前言

腫瘤對凋亡的抵抗和免疫抑制的腫瘤微環(huán)境是腫瘤治療反應差的兩個主要原因。細胞焦亡是一種不同于細胞凋亡的溶解性和炎癥性程序性細胞死亡途徑,最新的證據表明,腫瘤細胞中的細胞焦亡誘導導致強烈的炎癥反應和顯著的腫瘤消退。

作為其抗腫瘤作用的基礎,細胞焦亡是由促進孔隙形成的gasdermin蛋白介導的,該蛋白通過釋放促炎細胞因子和細胞破裂后的免疫原性物質促進免疫細胞活化和浸潤。然而,考慮到其炎癥性質,異常性的細胞焦亡也可能與腫瘤支持性微環(huán)境的形成有關。因此,深入了解細胞焦亡的分子途徑,理清細胞焦亡與癌癥之間復雜的聯(lián)系,有助于我們充分利用細胞焦亡,并將其應用于現有的或新的抗癌策略。

細胞焦亡

上世紀90年代,在感染鼠傷寒沙門氏菌(S．typhurium)和福氏沙門氏菌的巨噬細胞中首次描述了細胞焦亡。雖然最初被認為是一個凋亡過程,但進一步的研究表明,這種細菌誘導的細胞死亡嚴重依賴于caspase-1。焦亡細胞與凋亡細胞有一些共同特征,如染色質濃縮和DNA斷裂,但可通過其完整的細胞核、孔隙形成、細胞腫脹和滲透溶解來區(qū)分。

通常,焦亡細胞破裂是通過結合損傷相關分子模式(DAMP)或病原體相關分子模式(PAMP)后,通過半胱氨酸蛋白酶介導的成孔GSDM蛋白活化實現的。這些相同的半胱氨酸蛋白酶也可能直接或間接促進促炎細胞因子的成熟,這些促炎細胞因子與DAMP一起,在釋放時啟動或維持炎癥反應。

雖然細胞焦亡在病原體分解中起著重要的保護作用,但它已被認為是幾種人類疾病的復雜因素,如心血管疾病、神經退行性疾病和艾滋病。糖尿病等代謝紊亂也可能通過慢性炎癥和胰島素干擾性細胞因子的產生而促進細胞焦亡。在癌癥中,細胞焦亡的作用似乎是把雙刃劍。一方面,細胞焦亡可迅速導致腫瘤消退,另一方面,它可促進腫瘤微環(huán)境的發(fā)展。因此,癌細胞可能抑制或刺激細胞焦亡,以支持其進展,具體取決于環(huán)境。

細胞焦亡的分子機制

盡管已知的細胞焦亡途徑的數量在未來可能會增加,但目前已有兩條主要途徑和幾種替代途徑被闡明。在主要途徑中,細胞焦亡是由GSDMD誘導的,涉及炎癥性caspase-1(經典途徑)或caspase-4/5(非經典途徑)。在替代途徑中,最受廣泛關注的是GSDME通過caspase-3誘導的細胞焦亡。

經典炎癥小體途徑

在經典的炎性小體途徑中,模式識別受體(PRR)識別DAMP(例如纖維蛋白原、熱休克蛋白、DNA)和/或PAMP(例如鞭毛蛋白、聚糖、脂多糖)導致被稱為炎性小體的相應胞質信號復合物的激活,通常由傳感器蛋白、適配器和效應器半胱氨酸蛋白酶組成。

盡管多種PRR,如NLR和TLR參與了這一過程,但已知其中只有部分能夠直接組裝炎癥小體并激活半胱氨酸蛋白酶caspase-1。具體而言,該亞群中的PRRs/炎癥小體傳感器包括NLR家族的NLRP1、NLRP3、NLRP4、AIM2和pyrin。激活后,這些傳感器中的大多數與適配蛋白ASC相互作用,后者通過前半胱氨酸蛋白酶-1的募集和切割激活caspase-1。除了釋放和激活GSDMD的致死N端結構域(GSDMD-N),caspase-1還使前IL-1β和前IL-18成熟為IL-1β和IL-18,它們通過GSDMD-N形成的壞死膜孔釋放。

