杨迎亚，周雯静，王海英

(1.遵义医科大学附属医院 麻醉科，贵州 遵义 563099；2.遵义医科大学 麻醉与器官保护基础研究重点实验室，贵州 遵义 563099)

炎症是机体对组织损伤的反应，并且在组织修复过程中必不可少。轻、中度的炎症有助于控制组织损伤程度，但过度激活或不受控制的炎症反应却会造成组织结构和功能的严重损害。因具有致细胞损伤并诱导级联炎症反应的作用，细胞焦亡被认为是T2DM及其心血管并发症发生和发展的驱动力。因此，深入了解细胞焦亡在T2DM发生发展中的作用机制，可以进一步通过靶向细胞焦亡通路，防治其心血管损害，为临床寻求心肌保护的靶点提供新策略。

1 细胞焦亡概述

细胞焦亡是一种主要依赖消化道皮肤素D(GSDMD)N端残基片段(GSDMD-NT)的成孔活性介导细胞损伤的细胞死亡方式，又称为GSDM家族介导的细胞炎性坏死。而GSDMD的激活主要依赖于炎性小体形成并触发炎性caspase(-1/-4/-5/-11)活化。首先，当模式识别受体(PRRs)如：NLRP3，AIM2等被激活，与凋亡相关斑点样蛋白(ASC)和caspase-1前体蛋白酶(pro-caspase-1)相互衔接构成炎性小体，该过程促使caspase-1成熟并切割GSDMD释放GSDMD-NT，最终向质膜移位，导致细胞膜穿孔，细胞裂解死亡。以NLRP3/caspase-1/GSDMD通路为例，当细胞受到线粒体活性氧(ROS)、尿酸、细胞外ATP等物质异常增加，线粒体、溶酶体破坏，细胞内外离子浓度改变以及形态改变等刺激时，NLRP3被激活[1-2]。同时，由于核因子-κB(NF-κB)[3]、硫氧还蛋白结合蛋白(TXNIP)、NIMA相关激酶-7(NEK7)等[4-5]信号因子的活化，推动了NLRP3炎性小体成熟的进程。成熟的caspase-1，一方面，剪切GSDMD，使之释放出有活性的GSDMD-NT，可以直接导致质膜穿孔[6]；另一方面，促进炎性因子前体(pro-IL-1β、pro-IL-18)和趋化因子活化，多种细胞内容物经膜孔释放，不仅促进细胞裂解和级联炎症反应的发生，细胞内ATP等物质的释放还可以诱导进一步细胞焦亡，可能成为临床多种疾病预防和治疗的潜在靶点[7-8]。与caspase-1介导的焦亡通路不同，caspase-4、-5、-11/GSDMD通路由脂多糖 (LPS)直接激活，导致膜孔形成并促发细胞裂解和炎症反应，被称为细胞焦亡的非经典途径，多见于脓毒血症[9]。

细胞焦亡具有其独特的形态学改变，首先，GSDMD-NT向质膜移位是膜孔形成所必需的，通过透射电镜可以观察到细胞膜出泡并产生突起，细胞轻度肿胀。质膜上随即形成非选择性离子通道，导致细胞质经膜孔渗出，细胞形态破坏呈扁平状。虽然细胞焦亡和坏死性凋亡(necroptosis)都表现出质膜破裂，但是，坏死性凋亡过程中产生的执行蛋白MLKL向质膜移位，形成选择性离子通道，细胞因过度膨胀而破裂。因此，二者的形态学特征具有显著的差异[10]。此外，细胞焦亡和坏死性凋亡都表现出与细胞凋亡(apoptosis)不同的质膜破坏，细胞膜完整性的丧失使不能透过质膜的染料(如：EthD-Ⅲ、YO-Pro-1)进入细胞内，可使焦亡和坏死性凋亡的细胞染色，而不能使凋亡细胞染色，成为区别不同细胞死亡方式的辅助方法。

