细胞焦亡是一种主要依赖半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1的促炎程序性细胞死亡，特征是快速的膜破裂和促炎细胞内容物的释放。炎症性肠病（IBD）是一种病因不明的慢性消化道炎症，可能与肠道的上皮屏障功能、共生微生物群、饮食和免疫系统的改变等有关。目前很多研究证明细胞凋亡、细胞自噬在IBD中的作用，而区别于前两者但有与之具有千丝万缕联系的细胞焦亡也逐渐被发现，并证实可能存在于IBD的病程之中。本文将针对细胞焦亡与IBD的联系进行综述。
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炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一种病因及机制尚未完全明确的慢性肠道炎症，包括克罗恩病（Crohn′s disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。IBD可能是由饮食生活环境、肠道上皮屏障功能、共生微生物群和免疫系统的改变等多因素相互作用所致[1]。在细胞凋亡（apoptosis）方面，IBD患者肠道炎症的持续存在与中性粒细胞凋亡介导的损伤相关。在细胞自噬（autophagy）方面，人类遗传学研究已将几种细胞自噬相关基因鉴定为IBD风险基因位点，其中ATG16L1为CD的危险因素之一[2]。与两者具有相似之处的细胞焦亡（pyropotosis）也逐渐成为研究者重点关注的对象之一。在19世纪末，研究者观察到沙门菌感染引起巨噬细胞DNA片段化，这种促炎程序性细胞死亡方式在2001年正式命名为细胞焦亡，它主要由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase）介导，以快速膜破裂和促炎细胞内容物的释放为主要特征[3,4]。本文将对细胞焦亡与IBD的关系进行综述。
细胞焦亡是宿主细胞死亡的一种病理性途径，通过感染或非感染性刺激激活，包括经典途径和非经典途径。经典途径依赖caspase-1介导，非经典途径主要通过人caspase-4、人caspase-5或小鼠caspase-11诱发启动完成。研究发现非经典途径可能影响IBD的发展，但其作用机制尚不清楚[5]。以下主要围绕细胞焦亡的经典途径进行论述。
caspase-1依赖性细胞死亡最初被发现时，被认为是细胞凋亡，但在后续的观察研究中发现其死亡机制、特征和结果均与细胞凋亡不同[6]。
在机体中，细胞焦亡可以产生保护作用，也可以导致病理反应。感染初期，caspase-1在对微生物感染的反应中起保护作用；随着感染进展，由于细胞焦亡导致的炎症反应使活化细胞群增加，引发细胞焦亡并增加潜在发生炎症反应的能力，刺激适应性免疫应答的发展，最终控制和清除微生物感染，使组织恢复到静止状态。但持续存在无菌炎性刺激可导致过量caspase-1活化，使免疫反应过度增强并导致持续的炎症状态，最终导致病理反应的发生[7]。
细胞焦亡经典途径主要依赖caspase-1诱发启动完成，NLRP3炎性体的形成是其重要的一步。caspase-1是一种能将白介素（interlukin，IL）-1β和IL-18的无活性前体加工成成熟炎性细胞因子的蛋白酶，最初被称为IL-1β转换酶[7]。caspase-1激活后刺激活化的炎性细胞因子的产生，介导细胞焦亡发生[8]。经典途径由不同的检测病原体和炎性因子的细胞质传感蛋白触发，NLRP3炎性体剪切并激活caspase-1。衔接蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）把pro-caspase-1单体集中后，活化的caspase-1处理促炎细胞因子pro-IL-1β以产生成熟IL-1β，通过细胞裂解释放，但炎性因子的产生与细胞裂解并无直接关系[9]。细胞焦亡经典途径见图1。
