急性肺损伤中焦亡的研究进展

刘丽花  梁秋云（通讯作者)

摘要：细胞焦亡是一种促炎型调节性细胞死亡，其特征是 gasdermin 蛋白介导的膜孔形成、细胞肿胀和快速裂解。急性肺损伤（ALI）是一种常见且严重的疾病,其发病机制与多种因素有关。随着对其探究的深入，发现焦亡对急性肺损伤的发生发展有着重要作用。本文对急性肺损伤中焦亡的机制进行综述，为临床研究和基础研究提供更多的思路和方向。

关键词：焦亡；细胞死亡；肿胀；急性肺损伤；机制

急性肺损伤( acute lung injury，ALI) 是一种威胁生命的疾病，严重的 ALI 可导致急性呼吸窘迫综合征 ( acute respiratory distress syndrome，ARDS)，其特征是严重的顽固性低氧血症，低氧性呼吸衰竭，肺泡和间质性肺水肿，肺顺应性降低和肺血管通透性增加[1,2]。在包括来自美国、泰国等27个国家的一项国际观察性研究报告称，ALI严重威胁着住院病人的生命健康，尤其是新型冠状病毒肺炎(COVID-19)肆虐全球，导致严重的呼吸窘迫综合征，本病已逐渐成为全球公共卫生问题[3,4]。焦亡是一种程序性细胞死亡形式，其特征是促炎细胞因子的释放和质膜孔的形成，可诱导细胞肿胀并穿孔质膜，导致钾外流，从而在细胞外释放促炎物质，已引起人们的广泛关注。越来越多的研究表明，细胞焦亡在急性肺损伤的发生中起着重要作用，因此探究焦亡的机制及二者的关系，对治疗 ALI 有较大意义，现将急性肺损伤中焦亡的研究进展综述如下。

1. 急性肺损伤

ALI在临床上主要表现为急性低氧性呼吸衰竭、肺泡通透性增加和严重的肺泡水肿，心脏充盈压正常，引起病变直接原因主要是严重的肺部感染、溺水、肺挫伤和肺栓塞，引起严重的肺泡病变。间接原因主要包括脓毒症、大量输血、外伤、胰腺炎、脂肪栓塞和药物过量等，这些因素首先引发不受控制的全身炎症，最终引起血管内皮损伤和多发性炎症细胞浸润，伴有较轻的肺泡病变[5,6]。ALI相关的主要病理变化包括肺泡上皮细胞和肺泡毛细血管内皮细胞屏障的损伤，肺泡腔中富含蛋白质的水肿液的渗出，以及嗜中性粒细胞和巨噬细胞等炎性细胞的浸润[7]。大量文章表明革兰氏阴性菌感染是导致肺损伤的最重要因素之一，LPS是革兰氏阴性菌外膜的主要成分，在诱导炎症反应和导致肺损伤的过程中起关键作用。目前，ALI治疗基于机械通气和液体管理，没有有效的临床治疗，导致大多数患者的预后较差，许多研究显示，ALI的死亡率约为40%[8]。

2. 焦亡分子机制

2.1焦亡历史来源

焦亡是程序性炎症细胞死亡的一种形式，于1992年由Zychlinsky在感染福氏志贺氏菌的巨噬细胞中观察到这种独特的细胞死亡[9]。研究显示，在福氏志贺氏菌诱导的巨噬细胞死亡过程中，caspase-1的激活导致成熟IL-1β的分泌[10]。2001年，Cookson等人证明，这种新型死亡形式与细胞凋亡有显著不同，其特征是细胞肿胀和裂解，而不是细胞收缩和完整的细胞膜。因此，这种独特的程序性炎症细胞死亡被称为细胞焦亡[11]。细胞焦亡的特征是细胞膜孔的形成，是由gasdermin（GSDM）家族介导的过程，GSDM家族的激活在焦亡中起关键作用，GSDM家族的成员，包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD和GSDME导致细胞焦亡。

2.2 焦亡主要的分子机制和信号通路

细胞焦亡的启动涉及多种途径，包括典型、非典型和替代途径。GSDM家族由N端成孔结构域和和一个由灵活接头连接的C末端阻遏物结构域。无论具体途径如何，共同的分子机制都涉及将GSDM裂解为N端和C端片段。随后，N端结构域掺入细胞膜，形成孔并诱导细胞焦亡[12]。

经典途径的细胞焦亡被认为是caspase-1诱导的单核细胞死亡，焦亡由炎症小体组装介导，伴有 GSDMD 裂解和 IL-1β和IL-18 释放。其中，炎症小体是由NLRP3、接头蛋白ASC和效应蛋白Caspase-1组成的大分子多蛋白复合体。炎症小体的组装始于胞质模式识别受体（PRR，也称为炎症小体传感器），它能够识别病原体相关的分子模式和危险相关的分子模式（PAMP 和 DAMP）[13]。