不断深入的研究发现，凋亡的启动者caspase-8在介导焦亡、凋亡和坏死性凋亡3种PCD模式中均可以发挥作用，被喻为3种细胞死亡方式的“分子开关”[11]。细胞凋亡过程中的效应蛋白caspase-3也可以在细胞焦亡途径中发挥作用。当细胞内GSDME高表达时，caspase-3可以剪切GSDME蛋白，使其释放出与GSDMD-NT功能相似的N端残基片段，导致细胞焦亡，反之，则导致细胞凋亡，从而决定了肿瘤细胞的死亡方式[12-13]。在细胞焦亡过程中，GSDMD的缺失导致caspase-1激活caspase-3，从而介导细胞凋亡，而当GSDMD正常表达时，该通路则受到抑制，细胞则发生焦亡[14]。这充分地说明了细胞死亡信号通路之间复杂的相互作用关系，可以认为，多种PCD模式在多个层面上可能是融汇贯通的，在同一细胞内同时或连续地被激活。它们相互关联，相互影响，又灵活地相互补偿。即使通过药物抑制或基因敲除关闭了细胞焦亡的通道，这些细胞死亡的方式也可能在某种特定条件下相互切换。

2 细胞焦亡与2型糖尿病

T2DM带来的危害遍及全球，其本质上是一种无菌性炎症反应，不仅会导致葡萄糖、游离脂肪酸代谢障碍和胰岛淀粉样多肽(IAPP)水平升高等病理变化，还伴随多种心血管损害。大量研究表明，NLRP3/caspase-1/GSDMD通路参与其中并推动病程演进，该通路不仅与T2DM的发生发展密切相关，还直接介导糖尿病心肌病(Diabetic cardiomyopathy，DCM)和冠心病(Coronary heart disease，CHD)等，增加了心肌缺血/再灌注损伤(Myocardial ischemia/reperfusion injury，MI/RI)和心力衰竭(Heart failure，HF)的发病率，是导致T2DM高患病率和高死亡率的主要原因。同时，已经有研究表明，T2DM大鼠在经历体外循环下MI/RI后，由于线粒体功能严重受损，心肌细胞大量ROS堆积，血清中炎性因子IL-1β、TNF-α等的含量较正常大鼠明显增高，心肌梗死面积增大，心功能受损严重[15]。细胞焦亡在T2DM中的作用机制可归纳如下：

首先，肥胖患者常常伴有脂肪细胞功能紊乱和慢性炎症，是T2DM发病的主要因素[16]。研究发现，肥胖大鼠皮下和内脏脂肪细胞常常因肥大和缺氧，导致线粒体功能障碍，ROS大量产生，同时，随着脂肪细胞内多种抗氧化酶活性降低，氧化应激不断增强[17]，该过程促使细胞焦亡相关分子活化，导致脂肪细胞裂解死亡，同时，脂肪组织内炎性细胞浸润，释放单核细胞趋化蛋白/趋化因子配体-2(MCP-1/CCL-2)、TNF-α、IL-1/-6等细胞因子，诱发全身炎症反应，进一步促进了糖、脂代谢异常和胰岛素抵抗的发生，从而加重了T2DM[18]。在关于肥胖患者的临床研究中指出，脂肪组织产生大量IL-1家族细胞因子，并且NLRP3的激活与超重成正相关[19]。通过抑制细胞焦亡通路相关蛋白的表达，可以使脂肪细胞大小和形态变化得到明显的改善，同时，胰岛素敏感性相关基因的表达增高，胰岛素增敏激素分泌增加，标志着胰岛素抵抗得到缓解[20-21]。

其次，慢性高血糖通过晚期糖基化终末产物(AGE)途径、蛋白激酶C(PKC)途径等多条途径增加了线粒体代谢，过多ROS的产生诱导细胞焦亡，导致胰岛β细胞和血管内皮细胞(VECs)裂解及炎症反应，是胰岛β细胞功能受损、胰岛素抵抗和血管内皮功能障碍的主要原因[22]。同时，胰岛β细胞中TXNIP的活化进一步促进细胞裂解死亡，并推动炎症级联扩大[23]。研究显示，血糖控制不良的慢性高血糖患者线粒体ROS增加更为明显，细胞焦亡通路被激活，炎症反应也更加突出[24]。

