細胞焦亡在眼科相關疾病的研究進展

詹艷　張天資

[ 關鍵詞] 細胞焦亡；含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1；Gasdermin 家族蛋白D；眼科疾病

[ 中圖分類號] R77 [ 文獻標識碼] A [ 文章編號] 2095-0616（2023）08-0024-05

細胞凋亡、壞死、自噬、焦亡，均是細胞死亡方式，其中細胞焦亡是近年來新發現的一種死亡方式，其過程與機制已在腫瘤、心血管、自身免疫等多種疾病中發現并被證實。而在眼科學，雖然很多疾病的具體病因、誘因以及發病機制目前仍未完全明確，但由于對細胞焦亡在相關眼科疾病中的進一步研究探索，使其在年齡相關性黃斑變性、糖尿病視網膜病變、白內障、青光眼等疾病中所起的作用逐漸清晰。同時，也發現了細胞焦亡在相關眼科疾病中與其他相關發病機制比如炎癥反應和氧化應激等的聯系。本文敘述細胞焦亡具體過程，總結細胞焦亡在部分相關眼科疾病中的研究進展，以期為這些疾病的預防和治療提供新的理論依據和思路，也為治愈這些疾病帶來新的希望。

1 細胞焦亡概述

炎性小體能夠識別病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）或者損傷相關分子模式（damage-associated molecularpatterns，DAMPs），招募和激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteinyl aspartate specificproteinase-1，Caspase-1）。炎癥小體由模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR），主要是NOD樣受體（nucleotide binding oligomerization domain likereceptors，NLR）、效應器Caspase-1 前體以及銜接子蛋白- 凋亡相關微粒蛋白（apoptosis-associatedparticulate protein，ASC）組成[1]。

細胞焦亡有經典和非經典兩條途徑[2]，其一為由Caspase-1 介導的經典焦亡途經，其二為由Caspase-4/-5/-11 介導的非經典焦亡途徑。

經典細胞焦亡途徑中，炎性小體組裝完成，Caspase-1 自剪切激活[3]，一方面介導炎癥因子白介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18 的成熟和分泌，另一方面切割Gasdermin家族蛋白D（ Gasdermin D，GSDMD），產生GSDMD-N 端和GSDMD-C 端，GSDMD-N 端寡聚形成直徑10 ～ 20 nm 允許成熟的IL-1β、IL-18 通過的膜孔，使細胞內外滲透壓失衡的同時也引起炎癥反應，最終發生細胞焦亡[4]。

在非經典途徑中，細胞以Caspase-4/-5/-11 為分子基礎啟動焦亡[5]。在此途徑中，Caspase-11 可直接由革蘭陰性菌胞壁中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）激活后對GSDMD 進行切割，發生細胞焦亡[6]。同時，Caspase-11 還可激活縫隙連接蛋白1（pannexin-1，Panx1）跨膜通道，釋放胞內三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），打開離子通道P2X7，使K+ 外流、Na+ 和Ca2+ 內流，從而滲透壓失衡、胞膜失去完整性、炎性物質釋放，細胞發生焦亡[7]。另一方面，Caspase-11 不能直接介導IL-1β、IL-18 成熟，需要先通過由Panx1 釋放的ATP 激活NOD 樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-likereceptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）激活Caspase-1[8]。

