2022, Vol. 29
2. 济南市中心医院，济南 250013;
3. 山东大学附属千佛山医院（山东省千佛山医院）保健心内科，济南 250014
2. Jinan Central Hospital, Jinan 250013, Shandong, China;
3. Department of Cardiology, Qianfoshan Hospital, Shandong University, Jinan 250014, Shandong, China
焦亡作为细胞死亡形式之一，与机体的先天免疫反应密切相关，以细胞膜通透性改变及细胞外释放炎性细胞因子为特征[1]。细胞焦亡过程的激活途径包括依赖半胱氨酸天冬酶（caspase）-1的典型途径、依赖caspase-4/5/11的非典型途径及最近发现的依赖caspase-8的途径[2]。目前研究[3]证实GSDMD（gasdermin D）是典型和非典型炎性小体下游caspase的直接底物，参与细胞因子释放和细胞焦亡过程。近年来，越来越多的研究发现，GSDMD介导的细胞焦亡过程在各种心血管疾病的发生发展中起重要作用。本文将GSDMD介导的细胞焦亡与心血管疾病之间关系的研究进展综述如下。
1 细胞焦亡的典型与非典型途径细胞焦亡的典型途径与炎性小体，如核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）、NLRP1、含半胱氨酸天冬酶激活和募集结构域的NLRP4（NLRC4）、黑色素瘤缺乏因子2（AIM2）、PYRIN蛋白[4]等密切相关。炎性小体是由模式识别受体（PRRs）作为支架蛋白构成的大分子蛋白质复合物。PRRs广泛表达于先天免疫细胞（单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞、DC细胞和NK细胞[5]）的表面，胞内囊泡和胞质中。典型的炎性小体由PRRs、凋亡相关斑点样蛋白（ASC）、前caspase-1（pro-caspase-1）组成，能识别危险相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs）。典型炎性小体中的pro-caspase-1被加工成为有活性的caspase-1后，可促进促炎症细胞因子（pro-IL-18和pro-IL-1β）的成熟，并诱导质膜上膜孔的形成，导致细胞膜的完整性丧失[6]。
脂多糖（LPS）又称内毒素，是革兰阴性菌重要的细胞壁成分和最保守的分子模式，细胞焦亡的非典型途径为caspase-4/5/11通过识别LPS直接作用于底物GSDMD，进而导致焦亡。脂质A是LPS中最保守的区域，通过与caspase-4/5/11结合，诱导caspase的寡聚并使之激活，进而通过切割下游目标引起细胞焦亡。Caspase-4/5/11-LPS复合物被认为是非典型炎性小体[7]。
2 GSDMDGSDMD属于致孔蛋白家族Gasdermin家族成员[8]。细胞膜破裂是细胞焦亡最明显的特征之一，这一过程由GSDMD所介导。GSDMD的NH2-末端起诱导细胞死亡的作用，而COOH-末端抑制NH2-末端诱导细胞死亡的作用。在健康细胞中，两个结构域之间的相互作用使GSDMD处于功能性失活状态。在细胞焦亡过程中，caspase介导GSDMD蛋白水解产生有功能的NH2-末端裂解产物（GSDMD-NT）[1]。当炎性小体被激活时，caspase-1/4/5/11裂解GSDMD，使其释放出具有成孔活性的GSDMD-NT[8]。GSDMD-NT被转移于质膜和线粒体膜，与磷脂酰肌醇磷酸盐(PIPs)、磷脂酰丝氨酸(PS)、心磷脂(CL) 等酸性脂质结合，寡聚成环状结构，并插入到磷脂双分子层中形成大的跨膜孔。通过这些跨膜孔，炎性细胞因子（如IL-1β、IL-18）等细胞内容物被释放，从而破坏细胞膜的渗透电位，引发细胞膜破裂，最终导致细胞焦亡[3]。既往研究[9]发现了GSDMD的裂解位点。还有研究[10]发现，GSDMD除了通过N-末端和C-末端结构域的连接子与caspase-1活性位点结合外，还可通过N-末端结构域远端C-末端结构域内的疏水口袋与caspase-1的L2和L20环上的反平行β折叠结合，提示GSDMD C-末端结构域除了自身抑制作用外，还有caspase募集作用; 同时，该研究认为GSDMD-N末端结构域不与caspase-1结合，而是GSDMD中含有裂解位点的连接子通过长环结构与caspase-1活性位点结合。目前caspase解离GSDMD氨基和羧基末端结构域的机制仍然不清楚，需要进一步的研究加以确定。
