引用本文： 陳雪怡, 張景鴻. 泛凋亡在呼吸系統疾病中的研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2024, 23(5): 375-380. doi: 10.7507/1671-6205.202309043 復制
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最近有學者在研究焦亡、凋亡和壞死性凋亡共同作用于多聚體蛋白復合物—泛凋亡小體（PANoptosome）的感染性疾病中提出了“泛凋亡”（PANoptosis）的概念[1]。并且有研究發現泛凋亡參與感染性疾病、神經退行性疾病、自身免疫性疾病、癌癥等多種人類疾病的發生發展[2]。肺是機體與外界進行氣體交換的重要媒介，可通過細胞凋亡、焦亡、壞死性凋亡和泛凋亡來維持肺組織正常的生理活動和進行免疫防御。當肺組織的細胞死亡平衡被打破時，就可能會導致呼吸系統疾病的發生。呼吸系統疾病是最常見的人類疾病之一，其中常見的呼吸系統疾病包括肺炎、慢性阻塞性肺疾病、急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）、哮喘、肺癌等。呼吸系統疾病的研究一直以來都是醫學研究的熱點，關于某些疾病的發生發展機制以及相關靶向藥物的研究已經比較明確，但仍然有許多問題等待攻克。泛凋亡的發現為呼吸系統疾病的治療提供了一個新的治療方向—通過調控泛凋亡通路中某些分子的表達和泛凋亡小體的組裝來靶向治療人類呼吸系統疾病，為相關疾病患者的治療帶來了突破。本文從泛凋亡的角度出發，闡述泛凋亡的概念和發生機制，泛凋亡小體的組裝，重點闡述泛凋亡在ARDS、新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）、肺癌和呼吸系統免疫性疾病中的作用機制，以及泛凋亡在呼吸系統疾病治療方面的應用，旨在通過了解泛凋亡在呼吸系統疾病中的作用機制，為靶向治療呼吸系統疾病提供依據。
1 泛凋亡的概念
程序性細胞死亡（programmed cell death，PCD）是生物體發育的重要組成部分，在宿主防御病原體和維持體內平衡中發揮著重要作用。多種PCD途徑與先天免疫相關，包括焦亡、細胞凋亡、壞死性凋亡和泛凋亡[3]。細胞焦亡是炎性小體（inflammasome）組裝和激活后發生的一種程序性、裂解性和炎癥性細胞死亡途徑[4]。炎性小體是多聚體蛋白復合物，通常由傳感器、接頭蛋白和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（Caspase）家族組成[5]。細胞凋亡是一種高度調控的細胞死亡過程，不引起炎癥反應[6]。細胞凋亡受多種成分調節，包括信號分子、受體、酶和基因調控蛋白，其中最重要的是BCL-2蛋白家族、Caspase家族和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）受體超家族[7-8]。壞死性凋亡主要由受體相互作用蛋白激酶1（receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1）、RIPK3和混合系列蛋白激酶樣結構域（mixed-lineagekinasedomain-like，MLKL）介導[9]。早期研究強調每個通路的獨特調控，但新興的研究發現了這些看似不同的細胞死亡復合物之間的共調控和串擾[10]。例如，細胞焦亡和細胞凋亡都涉及Caspase家族成員的激活，表明這兩種形式可能具有共同的進化起源[11]；細胞焦亡和壞死性凋亡都屬于裂解性細胞死亡途徑，這意味著它們之間很可能存在交叉[12]；Caspase-8作為細胞凋亡的啟動因子，可以抑制RIPK3和MLKL介導的壞死性凋亡[13]。綜上，細胞焦亡、細胞凋亡和壞死性凋亡之間的廣泛串擾導致了“泛凋亡”概念的提出。泛凋亡是Malireddi等于2019年提出的一種新的細胞死亡方式，以細胞焦亡、凋亡和壞死性凋亡為特征，但不能單獨用其中任何一種來解釋[14]。啟動泛凋亡的關鍵復合體稱為泛凋亡小體。它是一種細胞死亡誘導復合物，具有焦亡、凋亡和壞死性凋亡的分子特征，可以誘導和調控泛凋亡[15]。
2 泛凋亡小體的形成
泛凋亡受上游受體和分子信號的級聯調控，這些分子組裝成稱為泛凋亡小體的多聚復合物[14]。遺傳和生物化學數據表明，屬于泛凋亡小體的蛋白質通常可以分為三類：（1）Z-DNA結合蛋白1（Z-DNA binding protein 1，ZBP1）和核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）作為假定的病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）和損害相關分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）傳感器；（2）凋亡相關的斑點樣蛋白（apoptosis associated speck like protein containing a CARD，ASC）和Fas相關死亡域蛋白（Fas-associating protein with a novel death domain，FADD）作為接頭分子；（3）RIPK1、RIPK3、半胱氨酸蛋白酶1（CASP-1）和CASP-8作為催化效應分子。最近一項研究發現Caspase-6可通過加強復合物中RIPK3和ZBP1之間的相互作用來促進泛凋亡小體組裝[16]，但Caspase-6是否是組裝泛凋亡小體所必須的，尚未清楚。目前關于泛凋亡小體的具體組裝機制和作用機制尚不清楚，但通過對PCD分子機制的深入研究發現細胞焦亡、凋亡、壞死性凋亡的發生均與相關多聚體蛋白的相互作用和催化活性有關。由此推斷，泛凋亡小體可能結合了許多與炎性小體、DISC（可介導細胞凋亡）和壞死小體相同的相互作用，并作為一個多功能PCD復合物利用壞死小體相關激酶、凋亡和焦亡相關的蛋白酶，負責泛凋亡的執行[17]。但關于泛凋亡小體相關結構域明確的相互作用機制尚未破譯。
