作者：江西中医药大学 汪涛
脊髓损伤（SCI）是脊柱损伤最严重的并发症之一，主要由高空坠落和交通事故引起，导致运动和感觉功能丧失，并引发全身各种并发症。SCI包括原发性和继发性两种，原发性损伤指脊髓在强烈刺激下破坏神经实质，细胞膜破裂，组织坏死。继发性损伤主要是由原发性损伤引起，细胞内大量物质积累，包括三磷酸腺苷（ATP）、谷氨酸、钾、活性氧（ROS）以及组织蛋白酶B（CTSB）等，这些物质具有高度的促炎作用，并可引发持续的继发性损伤级联反应。这种级联变化引起神经细胞持续性炎症反应，大量死亡，最终导致严重的运动和神经功能障碍。SCI后细胞的程序性死亡方式有多种，包括调亡、自噬、铁死亡以及焦亡等，焦亡在SCI的病理过程中发挥着重要作用。细胞焦亡是一种新型细胞死亡方式，伴随着白细胞介素-1β（IL⁃1β）和白细胞介素-18（IL⁃18）等多种炎症因子的释放，与SCI密切相关。目前细胞焦亡在SCI中的作用机制的相关报道比较分散，缺少系统性的综述。因此，本文就SCI中焦亡的相关研究进行综述，为深入了解细胞焦亡在SCI中的作用机制提供新见解，以期为SCI的治疗提供新方向。
文献检索策略
本文以英文主题“spinalcordinjury”、“pyroptosis”、“neu⁃rons”、“glialcells”、“programmeddeath”、“autophagy”、“apop⁃tosis”及其自由词在PubMed中检索，以“细胞焦亡”、“脊髓损伤”、“程序性死亡”等关键词在中国知网数据库进行检索。重点纳入近5年的文献。文献纳入标准：①已发表在期刊上的论著和综述；②同类型研究中水准较高的文献；③研究内容与焦亡及其在SCI中的作用高度相关。文献排除标准：①不能获取全文的文献；②重复发表或质量偏低的文献；③文献语言非中文或英文的文献；④Meta分析、会议论文等。本文共检索文献353篇，根据文献纳入排除标准最终纳入文献70篇（图1）。
细胞焦亡概述
细胞焦亡的研究最早可追溯到1986年，Friedlander发现炭疽致死毒素可以通过细胞内容物快速释放的方式诱导巨噬细胞死亡。1992年，Zychlinsky等发现福氏志贺氏菌可引起巨噬细胞发生与凋亡不同的死亡。2001年，随着Cookson等的研究，焦亡才被用来描述巨噬细胞的一种新型死亡方式。焦亡是一种新型细胞死亡方式，这一过程是由炎症小体介导的GasderminD（GSDMD）的裂解和激活引起的；其直观表现为DNA片段化、核固缩、细胞器变形和解体、胞膜穿孔、细胞膜破裂以及细胞内容物释放，这些变化会引发强烈的炎症级联反应。细胞焦亡主要有两条途径，经典途径涉及Caspase⁃1介导的炎症小体途径，而Caspase⁃4/5/11介导的炎性小体途径则与非经典途径相关。此外，还有研究表明Caspase⁃3/8可裂解GSDME从而引起焦亡，但这是否与SCI相关尚无明确研究。焦亡在神经细胞、吞噬细胞和巨噬细胞中时常发生，且研究甚广。有研究者在SCI病理过程中发现焦亡相关的形态学、生化以及分子水平的证据；且有人采用Nod样受体家族蛋白3（NLRP3）阻断剂MCC950（又称为CRID3）通过干预焦亡通路达到治疗SCI的效果，由此提示焦亡参与SCI后脊髓组织的继发性损伤。
SCI中焦亡的发生机制
