胡厚祥 陳海燕

細(xì)胞焦亡在心力衰竭進(jìn)程中的研究進(jìn)展*

胡厚祥 陳海燕

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科 ， 四川 南充 637000)

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)是一種新的程序性細(xì)胞死亡方式，主要通過半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)來介導(dǎo)，并伴有大量的促炎性細(xì)胞因子的釋放。在心力衰竭進(jìn)展的不同階段，細(xì)胞焦亡通過炎癥小體活化及激活caspase-1參與心力衰竭的病理生理過程。本文就細(xì)胞焦亡在心力衰竭進(jìn)程中的作用作一評(píng)述。

細(xì)胞焦亡； 心力衰竭； NLRP3 炎癥小體； caspase-1

執(zhí)行編委簡介：胡厚祥，主任醫(yī)師，醫(yī)學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，加拿大留學(xué)歸國人員，川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科副主任，川北醫(yī)學(xué)院學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人，四川省第十一批有突出貢獻(xiàn)優(yōu)秀專家，四川省醫(yī)學(xué)會(huì)心血管分會(huì)委員，四川省醫(yī)學(xué)會(huì)臨床流行病學(xué)分會(huì)常委。擔(dān)任國家自然科學(xué)基金一審評(píng)審專家，《西部醫(yī)學(xué)》編委，《American Journal of Hypertension》及《PLOS ONE》雜志的審稿專家。先后主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、教育部留學(xué)基金委、四川省科技廳、四川省教育廳和四川省衛(wèi)生廳科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。發(fā)表論文60余篇，其中SCI論文7篇。近年主持研究的科研成果項(xiàng)目獲四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、四川省醫(yī)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和南充市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，四川省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

心力衰竭(heart failure，HF，心衰)是各種心血管疾病的最終歸宿，根據(jù)其不同臨床進(jìn)展分為前心衰階段(有心衰的高危因素，心臟無結(jié)構(gòu)異常)、前臨床心衰階段(有結(jié)構(gòu)性心臟病，但沒有心衰的臨床癥狀體征)、臨床心衰階段(有結(jié)構(gòu)性心臟病，并有心衰的臨床癥狀和體征)和難治性終末期心衰階段。從冠狀動(dòng)脈粥樣硬化癥到冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)、再進(jìn)展到心肌梗死、心室重構(gòu)和心衰的病理生理過程中，心肌細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞在高膽固醇、缺血缺氧等作用下發(fā)生一系列應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致的細(xì)胞死亡起著非常重要的作用。細(xì)胞焦亡是最近定義的一種程序性細(xì)胞死亡形式，其發(fā)生伴隨著大量促炎性危險(xiǎn)相關(guān)分子模式(DAMPs)的釋放，引起鄰近細(xì)胞的炎癥反應(yīng)和粒細(xì)胞浸潤，進(jìn)而導(dǎo)致和加重組織炎癥反應(yīng)。近年來，細(xì)胞焦亡在心衰進(jìn)程中的作用受到大家關(guān)注。本文就細(xì)胞焦亡在心力衰竭進(jìn)程中的作用作一評(píng)述，以供基礎(chǔ)與臨床研究參閱。

1 細(xì)胞焦亡

細(xì)胞焦亡的發(fā)生依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1，在鼠類細(xì)胞中為caspase-1和caspase-11)的激活，而區(qū)別于細(xì)胞凋亡時(shí)caspase-3的活化依賴[1]。細(xì)胞焦亡兼有細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的特點(diǎn)，表現(xiàn)為核固縮、DNA片段化、細(xì)胞膜孔形成、細(xì)胞水腫、胞膜破裂和細(xì)胞內(nèi)容物釋放到胞外引起的炎癥反應(yīng)[2]。

