作者：陆大浩，高巨，扬州大学附属苏北人民医院麻醉科

脓毒症是由感染引发的机体免疫反应失调导致的器官功能损害的临床综合征。肺是脓毒症时最易受累的靶器官，脓毒症急性肺损伤(acute lung injury， ALI)发病早、进展迅速，病死率更可高达40%。细胞焦亡是一种不同于凋亡、自噬、坏死等的细胞死亡方式，表现为细胞膜穿孔、细胞肿胀破裂、细胞内容物释放，进而诱导炎症级联反应。细胞焦亡在脓毒症ALI中具有重要作用，本文综述了细胞焦亡的分子机制，以及不同类型细胞焦亡参与脓毒症ALI的机制，为经细胞焦亡途径防治脓毒症ALI提供理论依据。

1.细胞焦亡的分子机制

细胞焦亡的概念最早由Cookson和Brennan于2001年提出，最初被定义为“半胱天冬酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase-1， caspase-1)依赖的程序性细胞死亡方式”。随着研究的深入，发现除了caspase-1外的其他多种caspase家族成员也能介导细胞焦亡的发生。细胞焦亡激活的通路主要包括依赖caspase-1的经典焦亡途径、依赖caspase-4/5/11的非经典焦亡途径及caspase-3/8介导的焦亡途径。

经典焦亡途径： 经典的细胞焦亡途径与炎性小体的组装和caspase-1的活化密切相关。炎性小体是由模式识别受体(pattern recognition receptor， PRR)参与组装的蛋白复合体，当病原体入侵机体时，细胞内的NOD样受体蛋白1(NLR family pyrin domain containing 1，NLRP1)、NLRP3、NLR家族CARD结构域蛋白4(NLR family CARD domain containing 4， NLRC4)、黑色素瘤缺乏因子2等PRR可识别相应的刺激信号，并与caspase-1前体(pro-caspase-1)和凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)结合形成炎性小体。

NLRP3为目前细胞焦亡研究中最受关注的PRR，NLRP3由N端的PYD、C端的LRR和中央的NACHT三个结构域组成。NLRP3被激活时，可因NACHT结构域的同型相互作用发生寡聚化，并通过PYD结构域的相互作用募集ASC及下游的pro-caspase-1组装成NLRP3炎性小体，并进一步诱导无活性的pro-caspase-1自身切割成活化的caspase-1。

caspase-1可于Asp275位点将消皮素D(gasdermin D，GSDMD)切割为GSDMD-C和GSDMD-N， GSDMD-N通过与细胞膜内表面的磷脂酸、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸相结合在细胞膜表面形成直径10～15 nm的寡聚孔，最终导致细胞肿胀破裂而焦亡。此外，caspase-1还可将无活性的白介素-18前体(pro-interleukin-18，pro-IL-18)和白介素-1β前体(pro-interleukin-1β，pro-IL-1β)裂解为成熟的IL-18和IL-1β并释放到细胞外，引发炎症的级联反应。

非经典焦亡途径 Miao等研究表明，caspase-1在细胞焦亡过程中是不可或缺的。随着研究的深入，Shi等研究表明，caspase-4/5/11可通过N端的CARD结构域直接与细胞内的脂多糖(lipopolysaccharide， LPS)结合活化，并诱导细胞焦亡的发生，这种不依赖于caspase-1的细胞焦亡途径被称为非经典焦亡途径。

活化的caspase-4/5/11可直接通过切割GSDMD暴露N端，并在细胞膜表面形成寡聚孔诱导焦亡过程，通过激活NLRP3炎性小体间接介导IL-18和IL-1β的成熟和释放参与炎症反应。Shi等研究表明，在非经典焦亡过程中NLRP3炎性小体的活化途径主要有两种，一种为GSDMD-N端形成的寡聚孔诱导胞内K+外流激活NLRP3炎性小体，另一种为活化的caspase-11通过开启缝隙连接蛋白pannexin-1通道诱导三磷酸腺苷释放、K+外流激活NLRP3炎性小体。

caspase-3/8介导的焦亡途径： 既往对于caspase-3/8的研究主要集中于细胞凋亡领域，认为caspase-3/8是凋亡过程中的关键调节因子。Wang等研究表明，caspase-3/8也参与了细胞焦亡的过程，caspase-3可被肿瘤坏死因子及顺铂等化疗药物激活，切割GSDME得到GSDME-N，进而在细胞膜表面形成寡聚孔触发细胞焦亡。