当外力对脊髓造成压迫和（或）挫伤，会伴有血管损伤，导致血-脊髓屏障的破坏和神经细胞死亡，这一过程被认为是原发性损伤；随后继发性损伤发生，细胞坏死诱导的细胞内物质如谷氨酸、ATP、ROS和CTSB等快速释放，这些物质作为损伤相关分子模式或危险相关分子模式被胞膜上特异性模式识别受体所识别，如NLRP3炎性小体通过与C-末端富含亮氨酸的重复序列识别损伤相关分子模式。激活后可通过其特定结构域与募集的细胞凋亡相关斑点样蛋白（ASC）和Caspase⁃1前体分子相结合，组装为炎性小体，启动固有免疫应答。炎症小体复合体中，前体半胱天冬酶-1（pro⁃Caspase⁃1）通过自我水解释放出P20和P10亚基，形成活性的Caspase⁃1。活化后的Caspase⁃1可以裂解前体白介素-1β（pro⁃IL⁃1β）和前体白介素-18（pro⁃IL⁃18），使其转变为活性的IL⁃1β和IL⁃18。同时，活性Caspase⁃1通过释放GS⁃DMD的n端结构域（GSDMD⁃NT）来切割GSDMD，生成活化的GSD⁃MD⁃N和GSDMD⁃C。活化的GSDMD⁃N与磷脂分子结合后锚定在细胞膜上，形成直径约10~15nm的小孔。这些小孔不仅促进了活性IL⁃1β和IL⁃18的释放与通过，同时也使H2O分子进入细胞，导致细胞肿胀破裂，最终引发焦亡。这些过程表明GSDMD在焦亡中发挥核心作用。此外，膜穿孔促进促炎因子（如IL⁃1β和IL⁃18）的释放和氧化应激的过量产生，从而引发强烈的炎症反应，加重了继发性损伤。其机制示意图如图2所示。
SCI中不同类型细胞的焦亡
小胶质细胞 小胶质细胞是CNS中驻留的免疫细胞，在SCI后的炎症反应中发挥着重要作用。SCI后，小胶质细胞被快速激活，释放大量促炎细胞因子。当小胶质细胞过度激活时，促炎细胞因子和ROS会大量积累，加剧炎症反应并导致继发性损伤进一步加重。Xu等在小鼠SCI模型研究中发现，在敲除分化簇73（CD73）后，SCI较前加重；当刺激CD73使其过表达时，能激活PI3K/AKT通路及NLRP3炎性小体，降低GSDMD的表达，抑制焦亡的发生。氧化应激是继发性SCI发生的重要机制，而高氧化蛋白产物（APPOs）是ROS的新型标志物，参与了多种神经炎症性疾病。研究表明，APPOs在SCI后可激活小胶质细胞，促进小胶质细胞极化，且调节BV2细胞中ROS的生成。Liu等研究发现，APPOs能够通过Nox4/ROS/MAPK/NF⁃κB信号通路诱导BV2细胞中NLRP3炎症小体、Caspase⁃1、IL⁃18和IL⁃1β的激活，以及GSDMD的裂解，最终导致小胶质细胞发生焦亡。在应用NADPH氧化酶抑制剂后，可显著降低SCI后的APPOs水平，减轻小胶质细胞的焦亡程度，并改善大鼠SCI后的功能恢复。
星形胶质细胞 星形胶质细胞是CNS中数量最多的胶质细胞，在支持和维护神经元的功能、维持血脑屏障、调节神经传递和抗氧化等方面起到重要作用。星形胶质细胞焦亡在SCI的发生发展中扮演了重要角色。研究表明，在SCI后第3天，星形胶质细胞中的炎症因子水平显著升高。而星形胶质细胞可抵抗由炎症小体水平升高引发的焦亡，从而在SCI后相较于神经元及其他胶质细胞表现出更高的存活率，且可进一步形成胶质瘢痕。最新研究表明，促红细胞生成素（EPO）对SCI具有显著的抗炎和神经保护作用，可用于治疗SCI。Shan等研究发现，EPO可降低大鼠SCI模型中星形胶质细胞的GSDMD和GSDMD⁃N的表达，通过调控miR⁃325⁃3p的表达，发现GSDMD的表达也随之变化，说明miR⁃325⁃3p可靶向调控GSDMD，研究结果证明EPO可以通过miR⁃325⁃3p/GSDMD轴抑制星形胶质细胞的焦亡，从而减轻大鼠SCI的症状。