2 細胞焦亡在眼科相關疾病的研究進展

2.1 細胞焦亡關于糖尿病視網膜病變的研究進展

在糖尿病視網膜病變（diabetes retinopathy，DR）中，糖尿病會嚴重影響視網膜毛細血管細胞代謝，導致毛細血管內皮細胞損傷、視網膜缺血缺氧，血管內皮生長因子（vascular endothelial growthfactor，VEGF）增加，VEGF 是引起增殖性視網膜病變（proliferative retinopathy，PDR）發生的重要細胞因子。有研究發現，在糖尿病大鼠模型中視網膜的NLRP3、ASC、Caspase-1、IL-1β 以及IL-18 表達增加[4]；NLRP3 增加會誘導VEGF 表達上調[9]；在PDR 患者的玻璃體中存在炎性小體成分，隨著VEGF 升高，Caspase-1、IL-18 明顯升高[10]。己糖胺途徑和多元醇途徑中的通量增加、蛋白激酶C 激活、晚期糖基化終末產物積累這四條途徑會增加活性氧（reactive oxygen species，ROS），引發氧化應激，導致DR 發生發展[11]。研究發現高血糖誘導的視網膜色素上皮（retinal pigment epithelium，RPE）細胞以及視網膜微血管內皮細胞中ROS 的增加會導致硫氧還蛋白互作蛋白表達增加，并與NLRP3 結合、活化，激活經典細胞焦亡途徑[12]。此外，人視網膜周細胞（human retinal pericytes，HRPC）的損失也與DR 的發生發展相關。2020 年，Gan 等[13] 發現NLRP3-Caspase-1-GSDMD 介導的細胞焦亡是高糖導致HRPC 丟失的原因之一。有學者發現心肌梗死相關轉錄本在模擬的DR 環境下過表達，會減弱對Caspase-1 的抑制，使Caspase-1 活化增加，促進HRPC 發生焦亡[14]。

2.2 細胞焦亡關于年齡相關性黃斑變性的研究進展

年齡相關性黃斑變性（age-relatedmaculardegeneration，AMD）主要累及RPE，早期AMD 主要出現玻璃膜疣和脂褐素沉積，晚期AMD 分為干性AMD—可見視網膜脈絡膜地圖樣萎縮（geographicatrophy，GA）和濕性AMD—可見脈絡膜新生血管（choroidal neovascularization，CNV）。

炎癥反應和氧化應激是產生AMD 的重要環節，并與細胞焦亡相關。NLRP3 不管是在干性AMD 還是濕性AMD 中都起到了重要作用。Tseng 等[15] 在研究中發現，NLRP3 普遍出現在干、濕性AMD 的RPE細胞以及玻璃膜疣中，NLRP3 可激活Caspase-1 發生細胞焦亡，也可和淀粉樣蛋白β（amyloid-β，Aβ）在AMD 中相互作用。在Gao 等[16] 的研究中，通過將Aβ 注射進大鼠的玻璃體腔內發現NLRP3活化，并通過RPE 核轉位使Caspase-1 水平提高，GSDMD 顯著水解，RPE 細胞焦亡。在日常用眼中，RPE 細胞消耗大量的氧氣產生ROS，當ROS 在RPE 細胞內蓄積，發生氧化應激，就會使RPE 氧化損傷。Brandstetter 等[17] 發現，在脂褐素沉積的RPE 細胞中，氧化損傷使NLRP3 激活并釋放IL-1β、IL-18，促進細胞焦亡。Wang 等[18] 發現在AMD 患者體內以及體外給予氧化應激或LPS 刺激人視網膜上皮細胞，NLRP3、IL-1β 以及IL-18 前體的mRNA 表達均增加。

2.3 細胞焦亡關于年齡相關性白內障的研究進展

目前學者們認為年齡相關性白內障（agerelatedcataract，ARCs）的發生與發展與氧化、晶狀體老化、晶狀體蛋白修飾以及Ca2+ 失衡密切相關[19]。有研究表明，當細胞內質網（endoplasmicreticulum，ER）產生折疊錯誤的蛋白質時，會激活未折疊蛋白反應（unfolded protein reaction，UPR）清除機制，清除錯誤折疊的蛋白，當ER 產生的錯誤折疊蛋白超出閾值，UPR 就會開啟細胞程序性死亡[20]。UPR 還促進ROS 的產生。ER 應激、UPR以及ROS 都能激活NLRP3[21]。在Alexander[22] 研究中發現VEGF-A 增加會引起白內障這種眼部老化疾病，VEGF-A 在晶狀體中增加會誘導氧化損傷以及IL-1β 表達增加。Jin 等[23] 研究發現，白內障患者晶狀體的前囊膜組織中IL-1β 以及Caspase-1的蛋白、mRNA 表達水平均高于正常對照組。將Caspase-1 抑制劑加到用過氧化氫（hydrogenperoxide，H2O2）處理過的晶狀體上皮細胞中，發現與單純H2O2 處理過的晶狀體上皮細胞相比，細胞焦亡明顯減少，IL-1β 和Caspase-1 的蛋白、mRNA 表達也明顯減少。Jin 等[24] 還發現lncRNAKCNQ1OT1 能通過miR-214 激活Caspase-1 途徑，促進白內障形成。