細(xì)胞焦亡的發(fā)生是細(xì)胞內(nèi)炎癥小體活化的結(jié)果，包括典型性炎癥小體活化和非典型性炎癥小體活化兩種途徑。典型性炎癥小體活化模型中，病原體或DAMPs通過活化NLRP3(NOD-,LRR and pyrin domain[PYD]-containing protein3, NLRP3)、NLRC4、NLRP1等炎癥小體，引起caspase-1(或caspase-11)前體剪切為活性caspase-1；活化的caspase-1進(jìn)一步剪切IL-1β和IL-18的前體為其成熟體，同時(shí)引起細(xì)胞的焦亡[3]。非典型炎癥小體途徑是指病原體或DAMPs誘導(dǎo)非典型性炎癥小體活化，激活caspase-11，活化的caspase-11直接引起細(xì)胞焦亡或通過激活NLRP3炎癥小體，進(jìn)而由caspase-1介導(dǎo)細(xì)胞的焦亡反應(yīng)。目前在介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的炎癥小體活化中，對(duì)NLRP3炎癥小體活化的研究最為廣泛和全面，其由NLRP3、ASC(Apoptosis-associated speck-like protein containing CARD, ASC)和pro-caspase-1三種蛋白組成[4]。NLRP3由C端亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域(LRRs)、中央?yún)^(qū)的核苷酸結(jié)合寡聚化域(NACHT域)和N端效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(PYD)三部分組成，在病原體或DAMPs的刺激作用下,NLRP3通過PYD連接ASC,ASC通過其CARD結(jié)構(gòu)域與caspase-1的CARD域結(jié)合，形成NLRP3炎癥小體，最終導(dǎo)致caspase-1的剪切活化[5]。

細(xì)胞焦亡是一種特殊的非凋亡的程序性細(xì)胞死亡，其過程主要由NLRP3等炎癥小體活化及其下游效應(yīng)因子(caspase-1)的激活介導(dǎo)。故可通過檢測NLRP3炎癥小體活化及下游效應(yīng)炎性因子水平、TUNEL染色、胞核的變化及DNA的連續(xù)性等來間接反應(yīng)細(xì)胞焦亡。

2 細(xì)胞焦亡在心力衰竭進(jìn)程中的作用

心衰的主要發(fā)病機(jī)制之一為心肌病理性重構(gòu)，而導(dǎo)致心衰進(jìn)展的有兩個(gè)關(guān)鍵過程：一是心肌死亡(如凋亡、壞死、自噬等)的發(fā)生；二是神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)過度激活所致的系統(tǒng)反應(yīng)。此外，心衰伴隨著輕度慢性的炎癥反應(yīng)，使其發(fā)展為不良的心臟重構(gòu)[6]。細(xì)胞焦亡是一種促炎性的細(xì)胞死亡，這種積炎癥反應(yīng)和細(xì)胞死亡為一身的新型細(xì)胞死亡方式在心衰進(jìn)程中也發(fā)揮著重要作用。

2.1 細(xì)胞焦亡與動(dòng)脈粥樣硬化癥 在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中，特別是晚期斑塊中，可見增多的各種細(xì)胞死亡，包括巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等。傳統(tǒng)上，人們使用凋亡和壞死這一范式界定細(xì)胞死亡，但除了凋亡和壞死，還存在脹亡、焦亡等多種形式的細(xì)胞死亡。在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中，很多研究已致力于建立細(xì)胞死亡與炎癥反應(yīng)的聯(lián)系。而在電子顯微鏡下顯示，動(dòng)脈粥樣斑塊中大多數(shù)的死亡細(xì)胞伴有細(xì)胞裂解，并不是細(xì)胞凋亡。并且caspase-3激活在動(dòng)脈粥樣斑塊中僅輕微升高，而敲除caspase-3或p53雖然可以抑制斑塊中巨噬細(xì)胞凋亡，卻會(huì)增多巨噬細(xì)胞，加重斑塊的炎癥反應(yīng)和斑塊的進(jìn)一步惡化[7]。因此，一個(gè)合理的假設(shè)就是其他形式的細(xì)胞死亡(包括細(xì)胞焦亡)參與動(dòng)脈粥樣斑塊的形成與發(fā)展。