3 细胞焦亡与氧化应激的关系氧化应激是引起机体组织损伤的重要因素，其引起的细胞损伤引发了复杂的机体抗氧化保护机制。在正常情况下，机体通常能维持自身产生的自由基和抗氧化物之间的平衡，严重的氧化应激则会破坏这一平衡[11]。既往研究[12]发现，异常的细胞死亡信号通路及有害的氧化应激过程与人类多种病理状态相关，尤其表现于心血管疾病、神经退行性病变、肝脏疾病和药物毒性。细胞的氧化还原平衡状态由细胞内活性氧（ROS）和多种抗氧化物系统之间的平衡维持。最近一项研究[13]表明，GSDMD的氧化是线粒体ROS促进细胞焦亡的起始机制。目前，氧化应激在细胞焦亡中的确切作用尚不明确，针对两者关系的更深层次研究有重要意义。
4 细胞焦亡与心血管疾病之间的关系炎症反应是各种心血管疾病的发生发展中的共同过程。细胞焦亡作为一种伴随炎症反应的程序性细胞死亡方式在其中发挥重要作用。因此，针对细胞焦亡过程的治疗可作为心血管疾病研究的重点。
4.1 动脉粥样硬化动脉粥样硬化是以弹性动脉内膜上纤维组织和脂质沉积导致血栓形成为特征，以血管壁增厚和硬化为标志的结构性损害。此外，细胞死亡和炎症反应在动脉粥样硬化的不同阶段起关键作用。血管内皮细胞、巨噬细胞和平滑肌细胞的焦亡在动脉粥样硬化的形成和发展中起重要作用。细胞焦亡可加重斑块的不稳定性，导致斑块破裂和血栓形成。Caspase-1或NLRP3的表达与冠状动脉病变的严重程度及心血管疾病的临床危险因素相关，提示caspase-1或NLRP3可被作为动脉粥样硬化相关炎症的标志物[14]。因此，针对炎性小体、caspase或GSDMD的抑制剂可以用为防治动脉粥样硬化。相关研究[15]发现，作为香烟主要成分的尼古丁，可以通过ROS-NLRP3介导内皮细胞焦亡，进而加重动脉粥样硬化斑块的形成和发展。最近一项研究[16]表明，在人内皮细胞中，阿托伐他汀可通过非降脂作用来抗动脉粥样硬化，表现为通过降低NLRP3、caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18在mRNA和蛋白水平的表达来抑制细胞焦亡; 同时，lncRNA NEXN-AS1的表达上调可以起到抗动脉粥样硬化的作用，而阿托伐他汀可通过增强lncRNA NEXN-AS1及其同源基因NEXN的表达来抑制细胞焦亡。另有一项研究[17]表明，红景天苷可明显抑制动脉粥样硬化斑块形成，且具有抗氧化和抗炎作用，该作用可能与其可以抑制caspase-1活化、IL-1β释放和减少GSDMD表达有关。
4.2 心肌梗死及心脏缺血再灌注损伤在心肌梗死和再灌注损伤过程中，均会伴随炎症反应的发生。既往研究[18]表明，细胞焦亡相关因子广泛存在于心肌细胞、心脏成纤维细胞、炎症细胞内，参与心肌梗死的发生发展过程。一项研究[19]发现，心肌梗死激活了由caspase-1、NLRP3和ASC组成的多蛋白炎性小体复合体，并引发了心肌细胞的焦亡。核转录因子（NF-κB）作为细胞对氧化应激反应的关键分子开关，参与各种与炎症、凋亡和增殖相关的疾病（如心肌梗死）的发生和发展，是GSDMD的必需转录因子，参与GSDMD介导的心肌细胞焦亡过程。NF-κB-GSDMD轴是氧化应激和NLRP3介导的心肌细胞焦亡的桥梁。心肌梗死后心脏缺血再灌注会诱导无菌性炎症反应，导致心脏进一步损伤，进而导致梗死范围扩大，表现为局部释放DAMPs，触发NLRP3表达，并通过激活caspase-1放大炎症反应，促进细胞死亡。