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摘要：细胞焦亡是受外界环境刺激而诱发细胞程序性炎性死亡的一种方式，此过程依靠Caspase-1/4/5/11的过表达。已有研究表明，细胞焦亡与许多疾病密切相关，如急性肾损伤、糖尿病肾病和肾结石等。从机制上出发，调节细胞焦亡有2种途径，一条由经典通路Caspase-1调控，另一条由非经典通路Caspase-4/5/11调控。大量研究证实细胞焦亡参与肾病的生理过程。该文着重介绍细胞焦亡与肾脏损伤分子机制进行概述，为肾脏疾病的防治和研发特效药提供新的思路。
关键词：细胞焦亡；信号通路；急性肾损伤；糖尿病肾病；肾结石
0引言
根据细胞形态、细胞死亡分子机制和生物学特性将细胞死亡分为3种类型，即细胞凋亡、自噬和坏死[1]。已被研究的程序性坏死主要包括线粒体通透性转换孔依赖性坏死、坏死性凋亡、铁死亡和细胞焦亡[2-5]。细胞焦亡与凋亡区别在于细胞焦亡为不可控，且受外部条件刺激为诱因。在形态学上细胞焦亡特征表现为细胞发生膨胀，随后细胞膜和细胞质发生裂解，并释放各类细胞器及炎症因子最终引起炎症反应。细胞凋亡受基因程序的控制,具备可调控性，细胞内部可直接诱发，其表征表现为细胞体积减小、线粒体损伤、细胞膜完好无损、通过电镜可观察到凋亡小体[6]。在某些疾病中细胞发生死亡并不局限于1种方式，而是几种细胞死亡方式共存，如细胞焦亡、细胞凋亡、细胞程序性坏死、铁死亡和自噬等在心肌缺血再灌注疾病中均可检出。肾脏损伤是危害人类和动物健康的重要原因，其病因复杂，多种病理机制可引起肾损伤。近年研究表明，细胞焦亡与肾损伤有关[7]，如急性肾损伤、糖尿病和肾结石[8-10]。新的研究表明，细胞焦亡和相关的炎症小体激活在肾损伤的进展中发挥重要作用[11]。现就细胞焦亡的分子机制及其在肾损伤的研究中的应用作一综述。
1细胞焦亡信号通路
细胞焦亡起始于炎症因子的激活。炎症因子是细胞内大分子复合物，由模式识别受体（PRRs）、pro-Caspase-1、衔接蛋白（ASC）组成。PRRS包含了RLR、TLRs、CLRs、NLRs、ALR、NOD受体和IFI16蛋白。有研究发现，NLRP1/2/3/6/7/12、IFI16、AIM2和Pyrin炎症因子均可募集并激活pro-Caspase-1[12-13]。其中被研究最广泛的是NLRP3，NLRP3炎症小体可被微生物（真菌、细菌和病毒）或非微生物（重金属和晶体化合物等）所激活[7,14]。在分子机制中线粒体受损、自噬功能障碍、活性氧（ROS）、钾离子外流等激动剂等均能导致NLRP3活化[15-16]。NLRP3受体蛋白由3类结构域组成，即NACHT、LRR和PYD，在病理因素的刺激下，ASC能够分别募集Caspase-1效应蛋白、NLRP3的CARD结构域和PYD结构域，使之三者结合，ASC在此处起到衔接作用，而NEK7能够加快这一进程，最终形成具有活性炎性复合体NLRP3，活化的NLRP3对pro-Caspase-1进行剪切使得Caspase-1被激活，一旦激活，Caspase-1剪切GasderminD（GSDMD），释放N末端结构域序列对质膜转位和寡聚，导致细胞膜穿孔。Caspase-1将催化白细胞介素-18/1β前体（pro-IL-18和pro-IL-1β）转化为具有活性的成熟的IL-18和IL-1β，随后IL-18、IL-1β等炎性物质和细胞器物通过GSDMD-N造成的孔隙释放到胞外，最终导致细胞焦亡[17-18]。在非经典通路中NLRP3能够激活Caspas-4/5/11通路[19]。有研究显示革兰氏阴性菌在Caspase-11激活过程中起着重要作用，细胞内脂多糖（intracellularLPS）的PRR与por-Caspase-11的CARD结构域相结合使Caspase-11活化[20]。活化后的Caspase-11剪切GasderminD，使其暴露N端致胞膜穿孔引发细胞焦亡[21-22]。与Caspase-1依赖的焦亡途径不同的是Caspas-4/5/11不能对pro-IL-1β和pro-IL-18进行剪切使其具有生物活性[23-24]，细胞焦亡分子机制，见图1。
