第一节 细胞焦亡概述
一、细胞焦亡的发现
对细胞焦亡的认识经历了一个相对漫长的过程。早在1992年，法国巴斯德研究所的Zychlinsky等就发现弗氏志贺杆菌可以诱导巨噬细胞发生程序性死亡，由于当时的认识局限将程序性细胞死亡等同于凋亡，因此研究者认为这种细胞死亡就是凋亡。进一步研究发现，caspase-1特异性阻断剂及caspase-1基因敲除均可阻止弗氏志贺杆菌诱导的“凋亡”；相反，caspase-3特异性阻断剂及caspase-3基因敲除则无此能力，表明这种细胞死亡方式并非由传统的凋亡执行分子caspase-3介导，而是由caspase-1介导。此后，研究发现在沙门杆菌感染的巨噬细胞中也存在caspase-1依赖的程序性细胞死亡方式，并伴有大量促炎因子的激活，不伴随caspase-3、caspase-6、caspase-7的激活。2001年，美国学者Cookson和Brennan首次使用“pyroptosis”来命名这种在巨噬细胞中发现的依赖于caspase-1的程序性细胞死亡方式。“Pyroptosis”一词源于希腊文，pyro意为“火”，借指这种细胞死亡方式能促进炎症反应，我国学者将其翻译为细胞焦亡。
对细胞焦亡的研究最早集中在病原体（尤其是细菌）感染模型上。迄今为止，已经证实弗氏志贺杆菌、沙门杆菌、李斯特杆菌、弗朗西斯菌属、铜绿假单胞菌、嗜肺性军团杆菌及叶尔森杆菌等众多细菌均可诱导巨噬细胞焦亡。除病原生物外，研究还发现组织或细胞在应激、缺氧、损伤等因素刺激后释放到细胞间隙或血液循环中的一些物质，如高迁移率族蛋白1（high mobility group box protein 1，HMGB1）、热休克蛋白（heat shock proteins，HSP）、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、尿酸等，可也诱导细胞焦亡。此外，研究还发现，caspase-1依赖的细胞焦亡不仅存在于单核巨噬细胞系，还存在于树突状细胞、肝脏细胞、内皮细胞等其他多种细胞中。
二、细胞焦亡的形态学特征
细胞焦亡在形态上同时具有坏死和凋亡的特征。细胞焦亡初期，细胞膜会形成10~15nm的孔隙，质膜的完整性遭到破坏，细胞膜通透性增加，细胞内外离子平衡失调，大量促炎介质如白细胞介素1β（interleukin 1β，IL-1β）和IL-18等也能通过细胞膜上的孔隙分泌至细胞外；随着细胞内渗透压增加，水分内流导致细胞肿胀，最终细胞发生裂解，表现出与坏死相似的形态学特征。此时，包含促炎介质IL-1β和IL-18在内的细胞内容物大量被动释放，从而诱发级联放大性的炎症反应，因此细胞焦亡也被称为促炎性的程序性细胞死亡。
与细胞焦亡不同，凋亡细胞呈皱缩状态，胞质浓缩，细胞内容物被双层膜包裹形成凋亡小体，最终被邻近细胞或巨噬细胞所吞噬，不伴随炎症反应。但是细胞焦亡与凋亡也存在一些相似的形态学特征，如胞膜空泡化，染色质浓缩、凝集，并且出现一些共同的生化特征如染色质DNA片段化、TUNEL检测阳性及Annexin V染色阳性等（见细胞焦亡的生化特征），因此，早期的研究一度把细胞焦亡误认为是细胞凋亡。
三、细胞焦亡的生化特征
（一）DNA片段化
染色体DNA片段化降解是细胞凋亡的一个重要生化事件。细胞凋亡时，内源性核酸内切酶作用于染色体DNA核小体间的连接区，将其降解为180~200bp或其整数倍长度的片段，脱氧核苷酸末端转移酶介导的dUTP缺口末端标记（terminal deoxynucleotidyl transferasemediated dUTP nick end labeling，TUNEL）检测阳性。细胞焦亡时也会出现DNA片段化降解现象，TUNEL检测也呈阳性。细胞凋亡时，染色质DNA片段化是由于内源性核酸内切酶被激活所致；细胞焦亡时DNA片段化的具体机制尚不清楚，可能由caspase-1激活的未知核酸酶所介导。
（二）磷脂酰丝氨酸染色阳性
正常细胞的磷脂酰丝氨酸只分布在细胞膜磷脂双分子层的内侧，细胞发生凋亡早期，磷脂酰丝氨酸由细胞膜内侧翻向外侧。Annexin V是一种磷脂结合蛋白，与磷脂酰丝氨酸有高度亲和力，它结合细胞外侧暴露的磷脂酰丝氨酸，是检测细胞早期凋亡的灵敏指标。尽管细胞焦亡并不出现膜磷脂酰丝氨酸外翻的现象，但由于焦亡细胞膜孔隙的形成，Annexin V可穿透细胞膜进入细胞内与膜内侧的磷脂酰丝氨酸结合，因此焦亡与凋亡细胞Annexin V染色均呈阳性。
此外，非渗透性荧光染料，如7-氨基放线菌素D（7-aminoactinomycin D，7-AAD）或碘化丙啶（propidium iodide，PI）不能通过活细胞膜，却可以通过焦亡细胞的膜孔进入细胞，对细胞核染色。这类DNA染料并不能进入早期凋亡的细胞，因此，可用于细胞焦亡和凋亡的鉴别。
（三）炎性caspase激活
细胞焦亡与凋亡都是由caspase介导的程序性细胞死亡形式。细胞凋亡相关caspase包括启动型caspase（caspase-8、caspase-9、caspase-10，主要为caspase-8）和效应型caspase（caspase-3、caspase-6、caspase-7，主要为caspase-3）；而细胞焦亡主要由炎性相关的caspase-1介导，此外最新研究表明，细胞焦亡的发生也可以由人caspase-4、caspase-5或鼠caspase-11介导。
总之，细胞焦亡与细胞凋亡及坏死在形态学及生化改变上既有相似之处，又存在显著差别（表4-1）。
表4-1 细胞焦亡与凋亡及坏死的联系与区别
四、细胞焦亡的意义
细胞焦亡的发生与炎症小体的激活关系密切，炎症小体激活及其介导的细胞焦亡作为固有免疫的重要效应机制，在机体免疫炎症反应和疾病发生发展中发挥重要作用。一方面，细胞焦亡可以破坏病原体赖以生存的环境、限制病原体的复制，焦亡细胞释放的促炎介质IL-1β、IL-18及其他细胞内容物可吸引更多的中性粒细胞等到炎症部位，从而将细菌杀死，因此，细胞焦亡可看作宿主细胞固有免疫系统的重要组成部分。另一方面，过度的或不恰当的细胞焦亡对机体是有害的，炎症小体产生过多、存在时间过长，炎症和细胞因子的过量表达和持续作用，细胞焦亡时释放的IL-1β和IL-18等炎性内容物，募集激活更多的炎症细胞，进一步促进了炎症小体的组装，引起炎症反应的加剧和扩散，参与疾病的发生发展。
由于细胞焦亡对机体免疫应答与炎症反应调控的重要性，以及其分子机制的独特性，它逐渐成为目前国际上的研究热点。研究表明，细胞焦亡广泛参与感染性疾病、自身免疫性疾病、糖尿病、神经系统相关疾病和心血管疾病等的发生发展，并发挥重要作用。对细胞焦亡形态学特征、生化改变、发生机制及其分子调控的深入研究，将有助于认识其在相关疾病发生发展和转归中的作用，为临床防治提供新思路。