細胞焦亡（pyroptosis）簡稱焦亡，是一種高度炎症形式的「溶解性細胞程序性死亡方式」，最常發生在感染胞內病原體時，很可能構成抗菌反應的一部分。此過程通過去除胞內複製龕（replication niches）並增強宿主防禦反應，從而促進各種細菌、病毒、真菌和原生動物感染的快速清除。焦亡可在免疫細胞中發生，也有報導發生在角質形成細胞和一些上皮細胞中。

焦亡不同於凋亡，比細胞凋亡發生得更快；焦亡依賴於胱天蛋白酶 - 1/4/5（caspase-1/4/5），且伴有大量促炎症因子釋放。焦亡表現為細胞不斷脹大直至細胞膜破裂，導致細胞內容物及促炎症因子大量釋放，進而激活強烈的炎症反應，激發其他免疫細胞抵抗感染並導致組織炎症；是機體一種重要的天然免疫應答，在抗擊感染中發揮重要作用。

細胞焦亡的名稱來源於其英文「pyroptosis」中的詞根「pyro-」為「火焰」之意。



歷史

在感染革蘭陰性志賀氏菌小鼠巨噬細胞的研究中，Chen 等首次報道 caspase-1 依賴性的細胞死亡。志賀氏菌侵入人類宿主結腸黏膜，並且感染固有層的吞噬細胞，從而導致廣泛的巨噬細胞死亡和膿腫形成。1992 年，Zychlinsky 等所進行的研究發現，弗氏志賀氏菌可誘導感染的宿主巨噬細胞發生程序性死亡，但被認為是細胞的凋亡作用。因為其與細胞凋亡具有某些共同特徵，包括 DNA 片段化、核凝聚和 caspase 依賴性。1999 年，對沙門桿菌感染的巨噬細胞的研究也證實存在 caspase-1 依賴性程序性死亡方式，同時伴隨大量促炎性細胞因子釋放，而與 caspase-3、caspase-6、caspase-7 的激活無關。2001 年，Brennan 和 Cookson 首次用「Pyroptosis」來描述這種獨特的程序性細胞死亡方式，其中「pyro」是指「促炎介質的釋放」，「ptosis」表示「下降」，而 Pyroptosis 則被稱為「細胞焦亡」，從而把這種具有促炎和細胞溶解性質的新型細胞程序性死亡途徑同細胞凋亡、壞死區分開來。2011 年，在觀察鼠感染傷寒沙門氏菌的巨噬細胞死亡時，再次證實細胞焦亡是一種新的細胞程序性死亡。細胞焦亡被重新定義為「由 Gasdermin 蛋白介導的一種程序性細胞壞死」。更深入的研究發現，這是一種新的程序性細胞死亡方式，不依賴於細胞凋亡相關的 caspase-3 的活性，而是由 caspase-1 介導，且 caspase-1 特異性阻斷劑和 caspase-1 基因剔除的巨噬細胞可以阻止，並且抵抗弗氏志賀氏桿菌所誘導的巨噬細胞死亡；而 caspase-3 或 p53 缺失的巨噬細胞卻不能抵抗細胞死亡。此外，在李斯特菌、嗜肺軍團菌、假結核耶爾森菌、綠膿桿菌等病原體感染的巨噬細胞中也證實存在 caspase-1 依賴性的細胞程序性死亡。