2.4 細胞焦亡在其他眼科疾病中的研究進展

2.4.1 翼狀胬肉 翼狀胬肉紫外線的致病機制可以是直接的光毒效應也可以是間接形成氧自由基產生氧化應激損傷[25]。紫外線的輻射以及其他類型氧化應激，可以作為DAMPs 使細胞焦亡。焦亡發生后，IL-1β、IL-18 成熟分泌，進而引起細胞纖維化、異常增殖和凋亡等變化，最終形成翼狀胬肉。Sun 等[26] 發現，在H2O2 處理的人翼狀胬肉成纖維細胞和人結膜上皮細胞中存在依賴Caspase-1 的細胞焦亡，IL-1β、IL-18 等顯著表達，當Caspase-1被抑制，IL-1β 和IL-18 的表達減少。

2.4.2 角膜炎 角膜炎可致角膜潰瘍，角膜穿孔、眼內感染甚至失明。Qu 等[27] 研究發現缺乏免疫調節受體髓系細胞觸發受體-2（triggering receptorexpressed on myeloid cells 2，TREM2）的鼠在感染銅綠假單胞菌后的角膜炎比野生型鼠更嚴重，這是因為缺乏TREM2 致使Caspase-1 水平升高，細胞焦亡激活，IL-1β 釋放。趙文一[28] 研究發現GSDMD在真菌性角膜炎（aspergillus fumigatus，AF）患者的角膜組織中較正常人表達水平顯著升高，小鼠AF模型中角膜GSDMD 的蛋白和mRNA 水平較正常組明顯升高，在使用Caspase-1 抑制劑后GSDMD的上升趨勢被顯著抑制。

2.4.3 干眼癥（dry eye，DE） DE 的主要原因是淚液滲透壓升高和淚膜不穩定[29]，淚膜不穩定會導致淚膜以及角、結膜局部或彌散性高滲，上皮細胞以及常駐的炎性細胞釋放炎性細胞因子，造成炎癥反應[30]。目前有越來越多的研究能夠證明DE 與炎癥相關[31]。在Niu 等[32] 的研究中表明干燥綜合征DE 和非干燥綜合征DE 患者與對照組NLRP3的mRNA 和蛋白質相比均明顯升高。Zheng 等[33]發現，在智能控制環境系統誘導的DE 小鼠模型中，ROS 的增加誘發NLRP3 炎性小體的活化，使IL-1β 增加。

2.4.4 青光眼相關視網膜損害 青光眼是以視網膜神經節細胞（retinal ganglion cell，RGC）死亡為主要病理特征的眼科疾病[34]。有研究發現青光眼患者視網膜中NLRP3 和Caspase-1 升高[35]；青光眼小鼠模型的急性期視網膜中有大量的NLRP3、Caspase-1、ASC、IL-1β，慢性期視網膜中NLRP3、Caspase-1、IL-1β 也明顯增加，而在NLRP3 敲除模型中，視網膜Caspase-1、ASC、IL-1β 的增加均減少且RGC 的存活時間平均比對照組延長約一周[36]，說明細胞焦亡參與RGC 死亡。在青光眼病程中除了RGC，還有小膠質細胞也起到了非常重要的作用。有研究發現，將A2 腺苷受體拮抗劑注入Sprague-Dawley 高眼壓鼠模型的玻璃體腔中，靶向抑制小膠質細胞的活化，能夠下調促炎因子表達，降低細胞焦亡的發生水平[37]。

3 小結和展望

本文總結了細胞焦亡的具體執行過程以及細胞焦亡的兩條途徑，并敘述了細胞焦亡在部分眼科相關疾病方面的研究進展。隨著對細胞焦亡以及眼科各種相關疾病的深入研究，研究者們對其認知更加清晰，雖然目前對AMD、ARCs、角膜炎、青光眼等疾病的發病機制尚未完全闡明，但隨著細胞焦亡與這些疾病之間關系的逐漸揭露，為如何預防和治療提供了一條新思路。