繆美琪 韓宇博 鄒國良 郭東浩 杜若齊 劉莉
冠狀動脈粥樣硬化(CA)是冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的基本病理表現(xiàn),內(nèi)皮細胞(EC)、血管平滑肌細胞(VSMC)和巨噬細胞的功能障礙導致動脈粥樣硬化斑塊積聚[1]。細胞焦亡也稱為細胞炎性壞死,是由炎性小體引起的新型程序性細胞死亡[2],其特征是炎性小體組裝、孔隙形成和炎性細胞因子分泌[1]。細胞焦亡與動脈粥樣硬化密切相關(guān),它可能通過增強炎性因子的釋放而加劇動脈粥樣硬化斑塊(AS)的不穩(wěn)定性[3]。脂代謝紊亂和炎性反應對于斑塊的發(fā)生發(fā)展十分重要[4]。有研究指出,血管內(nèi)皮細胞、巨噬細胞、平滑肌細胞等多種細胞的焦亡調(diào)節(jié)CA 的進展。
細胞焦亡“pyroptosis”源自希臘詞根,表示促炎程序性細胞死亡[5]。細胞焦亡是炎性反應導致的細胞死亡,主要通過炎性小體誘導的胱天蛋白酶(caspase)-1、4、5、11 激活。
細胞焦亡具有特定的形態(tài)特征。細胞焦亡過程中存在完整的細胞核和少量DNA“梯形帶”,受損DNA 原始末端標記法染色呈陽性時,損傷的強度較凋亡細胞低[6]。炎性反應誘導的孔隙形成依賴于caspase-1 的激活,導致焦亡細胞腫脹、質(zhì)膜裂解、染色質(zhì)碎裂和細胞內(nèi)促炎內(nèi)容物釋放[5]。細胞焦亡只能通過激活炎性caspase 通路誘導,包括經(jīng)典的caspase-1 通路,非經(jīng)典的人類caspase-4、5和鼠類caspase-11 通路[5]。
炎性小體是包含模式識別受體(PRR)的多分子復合物,可通過刺激炎性反應觸發(fā)細胞焦亡[1]。PRR 家族包括Toll 樣受體(TLR)、核苷酸結(jié)合域和富含亮氨酸重復序列的受體(NLR)以及黑色素瘤缺乏因子(AIM)樣受體[5]。炎性小體可被特異性病原體相關(guān)分子模式(PAMP)和損傷相關(guān)分子模式(DAMP)分別激活。PRR 在識別DAMP和PAMP 后,誘導含有caspase 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域的凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(ASC)這一巨大的超分子完成組裝,將NLR 與caspase-1 鏈接起來。
2.2.1 典型的炎性小體通路 炎性反應通過激活caspase-1 觸發(fā)焦亡,典型的炎性小體包括核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NLRP3)和AIM2,它們都有一個N 端caspase 募集(CARD)或pyrin 結(jié)構(gòu)域(PYD),PRR 與PAMP 和DAMP接觸后激活caspase-1[5]。NLRP3 炎性小體的激活因子是一類廣泛的刺激物,包括活性氧、線粒體DAMP 等。這些炎性小體的PYD 或CARD 通過同型相互作用連接到ASC,ASC 聚焦caspase-1 前體,激活caspase-1。caspase-1 活化可使促炎因子細胞因子白細胞介素(IL)-18 和IL-1β 的無活性前體成熟,釋放到細胞外域并激活炎性反應[5]。
2.2.2 非典型的炎性小體通路 通過誘導人類caspase-4、5 以及小鼠caspase-11 通路,可進一步誘導細胞焦亡[5]。caspase-11 能與脂多糖(LPS)結(jié)合,LPS主要源自革蘭氏陰性菌分泌的氧化磷脂,能夠直接與caspase-11 結(jié)合[5]?;罨?caspase-11既可以誘導細胞焦亡,又可以通過切割消皮素D(GSDMD)激活 caspase-1[5]。
