。相對而言,國內(nèi)關(guān)于膿毒癥高質(zhì)量系統(tǒng)性流行病學(xué)研究數(shù)據(jù)仍然不足,且多集中于單地區(qū)研究,且以重癥監(jiān)護(hù)病房病人為主。其中一項(xiàng)關(guān)于四川省三級(jí)醫(yī)院的重癥病房膿毒癥流行病學(xué)多中心研究顯示,膿毒癥的患病率為18.3%,死亡率可達(dá)57.5%[4]。而多數(shù)膿毒癥患者(尤其是處于膿毒癥早期)常在普通病房治療,因此膿毒癥的發(fā)病率應(yīng)該比統(tǒng)計(jì)的更高。
膿毒癥有較高的死亡率與嚴(yán)重的并發(fā)癥,也是造成患者外科手術(shù)術(shù)后的常見死亡原因,目前膿毒癥的治療方法多以抗感染、液體復(fù)蘇及使用血管活性藥物等一些非特異性療法為主,并不能有效降低膿毒癥的高死亡率[5],仍需對其進(jìn)行機(jī)制研究以開發(fā)新療法。細(xì)胞焦亡(pyroptosis)參與人體固有免疫,與膿毒癥的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切,以往有學(xué)者認(rèn)為細(xì)胞焦亡在膿毒癥發(fā)生初期可能因其對機(jī)體固有免疫的積極作用發(fā)揮抗感染的效果,但近些年的研究顯示細(xì)胞焦亡的激活在患者膿毒癥期間會(huì)促進(jìn)全身性級(jí)聯(lián)炎癥反應(yīng)的失控,引起多器官功能損傷[6-7]。因此,對于有效抑制細(xì)胞焦亡激活的藥物及其機(jī)制的探索為膿毒癥的治療提供了新的思路,已經(jīng)成為近些年抗膿毒癥研究的重點(diǎn)。
祖國醫(yī)學(xué)發(fā)展迅速,大量證據(jù)顯示,膿毒癥臨床常規(guī)治療基礎(chǔ)上加用中醫(yī)藥可以提高臨床療效、改善患者預(yù)后[8-10]。盡管如此,其機(jī)制研究仍不十分清楚。相對西藥而言,中醫(yī)藥具有多靶點(diǎn)、多通路治療疾病的優(yōu)勢。近些年中醫(yī)藥在抑制細(xì)胞焦亡性炎癥反應(yīng)進(jìn)而發(fā)揮抗膿毒癥作用方面的探索成果顯著,本文在前人的研究基礎(chǔ)上,對其研究成果進(jìn)行綜述與探析,以期為未來開展中醫(yī)藥治療膿毒癥的新療法研究提供思路。
細(xì)胞焦亡是一種依賴于半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase)激活且伴隨有大量炎癥因子釋放的細(xì)胞程序性死亡模式[11]。不同于細(xì)胞凋亡的非炎性吞噬,細(xì)胞焦亡導(dǎo)致的是細(xì)胞炎性死亡,其過程主要表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)膜孔道的形成、細(xì)胞腫脹破壞、胞膜溶解、炎癥因子釋放、固有免疫的發(fā)生,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[12]。細(xì)胞焦亡對于調(diào)節(jié)機(jī)體炎性免疫有著舉足輕重的作用,適當(dāng)?shù)募?xì)胞焦亡有利于激活機(jī)體固有免疫,對抗外界病菌對機(jī)體的入侵;而過激的細(xì)胞焦亡則會(huì)導(dǎo)致炎癥因子大量釋放,引起炎癥失控相關(guān)疾病。
細(xì)胞焦亡的激活途徑主要分為經(jīng)典途徑(依賴Caspase-1)及非經(jīng)典途徑(依賴Caspase-4/5/11)。
在細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑中,炎性小體激活是重要的條件。在如今發(fā)現(xiàn)的多種典型炎性小體中,核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體(NLR protein,NLRP)3是主要介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的炎性小體[13]。NLRP3的激活主要受兩個(gè)信號(hào)途徑調(diào)控,即Toll樣受體4(Toll-link receptors 4,TLR4)途徑和ATP依賴的嘌呤受體途徑[14]。NLRP3會(huì)結(jié)合凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated specklike protein containing a CARD,ASC),激活 與切割Caspase-1及消皮素D(Gasdermin D,GSDMD)蛋白,GSDMD蛋白的N端會(huì)易位至細(xì)胞膜并寡聚化形成內(nèi)徑約為10-14 nm的孔洞,促進(jìn)炎癥因子白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)和 白 細(xì) 胞 介 素-18(interleukin-18,IL-18)分泌至孔外,誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[15-16]。
