細(xì)胞焦亡與支氣管哮喘關(guān)系的研究

姜曉紅，黃玉鉀，谷夢霞

（廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院老年呼吸內(nèi)科，廣西 南寧 530021）

支氣管哮喘（bronchial asthma）是一種由多種細(xì)胞和細(xì)胞組分參與的常見的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，其發(fā)病機(jī)制尚不清楚，普遍認(rèn)為其本質(zhì)是一種非特異性氣道炎癥。細(xì)胞焦亡是最新發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞程序性死亡方式，與細(xì)胞凋亡不同的是細(xì)胞焦亡可以引起炎癥反應(yīng)。本文主要對細(xì)胞焦亡及信號通路的概述、支氣管哮喘發(fā)病的影響因素、細(xì)胞焦亡與支氣管哮喘的關(guān)系作一綜述。

1 細(xì)胞焦亡及其信號通路的概述

1.1 細(xì)胞焦亡概述 細(xì)胞焦亡是最新發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞程序性死亡方式，主要通過炎癥小體介導(dǎo)包含半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteine aspartatespecific protease-1，Caspase-1）在內(nèi)的多種Caspase激活，造成包括Gasdermin D（GSDMD）蛋白在內(nèi)的多種Gasdermin 家族成員發(fā)生剪切和多聚化，導(dǎo)致細(xì)胞穿孔，進(jìn)而引起細(xì)胞死亡。相比于細(xì)胞凋亡（apoptosis），細(xì)胞焦亡發(fā)生的更快，并會伴隨著大量促炎癥因子的釋放。細(xì)胞焦亡發(fā)生時，細(xì)胞會發(fā)生腫脹，在細(xì)胞破裂之前，細(xì)胞上形成凸出物，之后細(xì)胞膜上形成孔隙，細(xì)胞膜失去完整性，釋放內(nèi)容物，引起炎癥反應(yīng)，細(xì)胞核固縮，DNA 斷裂。細(xì)胞焦亡一詞最早始于2001 年[1]，首次報道細(xì)胞焦亡生物現(xiàn)象的是在巨噬細(xì)胞感染革蘭陰性菌福氏志賀菌和腸溶性傷寒沙門菌時提出的，與細(xì)胞凋亡相似的是，細(xì)胞焦亡形態(tài)學(xué)上與凋亡相似，也會發(fā)生胞核濃縮、DNA 斷裂及TUNEL 染色陽性，但其會伴隨發(fā)生炎性反應(yīng)。

細(xì)胞焦亡的發(fā)生主要由炎性小體（主要是NLRP3）及半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase1、4、5、11）介導(dǎo)[2,3]，在微生物感染或細(xì)胞內(nèi)存在有危險信號時，Caspase 與炎性小體結(jié)合發(fā)生激活，活化的Caspase 一方面切割proIL-1β 和proIL-18 形成有活性的炎性介質(zhì)，另一方面切割細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵效應(yīng)分子GSDMD，被切割的GSDMD 的N 末端（GSDMD-NT）會作為焦亡的執(zhí)行分子形成聚合物并與細(xì)胞膜上的脂質(zhì)分子形成孔道，引起細(xì)胞質(zhì)的迅速崩解和胞內(nèi)促炎物質(zhì)（IL-1β、IL-18）的釋放，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)[4,5]。

1.2 細(xì)胞焦亡信號通路概述 細(xì)胞焦亡信號通路分為依賴Caspase-1 的經(jīng)典途徑和依賴Caspase-4、5、11 的非經(jīng)典途徑。

1.2.1 依賴Caspase-1 的經(jīng)典途徑 在細(xì)菌、病毒、膽固醇等危險信號的刺激下，細(xì)胞內(nèi)的模式識別受體識別這些信號，招募凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（ASC）與Caspase-1 的前體結(jié)合，形成炎性體復(fù)合物，進(jìn)而激活Caspase-1，活化的Caspase-1 一方面切割GSDMD，產(chǎn)生相對分子質(zhì)量為31 000 的N 末端的氨基肽段和相對分子質(zhì)量為22 000 的C 末端的羧基肽段，其N 末端具有親脂性，與細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的脂質(zhì)層作用形成直徑10～20 nm 的小孔，釋放炎性因子，發(fā)生炎性反應(yīng)，而C 末端具有親水性，可抑制N 末端氨基肽段的活化；另一方面，活化的Caspase-1 對IL-1β 和IL-18 的前體進(jìn)行切割，形成有活性的IL-1β 和IL-18，并釋放到細(xì)胞外，募集炎癥細(xì)胞聚集，擴(kuò)大炎癥反應(yīng)[6]。