特徴

細胞凋亡是生理性主動自發的程序性細胞死亡方式，而細胞焦亡則是高度炎症性的程序性細胞死亡方式。細胞焦亡在形態學上同時具有部分細胞凋亡和細胞壞死性死亡的特徵，但細胞焦亡的生物學效應及細胞形態學等又有別於細胞凋亡。發生焦亡的細胞因胞膜微孔的形成，會失去了調控物質進出的能力、打破胞膜兩側的滲透平衡，以及導致 IL-1β 和 IL-18、高遷移率族蛋白-1 等炎症因子及促炎介質的釋放，細胞此時充滿液體呈氣球樣，質膜從細胞骨架脫離。最終細胞脹破及溶解，胞質內容物被釋放到外界，並且因對鄰近細胞產生促炎信號，募集到更多的炎症細胞，而引發明顯的炎性反應。細胞焦亡會出現輕微的去氧核糖核酸（DNA）損傷和染色體濃縮現象，並且在末端脫氧核苷酸轉移酶所介導的 TUNEL 檢測中顯示陽性反應，焦亡細胞的 DNA 降解程度和 TUNEL 染色強度，不像細胞凋亡般有高且有少量的梯帶狀 DNA 的存在，此時焦亡細胞的胞核仍然保持完整，無核碎裂表現，僅出現輕度的核濃縮，並且在胞核周圍形成球形囊泡。胞質載有細胞器也保持完整，但其功能何時喪失目前仍然不清楚，有研究指出發生焦亡的骨髓來源巨噬細胞，在胞膜穿孔形成 1 分鐘內，粒線體就停止了活動。焦亡細胞在最終溶解之前，會形成直徑約為 1 至 5 微米的焦亡小體，而游離的焦亡小體可以被吞噬細胞吞噬，或者作為細胞間傳遞物質和信息的載體。



機制

Nod 樣受體負責識別細菌、病毒，以及宿主內源性分子和有毒外來物，並且令炎症小體檢測到危險信號後，由 PRRs 募集必要成分並組裝，從而刺激下游 caspase-1 的激活。GSDMD 蛋白是炎性胱天蛋白酶的關鍵焦亡底物，含有的 480 個胺基酸，能被分為兩個結構域，並且能通過一個長圓環相互聯繫，該圓環中的天冬氨酸位點上能被 caspase 所裂解，產生具有激活細胞焦亡作用的 N - 端及自我抑製作用的 C - 端。caspase-1/4/5/11 的激活一方面切割 GSDMD 蛋白，令 GSDMD 蛋白 N - 末端及 C - 末端之間的長圓環連接斷開，產生成孔蛋白 GSDMD-NT，從單體變成寡聚物，並且轉移至細胞膜上，因其會與心磷脂及磷脂醯肌醇或脂質混合體結合而打亂了細胞膜的結構，形成直徑約為 10 至 20 nm 且允許水分子等物質進入細胞的活性孔隙，引起腫脹及裂解，最終導致細胞焦亡。作為單獨構建體的 GSDMD-C 和 GSDMD-N 可形成穩定相互作用，足以抑制 GSDMD-N 的細胞毒性。另一方面，caspase-1/4/5/11 的激活使炎症因子 IL-1β 及 IL-18 成熟並釋放。儘管細胞焦亡本身不需要這兩種細胞因子，其釋放有助於促進及加重焦亡所引起的炎症反應。



活化途徑

目前普遍認為經典細胞焦亡途徑即為經由 Caspase-1 介導發生的細胞焦亡途徑，並且由一系列能夠形成炎性小體的模式識別受體所觸發。炎性小體是細胞質中由多種蛋白組成的復合物，主要包括細胞質內的 Nod 樣受體、適配器蛋白和半胱氨酸蛋白酶 - 1 前體。每個炎性小體通常包含 1 個 caspase 的激活和募集域 (CARD) 和 1 個 PYRIN 域（PYD），而僅含有 1 個 PYD 的炎性小體需通過 PYCARD 蛋白進行信號轉導，而含 CARD 的炎性小體則可通過 PYCARD 蛋白或直接與凋亡蛋白酶 - 1 信號轉導。其中最常見的是 NOD 樣受體，通過識別同源配體的方式，與 PYCARD 蛋白結合，形成大分子復合物，進而激活胱天蛋白酶 - 1，並且促進介白素 - 1β 及介白素 - 18 的分泌。之後炎症因子穿過細胞膜膜孔，過度啟動細胞免疫，繼而誘導細胞焦亡。細胞焦亡存在著非經典細胞焦亡途徑，然而相關機制尚不明確，故需更多的研究進一步深入探索。人類體內缺乏胱天蛋白酶 - 11，而這種細胞內脂多糖相關信號通路目前尚不清楚。人類的胱天蛋白酶 - 4、胱天蛋白酶 - 5 作為胱天蛋白酶 - 11 的相似物，能直接與脂多糖結合，激活與胱天蛋白酶 - 11 類似的細胞焦亡過程。



