pyroptosis，即细胞焦亡，又称炎症程序性细胞死亡。小伙伴们可能要说了，“wow~字都认识，话是真没听懂”。
首先呢，它是一种细胞程序性死亡 (programmed cell death, pcd)，即细胞接受某种信号或受到某些因素刺激后，为了维持内环境稳定，按照预定的程序发生的一种主动性消亡过程。也就是说，这是自愿的高尚牺牲！程序性细胞死亡主要包括：程序性坏死（necroptosis）、凋亡（apoptosis)、细胞焦亡（pyroptosis）和铁死亡（ferroptosis）等。感兴趣的小伙伴可以参考小 m 往期的细胞死亡相关推文，此处就不再赘叙。其次，细胞焦亡是一种炎症形式，其由促炎信号触发并与炎症相关[1]，可经微生物感染或宿主因素引发，最常在细胞内细菌或病原体感染时发生[2]。它是由炎症小体的活化及炎症性半胱天冬酶 (caspases) 的激活引起的（炎症小体往期回顾：炎症小体：免疫炎症领域热门选手）。细胞焦亡会发生细胞肿胀、细胞膜起泡等细胞溶解现象（类似坏死），涉及多种以炎症和细胞死亡为特征的疾病，包括自身炎症综合征、神经退行性疾病、炎症性肠病和脑缺血等。
左右滑动查看更多
图 1. 细胞焦亡与其他细胞程序性死亡的特征[3]。 ▐ 细胞焦亡过程[4]：细胞焦亡与细胞凋亡和细胞坏死不同，它是由炎症小体的活化及炎症性半胱天冬酶的激活引起的，通常与感染、疾病和免疫反应有关。细胞焦亡的过程涉及多个环节，如病原体感染、炎性小体的形成与活化等[4]。
图 2. 细胞焦亡概述[5]。 如下所述 (上下滑动查看更多）1. 病原体感染：病原体进入宿主细胞，被宿主细胞的模式识别受体 (prrs) 识别，如 toll 样受体 (tlrs)、nod 样受体 (nlrs) 和 rig-i 样受体 (rlrs) 等。2. 炎症小体形成：识别到病原体的细胞会激活炎性小体。典型的炎性小体包括 nlrp3、asc 和 caspase-1。激活后的 nlrp3 与 asc 结合，继而招募 caspase-1，形成炎性小体。3. caspase 蛋白活化：炎性小体的形成将导致 caspase-1 的活化。活化的 caspase-1 能够切割并激活一系列底物，如炎症性细胞因子前体 (如 pro-il-1β 和 pro-il-18) 和 gasdermin d。4. gasdermin d 活化：活化的 caspase-1 切割 gasdermin d，产生 n 端和 c 端两个片段。其中活性的 n 末端片段可以穿透细胞膜，形成孔道。细胞膜孔道的形成导致细胞内液体和离子的快速流动，使细胞发生肿胀。5. 细胞膜破裂与炎症：膜孔道的形成会致使细胞破裂。在这个过程中，细胞被迫吸收外界离子和水分，同时向外释放细胞内容物，如炎症因子 il-1β 和 il-18。这些炎症因子将进一步引发免疫系统的炎症反应。6. 细胞碎片及清理：聚集在焦亡细胞附近的周围的巨噬细胞会清理最后的战场，清除细胞碎片，帮助减轻炎症反应。细胞焦亡主要依靠炎症小体激活 caspase 家族蛋白引起各种生理反应[6]。而炎症小体通常由传感器蛋白、衔接蛋白 (asc)、以及无活性的 caspase 蛋白前体组成。这种复合物触发的焦亡可分为 caspase-1 激活的经典途径或 caspase-11/4/5 激活的非经典途径[7]。
▐ 经典焦亡：caspsae-1[4][8][9]：
caspase-1 是焦亡过程中最重要的 caspases 家族成员，通过集结响应不同刺激的炎性传感因子，构建出了专属 caspase-1 经典通路战舰群：nlrp3 炎性体、aim2 炎性体、nlrp1 炎性体、pyrin 炎性体，以及 nlrc4 炎性体。这些炎症小体可介导底物 gasdermin d (gsdmd) 或炎症因子前体 (如 pro-il-1β 和 pro-il-18) 的裂解，打通膜孔道，而这类变化将导致细胞膜破裂，细胞释放炎症因子，引发炎症反应，激发焦亡[8]。
图 3. caspase-1 激活的经典途径[9]。
▐ 非经典焦亡：caspase-11/4/5[6][10]：
比起规模庞大，训练有素的 caspase-1 战队，caspase-11/4/5 更像伺机而动的侦察兵。它们可以直接识别病原体的脂多糖 (lps)，从而通过非炎性小体途径激活焦亡过程。当 caspase-11/4/5 与 lps 结合时，可直接切割 gsdmd，产生活性 n 末端片段，形成细胞膜孔道，导致焦亡。
图 4. caspase-11/4/5 激活的非经典途径[9]。
在一些关键时刻，caspase-4/11 在肺动脉高压 (pah) 动物模型和 tnf-α 诱导的人肺动脉内皮细胞中被激活。活化的 caspase-4/11 还能够剪切 caspase-3 前体，使其活化。被激活的 caspase-3 在随后裂解 gasdermin e (gsdme)，造成细胞膜穿孔，进一步推动焦亡。而 caspase-5 在某些情况下可以参与炎性小体的组装和激活，发挥类似类似 caspase-1 的作用进而影响焦亡途径。
▐ caspase-3 引发的细胞焦亡[11]：