1.2.2 依賴Caspase-4、5、11 的非經(jīng)典途徑 在細(xì)菌等危險信號的刺激下，Caspase-4、5、11 被活化，活化的Caspase-4、5、11 切割Gasdermin D，形成含有GSDMD 氮端活性域的肽段，可誘導(dǎo)細(xì)胞膜穿孔，細(xì)胞破裂，釋放內(nèi)容物，引起炎癥反應(yīng)。

2 支氣管哮喘發(fā)病的影響因素

支氣管哮喘是一種常見的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，可累及所有人群，常見癥狀表現(xiàn)為喘息、氣短、胸悶和咳嗽，癥狀及程度可隨時間變化而變化，并伴可變性氣流受限，環(huán)境因素、遺傳、免疫機(jī)制等共同參與疾病的發(fā)病發(fā)生和發(fā)展。目前全球約有3 億支氣管哮喘患者，雖然其住院率和死亡率呈下降趨勢，但仍是嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題。

2.1 環(huán)境因素 許多環(huán)境因素會影響支氣管哮喘的發(fā)生，如空氣質(zhì)量、空氣污染物顆粒、花粉以及曲霉暴露等?？諝赓|(zhì)量對支氣管哮喘的癥狀和支氣管哮喘發(fā)生有重要影響，據(jù)報道支氣管哮喘患者房屋周圍空氣污染物中直徑≤10 μm 顆粒物的量與支氣管哮喘發(fā)病呈顯著正相關(guān)，同時誘導(dǎo)痰中固有淋巴細(xì)胞2（innate lymphocyte cell 2，ILC2）明顯增加[7]。胎兒期暴露于直徑≤10 μm 顆粒物的環(huán)境中與出生后氣道高反應(yīng)性及支氣管哮喘風(fēng)險密切相關(guān)[8]。另有花粉引起的過敏性支氣管哮喘[9,10]。除此之外，環(huán)境中煙曲霉暴露也是支氣管哮喘的危險因素[11,12]。

2.2 遺傳因素 遺傳因素與支氣管哮喘風(fēng)險關(guān)系密切。有研究發(fā)現(xiàn)[13,14]，17q21 位點(diǎn)等位基因與支氣管哮喘密切相關(guān)。Hur GY 等[15]對來自12 個不同國家不同支氣管哮喘患者人群進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)17q21 多態(tài)性與即使使用ICS 治療后兒童支氣管哮喘病情加重風(fēng)險增加相關(guān)，且支氣管哮喘患者肺ORMDL3 及其SNPsrs8076131 水平高于健康志愿者，進(jìn)一步研究證明ORMDL3 基因與17q21 區(qū)域相關(guān)，在支氣管哮喘的發(fā)病中也起著重要作用。又有研究發(fā)現(xiàn)[16]，白細(xì)胞介素1 受體樣1（IL1RL1/ST2）通過介導(dǎo)IL-33 與過敏性疾病的發(fā)病有關(guān)，ST2 單核苷酸多態(tài)性（SNPs）rs13431828、rs1420101、rs1921622和rs10204137 與兒童和青少年支氣管哮喘患者ICS療效降低有關(guān)。

2.3 免疫機(jī)制 氣道炎癥學(xué)說是支氣管哮喘最重要的發(fā)病機(jī)制。多種細(xì)胞及細(xì)胞組分參與支氣管哮喘的發(fā)病，如輔助性T 淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、調(diào)節(jié)性B 細(xì)胞（B regulatory cell，Breg）等。T 細(xì)胞根據(jù)表面CD 分子的表達(dá)可分為CD4+T 細(xì)胞及CD8+T 細(xì)胞，而CD4+T 細(xì)胞根據(jù)所分泌的細(xì)胞因子譜又可分為Th1（主要分泌IFN-γ等）、Th2（主要分泌IL-4 等）、Th17（主要分泌IL-17）、和Th9（主要分泌IL-9）細(xì)胞等亞群[7]。輔助性T 細(xì)胞在支氣管哮喘的研究主要集中為Th1/Th2 機(jī)制[17,18]、Treg/Th17 機(jī)制[19,20]和Th9 機(jī)制[21,22]。除此之外，根據(jù)嗜酸粒細(xì)胞量，支氣管哮喘又可以區(qū)分為嗜酸粒細(xì)胞性支氣管哮喘和中性粒細(xì)胞性支氣管哮喘，兩者對激素的反應(yīng)不同。近年來，針對支氣管哮喘的免疫機(jī)制研發(fā)了一些新的支氣管哮喘的靶向用藥，臨床療效尚可。