细胞焦亡中发生的细胞裂解主要由gasdermin D（GSDMD）引起。GSDMD蛋白是所有炎性caspase的共有底物[10]。其他gasdermin对炎性caspase不敏感。gasdermin家族在细胞焦亡占有重要地位，其中GSDMD已被确定为caspase-1和caspase-11的直接下游靶标，是细胞焦亡必不可少的一环，它虽无法直接执行细胞焦亡，且对caspase-1加工IL-1β没有影响，但如果缺乏GSDMD蛋白，胞内成熟的IL-1β会被阻断释放，只能在胞内不断蓄积，几乎不能分泌到细胞外。当GSDMD被caspase-1或caspase-11切割时，其约30 kDa的N末端将自身嵌入质膜中，快速形成直径约为10 ~ 14 nm的孔[10]。这些孔隙消散了细胞离子梯度，允许水流入，才能导致细胞膨胀和渗透裂解，并释放出胞内的炎性因子。
细胞凋亡是世界公认的特殊的细胞死亡方式之一，主要特征是炎症反应（ASC、caspase-1、IL-1β、IL-18和IL-6的表达变化）和DNA片段化（阳性TUNEL染色），这些在细胞焦亡也存在[4]。但与细胞凋亡的沉默性死亡相反，细胞焦亡通常与高炎症状态相关，并且常在病原体感染时发生[11]。细胞DNA的切割是细胞死亡的标志，细胞凋亡和细胞焦亡均会发生DNA的损伤。细胞凋亡中染色体DNA片段化主要是由ICAD蛋白水解调节机制产生的，但细胞焦亡期间不会发生ICAD降解[8]。细胞焦亡中的DNA切割是由未定性的caspase-1活化的核酸酶的活性引起的，该核酸酶不产生作为细胞凋亡特征的寡核小体DNA片段化模式。细胞凋亡和细胞焦亡中DNA切割均有明显的核浓缩，但细胞焦亡中核的完整性可以得到维持，且细胞凋亡过程中caspase（包括caspase-3、6、7、8）不会发生激活，线粒体也保持完整，但其分子机制尚待进一步研究解释[12]。
细胞自噬（autophagy）是细胞通过双膜结构隔离胞内大分子物质形成自噬体，将封闭的物质输送到溶酶体中降解，清除细胞内废弃或受损的细胞器的过程。细胞自噬与多种细胞过程、肿瘤发生、程序性细胞死亡、细胞器的选择性降解和许多神经退行性疾病有关[13]。线粒体在压力和感染的刺激之下释放危险信号，促进NLRP3炎性体的形成，活化后的NLRP3炎性体介导caspase-1启动细胞焦亡[14]。另外，线粒体是细胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要来源，研究表明线粒体ROS是NLRP3炎性体的直接激活剂[15]。实验发现增加的ROS可以通过氧化和谷胱甘肽化可逆地灭活caspase-1，表明增加ROS也可以下调caspase-1活性，由此也可看出细胞自噬与细胞焦亡之间有密不可分的关系[16]。
研究发现UC和CD均表现出固有细胞因子的升高，包括IL-8、IL-6、IL-1β和IL-18。活动期IBD患者的肠道黏膜中IL-1β和IL-18的产生增加，并且在肠组织和巨噬细胞中caspase-1活性增加[17]。caspase-1激活IL-1β和IL-18的同时加速了炎性因子的释放，而在敲除小鼠caspase-1基因后则无法激活这些炎性因子了，表明上皮IL-18的分泌是依赖于caspase-1。但尚不清楚患者IL-18水平升高是IBD的结果还是其原因，直到IL-18基因组位点的多态性被证明是IBD的危险因素[18]。NLRP3基因的多态性可能导致NLRP3炎性体的表达下降，并影响IBD的遗传易感性。IL-18可在缓解期CD患者的肠上皮中高度表达，表明其在结肠炎初期时主要表现出保护作用，并且IL-18的缺乏可能使宿主容易发生化学性结肠炎。但随着疾病严重性的进展，IL-18相关巨噬细胞在活动期CD患者中升高，同时IL-18在肠上皮中的表达降低[10]。但成熟IL-18蛋白的表达增加似乎是CD所特有的，因为在UC组织中仅检测出最低水平限值的IL-18，这种差异主要因为CD是Th1介导的慢性炎性疾病，而UC是Th-2介导，产生高水平的细胞因子是IL-5。
IBD患者的肠道慢性炎症反应与适应性免疫反应的异常有关，主要以UC患者的Th2蛋白和CD患者的Th1/Th17蛋白为代表。特别是CD，IL-18会诱导干扰素（IFN）-γ并促进Th1反应。NLRP3具有促进炎症小体的形成以及MAPK和NF-κB信号级联反应激活的能力，启动并支持免疫应答[19]。相关研究表明，IL-1β最有可能是肠道中NLRP3炎症小体正下游的效应分子，但由于IL-18可能会通过次级作用受到NLRP3间接影响，所以IL-18的缺乏可以消除NLRP3在肠中的保护作用[20]。此外，NLRP3炎症小体还通过裂解GSDMD进一步启动细胞焦亡[20]。NLRP3炎症小体在结肠炎的发病机理中起到关键作用，而NLRP3炎症小体是细胞焦亡中的重要组分，故可推测细胞焦亡在IBD的炎症发生中起到重要作用。