在上一个单元故事中早早露面的 caspase-3 并不神秘。它主要与细胞凋亡过程有关，而近年来，人们发现了 caspase-3 的另一个作用，它可以位于 gsdme 的上游，在焦亡中发挥炎症切割作用[12]。
图 5. caspase-3 细胞凋亡以及 caspase-3/gsdme 介导的细胞焦亡途径[12]。
在病毒感染的背景下，caspase-3 被激活并间接促使 gsdme 的切割。gsdme 被剪切为 n 端和 c 端两个片段，其中 gsdme-n 端片段在细胞膜上形成孔道，导致离子和水分进入细胞，使细胞膜破裂。在一些情况下，活化的 caspase-1 导致细胞内线粒体损伤后，也会诱发 caspase-3 的激活，推动焦亡。
▐ caspase-6/8/9与细胞焦亡：
caspase-6、caspase-8 和 caspase-9 的不同调节也会影响焦亡途径。小 m 为大家整理在下面啦~
图 6. caspase-6/8/9 对细胞焦亡的影响。
细胞焦亡如何检测呢？下面小 m 以文献为例为大家介绍几种常用的细胞焦亡检测方法~
近期发表的文献 mannose antagonizes gsdme-mediated pyroptosis through ampk activated by metabolite glcnac-6p 表明，cccp (carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazine) 加铁可诱导黑色素瘤细胞中 gsdme 依赖性细胞焦亡，而甘露糖可逆转不同癌细胞系中 gsdme 介导的细胞焦亡[17]。
作者使用甘露糖预处理不同的癌细胞系，然后用不同的诱导剂处理 24 小时，检测评估了焦亡的发生：包括特征形态、gsdme 裂解和 ldh 释放。
▐ 形态观察：实时监测细胞状态和细胞死亡，分辨焦亡引起的细胞形态变化，如细胞质肿胀和膜破裂等。
图 7. 焦亡细胞的形态变化 (红色箭头表示焦亡细胞)[17]。
▐ caspase、gasdermins 蛋白的裂解[17]：
细胞焦亡期间会发生 gasdermins 和caspases 蛋白的剪切，可通过免疫印迹 (western blot) 等确定蛋白的裂解。例如，使用甘露糖预处理黑色素瘤细胞系，后用 cccp/feso4 诱导焦亡，可观察到焦亡细胞中发生 gsdme 裂解[17]。
图 8. 焦亡细胞中发生 gsdme 裂解[17]。
▐ ldh 释放实验：当细胞发生焦裂时，细胞膜会破裂并释放 ldh。可以通过检测培养液中 ldh 活性的变化来判断细胞是否发生焦裂[16]。作者使用甘露糖预处理不同的黑色素瘤细胞系，后用 cccp/feso4 诱导焦亡，结果表明，与对照组（ctrl）相比，cccp/feso4 实验组 ldh 大量释放[17]。
图 9. 焦亡细胞中乳酸脱氢酶 (ldh) 的释放[17]。
▐ il-1β 和 il-18 释放：
炎性程序性细胞死亡通常伴随着炎症因子 il-1β 和 il-18 的释放。可通过elisa 或其他免疫检测方法检测这些炎症因子的释放情况[17]。例如，lps 引发的 thp-1 细胞在没有抑制剂的情况下用 nigericin 处理时，检测到 caspase-1、gsdmd 和 pro-il-1β 裂解为对应的活性形式。
图 10. pro-il-1β 的裂解和 il-1 的释放[17]。
细胞焦亡通常伴随着孔素的形成和细胞膜的破裂。可以使用荧光染料 (如丙啶酮、yo-pro-1 或 pi) 标记孔素并通过流式细胞术或荧光显微镜观察细胞膜孔的形成[17][18]。
此外，还可通过炎性小体形成和炎性半胱天冬酶的活化来判断：细胞焦亡的特点是炎性体的形成，其标记物是 nlrp3。因此，可通过免疫印迹(western blot)、流式等技术检测炎性小体 nlrp3 的表达和 caspase-1 的活化情况[19]。
【1】sw ryter, et al. cell death and repair in lung disease. pathobiology of human disease. 2014, pages 2558-2574.【2】miller dr, et al. the interplay of autophagy and non-apoptotic cell death pathways. int rev cell mol biol. 2020;352:159-187.【3】loveless r,et al. pyroptosis at the forefront of anticancer immunity. j exp clin cancer res. 2021 aug 24;40(1):264. 【4】si ming man, et al. molecular mechanisms and functions of pyroptosis, inflammatory caspases and inflammasomes in infectious diseases.immunol rev. 2017 may;277(1):61-75.