非經典炎癥小體途徑

與標準炎癥小體途徑相反,非標準炎癥小體途徑不依賴caspase-1,而是依賴于caspase-4和caspase-5以及小鼠的caspase-11。這些半胱氨酸蛋白酶的激活是通過LPS與相應的前半胱氨酸蛋白酶的直接結合發(fā)生的,并且繞過了炎癥小體傳感器。盡管這些半胱氨酸蛋白酶不直接激活IL-1β和IL-18,但它們通過GSDMD裂解觸發(fā)細胞焦亡導致鉀離子外流,從而激活NLRP3炎癥小體并上調caspase-1的作用。

替代途徑

研究表明,在某些情況下,如化療或靶向癌癥治療,可通過caspase-3誘導凋亡到焦亡的途徑。盡管caspases-3主要與凋亡執(zhí)行和形態(tài)學改變有關,但它可以通過切割GSDME介導細胞焦亡,這同樣導致GSDME-N孔的形成和膜的通透性改變。當GSDME水平較高時,caspase-3激活后會迅速引發(fā)細胞焦亡,但當GSDME水平較低時,則會引發(fā)凋亡。然而,這一概念仍需要進一步的驗證。

此外,還有其他幾種替代性細胞焦亡途徑,包括caspase-8對GSDMD的切割;caspase-8或顆粒酶B(GzmB)對GSDME的切割;caspase-1或顆粒酶A(GzmA)對GSDMB的切割;通過caspase-8切割GSDMC,GSDMC通過缺氧激活的程序性死亡配體1(PD-L1)和pSTAT3轉錄上調以及其它未知機制形成的GSDMA孔。

癌癥中的細胞焦亡及其成分

細胞焦亡在癌癥中的模糊作用似乎與細胞類型、遺傳學和誘導持續(xù)時間有關。在異常表達和延長活性后,GSDM、炎癥小體和/或促炎細胞因子可通過誘導免疫抑制細胞、促進上皮細胞向間質細胞轉化以及上調基質金屬蛋白酶以進行細胞外基質重塑來促進腫瘤病理學。另一方面,與這些效應并列,細胞焦亡也可以抑制腫瘤,例如,在肝細胞癌模型中,通過NLRP3炎性小體激活誘導的細胞焦亡顯著抑制了腫瘤的轉移和生長。

鑒于細胞焦亡的雙重作用,其分子成分在不同癌癥中存在差異表達。GSDMs在乳腺癌、胃癌、宮頸癌和肺癌等腫瘤中,已被證明同時作為癌基因或腫瘤抑制因子控制增殖、轉移、治療抵抗和抗腫瘤免疫。

在胃癌(GC)中,GSDMD表達顯著降低,并導致體外和體內腫瘤增殖增強。相反,非小細胞肺癌(NSCLC)中的GSDMD蛋白水平顯著升高,并且與腫瘤轉移以及更差的預后相關。與GSDMD類似,GSDME在胃癌、乳腺癌和大腸癌中的表達也降低。GSDMC在大腸癌中表達明顯上調,在大腸癌中,GSDMC在體外促進了癌變和增殖,在體內促進了腫瘤生長。GSDMB水平越高,乳腺癌患者的轉移率越高,生存率越低。

在其他細胞焦亡成分中,觀察到大多數結直腸癌腫瘤中AIM2表達顯著降低或缺失,且與患者預后不良有關。NLRP1水平在大腸癌腫瘤組織中同樣降低,并與轉移增加和生存率降低有關。乳腺癌患者組織中的caspase-1 mRNA水平顯著降低,此外,caspase-1的缺失與前列腺癌和大腸癌的腫瘤發(fā)生有關。

闡明細胞焦亡與癌癥之間的關系需要更廣泛的研究。一個面臨的挑戰(zhàn)將是識別每種細胞焦亡分子成分的腫瘤特異性作用。由于多條通路導致細胞焦亡,且多個成分重疊,因此,表征每條通路的整體腫瘤特異性效應,而不是每個成分的個體效應,可能是理解和/或預測腫瘤對細胞焦亡調節(jié)的更有效策略。