另外，T2DM期间胰岛淀粉样多肽(IAPP)在胰岛β细胞和毛细血管内的异常沉积促进间质纤维化，并对胰岛β细胞具有明显杀伤作用。有研究者在该沉积物中同样发现了焦亡相关蛋白活化和巨噬细胞聚集，IL-1β和趋化因子的释放明显增加，最终导致胰岛β细胞裂解死亡和级联炎症反应，成为T2DM药物治疗的一个关键靶点[25]。

最后，肠道菌群失调也是促进T2DM及相关心血管并发症发生发展的关键因素之一。研究显示，肠道菌群失调导致肠道细菌的代谢产物三甲胺氧化物(TMAO)、短链脂肪酸(SCFAs)及胆汁酸等异常增多可以诱导巨噬细胞焦亡，NLRP3炎性小体活化并趋化巨噬细胞聚集，促进炎症反应。肠道菌群失调的患者表现出BMI增高，脂肪量增加，胰岛素敏感性降低，同时血浆中炎性因子增加，糖、脂代谢异常。因此，肠道菌群失调激活细胞焦亡，不仅导致T2DM的发生，还促进动脉粥样硬化和心肌纤维化的发展[26-27]。此外，有研究者发现在肠道手术中进行NLRP3-/-的巨噬细胞重建，大鼠糖耐量得到快速持续改善，T2DM也得到持续缓解[28]。肠道益生菌因其抑制NF-kB激活、NLRP3表达及TNF-α、IL-1β等因子活化的作用，可能成为防治T2MD及相关心血管并发症的潜在靶点[29]。

3 细胞焦亡与心血管疾病

免疫调节异常和代谢紊乱是多种心血管疾病形成的主要因素，NLRP3炎性小体作为机体代谢应激的传感器，将二者与靶细胞裂解死亡、组织、器官功能障碍及炎症反应联系在一起。因此，T2DM相关代谢综合征介导细胞焦亡和炎症反应，成为心血管疾病病程的驱动者。

3.1 糖尿病心肌病 DCM是与T2DM关系最密切的疾病。在T2DM早期，线粒体代谢变化先于心脏病理结构改变，氧化应激导致细胞焦亡的激活使机体长期处于慢性炎症状态，NF-kB激活和TXNIP的表达，促使NLRP3炎性小体的过度激活，成为促进心肌纤维化，驱动心脏结构和功能改变的关键因素，随后caspase-1/GSDMD直接导致了心肌细胞裂解死亡。因此，在T2DM大鼠模型中可以观察到细胞超微结构破坏，包括：线粒体嵴紊乱和水肿、脂质积累、肌原纤维破坏以及间质纤维化等，随后发生心肌重构、心肌顺应性下降，并出现收缩、舒张功能障碍甚至心力衰竭[30]。

3.2 动脉粥样硬化及冠心病 在T2DM发展过程中，慢性高血糖以及胆固醇结晶、氧化低密度脂蛋白(OxLDL)、TMAO等物质的过度产生促使线粒体功能障碍，强烈的氧化应激触发细胞焦亡，成为诱导VECs、巨噬细胞及平滑肌细胞(SMC)裂解死亡及慢性炎症的关键因素，因此，T2DM患者较非DM患者更易发生VECs功能障碍、内膜下脂质沉积以及泡沫细胞形成，最终出现大、中动脉内膜下脂质粥样斑块形成，导致动脉粥样硬化(Atherosclerosis，AS)的发生[31-32]。研究发现，NLRP3/caspase-1/GSDMD通路蛋白在粥样斑块中高表达，并且与斑块脆性和AS进展程度呈正相关。首先，VECs裂解及内皮下巨噬细胞聚集并释放炎性因子是血管内皮功能障碍的关键因素[33]。其次，趋化因子、黏附分子等释放进一步促使SMC和巨噬细胞增殖和迁移，进入动脉壁形成溶酶体中脂质沉积和泡沫细胞，导致纤维斑块的形成，随着泡沫细胞的焦亡，炎症反应进一步扩大，焦亡相关蛋白表达的上调与斑块破裂和血栓形成密切相关[34-35]。此外，SMC产生的细胞外基质参与了纤维帽的形成，SMC的焦亡引起纤维帽脆弱而不稳定，直接导致急性冠脉综合征的发生。反之，阻断NLRP3/caspase-1/GSDMD通路，控制各种炎性因子的成熟与释放，不仅降低了CHD大鼠VECs功能损害，而且在临床研究中发现对CHD患者的VECs起到一定的保护作用[36-37]。