泛凋亡小體可被分為ZBP1-PANoptosome、RIPK1-PANoptosome、AIM2-PANoptosome三種類型。其中研究較為深入的是ZBP1-PANoptosome，ZBP1是一種模式識別受體，是病毒感染的先天傳感器和病毒逃避策略的靶標，可以調節細胞死亡、炎性小體激活和促炎反應[18]。ZBP1由2個N端Z-核酸結合結構域（Z1和Z2）、RHIM結構域和1個功能未定義的C端區域組成[19]。研究發現ZBP1的Za2結構域是促進炎性小體激活和泛凋亡所必需的，其主要作用是通過感應內源性和甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）來源的核酸，介導細胞死亡和炎癥[20]。在IAV的背景下，ZBP1可以感知病毒誘導泛凋亡小體組裝，具體的組裝機制是活化的ZBP1通過ZBP1的RHIM 結構域和ASC的CARD結構域的異型相互作用與ASC結合，誘導ASC聚合。ASC的PYD結構域可以通過NLRP3的PYD結構域招募NLRP3進入復合體[21]，參與組裝ZBP1-PANoptosome，由此啟動泛凋亡。其特征是Caspase-1、Caspase-3、Caspase-8的激活和MLKL的磷酸化[22]。
NLRP12是固有免疫胞漿傳感器，負責炎性小體和泛凋亡小體的激活、炎癥細胞死亡和炎癥反應。實驗發現NLRP12與細胞死亡分子相互作用形成泛凋亡小體，是泛凋亡小體的重要組成部分[23]，但其相關的細胞死亡分子和具體的組裝過程有待進一步研究。AIM2是一種胞漿天然免疫受體，可以識別細胞擾動和病原攻擊過程中釋放的雙鏈DNA（double stranded DNA，dsDNA）。AIM2對dsDNA的識別導致了炎性小體的組裝。這種炎性小體的組裝會引起白細胞介素（interleukin，IL）-1β和IL-18的分泌，并誘導細胞焦亡[24]。最近研究還發現，通過AIM2、Pyrin和ZBP1之間未知的調節連接和分子相互作用可以驅動AIM2介導的多聚蛋白復合物的組裝，該復合物涉及多個炎性小體傳感器和細胞死亡調節因子，參與泛凋亡的發生[25]。
3 泛凋亡的發生機制
PCD被發現已有幾十年的歷史。時至今日，人們對細胞死亡調控領域的認識已經很廣泛，但仍處于不斷的拓展之中。在所有擬議的PCD形式中，焦亡、凋亡和壞死性凋亡在負責細胞死亡的起始、轉導和執行的分子機制的方面是最明確的[26]。細胞焦亡是由炎性小體激活引起的細胞死亡的一種炎性形式，其特征是細胞腫脹，隨后裂解和釋放細胞內的內容物[27]。目前已鑒定的炎性小體傳感器有5種，包括NLRP1、NLRP3、AIM2、NLRC4和Pyrin。最后四個已被發現參與泛凋亡[28]。細胞凋亡受復雜的凋亡小體調控，具體過程是APAF1感知線粒體來源的Cyt-C并通過CARD結構域與Caspase-9相互作用，裂解多種蛋白質，導致細胞凋亡[29]。壞死性凋亡是在Caspase-8活性的抑制下，RIPK3和RIPK1形成壞死小體，通過RHIM-RHIM相互作用介導壞死性凋亡[19]。三條死亡通路之間是相互聯系、相互作用的，并非各自為營。不管是在感染反應中，還是在機體穩態中，或者在自身炎癥的情況下，泛凋亡都是由一個稱為泛凋亡小體的分子復合物執行的，它整合了凋亡小體、壞死小體和炎性小體的成分。總的來說，泛凋亡小體負責驅動這種炎癥形式的細胞死亡[18]。雖然到目前為止，泛凋亡的具體產生機制還未研究清楚，但已經發現了許多參與和調控泛凋亡的關鍵分子。
4 泛凋亡在呼吸系統疾病中的作用
4.1 泛凋亡與ARDS
ARDS是由非心源性肺水腫引起的急性呼吸衰竭綜合征。與ARDS發展相關的最常見的臨床疾病是細菌性和病毒性肺炎。ARDS也常由非肺源性、嚴重創傷、胃內容物誤吸等導致的膿毒癥引起[30]。ARDS的發生機制通常由兩方面組成。一方面是各種損傷因素導致的肺泡液積聚，如各種感染性與非感染性因素可引起肺部炎癥，過度的炎癥反應會導致急性肺損傷（acute lung injury，ALI）。除了ARDS中過度的炎癥反應外，在肺損傷過程中，肺內凝血酶、TNF、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和白細胞信號濃度的增加會破壞血管內皮細胞的VE-鈣黏蛋白（VE-cadherin）鍵，導致內皮通透性增加和肺泡液體積聚。另一方面是發生ARDS時，肺泡液體清除受損。如ARDS中的肺水腫液中含有高水平的促炎細胞因子，當細胞因子水平過高時，會導致肺泡損傷和肺泡液體清除率降低[31]。