少突胶质细胞 少突胶质细胞是CNS中不可或缺的胶质细胞，在脊髓髓鞘的形成与再生、维持神经元的功能以及信号传导中发挥着重要作用。少突胶质细胞与SCI后脱髓鞘和轴突功能的损害相关。研究表明，Caspase⁃1可介导少突胶质细胞发生焦亡，引发炎性脱髓鞘病变，应用Caspase⁃1抑制剂VX⁃765后能减轻脱髓鞘病变的严重程度。SCI后，体外观察到少突胶质细胞和小胶质细胞焦亡，而雌二醇可以减少两种细胞的焦亡程度，促进SCI后的功能恢复。硫氧还蛋白互作蛋白（TXNIP）是一种由内质网（ER）诱导产生的蛋白，它在氧化应激、抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡中发挥作用，在SCI后其表达量显著增加。新的研究表明，TXNIP能够激活NLRP3炎症小体和Caspase⁃1，最终引发焦亡。ER可通过NLRP3炎症小体激活Caspase⁃2，使线粒体的功能受损。而受损的线粒体释放损害相关分子，进一步激活炎症小体，从而引发Cas⁃pase⁃1的激活，最终导致少突胶质前体细胞发生焦亡。
神经元 神经元是CNS的基本结构与功能单位，承担着各种重要的功能，是神经活动的主要承载者。SCI后神经元大量死亡，而焦亡在神经元的死亡中扮演了重要角色。拓扑替康（TPT）是一种拓扑异构酶1（Top1）的抑制剂，具有一定的抗炎作用。Jiang等研究中发现，TPT可抑制NLRP3炎症小体的激活，降低Caspase⁃1表达和抑制焦亡的发生，且降低小鼠促炎细胞因子水平。结果表明TPT可通过抑制Caspase⁃1介导的焦亡来减少神经元死亡，促进SCI后的功能恢复。二甲双胍具有一定的抗炎作用，因此不仅用于治疗2型糖尿病，也可用于治疗神经炎症性疾病。Yuan等研究发现，二甲双胍可通过磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），降低IL⁃6/1β的表达及NLRP3炎症小体的活性，抑制焦亡的发生，促进SCI后的运动功能恢复。MCC950是炎症小体NLRP3的抑制剂，Perera等研究发现，MCC950可抑制NLRP3的激活和Caspase⁃1、IL⁃1β和IL⁃18的表达，减少神经元的焦亡。黑色素瘤缺失2（AIM2）是另一种炎症小体，其可识别神经元中的胞质和外源性dsDNA。最新研究表明，在脊髓缺血再灌注损伤（SCIRI）模型中，运动功能的障碍程度与dsDNA水平相关，抑制AIM2的激活可降低Caspase⁃1和IL⁃1β的表达水平，抑制神经元的焦亡，促进SCIRI后的运动功能的恢复。
神经胶质细胞焦亡和神经元焦亡在SCI中的关联 在CNS中，神经胶质细胞通过提供支持、调节环境和参与免疫反应，确保神经元的正常功能。而神经元通过信息传递和处理，完成CNS的主要功能。两者相互影响，其功能和状态影响SCI后整体功能的康复。最新研究发现，小胶质电压门控质子通道（Hv1）维持细胞内生理pH值，参与ROS诱导的缺血性卒中神经元损伤。在小胶质细胞中敲低Hv1可减少SCI后ROS的产生从而减轻神经元凋亡和NLRP3炎症小体介导的焦亡，促进轴突再生和改善运动功能。网状蛋白-1（Netrin⁃1）是一种调节神经元生长的轴突引导因子，Lu等将Netrin⁃1modRNA转染到骨髓间充质干细胞（BMSCs）中，将富含Netrin⁃1（EX⁃netrin1）的EX用于在体外建立的LPS诱导的炎症模型中，研究EX⁃netrin1对SCI的治疗效果。结果表明，EX⁃netrin1可以加速PC12细胞/少突胶质细胞的轴突/树突生长，减轻LPS诱导的大鼠神经炎症反应和神经元的焦亡。SCI发生后，神经胶质细胞和神经元的焦亡不是单独发生的，而是存在一定的串扰，两者之间的关联有待进一步深入研究，以期为SCI的治疗提供更全面的理论支持。