ROS是心脏缺血和再灌注期间产生的最常见副产物，是NLRP3的有效触发因子，可以诱导依赖NLRP3的溶酶体的损伤和炎性小体的激活。ROS可以通过多种机制引发氧化应激及炎性小体级联反应[20]。相关研究[21]表明，心脏缺血再灌注可诱导大鼠心脏表达GSDMD; β-细辛醚可抑制NLRP3通路，减少caspase-1的募集和激活，降低GSDMD蛋白的裂解和活化，表明β-细辛醚可通过抑制炎症反应及NLRP3活化和GSDMD介导的细胞焦亡来减轻心脏缺血再灌注损伤和缩小心肌梗死面积，从而保护心脏功能。另有一项研究[22]表明，一种新的蒽醌类化合物康乐欣可以阻止心肌梗死诱导的焦亡，其抑制GSDMD、GSDMD-NT和裂解的caspase-1等细胞焦亡相关蛋白的增加。该研究提示，康乐欣可通过抑制NLRP3和随后出现的细胞焦亡，预防心肌梗死造成的心肌损伤和心脏功能障碍。
4.3 心肌炎心肌炎的特征为免疫细胞浸润心脏及心肌水肿、纤维化和心脏功能障碍进行性恶化。心肌炎可由病毒（柯萨奇病毒、腺病毒、细小病毒、肝炎病毒、甲和乙型流感病毒、HIV等）、细菌（伯氏疏螺旋体）和原生生物（克氏锥虫）等感染因素和非感染因素（毒素、酒精、毒品等）引起。大量免疫细胞被募集到心脏，可以去除坏死的组织、清除病原体以及促进损伤的愈合，但在一些特定情况下，免疫细胞会对心脏造成不可逆转损害[23]。一项动物研究[24]表明，胆维丁乳(CCE)可以通过抑制细胞焦亡信号通路，进而减轻小鼠的实验性自身免疫性心肌炎(EAM)。此外，CCE还可以减轻线粒体的损伤。相关研究[25]表明，通过抑制钙蛋白酶表明可以减轻柯萨奇病毒B3诱导的心肌炎，其具体机制为典型途径（NLRP3/caspase-1途径）和非典型途径（caspase-11途径）介导的细胞焦亡被抑制，钙蛋白酶抑制剂过表达可以显著降低心肌组织内GSDMD-NT、IL-1β、高迁移率族蛋白1（HMGB1）的表达和外周IL-1β和HMGB1的表达。
4.4 糖尿病性心肌病心肌病常为特发，发生发展可能与机体感染、代谢、遗传和免疫因素有关。扩张性心肌病、遗传性结构性心肌病、查加斯心肌病与NLRP3的激活密切相关[26]。糖尿病性心肌病是糖尿病的一种并发症，以心肌纤维化、左心室肥厚和左心室收缩和舒张功能受损为特征。糖尿病性心肌病的患病率逐年升高，与糖尿病的高发病率有关。糖尿病性心肌病的发生与代谢紊乱导致炎症、纤维化和心肌细胞死亡有关[27-28]。此外，高血糖可导致ROS的产生增加，进而使机体各个组织中氧化应激反应增加[11]。最近一项研究[29]发现，2型糖尿病小鼠心脏中NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA水平较对照组显著升高。绞股蓝可通过抑制ROS产生来减少NLRP3的激活，从而改善高糖引起的心肌损伤[30]。一项动物实验[31]表明，应用二甲双胍治疗后的糖尿病小鼠模型中NLRP3、caspase-1、IL-1β和GSDMD-NT的表达水平均较对照组降低。上述研究表明，细胞焦亡在糖尿病性心肌病的发生发展中起重要作用，这为糖尿病性心肌病患者的治疗提供了新思路。
4.5 心力衰竭心力衰竭是各种心血管疾病的终末结局[32]。心肌梗死、心肌炎、心肌病、高血压等引起的心力衰竭均伴有炎症反应的发生[33]。炎症反应导致心肌细胞及内皮细胞损伤加重，进一步加重心脏功能障碍。同时，氧化应激反应在衰竭的心脏中增加，促进心肌重塑的发生发展[34]。花青素、芹菜素可以通过抑制炎症反应和氧化应激过程来减轻LPS诱导的心力衰竭和心肌损伤过程[35-36]。既往研究[37]表明，卡维地洛作为被用于治疗高血压和充血性心力衰竭的药物，可以抑制小鼠巨噬细胞内NLRP3炎性小体的激活和GSDMD介导的细胞焦亡。曲美他嗪作为抗心绞痛药物，可通过调节巨噬细胞的功能来改善LPS引起的心脏功能障碍。因此，心脏细胞焦亡在心衰的发生发展过程中起重要作用，有必要对细胞焦亡和心力衰竭的关系进行进一步研究。