研究發現干擾素基因刺激物（stimulator of interferon genes，STING）有助于抗腫瘤免疫反應，并可能控制包括嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）感染在內的病毒感染。然而，通過氣道二氧化硅或煙霧暴露激活的STING通路會導致細胞死亡、自身dsDNA釋放和ARDS的發生。利用此發現，我們可通過給予低劑量的STING激動劑di ABZI（相當于各種損傷因素）誘導ARDS的小鼠模型來探討ARDS中泛凋亡的發生發展。實驗發現氣道給予di ABZI可誘導肺組織中的Caspase-3、Gasdermin D蛋白（GSDMD）裂解和MLKL磷酸化，誘導細胞凋亡、焦亡、壞死性凋亡的發生。此外，研究還發現肺組織中的ZBP1上調、Caspase-8、ASC和RIPK3蛋白表達增加，可促進泛凋亡小體的表達，誘導泛凋亡[32]。
4.2 泛凋亡與SARS-COV-2
2019年發現了SARS-COV-2，該病毒引起的疾病被命名為新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19），臨床表現從無癥狀，經輕度呼吸道感染和流感樣疾病，到嚴重疾病伴發肺損傷、多器官功能衰竭和死亡[33-34]。毫無疑問，肺部是感染的主要門戶，然而在尸檢的腎臟、肝臟、心臟、腦和血液樣本中也可檢測到SARS-COV-2的RNA[35]。COVID-19患者的肺組織病理學特征包括彌漫性肺泡損傷和反應性肺泡增生，以及成纖維細胞增生[28]，還能觀察到明顯的蛋白質和纖維蛋白滲出[29]，其沉積可能導致COVID-19患者肺纖維化[36]。一般研究認為SARS-COV-2引起機體產生免疫反應的主要機制是SARS-COV-2表面的刺突糖蛋白（spike glycoprotein，S蛋白）與宿主受體血管緊張素轉換酶2結合，且位于細胞表面的跨膜絲氨酸蛋白酶（TMPRSS）11A、TMPRSS11D和TMPRSS2和位于細胞內的FURIN和cathepsin-L可切割、裂解冠狀病毒S蛋白，使SARS-COV-2進入細胞，引起急性免疫反應，產生強大的免疫防御[37]。實驗發現，在SARS-COV-2感染者體內，誘導細胞發生泛凋亡的關鍵細胞因子是TNF-α和γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ），兩者之間的協同作用特異性誘導細胞死亡。具體誘導機制是TNF-α和IFN-γ通過STAT1/IRF1軸調節一氧化氮合酶的表達，以產生一氧化氮（具有細胞毒性）并驅動Caspase-8和FADD介導泛凋亡[38]。此外，TNF-α和IFN-γ共處理可誘導GSDMD的少量裂解產生可形成膜孔的活性P30片段誘導細胞焦亡[39]；可刺激細胞表現出MLKL的強磷酸化誘導壞死性凋亡；還可以導致RIPK1的磷酸化和裂解，參與調節細胞凋亡和壞死性凋亡[40]。綜上，機體可通過TNF-α和IFN-γ介導的先天性免疫信號通路來抵御SARS-COV-2的侵害。
對COVID-19患者的進一步研究發現疾病的嚴重程度與固有免疫細胞和炎癥細胞因子的涌入有關，全身促炎細胞因子的增加與重癥COVID-19患者的肺損傷、多器官功能衰竭和不良預后直接相關，不受控制的細胞因子信號可導致多器官損傷[41]。例如，M1型巨噬細胞分泌TNF-α、IL-1β和IL-6，引起組織損傷，M2型巨噬細胞可產生IL-10和轉化生長因子，與組織修復和纖維化有關[42]。脫顆粒肥大細胞通過釋放許多炎癥因子，介導強烈的炎癥反應[43]。肥大細胞顆粒的血管活性物質除了促進吸入性微生物的殺滅外，還可能通過影響血管張力、平滑肌、黏液腺等引起肺組織損傷[44]。
但最近有研究發現這些炎性PCD方式并不是由浸潤肺組織的固有免疫細胞表達的促炎細胞因子介導，而是由肺泡2型上皮細胞（ATⅡ）細胞自身表達的程序性壞死和焦亡通路成分介導[45]。ATⅡ細胞除了提供表面活性物質外，還在肺損傷時增殖，分化以取代失去感染和其他形式肺損傷的ATⅠ細胞，然后通過凋亡大量清除，以恢復氣體交換[46]。在探討SARS-COV-2感染對致死性COVID-19肺炎中增殖修復型ATⅡ反應的影響時發現，ATⅡ細胞在SARS-COV-2感染下會發生死亡，主要機制是ATⅡ會發生由TNF-α誘導的壞死性凋亡、BTK誘導的細胞焦亡和泛凋亡，且死亡程度隨著ATⅡ對ALI修復反應的獨特反應和性質而放大[45]。這個研究闡述了SARS-COV-2誘導肺組織發生泛凋亡的另一種途徑，為COVID-19的治療提供了一個新方向。
4.3 泛凋亡與肺癌
根據國際癌癥研究機構統計，肺癌在所有癌癥中病死率最高，發病率居第二位[47]。肺癌分為不同的組織學亞型，包括腺癌、鱗癌、大細胞癌（通常稱為非小細胞肺癌）和小細胞肺癌[48]。在肺細胞中，失調增殖是細胞癌變的常見原因，常通過信號蛋白的增加、翻譯后的修飾或突變而發生[49]。研究發現，FADD是Kras驅動的肺癌所必需的。FADD根據其亞細胞定位（即受磷酸化調控）的不同，可能具有不同的作用。在細胞質中，其主要功能是誘導細胞凋亡；而在細胞核中，它可以產生相反的作用，反而促進細胞的存活和增殖[50]。研究發現，與癌旁組織相比，FADD在肺癌組織中高表達；同時它也是泛凋亡和細胞凋亡過程的適配器[51]。由此推測，肺癌的發生與FADD參與的泛凋亡相關。然而，目前關于泛凋亡在肺癌中的研究仍然較少。