此外，翟延评等研究表明，caspase-8被激活后可进一步切割GSDMD、促进IL-1β的释放，最终诱导细胞焦亡，提示焦亡与凋亡可能通过caspase-3/8存在一定的协同作用。

2.不同类型细胞焦亡参与脓毒症急性肺损伤的机制

脓毒症ALI的临床表现主要为呼吸困难及顽固性低氧血症，发病机制主要与炎症反应引起的肺泡上皮、血管内皮损伤有关。炎症反应失调在脓毒症ALI发生、发展过程中具有关键作用，焦亡作为以炎性因子释放为特征的细胞死亡方式，多种类型细胞在脓毒症ALI进展过程中发生焦亡，受到越来越多关注。

巨噬细胞焦亡与脓毒症ALI： 巨噬细胞为机体固有免疫中重要的效应细胞，巨噬细胞焦亡时可释放大量促炎性因子引起炎性细胞浸润、肺泡结构破坏，在脓毒症ALI的进展中发挥重要作用。

近年来，众多研究对脓毒症ALI中巨噬细胞焦亡发生的机制进行了探索。Li等研究表明，特异性敲除巨噬细胞NLRP3基因可缓解LPS诱导的小鼠脓毒症ALI并降低肺组织中GSDMD的表达。此外，Wu等研究表明，caspase-1特异性抑制剂AC-YVAD-CMK可减轻LPS引起的小鼠ALI并抑制巨噬细胞焦亡，表明NLRP3炎症小体及caspase-1的活化参与了脓毒症ALI中巨噬细胞焦亡的过程，为巨噬细胞焦亡潜在的调控靶点之一。

Ying等研究表明，在LPS诱导肺泡巨噬细胞损伤模型中，过表达微小RNA-495(microRNA-495， miR-495)可抑制NLRP3炎性小体的激活并降低GSDMD的表达水平，同时miR-495表达上调后，脓毒症模型小鼠肺组织中NLRP3、ASC和caspase-1的表达水平降低、肺损伤程度减轻。

此外，Pu等研究表明，敲除自噬相关蛋白7(autophagy related protein 7， ATG7)基因后，小鼠对铜绿假单胞菌感染的抵抗力下降，导致肺损伤程度加重；同时，ATG7基因敲除可促进NLRC4炎性小体活化及巨噬细胞焦亡。ATG7作为泛素连接酶在自噬体形成的过程中发挥重要作用，表明焦亡与自噬可能以炎性小体的活化为媒介存在一定关联。He等研究表明，除了增加炎性小体的活化，LPS处理还可通过髓样分化因子88依赖性核因子κB信号途径上调肺泡巨噬细胞表面白细胞介素-1受体I型的表达，使肺泡巨噬细胞对IL-1β的敏感性增强，放大炎症反应诱导巨噬细胞焦亡。

中性粒细胞焦亡与脓毒症ALI： 中性粒细胞为来源于骨髓并在人体血液循环中占比最高的白细胞，在机体的急性炎症反应中发挥重要作用。当ALI发生时，肺泡上皮细胞、血管内皮细胞受损，活化的巨噬细胞诱导趋化因子的释放，将大量中性粒细胞招募到肺部。

近年来，中性粒细胞焦亡在脓毒症感染中的作用逐渐受到了关注。Ryu等研究表明，铜绿假单胞菌感染只能诱导小鼠支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid， BALF)中少量的中性粒细胞焦亡(仅占BALF内中性粒细胞数目的0.7%);NADPH氧化酶2(non-phagocytic cell oxidase 2，NOX2)基因缺陷时，铜绿假单胞菌感染诱导的小鼠中性粒细胞焦亡水平显著升高(约占BALF内中性粒细胞数目的11%)，表明NOX2在中性粒细胞焦亡的过程中可能发挥调控作用。

解健研究表明，LPS气管内注射后，小鼠肺组织中caspase-1、caspase-11和GSDMD表达上调，BALF内中性粒细胞焦亡水平明显升高。中性粒细胞GSDMD基因特异性敲除后小鼠对LPS的耐受性增强，肺组织炎症水平降低、损伤程度减轻，表明GSDMD在中性粒细胞焦亡的过程中同样发挥关键作用。