細(xì)胞焦亡是一種新發(fā)現(xiàn)的caspase-1活化依賴的細(xì)胞死亡。Caspase-1的活化及其導(dǎo)致的細(xì)胞焦亡已被證實(shí)在免疫系統(tǒng)和中樞神經(jīng)疾病中具有重要作用?，F(xiàn)在越來越多的證據(jù)表明，細(xì)胞焦亡在動(dòng)脈粥樣硬化中，特別是進(jìn)展性粥樣斑塊中同樣發(fā)揮重要作用[8～10]。細(xì)胞焦亡最顯著的特征是caspase-1活化的依賴性，而在粥樣斑塊中則發(fā)現(xiàn)caspase-1的高表達(dá)，并且與斑塊進(jìn)展程度相一致[11]。并且應(yīng)用caspase-1抑制劑ac-YVAD-CHO能顯著抑制粥樣斑塊的TUNEL陽性反應(yīng)[7]。此外，膽固醇結(jié)晶和oxLDL可激活NLRP3炎癥小體，導(dǎo)致caspase-1的活化，引起細(xì)胞裂解，DNA斷裂，并釋放IL-1β和IL-18，從而促進(jìn)動(dòng)脈粥樣斑塊的形成[12, 13]。

2.2 細(xì)胞焦亡與急性心肌梗死 炎癥和細(xì)胞死亡在動(dòng)脈粥樣硬化中未得到控制而進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈病變和急性冠脈綜合癥(ACS)。ACS病人中NLRP3炎癥小體的水平與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的程度呈正相關(guān)，可作為主要不良心血管事件的獨(dú)立預(yù)測因子[14]。

急性心肌梗死除損傷區(qū)域的心肌組織發(fā)生死亡之外，還會(huì)通過炎癥小體的活化產(chǎn)生無菌性炎癥反應(yīng)[15]。NLRP3炎癥小體中的NLRP3蛋白通過與適配器ASC相互作用，從而募集并活化caspase-1，活化的caspase-1將IL-1β前體(Pro-IL-1β)剪切成為其活性形式IL-1β，并最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞焦亡。IL-1β作為炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵性因子，現(xiàn)已成為心肌梗死中早期炎癥反應(yīng)的突出標(biāo)志。在急性心肌梗死邊緣區(qū)的心肌細(xì)胞中ASC、NLRP3、caspase-1的量隨時(shí)間的延長明顯增多。在缺血心肌區(qū)域心肌成纖維細(xì)胞中NLRP3水平顯著升高。而抑制NLRP3活化可以減少心肌梗死的面積，并保存梗死后心肌的功能[16]；Txnip還通過調(diào)節(jié)心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體，阻止Txnip/NLRP3信號(hào)通道，抑制NLRP3炎癥小體發(fā)揮作用[17]。冠心病心肌梗死后即進(jìn)展到前臨床心衰階段(小面積心肌梗死)，甚至臨床心衰階段(大面積心肌梗死)。在此過程中作為一種促炎性的細(xì)胞死亡，心肌細(xì)胞焦亡(包括心肌細(xì)胞的死亡和心肌組織中的炎癥反應(yīng))參與了心肌的損傷和心室重構(gòu)。心肌細(xì)胞死亡使其心肌受損，心肌功能紊亂，心肌組織中的炎癥反應(yīng)進(jìn)一步加重心肌的損傷，促進(jìn)心肌重構(gòu)。所以，在心肌梗死的治療中，針對(duì)NLRP3炎癥小體活化的干預(yù)將減少心肌細(xì)胞焦亡及心肌組織的炎癥反應(yīng)，可能成為潛在有效的治療手段。

2.3 細(xì)胞焦亡與心力衰竭 心肌缺血性損傷可觸發(fā)強(qiáng)烈的炎性反應(yīng)，從而促進(jìn)心臟功能紊亂和心衰的發(fā)生[18, 19]。NLRP3是細(xì)胞內(nèi)的Nod樣受體，作為危險(xiǎn)信號(hào)的傳感器，可被細(xì)胞內(nèi)感染、ATP、尿酸、膽固醇結(jié)晶及損傷組織釋放的細(xì)胞碎片激活[16]。被激活的NLRP3炎癥小體進(jìn)一步活化caspase-1，釋放IL-1β。另外，缺血性心肌壞死后釋放ATP和細(xì)胞碎片，激活膜P2X7受體通道，使K+外流，從而激活NLRP3，活化的NLRP3募集ASC和Pro-caspase-1，組裝成復(fù)合體NLRP3炎癥小體，從而自催化激活caspase-1，caspase-1剪切Pro-IL-1β和其他促炎性細(xì)胞因子為有活性的成熟體，進(jìn)一步擴(kuò)大炎性反應(yīng)。此外，Caspase-1是炎癥反應(yīng)中的重要調(diào)制器，活化的caspase-1可觸發(fā)細(xì)胞焦亡，進(jìn)一步損害心肌功能而引發(fā)心肌梗死后心衰。