4.4 泛凋亡與呼吸系統免疫性疾病
呼吸道每天會吸入10000 L空氣。雖然大多數空氣含有的是無害的環境成分，但肺部免疫系統還必須應對有害微生物和無菌的威脅，并迅速做出反應，以保護這個親密屏障區域的宿主。氣道具有廣泛的細胞和體液宿主防御機制，其中大部分屬于免疫系統的先天性免疫器官，駐留和浸潤免疫細胞與分泌的先天免疫蛋白之間復雜的相互作用決定了氣道黏膜內宿主–病原體、宿主–過敏原和宿主–顆粒相互作用的結果[52]。呼吸系統發生炎癥性免疫的主要機制是通過促炎性脂質、趨化因子、補體和細胞因子介質的綜合作用，不同的免疫細胞群依次被募集到支氣管肺泡和肺實質中。在急性炎癥反應中，中性粒細胞首先被吸引并主要定位于支氣管肺泡腔，在支氣管肺泡腔內進行短期的宿主–病原體相互作用[53]，其次是單核細胞和淋巴細胞，以發揮更持久的宿主防御功能，后者具有明顯的組織優勢，可浸潤肺實質而非支氣管肺泡腔[54-55]。目前關于泛凋亡在呼吸系統免疫性疾病方面的研究較少，有待進一步研究。
研究表明先天免疫系統通過激活種系編碼傳感器和下游炎癥途徑對保守的PAMP和DAMP做出反應，先天免疫系統的失調和過度激活可能導致急性和慢性炎癥性疾病。由先天免疫信號失調驅動的自身炎癥有助于建立適應性免疫反應，從而導致自身免疫的發展。例如，死亡細胞中釋放的細胞內DAMP與促進多種自身免疫性疾病的炎癥有關，這可能是通過激活先天免疫信號來實現[56]。泛凋亡可以刺激促炎細胞因子的產生并繼發炎癥反應，當炎癥反應過度激活時，可能會導致自身免疫性疾病的發生。究其機制，一方面，細胞凋亡可以引起核碎裂、細胞皺縮，該形態變化對機體來說是一種細胞膜紊亂的信號；其次，細胞焦亡通過GSDMD、Gasdermin E蛋白（GSDME）在細胞膜表面打孔，可促使炎性細胞因子釋放；最后，壞死性凋亡也可引起膜紊亂和DAMP的釋放，引起炎癥反應的發生。綜上，泛凋亡在炎性細胞因子和DAMP釋放中的具有重要作用[57]。
5 泛凋亡在呼吸系統疾病治療方面的應用
泛凋亡已成為許多疾病的研究熱點，如病原體感染、免疫性疾病，甚至癌癥等。了解泛凋亡的機制和調控對呼吸系統相關疾病的治療至關重要[58]。迄今為止有證據表明泛凋亡的調控與某些呼吸系統疾病的發生或進展有關。研究發現miR-29a-3p在ARDS患者血漿和ALI模型小鼠肺組織中表達下調，miR-29a-3p agomir注射可以下調肺組織中炎癥因子TNF-α、IL-1β、IL-6的水平，還通過下調ZBP1、GSDMD、Caspase-3、Caspase-8、MLKL，減少肺泡上皮細胞泛凋亡的發生，最終改善ALI模型小鼠的肺損傷[59]。由上文論述可知SARS-COV-2引起的ALI，除了與細胞因子風暴有關外，最新的研究還表明COVID-19中泛凋亡的發生可能與TNF和BTK介導的死亡通路有關。在SARS-COV-2感染期間，用抗TNF和IFN的中和抗體治療可以保護小鼠免于死亡[60]。還有研究發現核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信號通路是SARS-COV-2介導的另一條重要的抗凋亡或生存途徑。該信號通過誘導Bcl-2和XIAP等凋亡抑制因子以及TNF等細胞因子的表達，促進病毒的存活、增殖和炎癥反應。因此，作為蛋白酶體抑制劑的微小天然化合物，如雷公藤紅素和姜黃素可用于修飾NF-κB信號，為SARS-COV-2感染患者提供了一種新的治療方法[60]。在癌癥背景下，ADAR1 p150的表達增加限制了ZBP1與RIPK3的結合，從而抑制泛凋亡，促使腫瘤生長。研究發現ADAR1-ZBP1的相互作用可以通過IFN和NEIs的聯合治療進行藥理學調節。如在黑色素瘤模型中使用這種組合導致了腫瘤體積的顯著減少，表明結合IFNs和NEIs（如最近美國食品藥品監督管理局批準的KPT-330）可能是腫瘤的一種潛在臨床轉化策略[61]。已有研究證實在TAK1抑制情況下可誘發RIPK1介導的泛凋亡，而在IFN刺激下也可產生基因產物ZBP1，進而啟動ZBP1介導的泛凋亡，這些都為治療自身炎癥或自身免疫性疾病提供了潛在的藥物靶點[62-63]。
6 總結與展望
維持PCD的平衡是機體維持正常生命活動所必須的。當平衡被打破時，就會引起機體的異常。泛凋亡具有細胞凋亡、焦亡和壞死性凋亡三者的特點，通過泛凋亡小體來誘導機體細胞死亡，過度的免疫反應會造成組織損傷。但是當泛凋亡被過度抑制時，就有可能會導致腫瘤的發生。泛凋亡已被證實參與人體呼吸系統中多種疾病的發生發展。雖然目前已有許多研究闡述了泛凋亡的產生機制和其與某些呼吸系統疾病之間的關系。但通過泛凋亡來治療人類呼吸系統疾病這條路才剛開始，還有許多問題等待解決。例如，各種損傷性或非損傷性因素如何誘導肺組織泛凋亡的發生？已知ARDS、COVID-19、呼吸系統免疫性疾病的發生均與泛凋亡的過度激活有關，那么它們之間有什么區別與聯系？泛凋亡小體作為細胞焦亡、凋亡、壞死性凋亡的共同作用分子，能否通過對其進行干預同時治療多種呼吸系統疾病？通過抑制或促進肺組織泛凋亡通路中的哪些分子可以用來靶向治療人類呼吸系統疾病？通過泛凋亡來治療呼吸系統疾病疾病是否會產生不良反應？盡管還有許多疑問，但隨著人類對泛凋亡產生機制以及在人類呼吸系統疾病中的作用和調控機制的深入研究，可以為科研人員研究人類呼吸系統疾病的治療提供一個全新的方向，有望成為呼吸系統疾病治療的新手段。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