3 細(xì)胞焦亡與支氣管哮喘的關(guān)系

3.1 NLRP3 與支氣管哮喘 核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域樣受體家族含Pyrin 結(jié)構(gòu)域3（the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain containing 3，NLRP3）炎性小體是一種細(xì)胞內(nèi)傳感器，可檢測微生物和內(nèi)源性危險信號，是氣道先天免疫應(yīng)答的關(guān)鍵組成部分。NLRP3 主要表達(dá)在粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、T 細(xì)胞和上皮細(xì)胞中[23]。NLPR3 炎癥小體由NLRP3 受體、ASC 和作為效應(yīng)蛋白的Caspase-1 組成。NLRP3 受體包含1 個氨基末端的PYD、1 個核苷酸結(jié)合的NACHT 和1個羧基末端的LRR 結(jié)構(gòu)域。ASC 有2 個結(jié)構(gòu)域，即1個氨基端PYD 和1 個羧基端CARD 結(jié)構(gòu)域。NLRP3的激活通過PYD 結(jié)構(gòu)域?qū)е翹LRP3 和ASC 之間的蛋白-蛋白相互作用，這有助于ASC 聚合形成長螺旋絲，濃縮成細(xì)胞內(nèi)大分子聚集物，稱為ASC 斑點(diǎn)[24]。ASC 的CARD 結(jié)構(gòu)域與Caspase-1 的CARD結(jié)構(gòu)域相關(guān)，誘導(dǎo)Caspase-1 自切割和激活[25]。而一種被稱為NIMA 相關(guān)激酶7（NEK7）的絲氨酸蘇氨酸激酶可直接與NLRP3 結(jié)合，并與NLRP3 寡聚成一種對ASC 斑點(diǎn)形成和Caspase-1 激活所必需的復(fù)合物，另NLRP3 炎癥小體的組裝導(dǎo)致了Caspase-1依賴的促炎細(xì)胞因子IL-1β 和IL-18 的釋放以及細(xì)胞焦亡。

越來越多的證據(jù)表明[26，27]，NLRP3 的激活與支氣管哮喘的發(fā)病有關(guān)。盡管NLRP3 有助于氣道中病原體的清除，但刺激物吸入和（或）環(huán)境過敏原可持續(xù)激活NLRP3，從而導(dǎo)致明顯的肺部炎癥反應(yīng)，進(jìn)而表現(xiàn)為支氣管哮喘癥狀的加重。因此與健康對照組相比，支氣管哮喘患者氣道上皮細(xì)胞中NLRP3 和IL-18 蛋白水平升高[28]。值得注意的是，與嗜酸粒細(xì)胞性支氣管哮喘患者相比，嗜中性粒細(xì)胞性支氣管哮喘患者痰巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞中NLRP3、Caspase-1 和IL-1βmRNA 水平以及NLRP3 和Caspase-1mRNA 蛋白水平明顯增高[29,30]。另有研究表明[31]，卵清蛋白（ovalbumin，OVA）和屋塵螨（house dust mite，HDM）誘導(dǎo)的過敏性支氣管哮喘并無NLRP3 的激活。NLRP3-/-小鼠暴露于致敏劑后，氣道嗜酸性粒細(xì)胞數(shù)量、粘液產(chǎn)生、AHR 和Th2 細(xì)胞反應(yīng)方面與對照組相比并無顯著差異[32]。而一項OVA 聯(lián)合10 μm以下顆粒物誘導(dǎo)的實驗性支氣管哮喘小鼠模型中也觀察到有類似的結(jié)果[33]。NLRP3-/-、PYCARD-/-或PYCARD-/-缺失小鼠暴露于HDM 后表現(xiàn)出肺部炎癥和病理反應(yīng)增強(qiáng)，包括嗜酸性粒細(xì)胞浸潤和Th2細(xì)胞因子釋放，結(jié)果支持NLRP3 激活在HDM誘導(dǎo)的過敏性肺部炎癥中具有很好的保護(hù)作用。Hirota JA 等[34]研究報道，健康志愿者暴露于PM10后肺臟和原代氣道上皮細(xì)胞中NLRP3 和Caspase-1蛋白表達(dá)水平增加。以上研究結(jié)果提示，NLRP3 的激活與中性粒細(xì)胞性支氣管哮喘關(guān)系更為密切。