細胞焦亡與抗腫瘤免疫的關系

細胞死亡引發(fā)適應性免疫反應的能力稱為免疫原性細胞死亡(ICD)。與基本上是免疫耐受過程的凋亡不同,細胞焦亡具有誘導強烈炎癥反應的分子機制,在某些情況下被認為是ICD的一種形式。雖然細胞焦亡與抗癌免疫之間的聯(lián)系尚不清楚,但越來越多的研究表明,細胞焦亡介導的腫瘤清除是通過增強免疫激活和功能實現的。

GSDMA

研究發(fā)現,將GSDMA的小鼠亞型Gsdma3選擇性地遞送到人類HeLa、小鼠EMT6和小鼠4T1癌細胞,導致20-40%的細胞發(fā)生細胞焦亡。在體內模型中,通過靜脈或瘤內注射NP–Gsdma3進行三輪治療,導致腫瘤明顯縮小。與PBS對照組相比,NP–Gsdma3治療的腫瘤中CD4+、CD8+、自然殺傷(NK)和M1巨噬細胞數量增加,但單核細胞、中性粒細胞、髓源性抑制細胞和M2巨噬細胞的數量減少。此外,除了在血清和腫瘤水平IL-1β、IL-18和HMGB1水平增加外,還發(fā)現許多免疫刺激和抗腫瘤效應基因(如Cd69、Gzma、Gzmb)的上調,各種免疫抑制和腫瘤前體基因(如Csf1、Vegfa、Cd274)下調。

GSDMD

通過研究CTLs在肺鱗狀細胞癌(LUSC)和黑色素瘤腫瘤樣本中與CD8+T細胞標記物有關的GSDM基因的表達,發(fā)現在五個GSDM基因成員中,只有GSDMD表達與CTL中的CD8+T細胞標記基因(例如CD8A、CD8B、PRF1、GZMA、GZMB和IFNG)呈正相關。進一步研究表明,與原始T淋巴細胞相比,OT-1小鼠活化的CTL中GSDMD的表達顯著增加。類似地,人CD8+T細胞在激活后上調GSDMD,腫瘤浸潤淋巴細胞(TIL)中可見高水平的GSDMD蛋白。

此外,GSDMD敲除后,CTL對3LL-OVA細胞的細胞毒性降低。使用人CTL和H1299非小細胞肺癌細胞系記錄了類似的結果�？紤]到CTL殺死腫瘤細胞的一個關鍵途徑是通過將細胞毒性分子釋放到它們形成的免疫突觸中,推測GSDMD和GzmB進入效應癌細胞可能是研究中發(fā)現的CTL細胞毒性的潛在機制。

GSDMB

GSDMB介導細胞焦亡與GzmA密切相關。在HEK-293F細胞中的五種人類顆粒酶中,發(fā)現只有GzmA以類似于NK細胞殺傷試驗的模式快速切割GSDMB。當GzmA電穿孔到GSDMB重組的293T細胞中時,引起廣泛的GSDMB裂解和細胞焦亡。同樣,在生理條件下,GzmA介導的GSDMB切割在NK細胞殺傷293細胞時也是必需的。

值得注意的是,其他GSDMB水平不明顯的癌細胞系,如OE33(食管癌細胞)和HCC1954(乳腺癌細胞),可通過暴露于通常由活化的CTL釋放的細胞因子(如IFN-γ和TNF-α)來轉錄誘導GSDMB表達增加。反過來,IFN-γ啟動顯著增強了這些細胞系的細胞焦亡,這種效應最終取決于GzmA。

總之,這些發(fā)現不僅表明GSDMB介導的細胞焦亡作用于GzmA下游,而且細胞毒性淋巴細胞可將GzmA傳遞到表達GSDMB的癌細胞中,以促進抗腫瘤免疫。

GSDME

研究發(fā)現,GSDME介導的細胞焦亡與GzmB相關。在小鼠4T1E乳腺癌細胞中異位表達小鼠GSDME(mGSDME),在體內模型中可顯著抑制4T1E腫瘤生長,并導致NK細胞和腫瘤相關巨噬細胞(TAM)浸潤增加。此外,當受到刺激時,腫瘤中表達GzmB和穿孔素的NK細胞和CD8+TIL增加。

進一步研究表明,人NK細胞系YT可以激活表達GSDME的HeLa細胞中的細胞焦亡,這種誘導是通過GzmB實現的,它不僅在與caspase-3相同的位置切割GSDME,而且間接激活caspase-3。