最近有學者在研究焦亡、凋亡和壞死性凋亡共同作用于多聚體蛋白復合物—泛凋亡小體（PANoptosome）的感染性疾病中提出了“泛凋亡”（PANoptosis）的概念[1]。并且有研究發現泛凋亡參與感染性疾病、神經退行性疾病、自身免疫性疾病、癌癥等多種人類疾病的發生發展[2]。肺是機體與外界進行氣體交換的重要媒介，可通過細胞凋亡、焦亡、壞死性凋亡和泛凋亡來維持肺組織正常的生理活動和進行免疫防御。當肺組織的細胞死亡平衡被打破時，就可能會導致呼吸系統疾病的發生。呼吸系統疾病是最常見的人類疾病之一，其中常見的呼吸系統疾病包括肺炎、慢性阻塞性肺疾病、急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）、哮喘、肺癌等。呼吸系統疾病的研究一直以來都是醫學研究的熱點，關于某些疾病的發生發展機制以及相關靶向藥物的研究已經比較明確，但仍然有許多問題等待攻克。泛凋亡的發現為呼吸系統疾病的治療提供了一個新的治療方向—通過調控泛凋亡通路中某些分子的表達和泛凋亡小體的組裝來靶向治療人類呼吸系統疾病，為相關疾病患者的治療帶來了突破。本文從泛凋亡的角度出發，闡述泛凋亡的概念和發生機制，泛凋亡小體的組裝，重點闡述泛凋亡在ARDS、新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）、肺癌和呼吸系統免疫性疾病中的作用機制，以及泛凋亡在呼吸系統疾病治療方面的應用，旨在通過了解泛凋亡在呼吸系統疾病中的作用機制，為靶向治療呼吸系統疾病提供依據。
1 泛凋亡的概念
程序性細胞死亡（programmed cell death，PCD）是生物體發育的重要組成部分，在宿主防御病原體和維持體內平衡中發揮著重要作用。多種PCD途徑與先天免疫相關，包括焦亡、細胞凋亡、壞死性凋亡和泛凋亡[3]。細胞焦亡是炎性小體（inflammasome）組裝和激活后發生的一種程序性、裂解性和炎癥性細胞死亡途徑[4]。炎性小體是多聚體蛋白復合物，通常由傳感器、接頭蛋白和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（Caspase）家族組成[5]。細胞凋亡是一種高度調控的細胞死亡過程，不引起炎癥反應[6]。細胞凋亡受多種成分調節，包括信號分子、受體、酶和基因調控蛋白，其中最重要的是BCL-2蛋白家族、Caspase家族和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）受體超家族[7-8]。壞死性凋亡主要由受體相互作用蛋白激酶1（receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1）、RIPK3和混合系列蛋白激酶樣結構域（mixed-lineagekinasedomain-like，MLKL）介導[9]。早期研究強調每個通路的獨特調控，但新興的研究發現了這些看似不同的細胞死亡復合物之間的共調控和串擾[10]。例如，細胞焦亡和細胞凋亡都涉及Caspase家族成員的激活，表明這兩種形式可能具有共同的進化起源[11]；細胞焦亡和壞死性凋亡都屬于裂解性細胞死亡途徑，這意味著它們之間很可能存在交叉[12]；Caspase-8作為細胞凋亡的啟動因子，可以抑制RIPK3和MLKL介導的壞死性凋亡[13]。綜上，細胞焦亡、細胞凋亡和壞死性凋亡之間的廣泛串擾導致了“泛凋亡”概念的提出。泛凋亡是Malireddi等于2019年提出的一種新的細胞死亡方式，以細胞焦亡、凋亡和壞死性凋亡為特征，但不能單獨用其中任何一種來解釋[14]。啟動泛凋亡的關鍵復合體稱為泛凋亡小體。它是一種細胞死亡誘導復合物，具有焦亡、凋亡和壞死性凋亡的分子特征，可以誘導和調控泛凋亡[15]。
2 泛凋亡小體的形成
泛凋亡受上游受體和分子信號的級聯調控，這些分子組裝成稱為泛凋亡小體的多聚復合物[14]。遺傳和生物化學數據表明，屬于泛凋亡小體的蛋白質通常可以分為三類：（1）Z-DNA結合蛋白1（Z-DNA binding protein 1，ZBP1）和核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）作為假定的病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）和損害相關分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）傳感器；（2）凋亡相關的斑點樣蛋白（apoptosis associated speck like protein containing a CARD，ASC）和Fas相關死亡域蛋白（Fas-associating protein with a novel death domain，FADD）作為接頭分子；（3）RIPK1、RIPK3、半胱氨酸蛋白酶1（CASP-1）和CASP-8作為催化效應分子。最近一項研究發現Caspase-6可通過加強復合物中RIPK3和ZBP1之間的相互作用來促進泛凋亡小體組裝[16]，但Caspase-6是否是組裝泛凋亡小體所必須的，尚未清楚。目前關于泛凋亡小體的具體組裝機制和作用機制尚不清楚，但通過對PCD分子機制的深入研究發現細胞焦亡、凋亡、壞死性凋亡的發生均與相關多聚體蛋白的相互作用和催化活性有關。由此推斷，泛凋亡小體可能結合了許多與炎性小體、DISC（可介導細胞凋亡）和壞死小體相同的相互作用，并作為一個多功能PCD復合物利用壞死小體相關激酶、凋亡和焦亡相關的蛋白酶，負責泛凋亡的執行[17]。但關于泛凋亡小體相關結構域明確的相互作用機制尚未破譯。