SCI后焦亡激活的信号
SCI后焦亡的激活与NLRP3炎症小体的形成相关，但其形成机制尚不完全清楚。研究表明，K+外流、Ca2+信号、溶酶体破裂、ROS过度产生以及线粒体功能失调都与NLRP3炎症小体的形成密切相关。其激活过程示意图如图3所示。
K+ 外流K+外流是NLRP3激活的一个常见信号，已有较多研究报道其与NLRP3炎症小体的形成有关。K+外流的机制与嘌呤能受体P2X7（P2X7）和嘌呤能受体P2X4（P2X4）有关，K+外流后通过NIMA相关激酶7（NEK7）诱导NL⁃RP3炎症小体的激活。Zeng等首次报道了NLRP3炎症小体在小鼠脱硫酸葡聚糖（DSS）诱导性结肠炎模型中的作用。研究发现，NLRP3的活性与DSS诱导性结肠炎的严重程度相关，表明NLRP3炎症小体在其中起关键作用。DSS并没有直接触发NLRP3炎症小体的激活，而是增强了对ATP或者尼格霉素等刺激的反应。这种增强作用是通过增强K+外流介导的，而抑制K+外流能改善DSS诱导性结肠炎并抑制NLRP3炎症小体的激活。因此，抑制K+外流是抑制NL⁃RP3炎症小体激活的有效方法，这可能可以用来抑制SCI后的焦亡。
Ca2+ 信号BAPTA⁃AM是一种Ca2+螯合剂，Feldmeyer等研究发现，BAPTA⁃AM可以降低IL⁃1β的表达，说明Ca2+可能参与NLRP3炎症小体的激活。Piezo蛋白（PIEZO）是一种复杂的跨膜通道蛋白，参与调节免疫细胞的炎症反应。Ran等研究发现，钾钙激活通道亚家族N成员4（KCNN4）是一种K+通道蛋白，是PIEZO1信号通路的下游效应体，在PIEZO1激活诱导的NLRP3炎症小体激活过程中起重要作用。PIEZO1激活后引起Ca2+内流，通过激活KCNN4依赖的钾离子外流，从而促进NLRP3炎症小体的激活，而抑制KCNN4可以显著减弱PIEZO1激活诱导的NLRP3炎症小体激活。此外，在表达CAPS致病性NLRP3突变体的细胞中，PIEZO1激活诱导的焦亡也依赖于KCNN4的活性，说明Ca2+信号在SCI后NLRP3炎症小体的激活中起到重要作用。
溶酶体破裂 细胞颗粒碎片破坏溶酶体时会将CTSB释放到细胞质，进而参与NLRP3炎症小体的激活。此外，吞噬的晶体会诱导溶酶体损伤，释放CTSB，进而激活NLRP3炎症小体。Wang等首次报道了CTSB在肠道病毒B3（CVB3）诱导的病毒性心肌炎（VMC）发病机制中的作用。研究发现，在CVB3诱导的VMC中，CTSB显著激活。基因敲除CTSB可以提高存活率，减少炎症细胞浸润，并改善心功能。相反，基因敲除CTSB抑制剂CA⁃074⁃Me会增加CTSB水平，加重VMC的严重程度。结果表明，CTSB通过激活NLRP3炎症小体并促进Caspase⁃1诱导的焦亡来影响VMC。Liu等研究发现，SCI后胞浆磷脂酶A2（cPLA2）被激活，从而损伤溶酶体细胞膜，导致CTSB的泄漏，引发焦亡，证明CTSB介导的焦亡可能与cPLA2活化有关。然而，CTSB和SCI中的焦亡发生之间的关系在很大程度上仍然是未知的，需要进一步探索。