综上所述，GSDMD通过介导心肌细胞、心脏成纤维细胞、血管内皮细胞和巨噬细胞等多种细胞的焦亡，引发机体炎症反应，在各种心血管疾病的发生发展中起重要作用。氧化应激作为GSDMD介导炎症反应的重要环节，相关因子可作为心血管疾病预防和治疗的潜在作用靶点。目前针对GSDMD膜孔形成及细胞焦亡过程在心血管疾病发生发展中作用的研究还处于起步阶段，对其进行深入研究能为心血管疾病的预防与治疗提供新方向。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
| [1] |
DEL RE D P, AMGALAN D, LINKERMANN A, et al. Fundamental mechanisms of regulated cell death and implications for heart disease[J]. Physiol Rev, 2019, 99(4): 1765-1817.
[DOI]
|
| [2] |
梅旦, 张玲玲, 魏伟. 细胞焦亡机制及与疾病的关系[J]. 生理科学进展, 2020, 51(2): 151-156. MEI D, ZHANG L L, WEI W. The mechanism of pyroptosis and its relationship with disease[J]. Progress in Physiological Sciences, 2020, 51(2): 151-156. [DOI] |
| [3] |
XIA S, HOLLINGSWORTH L R 4th, WU H. Mechanism and regulation of gasdermin-mediated cell death[J]. Cold Spring Harb perspect Biol, 2020, 12(3): a036400.
[DOI]
|
| [4] |
STOILOVA B, VYAS P. The inflammasome: more than a protective innate immune mechanism[J]. Immunity, 2019, 51(1): 3-5.
[DOI]
|
| [5] |
SCHRODER K, TSCHOPP J. The inflammasomes[J]. Cell, 2010, 140(6): 821-832.
[DOI]
|
| [6] |
LU F F, LAN Z X, XIN Z Q, et al. Emerging insights into molecular mechanisms underlying pyroptosis and functions of inflammasomes in diseases[J]. J Cell Physiol, 2020, 235(4): 3207-3221.
[DOI]
|
| [7] |
DING J J, SHAO F. SnapShot: the noncanonical inflammasome[J]. Cell, 2017, 168(3): 544-544. e1.
[DOI]
|
| [8] |
DE VASCONCELOS N M, LAMKANFI M. Recent insights on inflammasomes, gasdermin pores, and pyroptosis[J]. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2020, 12(5): a036392.
[DOI]
|
| [9] |
LIU X, ZHANG Z, RUAN J, et al. Inflammasome-activated gasdermin D causes pyroptosis by forming membrane pores[J]. Nature, 2016, 535(7610): 153-158.