非典型途径的细胞焦亡不依赖于caspase-1起作用，但依赖于人类的caspase-4和-5以及小鼠的caspase-11。这些Caspase通过其CARD结构域直接与革兰氏阴性菌的LPS结合,与LPS结合后，caspase-11在D285位点自裂解，通过二聚化产生活化的caspase-11物质。同样，caspase-4/5寡聚化并被LPS激活，然后，活化的caspase-4/5/11还可以将GSDMD裂解成N-GSDMD，N-GSDMD被寡聚并转移到细胞膜上，最终形成质膜孔。caspase-4/5/11不能直接切割pro-IL-1β和pro-IL-18，它们激活NLRP3炎症小体和caspase-1，最终导致IL-1β/IL-18通过GSDMD孔释放

[14]。因此，细胞的焦亡在一定程度上受到GSDMD孔数的影响。此外，活化的caspase-11可以切割pannexin-1，通过激活嘌呤能P2X7受体（P2X7R）促进细胞三磷酸腺苷（ATP）释放并诱导细胞焦亡[15]，这代表了非经典途径中的一种特殊途径。

Caspase-3最初被认为是细胞凋亡的关键执行因子，然而，最近的研究表明，caspase-3还可以在化疗药物的影响下通过裂解和激活GSDME在将细胞凋亡转化为焦亡中发挥作用[16]。这种激活导致GSDME的N端片段在细胞膜上积累，形成孔隙，导致细胞肿胀和裂解。虽然GSDME不直接参与典型或非典型焦亡途径，但被caspase-3切割的N-GSDME片段可以激活典型焦亡途径，促进IL-1β和IL-18的释放[17]。据报道，其他途径也可诱导细胞焦亡。例如，链球菌热原外毒素B通过GSDMA裂解诱导细胞焦亡；活化的caspase-8在缺氧的情况下切割GSDMC，caspase-8在肠上皮细胞中切割GSDMD以调节肠道稳态；中性粒细胞特异性丝氨酸蛋白酶（如中性粒细胞弹性蛋白酶和组织蛋白酶G）可以切割GSDMD，产生N端结构域GSDMD-p30，从而诱导中性粒细胞焦亡[18]。

3. 焦亡介导的急性肺损伤

    细胞焦亡及其相关的炎性Caspase在急性肺损伤的发生中起着重要作用，抑制炎症小体是控制细胞焦亡的关键，是目前治疗急性肺损伤的主要途径。Caspase-1在LPS诱导的ALI中被激活，从而促进肺泡巨噬细胞（AMs）焦亡。由AMs诱发的持续过度炎症是ALI的发生的重要原因，据报道，AMs中的LPS通过激活TLR4/NLRP3/caspase-1通路触发GSDMD依赖性细胞焦亡，导致以炎症细胞浸润、肺间质水肿、出血和肺泡壁厚度为特征的严重肺损伤，抑制NLRP3炎症小体可减少AMs中的细胞焦亡和炎性细胞因子（如IL-1β和IL-18），随后改善肺损伤[19]。此外，介导炎症的 p38 MAPK 信号通路被证明是通过介导 NLRP3 炎症小体的激活参与 ALI 中 AMs 的焦亡。据报道，p38 MAPK信号通路的选择性抑制剂SB203580抑制AMs中NLRP3/caspase-1依赖性细胞焦亡，从而改善肺部炎症[20]。因此，NLRP3/caspase-1/GSDMD 介导的 AMs 细胞焦亡可能参与 ALI 的发展。此外，炭疽致死毒素激活的NLRP1炎症小体介导的AMs炎症小体介导的细胞焦亡会促进肺部炎症并导致ALI加重。Caspase-1抑制可改善LPS诱导的ALI患者的肺组织损伤和肺水肿，这意味着caspase-1可能是治疗ALI患者的治疗靶点[21]。

在肺内皮细胞中，存在一种高度敏感和复杂的细胞内LPS感应机制，导致caspase-4/5/11依赖性细胞焦亡，其特征在于质膜破裂和LDH释放，IL-1β成熟和分泌，以及GSDMD的分裂。研究表明，caspase-11/GSDMD介导的肺内皮细胞焦亡导致肺水肿，而caspase-11的内皮特异性缺失可逆转肺部炎症和肺损伤[22]。

4. 总结与展望

综上，GSDMD介导的焦亡与急性肺损伤的进展息息相关，细胞焦亡会导致急性肺损伤恶化。但急性肺损伤中焦亡的具体机制尚未完全清楚，未来有必要对急性肺损伤中的焦亡进行更多的科学研究。

[1]Meyer NJ, Gattinoni L, Calfee CS. Acute Respiratory Distress Syndrome.  Lancet (2021) 398(10300):622–37.

[2]Swenson KE, Swenson ER. Pathophysiology of Acute Respiratory Distress Syndrome and Covid-19 Lung Injury. Crit Care Clin (2021) 37(4):749–76.