ROS过度积累和线粒体功能失调 ROS和线粒体功能对NLRP3炎症小体的激活作用，目前还存在一定的争议。但大部分研究者认为，ROS的过度积累和线粒体功能失调可以触发NLRP3炎性小体的激活。ROS的来源较多，包括线粒体、NADPH氧化酶、黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶（X/XO）和巨噬细胞的不完全吞噬等。其中，线粒体功能失调和NADPH氧化酶催化产生的ROS被认为是NL⁃RP3炎症小体激活的常见信号。研究发现ROS抑制剂会影响NLRP3激活的起始阶段。抑制ROS可阻止IL⁃18和IL⁃1β的分泌以及Caspase⁃1的激活。Bae等研究发现，氧化还原条件的变化会使NLRP3的PYD结构域和核苷酸结合位点之间的二硫键结构受到影响，表明ROS可通过影响二硫键来激活NLRP3炎症小体。
SCI中焦亡与凋亡和自噬的关联
程序性死亡是由一系列基因表达事件介导的活性细胞死亡，它可以消除不必要的和受损的细胞，是人体的一种防御机制。凋亡、自噬和焦亡是SCI后细胞程序性死亡的主要方式，且凋亡和自噬是当前研究报道较多的细胞死亡方式。焦亡作为一种新型程序性细胞死亡方式，与凋亡和自噬等在发生机制与信号通路等方面有较多联系。
焦亡和凋亡的关联 凋亡是SCI中发现最早且研究最多的程序性死亡方式，是一种非炎症性细胞死亡；而焦亡在炎症反应中被激活，是一种炎症性细胞死亡，两者之间存在复杂的相互作用。研究表明，Caspase家族在细胞凋亡和焦亡中扮演着重要角色，其可分为凋亡Caspase和炎性Caspase。凋亡Caspase以Caspase⁃3为代表，与凋亡密切相关；炎性Caspase主要介导炎症反应，炎性Caspase⁃1及Caspase⁃4/5/11的激活与焦亡的发生有关。Caspase⁃3是细胞凋亡的重要标志，然而其在焦亡的发生过程中也起到一定的作用。凋亡Caspase⁃8/9可激活Caspase⁃3引发凋亡，而凋亡刺激活化后的Caspase⁃3裂解GS⁃DME相关蛋白诱发焦亡。Caspase⁃8是焦亡和凋亡的关键调节因子。Caspase⁃8是凋亡的外源性驱动因子，可引发经典的Caspase依赖性凋亡。同时，活化的Caspase⁃8促进ASC小体的形成和激活Caspase⁃1，从而诱导焦亡的发生。焦亡与凋亡还可以通过NLRP3炎症小体相互串扰。在一项研究中发现，敲除范可尼贫血互补群C组（FANCC）基因后，会加剧小胶质细胞的焦亡，同时通过p38/NLRP3信号通路加剧神经元的凋亡，说明焦亡引起的神经炎症反应可能会导致凋亡增加。因此，SCI发生后，焦亡和凋亡可通过炎症反应和细胞信号通路交叉等相互作用，在一些情况下，焦亡可通过释放炎性因子促进凋亡，而凋亡也可影响焦亡的激活途径，两者之间的相互作用机制值得进一步探讨。
焦亡和自噬的关联 自噬通过形成自噬体与溶酶体融合降解细胞内有害物质和受损细胞器，维持细胞稳态，并在CNS的生理和病理过程中发挥重要作用。正常自噬起保护作用，维持细胞稳态；异常自噬则与多种神经系统疾病相关。研究表明，SCI中的焦亡和自噬并非独立，而是存在一定的串扰。自噬可以通过清除炎症因子、受损的线粒体和细胞内的ROS反向调节炎症小体NLRP3的激活，抑制焦亡。Wu等研究发现，白桦脂酸（BA）通过AMPK⁃mTOR⁃TFEB信号通路调节自噬相关蛋白如转录因子EB的表达，促进线粒体自噬，并恢复SCI小鼠的自噬通量，从而清除积累的ROS，逆向调控焦亡的发生。