細(xì)胞焦亡非經(jīng)典途徑的激活并不依賴于NLRP3。入侵機(jī)體的革蘭氏陰性細(xì)菌的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)可以直接激活Caspase-4/5/11,繼而裂解GSDMD,導(dǎo)致細(xì)胞膜孔洞的形成,促進(jìn)IL-1β和IL-18從細(xì)胞中的釋放,導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生[17]。然而,Caspase-11不具有將前體IL-1β及IL-18加工成成熟IL-1β和IL-18的功能,其可以作為信號(hào)分子參與LPS對NLRP3的激活,進(jìn)而活化Caspase-1,分泌低水平IL-1β參與細(xì)胞焦亡[18]。這表明細(xì)胞焦亡經(jīng)典與非經(jīng)典途徑之間可能存在著一些交互作用,有待進(jìn)一步研究明確其機(jī)制。
與此同時(shí),最近的研究顯示,以上兩種激活途徑可能并非激活細(xì)胞焦亡所必需。Zhang等[19]的研究顯示,化療藥物多柔比星可以通過調(diào)控活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)/c-Jun氨基末端蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)信 號(hào) 通 路 促 進(jìn)Caspase-3對GSDME(Gasdermin E)的切割進(jìn)而誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞的焦亡。Caspase-8是Caspase-3的上游激活劑,可以控制細(xì)胞凋亡。與此同時(shí),Caspase-8可以通過切割GSDMD觸發(fā)鉀外流引起的細(xì)胞膜損傷,進(jìn)而誘發(fā)不以Caspase-1/11為主的細(xì)胞焦亡,導(dǎo)致NLRP3激活、ASC寡聚化及IL-1β釋放[20]。
以上研究表明細(xì)胞焦亡的激活受到眾多靶點(diǎn)的調(diào)控,而中醫(yī)藥在治療疾病中具有調(diào)控多靶點(diǎn)的優(yōu)勢已成為共識(shí),深入研究中醫(yī)藥對細(xì)胞焦亡的多靶點(diǎn)調(diào)控機(jī)制,可能是開發(fā)治療眾多炎性疾病療法的新思路。
一般情況下,細(xì)胞焦亡可以在對抗細(xì)胞內(nèi)病原菌的固有免疫中起到積極作用,保護(hù)機(jī)體免受侵入性病原菌的感染;而在膿毒癥時(shí)期,細(xì)胞焦亡的激活會(huì)擴(kuò)大炎癥反應(yīng)繼而使其失控,促進(jìn)膿毒癥進(jìn)一步發(fā)展,甚至?xí)?dǎo)致膿毒性休克,威脅患者生命[21]。在膿毒癥出現(xiàn)時(shí),大量活化的炎癥細(xì)胞可以觸發(fā)細(xì)胞焦亡,持續(xù)合成并分泌IL-1β和IL-18,這一過程使得炎癥信號(hào)進(jìn)一步放大,導(dǎo)致炎癥失控,造成組織細(xì)胞損傷,引起器官功能障礙[22]。有證據(jù)顯示,NLRP3和Caspase-1 mRNA水平與巨細(xì)胞病毒引起的膿毒癥的嚴(yán)重程度密切相關(guān)[23]。與此同時(shí),另有研究表明[24],Caspase-1是預(yù)測嚴(yán)重創(chuàng)傷后膿毒癥發(fā)生的潛在標(biāo)志物。而大量的證據(jù)也證實(shí)[25-27],細(xì)胞焦亡在促進(jìn)膿毒癥發(fā)展的同時(shí),也是膿毒癥性器官功能損傷的重要原因。
總而言之,膿毒癥的進(jìn)展及不良預(yù)后與細(xì)胞焦亡導(dǎo)致的炎癥失控密切相關(guān),通過抑制細(xì)胞焦亡的激活可為膿毒癥的治療提供新策略。
膿毒癥的本質(zhì)是全身炎癥性反應(yīng),而中醫(yī)學(xué)內(nèi)并無對膿毒癥的明確定義,但依據(jù)其證候與臨床特點(diǎn),可將其歸入“傷寒”、“溫病”、“外感熱病”等范疇[28]。在該病早期可有發(fā)熱、口干、乏力之表現(xiàn),為溫?zé)嶂叭肭謾C(jī)體;中期可見高熱、昏迷等表現(xiàn),為病邪入里;晚期則見氣息微弱、四肢厥冷的表現(xiàn),為心陽虧耗、陰陽離絕[29]?!饵S帝內(nèi)經(jīng)》認(rèn)為“熱著寒之”,因此在中醫(yī)方面,膿毒癥的治療多采用清熱藥物,如大黃、黃芩等,然膿毒癥患者多有因正氣不足致血液運(yùn)行無力而產(chǎn)生的瘀血阻滯,因此治療時(shí)在清熱藥的運(yùn)用外多加用益氣、活血類中藥,如人參、黃芪、赤芍等[30]。