GSDMD 能夠誘導caspase-1、4、5、11,主要含有N 端結(jié)構(gòu)域(GSDMD-NT)和C 端結(jié)構(gòu)域(GSDMD-CT)[5]。GSDMD 能夠與磷脂酰肌醇、磷脂酸以及磷脂酰絲氨酸連接,引起其寡聚化,促使細胞膜孔隙形成[7]。有關(guān)研究表明,孔隙的內(nèi)部和外部長度分別為15 nm 和32 nm,而IL-18 的長度為4.5 nm,能夠自由地在孔隙中穿梭[7]。與此同時,GSDMD-CT 是可溶的,可以返回到 GSDMD-NT,防止其被激活[7]。有關(guān)學者指出,caspase-1、4、5、11 能夠誘導 GSDMD,進一步引起細胞焦亡,而caspase-3 是細胞凋亡的關(guān)鍵。此外,Wang 等[8]發(fā)現(xiàn),caspase-3 能夠在一定程度上誘導GSDMD,進一步引起細胞焦亡。
CA 的特征是冠狀動脈中的脂質(zhì)沉積和斑塊形成。急、慢性炎性反應以及細胞凋亡對于CA的形成十分關(guān)鍵。有研究發(fā)現(xiàn),EC、巨噬細胞和VSMC 的細胞焦亡在CA 的形成和發(fā)展中起著重要作用[9]。caspase 依賴性細胞焦亡的特征是激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體通路,特別是NLRP3 炎性小體及其下游效應炎性因子IL-1β 和IL-18,使斑塊不穩(wěn)定,導致斑塊破裂和血栓形成,最終引起促炎細胞因子(如IL-1β 和IL-18)大量釋放,各種類型細胞(如EC、巨噬細胞和平滑肌細胞)死亡,導致急性心血管事件[9]。
EC 損傷是CA 損傷的起點。EC 焦亡可導致內(nèi)皮完整性受損,誘導單核細胞募集[10]。caspase-1在急性冠狀動脈綜合征(ACS)患者易損斑塊和破裂病變中大量表達[3]。caspase-1 炎性小體通路可以感知升高的脂質(zhì)或炎性介質(zhì),如DAMP,然后上調(diào)焦亡相關(guān)蛋白,包括NLRP3、caspase-1 和 IL-1β,最終觸發(fā)EC 焦亡。EC 焦亡導致內(nèi)皮完整性喪失,增加血管通透性并促進AS 的進展[3]。此外,Zeng 等[11]發(fā)現(xiàn)成纖維細胞生長因子21 通過抑制NLRP3 炎性小體介導的EC 焦亡來減輕CA。因此,細胞焦亡參與CA 形成和斑塊硬化。
CA 病變中巨噬細胞的死亡能夠進一步促進生長因子、細胞因子以及蛋白酶等物質(zhì)的分泌,引起炎性反應,進一步誘導斑塊破裂,引起血栓,從而導致心血管事件。研究發(fā)現(xiàn)氧化低密度脂蛋白(oxLDL)誘導的巨噬細胞焦亡在CA 形成以及維持斑塊穩(wěn)定中十分關(guān)鍵,其中oxLDL 以及膽固醇晶體能夠在一定程度上誘導NLRP3 以及caspase-1 的凋亡。它能誘導巨噬細胞中IL-18 和IL-1β 的分泌,引起炎性反應和CA[3]。此外,Li 等[12]發(fā)現(xiàn)干擾素調(diào)節(jié)因子-1 可促進ACS 患者的巨噬細胞焦亡。晚期巨噬細胞焦亡導致壞死核增大及纖維帽不穩(wěn)定,促進斑塊破裂的發(fā)生[10]。近期研究發(fā)現(xiàn),骨髓來源的間充質(zhì)干細胞微泡攜帶微小RNA-223,可抑制NLRP3表達并減少巨噬細胞焦亡,穩(wěn)定AS斑塊[13]。因此,巨噬細胞焦亡可能也參與了CA 的形成和斑塊硬化。
VSMC 焦亡可引起纖維帽變薄,增加斑塊的不穩(wěn)定性[10]。在動脈內(nèi)膜中,VSMC 產(chǎn)生膠原蛋白和彈性蛋白,能夠進一步誘導AS 斑塊,引發(fā)急性心血管事件。誘導細胞焦亡的分子(NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β 和IL-18)通常在穩(wěn)定斑塊中表達更多[3]。Pan 等[14]報道高脂飲食可增加AIM2、GSDMD-NT 和細胞黏附分子-1 的表達。AIM2過表達會增加斑塊病變面積和VSMC 焦亡,加重AS。此外,巨噬細胞募集會隨著AIM2的過表達而增加。有關(guān)研究指出,核因子κB 能夠在一定程度上影響AIM2 的表達。AIM2 主要通過ASC、caspase-1 途徑,影響 GSDMD 水平。近期發(fā)現(xiàn)caspase-1 抑制劑VX-765 通過抑制VSMC 焦亡,減慢已形成的CA 的進展[6]。因此VSMC 焦亡與AS 斑塊的穩(wěn)定性密切相關(guān)。