通路中涉及的因素

TLR

類鐸受體（即 Toll 樣受體、TLR）負責識別位於細胞表面或內體中的病原相關分子模式，並且啟動信號通路，包括核因子活化 B 細胞 κ 輕鏈增強子和絲裂原活化蛋白激酶的激活，進而負責產生 IFNα/β、TNF 和 IL-12 等炎性細胞因子。此外，因出現由半胱氨酸介導的 caspase-1 加工，IL-1β 前體和 IL-18 前體被釋放。

NLR

NOD 樣受體（NLR）由 20 多個子集組成，包括 NOD1、NOD2、NLRP3 及 NLRC4 等，可以識別到引入宿主細胞胞質溶膠中的細菌、病毒和有毒異物。經識別後，NOD1 和 NOD2 的功能類似於 Toll 樣受體，產生和加工炎症細胞因子。其中的一些子集（例如 NLRP3）也可以激活 caspase-1 依賴性的細胞焦亡，伴隨細胞膜小孔形成，並且受到細胞鉀外排的進一步刺激。 NLRC4 可以特異性識別鞭毛蛋白，然後觸發 caspase-1 依賴的焦亡。NOD 樣受體會識別分子模式的危險信號，並且積聚炎症小體。



臨床意義

細胞凋亡通過引起病理性炎症而充當著抵抗感染的防禦機制。炎性小體的形成和 caspase-1 的活性決定了病原體分解和疾病之間的平衡。在健康的細胞中，caspase-1 激活了可通過引入細胞死亡來限制病原體的生長，來幫助抵抗沙門氏菌和志賀氏菌引起的感染。當檢測到危險信號時，休眠細胞將被激活以進行焦亡，並且產生炎性因子 IL-1β 和 IL-18。 IL-18 將刺激干擾素 -γ 的產生，並且引發輔助型 T 細胞 - 1 反應的發展，而 TH1 反應趨向釋放能夠指導清除病原體的細胞因子。細胞活化會導致細胞因子水平的增加，增加炎症的效果，繼而隨著感染的進行而促進適應性反應的發展。最終將清除病原體。然而，持續的炎症反應會產生過多且有害的免疫細胞。如果這個情況持續下去，就會發生代謝紊亂、炎症性疾病，以及與慢性炎症相關的肝損傷。

胰島素抗性

胰島素與胰島素受體結合後，通常會啟動下游激活的信號級聯通路，如 PI3K-AKT 和 MAPK-ERK 信號通路途徑等，進而起到調節血糖的作用。胰島素抵抗的發生會導致胰島素的靶器官脂肪、肝臟和骨骼肌對葡萄糖的調節能力降低。細胞焦亡的發生以及 casepase-1 和 IL-β 的分泌，在糖尿病患者胰島素抵抗的形成中充當重要角色。

細胞焦亡直接影響脂肪細胞的成熟與分化，相應功能的蛋白表達會受到影響，而抑制 casepase-1 可以增加脂肪細胞成熟的相關蛋白過氧化物酶體增殖物活化受體，並且影響到 Glut4（一種胰島素代謝途徑中的關鍵蛋白）和胰島素增敏激素脂聯素的表達。實際上，IL-1β 也有相似的作用，因為用 IL-1β 處理的脂肪細胞分化為成熟脂肪細胞的能力會降低，同時出現胰島素抵抗和葡萄糖攝取能力降低的情況。細胞焦亡可以引起胰島素代謝通路的障礙，因為有脂肪組織慢性炎性反應的發生，而慢性炎性反應則是胰島抵抗發生的原因之一，細胞焦亡可以引起脂肪組織中的 CD4 + 和 CD8+ T 細胞增多，並且影響巨噬細胞的數量，減少促炎細胞因子腫瘤壞死因子 -α 和趨化因子 Ccl20 和 CXCL1 的表達。

炎性反應在胰島素抵抗中起著因果作用，抑制相應的炎性反應可以改善胰島素抵抗，脂肪組織中激活的 T 細胞數量減少，可以降低炎性反應，並且改善胰島素作用。如果靶向抑制炎性細胞因子，胰島素相關信號通路可以得到改善。不僅葡萄糖轉運作用會增加、葡萄糖攝取的關鍵蛋白 Irs-1 和 Glut4 的表達，以及傳導信號通路的 AKT 磷酸化水平也會提高。