細(xì)胞焦亡的本質(zhì)是伴隨大量炎癥因子釋放的細(xì)胞程序性死亡模式,在中醫(yī)方面,可以以中醫(yī)理論中的“陰陽”來描述細(xì)胞焦亡,即細(xì)胞存在陰陽對立屬性[31]。中醫(yī)認(rèn)為,人體作為一個(gè)有機(jī)的整體,也存在“陰陽”之說,其內(nèi)的“陰陽平衡”調(diào)節(jié)著細(xì)胞的一系列生命活動(dòng),包括生長、凋亡、死亡整個(gè)細(xì)胞生命過程?!秲?nèi)經(jīng)》有云“陰平陽秘,精神乃治”,細(xì)胞陰陽的調(diào)控對于人體陰陽平衡至關(guān)重要,適當(dāng)?shù)募?xì)胞焦亡有利于機(jī)體的“陰陽平衡”,然而當(dāng)存在諸如外傷、手術(shù)創(chuàng)傷或感染時(shí),則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的過度激活,進(jìn)而引起“陰陽失衡”。
近些年來中醫(yī)藥在抑制細(xì)胞焦亡治療膿毒癥方面取得了較多進(jìn)展,其可以通過調(diào)控多靶點(diǎn)抑制多種細(xì)胞焦亡途徑的激活,發(fā)揮抗膿毒癥及改善膿毒癥相關(guān)器官損傷的作用。下文總結(jié)并探析了其研究成果及相關(guān)研究方法。見表1。
在膿毒癥期間,炎性小體NLRP3的活化是細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑激活的一個(gè)重要標(biāo)志,其可以激活Caspase-1誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生,因此抑制NLRP3的活化是抑制細(xì)胞焦亡、控制炎癥發(fā)展的一項(xiàng)有效措施。Yang等[32]發(fā)現(xiàn),胡薄荷酮可以通過抑制NLRP3炎性小體表達(dá)發(fā)揮對膿毒癥小鼠的抗炎作用。同時(shí),李曼等[33]研究發(fā)現(xiàn),黃芪甲苷可以通過抑制NLRP3炎性小體對Caspase-1的活化作用,減輕膿毒癥小鼠腸屏障功能障礙。
炎癥失控造成的組織細(xì)胞損傷是膿毒癥性器官功能受損的重要原因,中醫(yī)藥抑制細(xì)胞焦亡可以有效控制炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),改善器官功能障礙。何荷等[34]研究發(fā)現(xiàn),綠原酸對LPS誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠肺損傷有一定的保護(hù)作用,該結(jié)果是通過抑制ROS/硫氧還蛋白互作蛋白(thioredoxin-interactingprotein,TXNIP)/NLRP3信號(hào)通路進(jìn)而抑制細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑而實(shí)現(xiàn)的。與此同時(shí),白藜蘆醇被證明可以通過激活沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent mating type information regulation 2 homolog-1,SIRT1)抑制NLRP3炎癥小體的激活,從而降低Caspase-1和ASC的表達(dá),改善膿毒癥后腸黏膜屏障功能損傷[35]。Guo等[36]發(fā)現(xiàn),百里醌可以通過抑制NLRP3和Caspase-1來減輕膿毒癥引起的小鼠急性腎損傷。帕金(Parkin)蛋白是一種具有E3泛素蛋白連接酶的蛋白,Gao等[37]在盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)(CLP)誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠中發(fā)現(xiàn),虎杖苷可以通過誘導(dǎo)Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬抑制NLRP3炎癥小體激活,降低Caspase-1和ASC的表達(dá),改善膿毒癥急性腎損傷。