研究发现，T2DM患者常常伴随低脂联素血症，通过诱导NLRP3炎性小体激活，介导血管内皮细胞焦亡，导致血管内皮功能障碍，并影响血管舒缩功能，是导致AS及CHD的重要危险因素。运用脂联素(APN)受体激动剂抑制细胞焦亡通路的激活和IL-1β、IL-18的释放，减轻了T2DM相关心肌细胞损伤，也为AS提供了新的治疗方法[38]。

3.3 心肌梗死和心肌缺血/再灌注损伤 尽管再灌注作为目前临床治疗急性心肌梗死(Acute myocardial infarction，AMI)的主要方法，大大提高了T2DM合并AMI患者的预后，但是研究者发现，T2DM作为AMI的独立危险因素，仍然使AMI病死率加倍[39]。AMI促使心肌细胞、成纤维细胞及VECs中NLRP3炎性小体持续激活，单核细胞、巨噬细胞及中性粒细胞聚集，释放IL-1β和IL-18，并介导细胞损伤和心功能障碍。心肌供血供氧恢复后，氧化应激促使线粒体功能障碍进一步加重[40]，心肌细胞焦亡和炎症反应使缺血性损害在梗死的基础上更加严重，导致MI/RI。在此过程中，内质网应激(ERS)作为细胞早期应激反应，是ROS堆积、线粒体和溶酶体损伤、细胞内外K+和Ca2+浓度改变以及ATP、mtDNA释放等重要病理生理现象的基础。线粒体相关内质网膜(MAMs)作为内质网膜上与线粒体相互接触的特殊结构域，参与NLRP3活化，募集ASC和caspase-1，并触发炎性小体成熟，成为ERS过程中连接细胞焦亡和MI/RI的重要桥梁[41]。因此，在经历MI/RI的大鼠心肌组织中可以观察到细胞焦亡相关蛋白明显激活、炎性细胞浸润，最终诱导级联炎症反应造成结构和功能的进行性损害[42]。而NLRP3/caspase-1/GSDMD通路的抑制有效降低了AMI和MI/RI后心肌梗死面积，使心功能得以维持，也降低了患者早期死亡率和心室重构，改善预后[43-44]。由此可见，T2DM由于代谢综合征介导心肌细胞焦亡和长期慢性炎症，在经历AMI和MI/RI后，进一步激活的心肌细胞焦亡和级联扩大的炎症反应使T2DM患者缺血性损害较非DM患者更加严重。细胞焦亡因其致炎致损伤作用在T2DM患者AMI和MI/RI过程中扮演了关键角色，可能成为临床预防和治疗的重要靶点。