糖尿病

糖尿病是引起血液代謝物與腸道菌群的改變是引起細胞焦亡的兩個關鍵因素。糖尿病會引起高血糖，而高血糖引起血液中磷脂酶 C 及二醯基巰基乙醇的形成，並且激活蛋白激酶 C，繼而引起菸醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系統產生活性氧類（ROS），最終激活 NLRP3 焦亡小體，引起細胞焦亡。有研究指出 NLRP3 基因的表達會在高血糖和高血脂動物模型中提高。糖尿病的其他一些代謝物如 β- 澱粉樣蛋白、神經醯胺、三磷酸腺苷和尿酸等都可以激活 NLRP3 焦亡小體，促進糖尿病的發展。此外，游離脂肪酸通過產生 ROS 或內質網應激，誘導 NLRP3 焦亡小體的激活，繼而引起細胞焦亡的發生。

糖尿病患者體內的焦亡小體與腸道微生物有明顯的相關關係，並且與腸道中致病細菌與介白素 - 1、介白素 - 18 和凋亡蛋白酶 - 1 的釋放有關。目前尚不清楚腸道微生物激活細胞焦亡的具體機制，但是可能與腸道菌群結構改變、腸道菌群的代謝產物的改變，以及腸道結構完整性有關。糖尿病患者體內革蘭陰性桿菌的比例會上升，而促進宿主腸道新陳代謝及保持腸道完整性的丁酸鹽的產生會減少，令腸道屏障功能受到破壞，並進一步引起血液中的脂多糖上升，而脂多糖會激活非經典細胞焦亡通路，引致細胞焦亡的發生及 IL-1A 的釋放。有研究指出秋水仙素及不飽和脂肪酸等也可以抑制糖尿病患者胰島的細胞焦亡，減緩糖尿病進程及併發症的發生。

低溫症

炎症小體的基因編碼突變是會導致一組稱為 cryopyrinopathies 的炎症性疾病。該組炎症性疾病包括 Muckle-Wells 綜合徵、寒冷型自身炎症綜合徵（cold autoinflammatory syndrome）、慢性嬰兒神經性皮膚和關節綜合徵，均表現出突然發燒和局部炎症的症狀。在這種情況下，突變的基因是 NLRP3，因阻礙了炎性體的激活而導致 IL-1β 的過量產生。這種效果稱為功能獲得（gain-of-function）。

人類免疫缺陷病毒及愛滋病

最近的研究表明，caspase-1 介導的細胞焦亡通過人類免疫缺陷病毒（HIV）驅動 CD4 T 細胞的消耗和炎症，這兩個標誌性事件促使 HIV 疾病發展為愛滋病。儘管發燒是通過去除細胞內復制壁，並通過釋放促炎性細胞因子和內源性危險信號來增強宿主的快速限制和清除感染的能力，但在病原體炎症（例如由 HIV-1 引起的炎症）中，這種焦亡是不根除主要刺激。它實際上似乎造成了一個致病性的惡性循環，其中垂死的 CD4 T 細胞釋放出炎症信號，從而將更多的細胞吸引到感染的淋巴組織中而死亡，並且產生慢性炎症和組織損傷。使用安全且有效的 caspase-1 抑製劑有可能打破這致病週期。這些藥物可以為感染 HIV 的受試者提供一種針對宿主而不是針對病毒的新穎抗愛滋病療法。值得注意的是缺乏 Caspase-1 的小鼠正常發育，目前認為抑制這種蛋白會對 HIV 患者產生有益而非有害的治療作用。

感染性疾病

宿主細胞被病原體入侵後，這些病原體能夠在含有病原體的液泡或細胞質中進行複製。細胞焦亡能清除病原體所利用的地方，釋放已死亡的宿主細胞的內容物，從而為炎症級聯反應提供強有力的信號，局部炎性反應則導致免疫細胞的招募和啓動，最終導致病原體從宿主體內清除。同時 DNA 和 RNA 病毒也可以激活炎症小體，並且引起細胞焦亡，如未受感染的肝細胞感染 C 型肝炎病毒後可引致 caspase-1 依賴性的焦亡。