心肌細胞損傷后,線粒體功能受損,受損或死亡細胞釋放三磷酸腺苷(ATP),作用于細胞膜上的P2X7 受體[15]。P2X7 的特征是在細胞外高濃度ATP 的作用下,打開非選擇性離子通道,允許大分子通過,并導致NLRP3 炎性小體的形成[16]。NLRP3 可以促進心肌細胞釋放炎性介質(zhì),如IL-1β和IL-18,并誘導細胞焦亡[17]。七氟烷通過抑制P2X7-NLRP3 信號通路來抑制IL-1β、IL-18 和GSDMD 的表達,同時它通過調(diào)節(jié)炎性反應和心肌細胞焦亡減輕心肌細胞損傷,保護心臟功能[16]。曲寧寧等[18]也發(fā)現(xiàn)化瘀祛痰方可以改善心肌形態(tài)學變化,顯著降低AS 家兔心肌及血清IL-18、IL-1β水平和caspase-1、GSDMD 及NALP3 蛋白的表達水平,提示化瘀祛痰方可能通過調(diào)節(jié)細胞焦亡改善AS 家兔心肌組織形態(tài)。
近年來的實驗研究表明,許多細胞焦亡的抑制劑可以抑制心臟炎性反應,改善CA、心肌缺血/再灌注損傷、心肌纖維化和心功能,減少心肌梗死。靶向NLRP3 炎性小體或細胞焦亡等可作為AS 的治療策略[19]。NLRP3 抑制劑、caspase-1 抑制劑、GSDMD 抑制劑、IL-1β 抑制劑和其他傳統(tǒng)心血管藥物的作用也在臨床試驗中證明。
MCC950 是一種有效且具有特異性的小分子NLRP3 抑制劑。之前發(fā)現(xiàn)MCC950 直接與NLRP3 NACHT 域內(nèi)的Walker B 基序相互作用,從而阻止ATP 水解并抑制NLRP3 激活和炎性小體形成[20]。近期研究表明,MCC950 抑制NLRP3-ASC-Caspase-1-GSDMD-NT 軸的激活,并減輕巨噬細胞焦亡,減少IL-1β 和IL-18 的產(chǎn)生[21]。此外,MCC950 降低了心肌NLRP3 的水平并裂解IL-1β 和IL-18。在體外研究也觀察到MCC950 抑制NLRP3 生成,降低caspase-1 活性并進一步下調(diào)IL-1β 和IL-18[22]。
VX-765 是一種高度選擇性的caspase-1 抑制劑,可通過抑制VSMC 焦亡減慢已形成的CA 的進展[6]。許多研究表明長鏈非編碼RNA(lncRNA)H19 參與了CA,Liu 等[23]發(fā)現(xiàn)VX-765 削弱了沉默內(nèi)源性lncRNA H19 介導的細胞焦亡。
GSDMD 是細胞焦亡的效應物。壞死性磺胺(NSA)是GSDMD 的化學抑制劑。NSA 直接與GSDMD 結(jié)合并抑制p30-GSDMD 孔隙的形成,從而阻止細胞焦亡,抑制原代小鼠和永生化人類和小鼠單核細胞、巨噬細胞中IL-1 的釋放[24]。
IL-1β 是細胞焦亡中caspase-1 通路的下游促炎細胞因子??菃慰沟目寡ㄐ纬裳芯拷Y(jié)果表明,使用卡那單抗治療可以減少不良心血管事件的發(fā)生率和病死率,在CA 中以炎性反應作為靶向治療是有效的[24]。
他汀類藥物是有效的羥甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶抑制劑,已被廣泛用于預防和治療CA。越來越多的研究表明NLRP3 炎性小體及其下游介質(zhì)是CA 中他汀類藥物的重要靶點[25]。在體外研究中,瑞舒伐他汀能夠在一定程度上降低NLRP3 的水平和其下游介質(zhì),進一步抑制CA 的炎性反應[26]。阿托伐他汀通過降低經(jīng)典炎性小體通路的生物標志物NLRP3、caspase-1、GSDMD、IL-1β 和IL-18的mRNA 和蛋白表達水平,抑制細胞焦亡[26]。
細胞焦亡是一種由GSDMD 介導的促炎類型的細胞死亡。越來越多的研究數(shù)據(jù)表明,細胞焦亡通過引起心肌細胞、心臟成纖維細胞、EC、巨噬細胞和VSMC 等多種細胞死亡和炎性反應,在心血管疾病中發(fā)揮重要作用,尤其與CA 的發(fā)展密切相關(guān)。目前的研究集中在NLRP3 等焦亡相關(guān)成分在CA 中的作用,大多數(shù)研究表明NLRP3 的激活會誘導焦亡。體內(nèi)外實驗也表明caspase-1、IL-1、IL-18 在CA 中的作用不容忽視。近年來,針對焦亡靶向藥物的研究也取得了很大進展。然而,目前對于CA 的發(fā)生及進程了解有限,炎性小體、caspase-1 和炎性因子在CA 中的作用,還需進一步探討,期待未來會發(fā)現(xiàn)更多的治療方法來阻斷CA進程。