最新研究表明，BMSCs来源的外泌体能够增强贝克林1（Beclin1）、自噬相关蛋白5（ATG5）和自噬相关蛋白7（ATG7）等自噬相关蛋白的表达，降解成熟的IL⁃1β，抑制巨噬细胞/小胶质细胞中NLRP3炎症小体的激活，从而通过miR⁃21a⁃5p/PELI1轴介导的自噬途径有效抑制焦亡的发生，促进SCI后的功能恢复。同样的，研究发现NLRP3炎性小体可激活Caspase⁃1，活性Caspase⁃1切割TIR结构域衔接蛋白IFN⁃β（TRIF），抑制TLR4/TOLL⁃IL⁃1R受体信号通路诱导的自噬。此外，CTSB也可以直接激活NLRP3炎症小体从而引发焦亡，且调节激活ULK1激酶的活性负向调节自噬。SCI后，自噬可通过调节炎症小体的途径来影响焦亡，焦亡也可通过相关信号通路调控自噬。但自噬与焦亡是否有其他途径相互影响却不得而知，随着对自噬和焦亡相互影响机制的不断研究，可能能为SCI的治疗提供新的方法。
SCI后焦亡的靶向治疗
SCI后焦亡的研究主要集中在基础研究阶段，因此针对SCI后焦亡的靶向治疗策略仍相对有限，主要包括以下几个方面：①外泌体治疗，研究表明来自CNS等组织的外泌体在神经再生中发挥重要作用，并可用于SCI后焦亡的治疗。Sheng等研究发现，将miRNA⁃22加载至MSCs⁃EV上可降低GSDMD的表达，减少细胞膜孔的开放，抑制炎症因子的释放，从而抑制小胶质细胞焦亡的发生。②中药治疗，中药活性成分在SCI的抑制和预防具有重要作用，尤其在抑制焦亡方面表现出显著效果。Zhao等研究发现，丹皮酚可通过TLR4/髓样分化因子88/NF⁃κB信号通路抑制小胶质细胞中NLRP3炎性小体的形成，减少细胞焦亡；此外，另一项研究表明，Taxifolin可显著降低由小胶质细胞激活引起的氧化应激，并抑制SCI后焦亡相关蛋白和炎症因子的表达。③组织工程技术，随着组织工程技术的快速发展，水凝胶等生物材料在SCI的治疗中得到了广泛应用。Xiao等将miR⁃138修饰的脐带髓间充质干细胞来源的外泌体植入SCI大鼠体内，发现能够在热反应性水凝胶体系中通过NLRP3⁃Caspase⁃1信号通路减少BV⁃2细胞的炎症，并通过Nrf2下调细胞内ROS水平，从而减少神经元凋亡。Tang等的研究发现，应用巨噬细胞膜修饰和脂质体负载的米诺环素可有效抑制SCI后的焦亡水平，并有效改善SCI的症状。通过对上述几种靶向治疗策略的研究，可以看出，针对SCI后焦亡的治疗方法仍在不断探索中，尽管目前存在一定的挑战，但当前的研究可为未来的靶向治疗提供重要的理论依据和实践方向。
小结与展望
SCI的发病机制是一个多因素、多环节串扰的过程，本文系统综述了细胞焦亡在SCI中的相关研究，总结了焦亡在SCI中的作用及机制，归纳了不同类型细胞的焦亡及关联，讨论了焦亡的激活信号及焦亡与自噬和凋亡的相互作用，为更好的理解焦亡在SCI中的作用及其潜在治疗提供新思路。当然，本文也有不足之处，如由于篇幅限制，只简单归纳了焦亡在SCI中的相关靶向治疗方案。焦亡在SCI中的作用及相关研究仍相对不足，且当前针对焦亡的治疗方案还主要处于单一的SCI动物模型中，尚未转化为临床应用。因此，需要更多研究证明焦亡在SCI中的重要作用，研发新的治疗方案并转化应用于临床。
来源：骨科2025年3月第16卷第2期
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