泛凋亡小體可被分為ZBP1-PANoptosome、RIPK1-PANoptosome、AIM2-PANoptosome三種類型。其中研究較為深入的是ZBP1-PANoptosome，ZBP1是一種模式識別受體，是病毒感染的先天傳感器和病毒逃避策略的靶標，可以調節細胞死亡、炎性小體激活和促炎反應[18]。ZBP1由2個N端Z-核酸結合結構域（Z1和Z2）、RHIM結構域和1個功能未定義的C端區域組成[19]。研究發現ZBP1的Za2結構域是促進炎性小體激活和泛凋亡所必需的，其主要作用是通過感應內源性和甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）來源的核酸，介導細胞死亡和炎癥[20]。在IAV的背景下，ZBP1可以感知病毒誘導泛凋亡小體組裝，具體的組裝機制是活化的ZBP1通過ZBP1的RHIM 結構域和ASC的CARD結構域的異型相互作用與ASC結合，誘導ASC聚合。ASC的PYD結構域可以通過NLRP3的PYD結構域招募NLRP3進入復合體[21]，參與組裝ZBP1-PANoptosome，由此啟動泛凋亡。其特征是Caspase-1、Caspase-3、Caspase-8的激活和MLKL的磷酸化[22]。
NLRP12是固有免疫胞漿傳感器，負責炎性小體和泛凋亡小體的激活、炎癥細胞死亡和炎癥反應。實驗發現NLRP12與細胞死亡分子相互作用形成泛凋亡小體，是泛凋亡小體的重要組成部分[23]，但其相關的細胞死亡分子和具體的組裝過程有待進一步研究。AIM2是一種胞漿天然免疫受體，可以識別細胞擾動和病原攻擊過程中釋放的雙鏈DNA（double stranded DNA，dsDNA）。AIM2對dsDNA的識別導致了炎性小體的組裝。這種炎性小體的組裝會引起白細胞介素（interleukin，IL）-1β和IL-18的分泌，并誘導細胞焦亡[24]。最近研究還發現，通過AIM2、Pyrin和ZBP1之間未知的調節連接和分子相互作用可以驅動AIM2介導的多聚蛋白復合物的組裝，該復合物涉及多個炎性小體傳感器和細胞死亡調節因子，參與泛凋亡的發生[25]。
3 泛凋亡的發生機制
PCD被發現已有幾十年的歷史。時至今日，人們對細胞死亡調控領域的認識已經很廣泛，但仍處于不斷的拓展之中。在所有擬議的PCD形式中，焦亡、凋亡和壞死性凋亡在負責細胞死亡的起始、轉導和執行的分子機制的方面是最明確的[26]。細胞焦亡是由炎性小體激活引起的細胞死亡的一種炎性形式，其特征是細胞腫脹，隨后裂解和釋放細胞內的內容物[27]。目前已鑒定的炎性小體傳感器有5種，包括NLRP1、NLRP3、AIM2、NLRC4和Pyrin。最后四個已被發現參與泛凋亡[28]。細胞凋亡受復雜的凋亡小體調控，具體過程是APAF1感知線粒體來源的Cyt-C并通過CARD結構域與Caspase-9相互作用，裂解多種蛋白質，導致細胞凋亡[29]。壞死性凋亡是在Caspase-8活性的抑制下，RIPK3和RIPK1形成壞死小體，通過RHIM-RHIM相互作用介導壞死性凋亡[19]。三條死亡通路之間是相互聯系、相互作用的，并非各自為營。不管是在感染反應中，還是在機體穩態中，或者在自身炎癥的情況下，泛凋亡都是由一個稱為泛凋亡小體的分子復合物執行的，它整合了凋亡小體、壞死小體和炎性小體的成分。總的來說，泛凋亡小體負責驅動這種炎癥形式的細胞死亡[18]。雖然到目前為止，泛凋亡的具體產生機制還未研究清楚，但已經發現了許多參與和調控泛凋亡的關鍵分子。
4 泛凋亡在呼吸系統疾病中的作用
4.1 泛凋亡與ARDS
ARDS是由非心源性肺水腫引起的急性呼吸衰竭綜合征。與ARDS發展相關的最常見的臨床疾病是細菌性和病毒性肺炎。ARDS也常由非肺源性、嚴重創傷、胃內容物誤吸等導致的膿毒癥引起[30]。ARDS的發生機制通常由兩方面組成。一方面是各種損傷因素導致的肺泡液積聚，如各種感染性與非感染性因素可引起肺部炎癥，過度的炎癥反應會導致急性肺損傷（acute lung injury，ALI）。除了ARDS中過度的炎癥反應外，在肺損傷過程中，肺內凝血酶、TNF、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和白細胞信號濃度的增加會破壞血管內皮細胞的VE-鈣黏蛋白（VE-cadherin）鍵，導致內皮通透性增加和肺泡液體積聚。另一方面是發生ARDS時，肺泡液體清除受損。如ARDS中的肺水腫液中含有高水平的促炎細胞因子，當細胞因子水平過高時，會導致肺泡損傷和肺泡液體清除率降低[31]。