早期研究证实在突变小鼠中，激活的caspase-1对于葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium，DSS）诱导的炎症至关重要，因为缺乏caspases-1或NLRP3的小鼠比野生型小鼠具有更轻的病理学表现，这与IL-1β和IL-18水平降低有关，表明IL-18的过量产生可能加重DSS诱发的结肠炎[20]。一项研究敲除caspase-1基因的DSS小鼠用caspase-1抑制剂或用IL-1R拮抗剂（IL-1Ra）处理，发现肠上皮细胞系中caspase-1的激活和IL-10基因敲除的小鼠会发生肠道通透性改变，加入caspase-1抑制剂后可逆转[21]。但新近研究报道了caspase-1基因敲除小鼠DSS诱导的结肠炎产生了恶化，可能由于上皮细胞恢复的缺乏，这主要与IL-18在早期诱导组织修复中的关键作用相关[22]。细胞焦亡在IBD中的发生主要基于肠上皮细胞（intestinal epithelium cell，IEC）与免疫细胞对细胞通讯的影响。由炎性caspase激活的炎性体，特别是NLRP3在IEC的细胞焦亡中起重要作用。相关证据表明，NLRP3炎症小体成分缺陷可以保护小鼠免受DSS诱导的结肠炎[23]。在对耶尔森菌感染所致的肠炎（包括小肠和结肠）中，IEC整合素受体和细菌黏附素及侵袭素之间的相互作用为NLRP3炎症小体激活提供了第1个信号，随后在黏膜部位释放IL-18，产生炎症反应。缺乏NLRP3的巨噬细胞中不存在IL-1β分泌，使用caspase-1抑制剂（pralnacasan）可达到与NLRP3缺乏相当的黏膜保护水平，表明DSS通过NLRP3炎症小体途径激活caspase-1[23]。其他IBD疾病模型也支持NLRP3在肠炎中的重要作用。
在缺乏caspase-1的小鼠中IBD的发病、死亡、体质量减轻、直肠出血及疾病相关病理特征显著增加。与野生型小鼠相比，缺乏NLRP3、caspase-1/11、ASC和IL-1β的小鼠均表现出对DSS诱发的结肠炎的敏感性增加，疾病加重并且病死率更高。实验表明，炎症小体起始传感器的过度活化可以导致肠道损伤和肠道炎症[24]。IBD患者活动期的黏膜中AIM2和IFI16炎症小体的强烈上调和巨噬细胞中A20缺乏可以通过NLRP3炎症小体介导显著增强caspase-1的活化，表明经典炎症小体通路导致细胞焦亡的过度激活可能在IBD的发生，发展和预后中起到关键作用[25]。
在一项使用三硝基苯磺酸（trinitron benzene sulfonic，TNBS）诱导的IBD动物模型来探索CCE通过抑制细胞焦亡信号传导途径调节IBD的机制的实验中，发现CCE能够有效刺激维生素D受体（vitamin D receptor，VDR）并改善实验中结肠炎的程度。活性IL-18是细胞焦亡的关键组分，在活动期IBD中IL-18和IL-1β等相关炎性细胞因子会上调，并且在VDR缺陷小鼠中存在高IL-18水平，CCE处理后的小鼠显示IL-1β，IL-18和IL-6等炎性细胞因子的表达水平下调，caspase-1的裂解和成熟的IL-1β和IL-18也减少，表明CCE能够增加VDR表达并减少焦亡，减轻肠道炎症反应[26]。抑制细胞焦亡可能是治疗肠道炎症的新的潜在机制，流行病学证据和临床研究还表明，常规补充活性维生素D可以缓解症状并抑制IBD的病理过程[26]。CCE为IBD患者提供了另一种治疗靶点，可作为IBD的预防药物使用。通过CCE处理导致的细胞焦亡作用对TNBS诱导的IBD动物模型的影响，可推测细胞焦亡可能存在于IBD发病机制之中，并占据重要地位。
经过多年的研究及探索，IBD具体的病因和发病机制仍不清楚，其中先天免疫系统在IBD病理生理学中的具有重要意义。在特定的环境因素下，免疫应答失调的遗传易感个体更容易发生IBD。细胞焦亡可能参与IBD的发展，但在CD和UC中存在差异，所以细胞焦亡是否参与了所有IBD患者肠道炎症的发生发展过程尚不清楚。细胞焦亡的信号传导机制也尚未完全破译。目前除基因治疗外，基于细胞因子的疗法没有一种被认为是IBD的永久性治疗方法，所以进一步研究细胞焦亡信号通路对发现IBD治疗靶点具有重大意义。
所有作者均声明无利益冲突