此外,CAR-T細胞可以通過穿孔素和GzmB釋放,在B細胞白血病和實體瘤細胞中誘導GSDME介導的腫瘤細胞的細胞焦亡。用共同培養(yǎng)的CD19-CAR-T細胞和癌細胞(NALM-6、Raji或原發(fā)性B白血病細胞)的上清液處理人源性巨噬細胞,可促進巨噬細胞激活caspase-1,切割GSDMD,并釋放IL-6和IL-1β。同時發(fā)現共培養(yǎng)上清液中的ATP和HMGB1分別足以促進巨噬細胞IL-1β分泌和IL-6上調�？偟膩碚f,這些發(fā)現表明CAR-T細胞治療通過GSDME促進的細胞焦亡誘發(fā)CRS,對CD19-CART細胞治療前患者的腫瘤細胞進行分析,顯示GSDME水平升高與更嚴重的CRS相關。

細胞焦亡在抗癌治療中的應用前景

近年來,越來越多的研究表明,利用細胞焦亡通過不同的靶向和傳遞方法進行抗腫瘤免疫的可行性和治療潛力。

例如,利用腫瘤細胞衍生微粒(TMP)將甲氨蝶呤注入膽管癌(CCA)細胞,以誘導GSDME介導的細胞焦亡,從而激活患者衍生的巨噬細胞,并將中性粒細胞募集到腫瘤部位進行藥物導向的腫瘤破壞。此外,當這種甲氨蝶呤TMP輸送系統(tǒng)注入肝外CCA患者的膽管管腔時,25%的患者觀察到中性粒細胞活化和膽道梗阻的緩解。

此外,還發(fā)現GSDME介導的細胞焦亡通過BRAF和MEK抑制劑的組合在黑色素瘤中引起免疫細胞浸潤/激活,并導致黑色素瘤消退。在另一種策略中,二甲雙胍是治療2型糖尿病最常用的藥物,其可以通過caspase-3間接激活細胞焦亡來抑制癌細胞增殖。

一系列針對KRAS、EGFR或ALK突變型肺癌的小分子抑制劑也被發(fā)現,在線粒體固有凋亡途徑激活后,通過caspase-3介導的GSDME裂解誘導細胞焦亡。在乳腺癌細胞中,用RIG-1激動劑治療可觸發(fā)外源性凋亡途徑和細胞焦亡,激活STAT1和NF-κB并上調淋巴細胞募集趨化因子。因此,在小鼠中RIG-1激活后,乳腺癌轉移和腫瘤生長的減少伴隨著腫瘤淋巴細胞的增加。

幾乎所有抗癌免疫治療策略面臨的另一個主要障礙是免疫抑制腫瘤微環(huán)境引起的失調。為了解決這個問題,Lu等人設計了含有嵌合共刺激轉化受體(CCCR)的NK92細胞,該受體將抑制性PD-1信號轉化為激活信號,有效地增強了抗腫瘤活性。在體外,CCCR-NK92細胞通過GSDME介導的細胞焦亡迅速殺死H1299細胞,在體內顯著抑制腫瘤生長。

此外,越來越多令人興奮的研究報告表明,細胞焦亡誘導與PD-1抑制劑協(xié)同作用使腫瘤由“冷”變“熱”,表明這種組合的巨大潛力。

小結

作為一種炎性細胞死亡模式,細胞焦亡通過激發(fā)抗腫瘤免疫反應而在腫瘤抑制中發(fā)揮重要作用。在某些情況下,單純的細胞焦亡誘導就可能足以阻礙腫瘤生長。然而,細胞焦亡治療應用面臨的最大挑戰(zhàn)之一是細胞焦亡相關成分的表達和功能的不規(guī)則性,不僅在不同的癌癥之間,而且還存在于同一類型的癌癥中。盡管如此,分子、遺傳和表觀遺傳靶向/遞送系統(tǒng)的進步,以及精準和個性化的醫(yī)學的發(fā)展,讓我們有希望很快能夠利用這些強大機制作為治療癌癥的工具。

參考文獻:

1．Pyroptosis at the forefront of anticancerimmunity． J Exp Clin Cancer Res． 2021; 40: 264．