2细胞焦亡与肾损伤的关系
2.1急性肾损伤
急性肾损伤（AKI）是由不同因素引起的1种肾脏在短时间内功能丧失的肾脏疾病，其具有发病率高，预后差等特点。AKI是脓毒症的并发症之一，有研究表明，在脓毒症中病损伤相关分子模式（DAMPs）和原相关分子模式（PAMPs）进入血液循环系统后，肾小球发挥滤过功能，PAMPs和DAMPs与肾小管上皮细胞接触后发生氧化应激，产生大量ROS和炎症反应[25]，最终导致肾损伤。YeZ等[26]研究表明，肾小管上皮细胞焦亡可能与脓毒症AKI有关，其在LPS诱导小鼠发生脓毒症AKI的研究中小鼠肾小管上皮细胞发生裂解死亡，同时Westernblot技术检测发现焦亡相关蛋白Caspase-11与GSDMD表达量显著升高。而在小鼠中敲除Caspase-11后，焦亡相关蛋白表达相对降低，肾脏病理检查表明肾损伤减轻，说明细胞焦亡在脓毒症AKI的发生过程中起着关键作用。YangJR等[27]在缺血再灌注诱导的AKI研究中发现肾脏结构破坏和功能丧失，并伴随焦亡相关蛋白Caspase-11、Caspase-1和IL-1βmRNA的转录水平明显升高。该研究还发现，缺氧再复氧损伤（HRI）也诱导肾小管上皮细胞的细胞膜空隙增加和释放大量乳酸脱氢酶，该研究结果表明，缺血再灌注损伤导致的细胞焦亡在AKI中起着重要作用。WangR等[28]采用与YangJR等[27]相同试验模型研究发现，Nrf1可作为miR-92a-3p的标靶，抑制miR-92a-3p可缓解细胞氧化应激，体内外的IL-18、IL-1β、GSDMD-N、Caspase-1和NLRP3的蛋白表达水平明显降低，说明在缺血再灌注诱导AKI中，可通过抑制miR-92a-3p的表达，缓解肾小管上皮细胞焦亡和氧化应激损伤。
2.2糖尿病肾病
糖尿病肾病（DKD）是最严重的糖尿病并发症之一，而在DKD的发展中炎症反应起着关键作用。目前在动物实验研究中显示高血糖、内质网应激（ER）和线粒体损伤可刺激肾细胞导致细胞应激发生细胞焦亡，并且有研究证明不同的信号通路可以调节细胞焦亡的发生。细胞焦亡引起的炎症和细胞损伤与糖尿病、加重肾纤维化、肾小球硬化和肾小管损伤有着密切关系。有研究表明ROS的过度产生和积累能够引发细胞发生氧化应激，氧化应激是DKD重要的启动因子[29]。ROS的积累能够激活硫氧还蛋白互作蛋白（TXNIP）、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）、P38分裂原激活的蛋白激酶（P38MAPK）和核因子κB（NF-κB）等信号通路[29]。上述通路能够激活肾脏中的Caspase-1，促进IL-18和IL-1β的释放，使细胞发生炎症反应，导致细胞焦亡。在肾脏中，高糖、钙、脂质代谢、未折叠蛋白反应均能够导致ER的发生，在ER下线粒体和内质网稳态发生改变，导致线粒体紊乱，ROS大量积累并激活NLRP3，促进焦亡途径的形成[30]。有研究表明，在大鼠肾近端小管上皮细胞中，ER可激活NLRP3/Caspase-1/IL-1β信号通路，引起炎症反应。ER可刺激C/EBP同源蛋白（CHOP）的过表达来激活NLRP3炎症小体，也可通过激活NF-κB途径促进IL-18和IL-1β的分泌进一步增强肾组织的局部炎症[31]。LiX等[32]人研究表明，糖尿病患者肾小管上皮细胞的焦亡机制与肺腺癌转移相关转录物1（MALAT1）有关。