不过，与内皮细胞及巨噬细胞不同，中性粒细胞焦亡并不依赖于caspase-1介导经典焦亡途径。Chen等使用沙门氏菌感染小鼠并分离其骨髓中性粒细胞，结果表明，虽然中性粒细胞中NLRC4炎性小体和caspase-1活化增加，但并未触发细胞焦亡。Kovacs等研究表明，在中性细胞内，caspase-1和caspase-11的活化都能裂解GSDMD蛋白，但只有caspase-11活化时才能触发细胞焦亡，caspase-11在中性粒细胞焦亡的过程中可能发挥着更重要的作用。

肺血管内皮细胞焦亡与脓毒症ALI： 肺血管内皮细胞为附着在肺微血管内腔的扁平细胞，具有维持血管张力、调节通透性及血流等作用，并与糖萼、基膜及细胞外基质共同构成血管屏障。内毒素、缺氧等多种致病因素作用于机体时，肺血管内皮细胞广泛损伤和死亡，导致血管屏障功能障碍，在ALI的发展过程起到重要作用。

肺微血管内皮细胞焦亡同样参与了脓毒症ALI的病理生理过程。Yang等研究表明，LPS可通过Toll样受体4(toll-like receptor 4， TLR4)蛋白激活NLRP3炎性小体和caspase-1，进一步诱导肺血管内皮细胞焦亡；失血性休克时，肺血管内皮细胞内高迁移率族蛋白B1表达增强激活casapse-1，与LPS协同引起肺血管内皮细胞焦亡，加重肺损伤。

Lai等研究表明，脓毒症小鼠肺组织中第2组先天淋巴细胞(group 2 innate lymphoid cell， ILC2)计数明显增加，且ILC2可通过分泌的IL-9抑制肺血管内皮细胞中caspase-1的活化，从而发挥抗细胞焦亡作用，表明ILC2计数增加可能为脓毒症时机体的内源性保护机制之一。除了caspase-1外，caspase-11在肺血管内皮细胞焦亡过程的作用也受到广泛关注。

Cheng等研究表明，LPS可通过TLR4/caspase-11信号通路诱导小鼠肺血管内皮细胞的焦亡，使用LPS在体外分别处理TLR4-KO及caspase-11-KO小鼠的肺血管内皮细胞，结果表明，caspase-11基因缺陷时细胞焦亡被显著抑制，TLR4基因缺陷并未对细胞焦亡产生明显影响，表明caspase-11在肺血管内皮细胞焦亡过程中发挥重要的作用。

Huang等研究表明，LPS处理后，小鼠肺血管内皮细胞内caspase-11表达上调并切割GSDMD得到GSDMD-N。GSDMD-N不仅可与细胞内的线粒体膜结合引起线粒体损伤，还可在肺血管内皮细胞表面形成寡聚孔将线粒体DNA释放到细胞外，抑制内皮细胞增殖及血管壁修复。caspase-11基因缺陷时，mtDNA释放减少，小鼠肺损伤减轻，表明caspase-11可能是脓毒症ALI时的潜在治疗靶点之一。

其他： 除了上述机制之外，Wei等研究表明，甲型流感病毒H1N1亚型可通过caspase-3/GSDME途径诱导肺泡上皮细胞的焦亡，细胞焦亡途径同样参与肺泡上皮细胞损伤的过程。

3.小结

细胞焦亡是脓毒症ALI重要的发病机制，靶向抑制细胞焦亡已成为脓毒症ALI潜在治疗方法之一。目前，关于细胞焦亡的研究主要集中在经典焦亡途径与脓毒症ALI的关系，对于非经典途径及caspase-3/8介导的焦亡途径与脓毒症ALI的研究相对缺乏；脓毒症ALI过程中不同类型细胞的焦亡过程中的相互作用尚不明确；针对脓毒症ALI过程中细胞焦亡通路靶向治疗的研究仍处于细胞及动物研究阶段，缺乏相应的临床研究。随着相关的研究不断深入，细胞焦亡或将成为脓毒症ALI重要治疗靶点。

来源：陆大浩,高巨.细胞焦亡在脓毒症急性肺损伤中作用的研究进展[J].临床麻醉学杂志,2024,40(04):412-415.

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