研究發現干擾素基因刺激物（stimulator of interferon genes，STING）有助于抗腫瘤免疫反應，并可能控制包括嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）感染在內的病毒感染。然而，通過氣道二氧化硅或煙霧暴露激活的STING通路會導致細胞死亡、自身dsDNA釋放和ARDS的發生。利用此發現，我們可通過給予低劑量的STING激動劑di ABZI（相當于各種損傷因素）誘導ARDS的小鼠模型來探討ARDS中泛凋亡的發生發展。實驗發現氣道給予di ABZI可誘導肺組織中的Caspase-3、Gasdermin D蛋白（GSDMD）裂解和MLKL磷酸化，誘導細胞凋亡、焦亡、壞死性凋亡的發生。此外，研究還發現肺組織中的ZBP1上調、Caspase-8、ASC和RIPK3蛋白表達增加，可促進泛凋亡小體的表達，誘導泛凋亡[32]。
4.2 泛凋亡與SARS-COV-2
2019年發現了SARS-COV-2，該病毒引起的疾病被命名為新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19），臨床表現從無癥狀，經輕度呼吸道感染和流感樣疾病，到嚴重疾病伴發肺損傷、多器官功能衰竭和死亡[33-34]。毫無疑問，肺部是感染的主要門戶，然而在尸檢的腎臟、肝臟、心臟、腦和血液樣本中也可檢測到SARS-COV-2的RNA[35]。COVID-19患者的肺組織病理學特征包括彌漫性肺泡損傷和反應性肺泡增生，以及成纖維細胞增生[28]，還能觀察到明顯的蛋白質和纖維蛋白滲出[29]，其沉積可能導致COVID-19患者肺纖維化[36]。一般研究認為SARS-COV-2引起機體產生免疫反應的主要機制是SARS-COV-2表面的刺突糖蛋白（spike glycoprotein，S蛋白）與宿主受體血管緊張素轉換酶2結合，且位于細胞表面的跨膜絲氨酸蛋白酶（TMPRSS）11A、TMPRSS11D和TMPRSS2和位于細胞內的FURIN和cathepsin-L可切割、裂解冠狀病毒S蛋白，使SARS-COV-2進入細胞，引起急性免疫反應，產生強大的免疫防御[37]。實驗發現，在SARS-COV-2感染者體內，誘導細胞發生泛凋亡的關鍵細胞因子是TNF-α和γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ），兩者之間的協同作用特異性誘導細胞死亡。具體誘導機制是TNF-α和IFN-γ通過STAT1/IRF1軸調節一氧化氮合酶的表達，以產生一氧化氮（具有細胞毒性）并驅動Caspase-8和FADD介導泛凋亡[38]。此外，TNF-α和IFN-γ共處理可誘導GSDMD的少量裂解產生可形成膜孔的活性P30片段誘導細胞焦亡[39]；可刺激細胞表現出MLKL的強磷酸化誘導壞死性凋亡；還可以導致RIPK1的磷酸化和裂解，參與調節細胞凋亡和壞死性凋亡[40]。綜上，機體可通過TNF-α和IFN-γ介導的先天性免疫信號通路來抵御SARS-COV-2的侵害。
對COVID-19患者的進一步研究發現疾病的嚴重程度與固有免疫細胞和炎癥細胞因子的涌入有關，全身促炎細胞因子的增加與重癥COVID-19患者的肺損傷、多器官功能衰竭和不良預后直接相關，不受控制的細胞因子信號可導致多器官損傷[41]。例如，M1型巨噬細胞分泌TNF-α、IL-1β和IL-6，引起組織損傷，M2型巨噬細胞可產生IL-10和轉化生長因子，與組織修復和纖維化有關[42]。脫顆粒肥大細胞通過釋放許多炎癥因子，介導強烈的炎癥反應[43]。肥大細胞顆粒的血管活性物質除了促進吸入性微生物的殺滅外，還可能通過影響血管張力、平滑肌、黏液腺等引起肺組織損傷[44]。
但最近有研究發現這些炎性PCD方式并不是由浸潤肺組織的固有免疫細胞表達的促炎細胞因子介導，而是由肺泡2型上皮細胞（ATⅡ）細胞自身表達的程序性壞死和焦亡通路成分介導[45]。ATⅡ細胞除了提供表面活性物質外，還在肺損傷時增殖，分化以取代失去感染和其他形式肺損傷的ATⅠ細胞，然后通過凋亡大量清除，以恢復氣體交換[46]。在探討SARS-COV-2感染對致死性COVID-19肺炎中增殖修復型ATⅡ反應的影響時發現，ATⅡ細胞在SARS-COV-2感染下會發生死亡，主要機制是ATⅡ會發生由TNF-α誘導的壞死性凋亡、BTK誘導的細胞焦亡和泛凋亡，且死亡程度隨著ATⅡ對ALI修復反應的獨特反應和性質而放大[45]。這個研究闡述了SARS-COV-2誘導肺組織發生泛凋亡的另一種途徑，為COVID-19的治療提供了一個新方向。
4.3 泛凋亡與肺癌
根據國際癌癥研究機構統計，肺癌在所有癌癥中病死率最高，發病率居第二位[47]。肺癌分為不同的組織學亞型，包括腺癌、鱗癌、大細胞癌（通常稱為非小細胞肺癌）和小細胞肺癌[48]。在肺細胞中，失調增殖是細胞癌變的常見原因，常通過信號蛋白的增加、翻譯后的修飾或突變而發生[49]。研究發現，FADD是Kras驅動的肺癌所必需的。FADD根據其亞細胞定位（即受磷酸化調控）的不同，可能具有不同的作用。在細胞質中，其主要功能是誘導細胞凋亡；而在細胞核中，它可以產生相反的作用，反而促進細胞的存活和增殖[50]。研究發現，與癌旁組織相比，FADD在肺癌組織中高表達；同時它也是泛凋亡和細胞凋亡過程的適配器[51]。由此推測，肺癌的發生與FADD參與的泛凋亡相關。然而，目前關于泛凋亡在肺癌中的研究仍然較少。
4.4 泛凋亡與呼吸系統免疫性疾病