心肌損傷后的病理性重構(gòu)是心衰發(fā)生的主要機(jī)制之一，炎性反應(yīng)主要是修復(fù)心臟，但是過度的炎性反應(yīng)將導(dǎo)致不良的心室重構(gòu)而引發(fā)心衰。在心肌重構(gòu)和修復(fù)中，NLRP3炎癥小體活化主要發(fā)生在心肌成纖維細(xì)胞中[20]。心肌缺血性損傷后主要通過ROS產(chǎn)生和K+外流來激活NLRP3炎癥小體，引發(fā)無菌性炎性反應(yīng)，炎性成纖維細(xì)胞釋放趨化因子，募集巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞等到損傷的組織區(qū)域，進(jìn)一步擴(kuò)大炎性反應(yīng)[21]。此外，在心衰的發(fā)展過程中，NLRP3炎癥小體活化后最終導(dǎo)致IL-1β釋放，IL-1β一方面可誘發(fā)心肌肌漿網(wǎng)中的鈣離子溢出，直接影響鈣離子的內(nèi)環(huán)境和心肌興奮-收縮偶聯(lián)，損害心肌收縮功能；另一面可刺激誘導(dǎo)型一氧化氮合酶 (iNOS)合成，引起細(xì)胞死亡和組織重塑導(dǎo)致心衰發(fā)生(圖1)。

圖1 急性心肌梗死激活炎性反應(yīng)

Figure 1 Initiation of inflammatory response following acute myocardial infarction

3 小結(jié)與展望

在多種心血管危險(xiǎn)因子刺激下，心血管相關(guān)細(xì)胞中炎癥小體被激活，進(jìn)而導(dǎo)致caspase-1的活化。Caspase-1的活化則進(jìn)一步引起活化依賴的細(xì)胞焦亡并參與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展。細(xì)胞焦亡是一種促炎性的細(xì)胞死亡，伴隨著大量DAMPs的釋放，釋放的DAMPs啟動(dòng)炎癥反應(yīng)并進(jìn)一步激活其它細(xì)胞的炎癥小體，啟動(dòng)新一輪的細(xì)胞焦亡。這一循環(huán)將細(xì)胞死亡與炎癥反應(yīng)聯(lián)系起來，加重心血管病變中的炎癥反應(yīng)和不穩(wěn)定性。炎癥小體活化和細(xì)胞焦亡也揭示在心衰發(fā)展進(jìn)程的各階段均有細(xì)胞死亡和炎癥反應(yīng)的參與。當(dāng)然，細(xì)胞焦亡在心衰中的確切作用，以及細(xì)胞焦亡在心衰中如何發(fā)生都有待進(jìn)一步的研究闡明。

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The role of pyroptosis in heart failure

HU Houxiang,CHEN Haiyan

(DepartmentofCardiology,NorthSichuanMedicalCollegeAffiliatedHospital,Nanchong637000,Sichuan,China)

Pyroptosis is a newly identified form of programmed cell death mediated by caspase-1. It leads to inflammatory response through the release of pro-inflammatory cytokines. Pyroptosis participates in the pathophysiological progress of heart failure through inflammasome activation and activated caspase-1.

Pyroptosis; Heart failure； NLRP3 inflammasome； Caspase-1

國家自然科學(xué)基金(81070101)

R 541.6

A

10.3969/j.issn.1672-3511.2016.03.003

2015-12-17； 修回日期： 2016-01-05； 編輯： 母存培)