在眾多膿毒癥性器官損傷中,肺部損傷所導(dǎo)致的呼吸功能受損是膿毒癥患者的主要死亡原因之一,改善膿毒癥性肺部傷是降低膿毒癥死亡率的重要措施。Wang等[38]研究發(fā)現(xiàn),二氫楊梅素可以通過抑制NLRP3導(dǎo)致的Caspase-1依賴性細(xì)胞焦亡減輕膿毒癥小鼠出現(xiàn)的急性肺損傷,改善小鼠的存活率。Li等[39]發(fā)現(xiàn),芒果苷可以通過以p65依賴性方式抑制NLRP3炎癥小體激活來減輕LPS誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠急性肺損傷。于此同時(shí),馬錢苷也被證明可以通過制核因子κB(NFκB)信號(hào)通路抑制NLRP3炎癥小體激活達(dá)到減輕膿毒癥小鼠急性肺損傷效果[40]。
此外,丹參酮IIA磺酸鈉[41]、大黃素[42]、梔子苷[43]等均可以通過抑制NLRP3激活導(dǎo)致的Caspase-1依賴性細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑,改善膿毒癥小鼠心肌功能損傷。而槐果堿[44]通過誘導(dǎo)自噬、6-姜酚[45]通過抑制核因子E2相關(guān) 因子2(nuclear factor NF-E2-related factor 2,Nrf2)信號(hào)通路可以抑制細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑對膿毒癥膿毒癥小鼠的肝損傷有較好的保護(hù)作用。
中醫(yī)藥可以通過多靶點(diǎn)抑制NLRP3的激活及其誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑發(fā)揮抗膿毒癥作用。然而,調(diào)控細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑的相關(guān)通路及其靶點(diǎn)并非單獨(dú)作用,而是相互介導(dǎo)。目前的相關(guān)研究仍集中于細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑中NLRP3的上下游靶點(diǎn),對其它相關(guān)信號(hào)通路及其關(guān)鍵因子的探索仍有待加強(qiáng)。
依賴于Caspase-11的非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑是細(xì)胞焦亡的重要途徑之一,其不僅可以在LPS的刺激下直接裂解GSDMD導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生,也可以作為信號(hào)分子激活細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑。
Zhang等[46]研究發(fā)現(xiàn),木犀草素可以通過抑制依賴于Caspase-11的細(xì)胞焦亡,同時(shí)抑制Caspase-1表達(dá),減輕膿毒癥小鼠急性肺損傷。與此同時(shí),劉雨濃[47]等進(jìn)行的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示,黃連解毒湯有效組分因?qū)PS活化Caspase-11介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡具有顯著的抑制作用,同時(shí)也減少了Caspase-11對Caspase-1的激活作用,從而顯現(xiàn)出抗膿毒癥的潛在作用。膿毒癥性心肌功能障礙是心肌細(xì)胞焦亡的主要表現(xiàn)。殷玥等[48]進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,對雄性C57BL/6膿毒癥小鼠模型采用楤木皂苷預(yù)處理可以顯著抑制心肌細(xì)胞焦亡,使小鼠生存率升高,且其細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí),楤木皂苷的干預(yù)明顯抑制了Caspase-11的活化,使IL-1β水平明顯降低。細(xì)菌性膿毒癥中凝血系統(tǒng)的過度激活會(huì)導(dǎo)致彌散性血管內(nèi)凝血(disseminated intravascula rcoagulation,DIC),這是膿毒癥休克的主要原因,是一種危及生命的病理生理綜合征,抑制細(xì)胞焦亡可以顯著改善這一狀況。Yuan等[49]的研究結(jié)果顯示,小檗堿生物堿可以通過阻斷Msr1的表達(dá),抑制細(xì)菌性膿毒癥中Caspase-11依賴性細(xì)胞焦亡,預(yù)防和治療膿毒癥造成的DIC。