[DOI]
|
| [10] |
LIU Z H, WANG C P, YANG J, et al. Caspase-1 engages full-length gasdermin D through two distinct interfaces that mediate caspase recruitment and substrate cleavage[J]. Immunity, 2020, 53(1): 106-114. e5.
[DOI]
|
| [11] |
ZHAZYKBAYEVA S, PABEL S, MÜGGE A, et al. The molecular mechanisms associated with the physiological responses to inflammation and oxidative stress in cardiovascular diseases[J]. Biophys Rev, 2020, 12(4): 947-968.
[DOI]
|
| [12] |
PERVAIZ S, BELLOT G L, LEMOINE A, et al. Redox signaling in the pathogenesis of human disease and the regulatory role of autophagy[J]. Int Rev Cell Mol Biol, 2020, 352: 189-214.
|
| [13] |
WANG Y F, SHI P L, CHEN Q, et al. Mitochondrial ROS promote macrophage pyroptosis by inducing GSDMD oxidation[J]. J Mol Cell Biol, 2019, 11(12): 1069-1082.
[DOI]
|
| [14] |
XU Y J, ZHENG L, HU Y W, et al. Pyroptosis and its relationship to atherosclerosis[J]. Clin Chim Acta, 2018, 476: 28-37.
[DOI]
|
| [15] |
WU X X, ZHANG H Y, QI W, et al. Nicotine promotes atherosclerosis via ROS-NLRP3-mediated endothelial cell pyroptosis[J]. Cell Death Dis, 2018, 9(2): 171.
[DOI]
|
| [16] |
WU L M, WU S G, CHEN F, et al. Atorvastatin inhibits pyroptosis through the lncRNA NEXN-AS1/NEXN pathway in human vascular endothelial cells[J]. Atherosclerosis, 2020, 293: 26-34.
[DOI]
|
| [17] |
XING S S, YANG J, LI W J, et al. Salidroside decreases atherosclerosis plaque formation via inhibiting endothelial cell pyroptosis[J]. Inflammation, 2020, 43(2): 433-440.
[DOI]
|
| [18] |
TAKAHASHI M. NLRP3 inflammasome as a novel player in myocardial infarction[J]. Int Heart J, 2014, 55(2): 101-105.
[DOI]
|
| [19] |
LEI Q, YI T, CHEN C. NF-κB-gasdermin D (GSDMD) axis couples oxidative stress and NACHT, LRR and PYD domains-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome-mediated cardiomyocyte pyroptosis following myocardial infarction[J]. Med Sci Monit, 2018, 24: 6044-6052.
[DOI]
|
| [20] |
TOLDO S, MAURO A G, CUTTER Z, et al. Inflammasome, pyroptosis, and cytokines in myocardial ischemia-reperfusion injury[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2018, 315(6): H1553-H1568.
[DOI]
|
| [21] |
XIAO B, HUANG X B, WANG Q, et al. Beta-asarone alleviates myocardial ischemia-reperfusion injury by inhibiting inflammatory response and NLRP3 inflammasome mediated pyroptosis: regular articles[J]. Biol Pharm Bull, 2020, 43(7): 1046-1051.
[DOI]
|
| [22] |
BIAN Y, LI X, PANG P, et al. Kanglexin, a novel anthraquinone compound, protects against myocardial ischemic injury in mice by suppressing NLRP3 and pyroptosis[J]. Acta Pharmacol Sin, 2020, 41(3): 319-326.
[DOI]
|
| [23] |
SWIRSKI F K, NAHRENDORF M. Cardioimmunology: the immune system in cardiac homeostasis and disease[J]. Nat Rev Immunol, 2018, 18(12): 733-744.
[DOI]
|
| [24] |
LIU N, SU H, ZHANG Y L, et al. Cholecalciterol cholesterol emulsion attenuates experimental autoimmune myocarditis in mice via inhibition of the pyroptosis signaling pathway[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2017, 493(1): 422-428.