呼吸道每天會吸入10000 L空氣。雖然大多數空氣含有的是無害的環境成分，但肺部免疫系統還必須應對有害微生物和無菌的威脅，并迅速做出反應，以保護這個親密屏障區域的宿主。氣道具有廣泛的細胞和體液宿主防御機制，其中大部分屬于免疫系統的先天性免疫器官，駐留和浸潤免疫細胞與分泌的先天免疫蛋白之間復雜的相互作用決定了氣道黏膜內宿主–病原體、宿主–過敏原和宿主–顆粒相互作用的結果[52]。呼吸系統發生炎癥性免疫的主要機制是通過促炎性脂質、趨化因子、補體和細胞因子介質的綜合作用，不同的免疫細胞群依次被募集到支氣管肺泡和肺實質中。在急性炎癥反應中，中性粒細胞首先被吸引并主要定位于支氣管肺泡腔，在支氣管肺泡腔內進行短期的宿主–病原體相互作用[53]，其次是單核細胞和淋巴細胞，以發揮更持久的宿主防御功能，后者具有明顯的組織優勢，可浸潤肺實質而非支氣管肺泡腔[54-55]。目前關于泛凋亡在呼吸系統免疫性疾病方面的研究較少，有待進一步研究。
研究表明先天免疫系統通過激活種系編碼傳感器和下游炎癥途徑對保守的PAMP和DAMP做出反應，先天免疫系統的失調和過度激活可能導致急性和慢性炎癥性疾病。由先天免疫信號失調驅動的自身炎癥有助于建立適應性免疫反應，從而導致自身免疫的發展。例如，死亡細胞中釋放的細胞內DAMP與促進多種自身免疫性疾病的炎癥有關，這可能是通過激活先天免疫信號來實現[56]。泛凋亡可以刺激促炎細胞因子的產生并繼發炎癥反應，當炎癥反應過度激活時，可能會導致自身免疫性疾病的發生。究其機制，一方面，細胞凋亡可以引起核碎裂、細胞皺縮，該形態變化對機體來說是一種細胞膜紊亂的信號；其次，細胞焦亡通過GSDMD、Gasdermin E蛋白（GSDME）在細胞膜表面打孔，可促使炎性細胞因子釋放；最后，壞死性凋亡也可引起膜紊亂和DAMP的釋放，引起炎癥反應的發生。綜上，泛凋亡在炎性細胞因子和DAMP釋放中的具有重要作用[57]。
5 泛凋亡在呼吸系統疾病治療方面的應用
泛凋亡已成為許多疾病的研究熱點，如病原體感染、免疫性疾病，甚至癌癥等。了解泛凋亡的機制和調控對呼吸系統相關疾病的治療至關重要[58]。迄今為止有證據表明泛凋亡的調控與某些呼吸系統疾病的發生或進展有關。研究發現miR-29a-3p在ARDS患者血漿和ALI模型小鼠肺組織中表達下調，miR-29a-3p agomir注射可以下調肺組織中炎癥因子TNF-α、IL-1β、IL-6的水平，還通過下調ZBP1、GSDMD、Caspase-3、Caspase-8、MLKL，減少肺泡上皮細胞泛凋亡的發生，最終改善ALI模型小鼠的肺損傷[59]。由上文論述可知SARS-COV-2引起的ALI，除了與細胞因子風暴有關外，最新的研究還表明COVID-19中泛凋亡的發生可能與TNF和BTK介導的死亡通路有關。在SARS-COV-2感染期間，用抗TNF和IFN的中和抗體治療可以保護小鼠免于死亡[60]。還有研究發現核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信號通路是SARS-COV-2介導的另一條重要的抗凋亡或生存途徑。該信號通過誘導Bcl-2和XIAP等凋亡抑制因子以及TNF等細胞因子的表達，促進病毒的存活、增殖和炎癥反應。因此，作為蛋白酶體抑制劑的微小天然化合物，如雷公藤紅素和姜黃素可用于修飾NF-κB信號，為SARS-COV-2感染患者提供了一種新的治療方法[60]。在癌癥背景下，ADAR1 p150的表達增加限制了ZBP1與RIPK3的結合，從而抑制泛凋亡，促使腫瘤生長。研究發現ADAR1-ZBP1的相互作用可以通過IFN和NEIs的聯合治療進行藥理學調節。如在黑色素瘤模型中使用這種組合導致了腫瘤體積的顯著減少，表明結合IFNs和NEIs（如最近美國食品藥品監督管理局批準的KPT-330）可能是腫瘤的一種潛在臨床轉化策略[61]。已有研究證實在TAK1抑制情況下可誘發RIPK1介導的泛凋亡，而在IFN刺激下也可產生基因產物ZBP1，進而啟動ZBP1介導的泛凋亡，這些都為治療自身炎癥或自身免疫性疾病提供了潛在的藥物靶點[62-63]。
6 總結與展望
維持PCD的平衡是機體維持正常生命活動所必須的。當平衡被打破時，就會引起機體的異常。泛凋亡具有細胞凋亡、焦亡和壞死性凋亡三者的特點，通過泛凋亡小體來誘導機體細胞死亡，過度的免疫反應會造成組織損傷。但是當泛凋亡被過度抑制時，就有可能會導致腫瘤的發生。泛凋亡已被證實參與人體呼吸系統中多種疾病的發生發展。雖然目前已有許多研究闡述了泛凋亡的產生機制和其與某些呼吸系統疾病之間的關系。但通過泛凋亡來治療人類呼吸系統疾病這條路才剛開始，還有許多問題等待解決。例如，各種損傷性或非損傷性因素如何誘導肺組織泛凋亡的發生？已知ARDS、COVID-19、呼吸系統免疫性疾病的發生均與泛凋亡的過度激活有關，那么它們之間有什么區別與聯系？泛凋亡小體作為細胞焦亡、凋亡、壞死性凋亡的共同作用分子，能否通過對其進行干預同時治療多種呼吸系統疾病？通過抑制或促進肺組織泛凋亡通路中的哪些分子可以用來靶向治療人類呼吸系統疾病？通過泛凋亡來治療呼吸系統疾病疾病是否會產生不良反應？盡管還有許多疑問，但隨著人類對泛凋亡產生機制以及在人類呼吸系統疾病中的作用和調控機制的深入研究，可以為科研人員研究人類呼吸系統疾病的治療提供一個全新的方向，有望成為呼吸系統疾病治療的新手段。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。