[3]张雨茜，王荣花,陈祥，等.TLR4信号通路介导病毒性急性肺损伤与ARDS的研究进展[J].病毒学报,2021,37(5):1234-1243.

[4]Shaw, McAuley, O'Kane.Emerging drugs for treating the acute respiratory distress syndrome[J]. Expert Opin. Emerg Drugs，2019，24(1):29-41.

[5]Bayat B, Sachs UJ. Transfusion-related acute lung injury: an overview. Curr Pharm Des. 2012;18(22):3236-40.

[6]Li Y, Wang Q, Chen H, Gao HM, Zhou T, Qian SY. Epidemiological features and risk factor analysis of children with acute lung injury. World J Pediatr. 2012 Feb;8(1):43-6.

[7]Thompson BT, Chambers RC, Liu KD. Acute Respiratory Distress Syndrome. N Engl J Med (2017) 377(6):562–72.

[8]Shen J, Wang S, Huang Y, et al. Lactobacillus reuteri Ameliorates Lipopolysaccharide -Induced Acute Lung Injury by  Modulating the Gut Microbiota in Mice[J]. Nutrients, 2023,15(19).

[9]Zychlinsky A, Prevost MC, Sansonetti PJ. Shigella flexneri induces apoptosis in infected macrophages. Nature. 1992 Jul 9;358(6382):167-9.

[10]Hilbi H, Chen Y, Thirumalai K, Zychlinsky A. The interleukin 1beta-converting enzyme, caspase 1, is activated during Shigella flexneri-induced apoptosis in human monocyte-derived macrophages. Infect Immun. 1997 Dec;65(12):5165-70.

[11]Cookson BT, Brennan MA. Pro-inflammatory programmed cell death. Trends Microbiol. 2001 Mar;9(3):113-4.

[12]Li M, Jiang P, Yang Y, et al. The role of pyroptosis and gasdermin family in tumor progression and immune  microenvironment[J]. Exp Hematol Oncol, 2023,12(1):103.

[13]Lamkanfi M, Dixit VM. In Retrospect: The inflammasome turns 15. Nature. 2017 Aug 30;548(7669):534-535.

[14]Rühl S, Shkarina K, Demarco B, Heilig R, Santos JC, Broz P. ESCRT-dependent membrane repair negatively regulates pyroptosis downstream of GSDMD activation. Science. 2018 Nov 23;362(6417):956-960.

[15]Yang D, He Y, Muñoz-Planillo R, Liu Q, Núñez G. Caspase-11 Requires the Pannexin-1 Channel and the Purinergic P2X7 Pore to Mediate Pyroptosis and Endotoxic Shock. Immunity. 2015 Nov 17;43(5):923-32.

[16]Wang Y, Gao W, Shi X, Ding J, Liu W, He H, Wang K, Shao F. Chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a gasdermin. Nature. 2017 Jul 6;547(7661):99-103.

[17]Santos LD, Antunes KH, Muraro SP, de Souza GF, da Silva AG, Felipe JS, Zanetti LC, Czepielewski RS, Magnus K, Scotta M, Mattiello R, Maito F, de Souza APD, Weinlich R, Vinolo MAR, Porto BN. TNF-mediated alveolar macrophage necroptosis drives disease pathogenesis during respiratory syncytial virus infection. Eur Respir J. 2021 Jun 17;57(6):2003764.

[18]Li M, Jiang P, Yang Y, et al. The role of pyroptosis and gasdermin family in tumor progression and immune  microenvironment[J]. Exp Hematol Oncol, 2023,12(1):103.

[19]Liu B, Wang Z, He R, Xiong R, Li G, Zhang L, Fu T, Li C, Li N, Geng Q. Buformin alleviates sepsis-induced acute lung injury via inhibiting NLRP3-mediated pyroptosis through an AMPK-dependent pathway. Clin Sci (Lond). 2022 Feb 25;136(4):273-289.

[20]Li D, Ren W, Jiang Z, Zhu L. Regulation of the NLRP3 inflammasome and macrophage pyroptosis by the p38 MAPK signaling pathway in a mouse model of acute lung injury. Mol Med Rep. 2018 Nov;18(5):4399-4409.

[21]Wu DD, Pan PH, Liu B, Su XL, Zhang LM, Tan HY, Cao Z, Zhou ZR, Li HT, Li HS, Huang L, Li YY. Inhibition of Alveolar Macrophage Pyroptosis Reduces Lipopolysaccharide-induced Acute Lung Injury in Mice. Chin Med J (Engl). 2015 Oct 5;128(19):2638-45.

[22]Cheng KT, Xiong S, Ye Z, Hong Z, Di A, Tsang KM, Gao X, An S, Mittal M, Vogel SM, Miao EA, Rehman J, Malik AB. Caspase-11-mediated endothelial pyroptosis underlies endotoxemia-induced lung injury. J Clin Invest. 2017 Nov 1;127(11):4124-4135.