相對于中醫(yī)藥通過細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑治療膿毒癥而言,非經(jīng)典途徑的研究較少。有研究表明,在LPS膿毒癥小鼠模型中,小鼠的死亡率在缺乏Caspase-11的情況下顯示出降低的趨勢,然而敲除了NLRP3的膿毒癥小鼠,其死亡率并未在大劑量LPS誘導(dǎo)膿毒癥的情況下出現(xiàn)明顯降低[50]。這可能與NLRP3的激活并未如Caspase-11介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡那樣普遍存在有關(guān)。且細(xì)胞焦亡經(jīng)典與非經(jīng)典途徑之間存在著交互作用,其中抑制Caspase-11的激活無疑是阻斷這種交互作用的有效措施。因此加大對抑制Caspase-11依賴性細(xì)胞焦亡非經(jīng)典途徑的探索,對膿毒癥治療也是一個(gè)重要的研究方向。
早期的研究認(rèn)為Caspase-3誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡屬于細(xì)胞凋亡,然而近些年隨著對細(xì)胞焦亡的深入研究發(fā)現(xiàn)Caspase-3亦可以激活細(xì)胞焦亡,抑制Caspase-3的激活在一定程度上也可以抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生。張海芳等[51]使用丹參酮干預(yù)膿毒癥大鼠后發(fā)現(xiàn),丹參酮可以通過抑制Caspase-3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡及細(xì)胞凋亡,改善膿毒癥大鼠心臟損傷功能。
目前關(guān)于中醫(yī)藥通過抑制Caspase-3等其它途徑介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡治療膿毒癥的研究較不足,仍然處于探索當(dāng)中,加大這一方面的研究可能會(huì)為未來中醫(yī)藥通過抑制細(xì)胞焦亡治療膿毒癥及其與其它程序性細(xì)胞死亡模式如細(xì)胞凋亡等的關(guān)系提供新的見解。
目前臨床膿毒癥治療中的許多問題仍未解決,如抗菌藥耐藥性及糖皮質(zhì)激素的使用增加而帶來的副作用等,且單純的抑制炎癥并不能獲得理想的治療效果,因此深入研究膿毒癥中炎癥失控的相關(guān)機(jī)制,將是開發(fā)有效防治膿毒癥新療法的關(guān)鍵措施。細(xì)胞焦亡是一種可以受到多靶點(diǎn)調(diào)控的細(xì)胞死亡方式,其激活并釋放的炎癥因子可以促進(jìn)膿毒癥的發(fā)展。中醫(yī)藥具有調(diào)控多靶點(diǎn)治療疾病的優(yōu)勢,其可通過調(diào)控細(xì)胞焦亡經(jīng)典、非經(jīng)典途徑及其它靶點(diǎn),抑制細(xì)胞焦亡過度激活的炎癥反應(yīng)來防治膿毒癥。然而,目前的相關(guān)研究仍然存在著一些缺陷。首先,許多藥物的研究比較局限,多著眼于細(xì)胞焦亡相關(guān)因子,對作用通路的系統(tǒng)化研究比較淺顯,且缺少對通路間網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的研究,無法全面系統(tǒng)的顯示作用機(jī)制。其次,相關(guān)研究多集中在中醫(yī)藥對細(xì)胞焦亡經(jīng)典途徑的抑制,關(guān)于抑制非經(jīng)典及其它如Caspase-3途徑的探索仍然欠缺。最后,對中藥提取物的單一研究并不能很好的體現(xiàn)中醫(yī)藥多組分、多層次、多靶點(diǎn)治療疾病的優(yōu)勢,對中藥復(fù)方抑制細(xì)胞焦亡治療膿毒癥的探索還需加強(qiáng)。以上問題表明,中醫(yī)藥抑制細(xì)胞焦亡治療膿毒癥的研究仍有很長的路要走,與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合進(jìn)行全面系統(tǒng)的探索將是祖國醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要方向。此外,膿毒癥也是外科手術(shù)術(shù)后嚴(yán)重的致死性并發(fā)癥,中醫(yī)藥是否可以通過抑制細(xì)胞焦亡有效防治手術(shù)術(shù)后膿毒癥及其相關(guān)作用機(jī)制的研究仍然匱乏。因此,加大中醫(yī)藥在應(yīng)對此類情況引起的膿毒癥等致死性感染性疾病中的臨床或基礎(chǔ)研究,可能是促進(jìn)祖國醫(yī)藥在臨床防治外科相關(guān)疾病治療過程中所引起的包括膿毒癥在內(nèi)的感染性急危重癥的重要前提,也是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。