3.2 Caspases 與支氣管哮喘 Caspases 是一種半胱氨酸蛋白酶，主要以酶原的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，參與細(xì)胞焦亡及細(xì)胞凋亡過程。細(xì)胞焦亡過程由Caspase-1 或Caspase-11 介導(dǎo)。Caspase-1 可誘導(dǎo)肺Th2上游細(xì)胞因子的產(chǎn)生和嗜酸性粒細(xì)胞增多[35]，而炎癥小體/Caspase-1 的抑制是治療支氣管哮喘的關(guān)鍵點(diǎn)之一[36,37]。有研究發(fā)現(xiàn)[38]，Caspase-4、11 是過敏性氣道炎癥的關(guān)鍵因素，而前列腺素E2（PGE2）是Caspase-11 驅(qū)動的焦亡的負(fù)調(diào)控因子。研究證明[39]，NLRP3/Caspase-1 軸在甲苯二異氰酸酯（toluene diisocyanate，TDI）誘導(dǎo)的支氣管哮喘中發(fā)揮著重要作用，阻斷NLRP3/Caspase-1 軸可有效預(yù)防TDI 誘導(dǎo)的支氣管哮喘進(jìn)展。

3.3 GSDMB 與支氣管哮喘 細(xì)胞焦亡與GSDM 家族蛋白的關(guān)系密切[40]。GSDM 家族包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME 等，其中GSDMB在支氣管上皮細(xì)胞高度表達(dá)，故而其與支氣管哮喘發(fā)病高度相關(guān)[41,42]。GSDMB 蛋白N 端結(jié)構(gòu)域的釋放可迅速引發(fā)氣道上皮細(xì)胞焦亡，促進(jìn)支氣管哮喘的發(fā)生，而其N 端結(jié)構(gòu)域的缺失則可顯著降低支氣管哮喘發(fā)生風(fēng)險[43]。因此，通過抑制炎癥小體形成及GSDMB 表達(dá)而減少支氣管上皮細(xì)胞的焦亡有可能會減輕支氣管哮喘炎癥反應(yīng)，從而減少支氣管哮喘發(fā)病。

3.4 IL-1β、IL-18 與支氣管哮喘 細(xì)胞焦亡過程中常伴隨IL-1β 水平增高[44,45]。有研究發(fā)現(xiàn)，支氣管哮喘患者血清IL-1β 含量顯著上升[46]，中性粒細(xì)胞性支氣管哮喘患者的痰液和BALF 中IL-1β 水平明顯增加[47]，無佐劑OVA 和含佐劑氫氧化鋁聯(lián)合OVA 致敏支氣管哮喘小鼠氣道巨噬細(xì)胞及支氣管上皮細(xì)胞中IL-18、IL-1β 等炎癥因子水平明顯高于對照組[26]。另有研究發(fā)現(xiàn)[48，49]，人源化IL-1β 會誘導(dǎo)氣道炎癥和氣道重塑，而IL-1β 基因敲除小鼠支氣管哮喘癥狀輕微，進(jìn)一步證實IL-1β 在支氣管哮喘發(fā)病中具有重要作用。

4 總結(jié)及展望

基于NLRP3-Caspase-IL1β/IL18 通路的細(xì)胞焦亡是近年研究的熱點(diǎn)，其在支氣管哮喘的發(fā)病機(jī)制中也扮演著重要角色。以上研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3-Caspase-IL1β/IL18 通路介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡似乎與中性粒細(xì)胞性支氣管哮喘關(guān)系更為密切，同樣在激素反應(yīng)低下的支氣管哮喘中也發(fā)揮著重要作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，老年支氣管哮喘患者的發(fā)病率、死亡率明顯高于年輕患者，而且老年支氣管哮喘對于常規(guī)的支氣管哮喘治療方法（如激素）反應(yīng)低下，但關(guān)于NLRP3-caspase-IL1β/IL18 通路介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡是否參與該病的發(fā)展尚未明確。或許從細(xì)胞焦亡通路出發(fā)，干預(yù)該通路的某一靶點(diǎn)從而對支氣管哮喘進(jìn)行靶向治療可能是未來支氣管哮喘防治的一個方向。