MALAT1表达显著增加能够抑制miR-23c的表达，下调miR-23c靶点ELAVL样蛋白1（ELAVL1）的作用，抑制MALAT1后，miR-23c能够直接调控ELAVL1的表达，然后抑制NLRP3、Caspase-1、IL-18和IL-1β真菌、细菌病毒病原体重金属晶体化合物LPSASCNLRP1、NLRP6、NLRP9、NLM2、NLRC4和PyrinActiveCaspase-1pro-IL-1βpro-IL-18IL-1βIL-18GSDMDGSDMD-NNActiveCaspase-4/5/11NEK7PYDNACHTLRRNLRP3的表达，拮抗高血糖诱导的细胞焦亡。李嵘等[33]研究表明，microRNA-497（mi-497）可抑制胰岛素和高糖导致的肾小球系膜细胞焦亡，其主要机制为mi-497可直接靶向拮抗NLRP1的表达，导致IL-1β、Caspase-1等焦亡相关因子的表达量降低，抑制焦亡的发生。高糖导致的肾小管上皮细胞的焦亡受microRNA和长链非编码RNA调控，除microRNA和长链非编码RNA可调控细胞焦亡外，其他焦亡分子机制仍需进一步探索。
2.3肾结石
肾结石的成分主要是草酸盐结晶，有研究显示，大量结晶型物堆积于肾小管中是肾功能损伤的主要因素之一，晶体物堆积于肾小管内引起肾小囊压力升高和大量水堆积导致肾小球滤过率降低，最终导致肾功能受损；堆积于肾内的晶体可活化NLRP3炎症小体，活化后的NLRP3炎症小体可激活下游一系列焦亡通路，最终导致肾细胞发生焦亡[18]。KnaufF等[34]为研究晶体诱导肾脏疾病中肾衰竭的病因，其给予小鼠喂食高可溶性草酸的饮食来建立进行性草酸盐肾病模型，结果显示，肾脏组织学表现为小管内的草酸钙（CaOx）结晶沉积，周围间质有炎症反应，而NLRP3敲除的小鼠肾脏中草酸钙结石密度显著降低。经试验结果分析，草酸可诱导肾小管上皮细胞发生氧化应激，导致ROS堆积和细胞黏附因子增加，最终形成结石。此外，诱导NLRP3炎症小体活化改变细胞对晶体的粘附来参与肾结石的形成。KhanSR[35]研究发现，ROS可以通过p38/MAPK途径上调透明质酸（HA），骨桥蛋白（OPN）和CD44的表达，改变肾小管上皮细胞与CaOx晶体的粘附，并刺激CaOx结石的形成。QiS等[36]发现，ROS通过诱导NLRP3炎症小体活化，并调控p38/MAPK信号通路改变细胞与晶体粘附和促进结石形成的过程中起着关键作用。ROS抑制剂可以阻碍NLRP3炎性小体的活化，减轻细胞炎症损伤，并延缓疾病的发展[37]。体内外研究表明，CaOx晶体能够诱导肾脏中ROS的产生，然后激活NLRP3炎症小体，对肾小管上皮细胞和肾组织造成炎症损伤，促进CaOx结石的形成[38]。SunY等[39]研究发现，应用阿托伐他汀治疗可下调ROS的产生，抑制NLRP3炎症小体的激活，减少IL-1β、IL-6、IL-18和TNF-α的释放，并改善大鼠和HK-2细胞肾组织中CaOx晶体诱导的炎症损伤和晶体沉积。因此，LiuY等[40]认为草酸或CaOx晶体在CaOx肾结石形成过程中诱导肾小管上皮细胞产生ROS，并介导NLRP3炎性小体的活化，该过程导致肾小管上皮细胞坏死、变性和炎性细胞浸润，并引起肾炎级联效应，促进CaOx晶体的粘附和积累，最终导致肾结石的形成。
3小结
细胞焦亡的分子机制分为Caspase-1依赖的经典途径与非经典途径，是近年国内外学者研究较为广泛的1种程序性炎性细胞死亡方式。本课题组主要进行家禽肾脏损伤机制研究，研究证明细胞焦亡相关炎症因子在肾脏损伤的发生发展过程中起着至关重要作用[7]，但细胞焦亡参与调控肾损伤的分子机制研究尚浅。因此对细胞焦亡调控肾损伤分子机制任需进一步探索。
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作者:韦泽晶 彭宇轩 单位:海南职业技术学院畜牧兽医实验室
