一文读懂细胞焦亡及其研究进展

程序性细胞死亡(Programmed Cell Death, PCD)，是指细胞接受某种信号或受到某些因素刺激后，为了维持内环境稳定而发生的一种主动性消亡过程。凋亡、自噬、细胞程序性坏死、细胞焦亡都是是程序性死亡的表现形式。

一、细胞焦亡概述

细胞焦亡（Pyroptosis）是一种最新发现的炎症细胞程序性死亡方式，主要通过炎症小体介导包含Caspase-1在内的多种Caspase的激活，造成包括GSDMD在内的多种Gasdermin家族成员发生剪切和多聚化，造成细胞穿孔，进而引起细胞死亡。相比于细胞凋亡（apoptosis），细胞焦亡发生的更快，并会伴随着大量促炎症因子的释放。

      细胞发生焦亡时，细胞会发生肿胀，在细胞破裂之前，细胞上形成凸出物（图A），之后细胞膜上形成孔隙，使细胞膜失去完整性，释放内容物，引起炎症反应，此时，细胞核位于细胞中央（图B），随着形态学的改变，细胞核固缩，DNA断裂。

二、细胞焦亡信号通路

分为依赖Caspase-1的经典途径和依赖Caspase-4、5、11的非经典途径。

（1）依赖Caspase-1的经典途径

在细菌，病毒等信号的刺激下，细胞内的模式识别受体作为感受器，识别这些信号，通过接头蛋白ASC与Caspase-1的前体结合，形成多蛋白复合物，使Caspase-1活化，活化的Caspase-1一方面切割Gasdermin D，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段，诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物，引起炎症反应；另一方面，活化的Caspase-1对IL-1β和IL-18的前体进行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并释放到胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应。

（2）依赖Caspase-4、5、11的非经典途径

在细菌等信号的刺激下，Caspase-4、5、11被活化，活化的Caspase-4、5、11切割Gasdermin D，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段，一方面诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物，引起炎症反应；另一方面，诱导Caspase-1的活化，对IL-1β和IL-18的前体进行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并释放到胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应。

三、细胞焦亡的检测方法

（1）形态变化

①扫描电镜观察细胞形态

②TUNEL染色

③免疫荧光染色（GSDMD/GSDME）

（2）检测焦亡相关蛋白

①q-PCR/Western Blot方法检测焦亡相关基因或蛋白的表达水平

（例如，Caspase-1、4、5、11；GSDMD ; CleavedCASP-3等）

②ELISA试剂盒检测IL-1β、IL-18等炎症因子的水平

③MTT法测定细胞活力

四、细胞焦亡的研究领域

细胞焦亡是机体重要的免疫反应，在拮抗感染和内源性危险信号中发挥重要作用。广泛参与肿瘤、感染性疾病、代谢性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发生发展。

（1）细胞焦亡与感染性疾病

在病原体感染时，适度的细胞焦亡可清除致病微生物，而过度的细胞焦亡在导致细胞死亡的同时，释放炎症因子，扩大炎症反应，造成发热，低血压、败血症等症状。以败血症为例，败血症是由致病菌侵入血液系统，并在其中生长繁殖，产生毒素，引起全身性感染，最新研究表明，细胞自噬相关基因Atg7沉默后，可激活细胞焦亡途径。

（2）细胞焦亡与代谢性疾病

因代谢障碍或代谢旺盛等原因引起的疾病称为代谢性疾病，常见的有糖尿病、痛风、糖尿病性心肌病等。以糖尿病性心肌病为例，由心肌细胞死亡引起，最新的研究显示高血糖可以造成活性氧的产生增加，进而上调NF-κB和TXNIP，NF-κB又可以上调NLRP3、IL-1β前体以及IL-18前体的表达；TXNIP通过改变NLRP3的结构激活Caspase-1，活化的Caspase-1一方面切割Gasdermin D，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段，诱导心肌细胞膜穿孔、破裂，释放内容物，引起炎症反应；另一方面，活化的Caspase-1对IL-1β和IL-18的前体进行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并释放到胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应。

（3）细胞焦亡与神经系统疾病

神经系统疾病包括脑损伤，癫痫等。以癫痫为例，研究发现，癫痫发作可通过钾离子外流等途径激活NLRP1炎症体，进而激活依赖Caspase-1的焦亡途径，导致癫痫进一步发展。

（4）细胞焦亡与动脉粥样硬化

在动脉粥样硬化的发展中，炎症被认为是启动和驱动动脉粥样硬化的主要因素。在高血脂、氧化修饰的低密度脂蛋白等几次下，激活Caspase-1，介导血管内皮细胞、巨噬细胞、血管平滑肌细胞的焦亡与炎症反应，导致血管扩张功能障碍、坏死中心的形成，粥样硬化斑块的稳定，最终造成动脉粥样硬化。

（5）细胞焦亡与肿瘤

研究发现，在ROS及细胞毒素的作用下，JNK激酶被激活并转移到细胞核内，促进焦亡相关基因的表达，启动焦亡的形成，控制肿瘤的发展。

五、区 别