【5】del re dp, et al. fundamental mechanisms of regulated cell death and implications for heart disease. physiol rev. 2019 oct 1;99(4):1765-1817. 【6】yu p, et al. pyroptosis: mechanisms and diseases. signal transduct target ther. 2021 mar 29;6(1):128.【7】van opdenbosch n, et al. caspases in cell death, inflammation, and disease. immunity. 2019 jun 18;50(6):1352-1364.【8】rathinam v a k, et al. regulation of inflammasome signaling[j]. nature immunology, 2012, 13(4): 333-342.【9】wei x, et al. role of pyroptosis in inflammation and cancer. cell mol immunol. 2022 sep;19(9):971-992.【10】wu y, et al. caspase-4/11-mediated pulmonary artery endothelial cell pyroptosis contributes to pulmonary arterial hypertension. hypertension. 2022 mar;79(3):536-548.【11】wang y, et al. chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a gasdermin. nature. 2017 jul 6;547(7661):99-103.【12】jiang m, et al. the caspase-3/gsdme signal pathway as a switch between apoptosis and pyroptosis in cancer. cell death discov. 2020 oct 28;6:112. 【13】sheng m, et al. caspase-6/nr4a1/sox9 signaling axis regulates hepatic inflammation and pyroptosis in ischemia-stressed fatty liver. cell death discov. 2023 mar 28;9(1):106.【14】fritsch m, et al. caspase-8 is the molecular switch for apoptosis, necroptosis and pyroptosis. nature. 2019 nov;575(7784):683-687【15】zheng z, et al. the lysosomal rag-ragulator complex licenses ripk1 and caspase-8-mediated pyroptosis by yersinia. science. 2021 jun 25;372(6549):eabg0269.【16】li t, et al. aloe-emodin induces mitochondrial dysfunction and pyroptosis by activation of the caspase-9/3/gasdermin e axis in hela cells. front pharmacol. 2022 may 17;13:854526.【17】ai yl, et al. mannose antagonizes gsdme-mediated pyroptosis through ampk activated by metabolite glcnac-6p. cell res. 2023 jul 17.【18】hu jj, et al. fda-approved disulfiram inhibits pyroptosis by blocking gasdermin d pore formation. nat immunol. 2020 jul;21(7):736-745.、【19】kucia m, et al. an evidence that sars-cov-2/covid 19 spike protein (sp) damages hematopoietic stem/progenitor cells in the mechanism of pyroptosis in nlrp3 inflammasome-dependent manner. leukemia. 2021 oct;35(10):3026-3029.