[DOI]
|
| [25] |
YU Y, SHI H, YU Y, et al. Inhibition of calpain alleviates coxsackievirus B3-induced myocarditis through suppressing the canonical NLRP3 inflammasome/caspase-1-mediated and noncanonical caspase-11-mediated pyroptosis pathways[J]. Am J Transl Res, 2020, 12(5): 1954-1964.
|
| [26] |
WANG Y C, LIU X X, SHI H, et al. NLRP3 inflammasome, an immune-inflammatory target in pathogenesis and treatment of cardiovascular diseases[J]. Clin Transl Med, 2020, 10(1): 91-106.
[DOI]
|
| [27] |
JIA G, WHALEY-CONNELL A, SOWERS J R. Diabetic cardiomyopathy: a hyperglycaemia-and insulin-resistance-induced heart disease[J]. Diabetologia, 2018, 61(1): 21-28.
[DOI]
|
| [28] |
ZHANG X H, PAN L Y, YANG K, et al. H3 relaxin protects against myocardial injury in experimental diabetic cardiomyopathy by inhibiting myocardial apoptosis, fibrosis and inflammation[J]. Cell Physiol Biochem, 2017, 43(4): 1311-1324.
[DOI]
|
| [29] |
YE Y M, BAJAJ M, YANG H C, et al. SGLT-2 inhibition with dapagliflozin reduces the activation of the Nlrp3/ASC inflammasome and attenuates the development of diabetic cardiomyopathy in mice with type 2 diabetes. Further augmentation of the effects with saxagliptin, a DPP4 Inhibitor[J]. Cardiovasc Drugs Ther, 2017, 31(2): 119-132.
[DOI]
|
| [30] |
YU Z W, ZHANG J, LI X, et al. A new research hot spot: the role of NLRP3 inflammasome activation, a key step in pyroptosis, in diabetes and diabetic complications[J]. Life Sci, 2020, 240: 117138.
[DOI]
|
| [31] |
YANG F, QIN Y, WANG Y Q, et al. Metformin inhibits the NLRP3 Inflammasome via AMPK/mTOR-dependent effects in diabetic cardiomyopathy[J]. Int J Biol Sci, 2019, 15(5): 1010-1019.
[DOI]
|
| [32] |
金雪娟, 周京敏, 葛均波. 心力衰竭流行病学的研究进展[J]. 中国临床医学, 2013, 20(6): 852-855. JIN X J, ZHOU J M, GE J B. Research progress on epidemiology of heart failure[J]. Chinese Journal of Clinical Medicine, 2013, 20(6): 852-855. [CNKI] |
| [33] |
CARRILLO-SALINAS F J, NGWENYAMA N, ANASTASIOU M, et al. Heart inflammation: immune cell roles and roads to the heart[J]. Am J Pathol, 2019, 189(8): 1482-1494.
[DOI]
|
| [34] |
ROMUK E, WOJCIECHOWSKA C, JACHE? W, et al. Comparison of oxidative stress parameters in heart failure patients depending on ischaemic or nonischaemic aetiology[J]. Oxid Med Cell Longev, 2019, 2019: 7156038.
|
| [35] |
LI F, LANG F F, ZHANG H L, et al. Apigenin alleviates endotoxin-induced myocardial toxicity by modulating inflammation, oxidative stress, and autophagy[J]. Oxid Med Cell Longev, 2017, 2017: 2302896.
|
| [36] |
LI F, LANG F, WANG Y, et al. Cyanidin ameliorates endotoxin-induced myocardial toxicity by modulating inflammation and oxidative stress through mitochondria and other factors[J]. Food Chem Toxicol, 2018, 120: 104-111.
[DOI]
|
| [37] |
WANG Q, WU J, ZENG Y, et al. Pyroptosis: a pro-inflammatory type of cell death in cardiovascular disease[J]. Clin Chim Acta, 2020, 510: 62-72.
[DOI]
|