3.4 心力衰竭 HF是T2DM相关心血管并发症发展的终末阶段。细胞焦亡、慢性炎症及神经内分泌的过度激活诱导心肌病理性重构，心肌细胞和成纤维细胞裂解死亡，表现为心肌纤维化、心肌肥厚并出现心功能降低，是HF发病的主要原因。cAMP作为评估心肌收缩功能的间接指标，其增加程度与心脏正性肌力作用呈正相关。研究发现，在HF过程中，NLRP3炎性小体的形成可以使cAMP的生成减少，导致心肌收缩力明显降低[45]，抑制NLRP3/caspase-1/GSDMD通路能有效地减轻心肌细胞死亡和HF相关室性心律失常，维持心功能[46]。此外，心肌特异性钙调神经磷酸酶转基因(CNTg)的过表达使小鼠出现慢性炎症、心肌肥厚、心室扩张及收缩、舒张功能损害，最终导致HF的发生，而NLRP3基因缺失使这一类小鼠心肌细胞焦亡受阻和血清IL-1β的水平明显降低，减少了心肌细胞炎症和病理性重构，使心肌收缩力得以改善[47]。

4 细胞焦亡的调控

目前，靶向NLRP3/caspase-1/GSDMD通路的治疗，无论是药物抑制，还是基因敲除均发挥了重要作用，并且在多个动物模型中得以证实。微小RNA(miRNAs)、长链非编码RNA( lncRNAs)、环形RNA(circRNA)等多种非编码RNA(ncRNA)通过影响细胞焦亡通路相关蛋白mRNA的表达，起到一定的调控细胞焦亡和炎症反应的作用。其中，miRNA是影响增殖、分化、衰老、死亡等细胞病理生理过程的关键分子，通过与mRNA的相应位点结合并介导其降解，是转录后调控基因表达的重要介质。多项研究表明，miRNA与T2DM相关代谢综合征及心血管并发症的发生发展密切相关[48]，不仅可以直接作用于NLRP3 / caspase-1 /GSDMD通路，减少焦亡相关蛋白的表达和pro-IL-1β、pro-IL-18的激活，在细胞焦亡和炎症反应过程中发挥着重要的调节作用[49]，而且可以作用于TLR4/MyD88/NF-kB、TXNIP及SIRT-1蛋白[50-51]，对NLRP3炎性小体的形成起着一定的调控作用。因此，miRNA可能成为防治T2DM及相关心血管并发症的新工具。

部分临床常用的治疗T2DM及相关并发症的药物也被证明通过抑制细胞焦亡从而发挥一定的保护作用，比如二甲双胍不仅可以降低肥胖患者巨噬细胞向脂肪组织的浸润和内质网应激，降低NF-kB、TXNIP/NLRP3/IL-1β、IL-18的激活，减轻胰岛素抵抗，控制T2DM发展[52]。而且通过减少细胞焦亡通路相关蛋白的表达，改善了T2DM小鼠的DCM和MI/RI[53-54]，同时也起到减轻AS等心血管保护作用[55]，因此，成为临床患者控制血糖，延缓病程演进，降低并发症发病率的最佳选择。此外，格列苯脲、西格列汀及利拉鲁肽等也通过控制脂肪细胞、胰岛β细胞焦亡，保护心血管系统免受慢性炎症损伤。瑞舒伐他汀通过抑制细胞焦亡通路的激活，改善了DCM的发病环境，并且在CHD的治疗中发挥了一定的潜在作用[56]。格列酮、格列美脲等通过改善血浆脂联素浓度，抑制细胞焦亡的激活，也为临床CHD的治疗作出重大贡献。

5 展望

综上所述，细胞焦亡作为一种促炎性PCD模式，通过诱导宿主细胞在炎症反应中裂解死亡，有助于清除病原体并控制感染，然而，过度激活的细胞焦亡通路则会导致组织器官功能障碍和级联炎症反应的发生。细胞焦亡的过程贯穿了T2DM及相关心血管并发症的发展全过程，无论是从RNA水平还是蛋白质水平调控细胞焦亡信号通路中各信号元件的作用，可以有效的抑制细胞焦亡发生和炎症反应的扩大，因此，细胞焦亡相关基因和蛋白是目前预防和治疗T2DM及相关心血管并发症的重要靶点，只有深入研究整个细胞焦亡信号网络的具体作用和调控机制，才能为疾病的研究打下基础，也为其临床防治提供新的思路和方法。