肿瘤对细胞凋亡的抵抗以及免疫抑制性的肿瘤微环境，是导致癌症治疗效果不佳的两个主要因素。近年来，一种不同于细胞凋亡的程序性细胞死亡方式——细胞焦亡（Pyroptosis）——引起了广泛关注。细胞焦亡是一种伴随炎症反应的溶解性细胞死亡，最新研究表明，在肿瘤细胞中诱导细胞焦亡可以引发强烈的炎症反应，并可能导致肿瘤显著消退。
细胞焦亡通过促进形成孔隙的Gasdermin（GSDM）蛋白介导。这些孔隙的形成导致促炎细胞因子和细胞破裂后释放的免疫原性物质外流，从而激活并吸引免疫细胞浸润，发挥抗肿瘤作用。然而，由于其炎症特性，异常的细胞焦亡也可能参与形成支持肿瘤生长的微环境。因此，深入理解细胞焦亡的分子机制，理清它与癌症之间复杂的相互作用，对于我们充分利用细胞焦亡的潜力，并将其整合到现有或全新的抗癌策略中至关重要。
什么是细胞焦亡？
细胞焦亡最早于上世纪90年代在感染沙门氏菌的巨噬细胞中被发现。尽管最初被误认为是细胞凋亡，但后续研究证实，这种由细菌诱导的细胞死亡高度依赖于Caspase-1酶。细胞焦亡与细胞凋亡有一些共同点，例如染色质浓缩和DNA断裂，但其独特的特征在于细胞核保持完整、细胞膜形成孔隙、细胞肿胀并最终渗透性裂解。
通常，细胞焦亡的发生是通过损伤相关分子模式（DAMP）或病原体相关分子模式（PAMP）与模式识别受体（PRR）结合后，激活半胱氨酸蛋白酶，进而裂解并激活GSDM蛋白，导致细胞膜形成孔隙。这些半胱氨酸蛋白酶也直接或间接促进促炎细胞因子的成熟，这些细胞因子与DAMPs一同释放，启动或维持炎症反应。
尽管细胞焦亡在清除病原体方面发挥着重要的保护作用，但它也被认为是多种人类疾病的复杂因素，包括心血管疾病、神经退行性疾病和糖尿病等代谢紊乱。在癌症中，细胞焦亡的作用似乎是一把“双刃剑”。一方面，它可以迅速导致肿瘤消退；另一方面，它也可能促进肿瘤微环境的形成。因此，癌细胞可能会根据所处的环境，抑制或刺激细胞焦亡来支持其生长和进展。
细胞焦亡的分子机制
目前已阐明了细胞焦亡的两条主要途径和几种替代途径，未来可能还会发现更多。主要途径是由GSDMD蛋白介导的，涉及炎症性Caspase-1（经典途径）或Caspase-4/5（非经典途径）。在替代途径中，研究最广泛的是由Caspase-3通过GSDME诱导的细胞焦亡。
经典炎症小体途径
在经典途径中，PRR识别DAMPs或PAMPs，激活胞质信号复合物——炎症小体。炎症小体通常由传感器蛋白、适配器和效应器半胱氨酸蛋白酶组成。多种PRRs参与此过程，但只有部分能直接组装炎症小体并激活Caspase-1，例如NLRP1、NLRP3、NLRP4、AIM2和Pyrin。激活后，这些传感器大多与适配蛋白ASC相互作用，募集并切割前Caspase-1，使其激活。激活的Caspase-1不仅裂解并释放GSDMD的致死性N端结构域（GSDMD-N），还促使前IL-1β和前IL-18成熟为具有活性的IL-1β和IL-18，这些细胞因子通过GSDMD-N形成的膜孔释放。
非经典炎症小体途径
非经典途径不依赖Caspase-1，而是依赖于人体的Caspase-4和Caspase-5（以及小鼠的Caspase-11）。这些酶的激活是通过LPS直接结合其前体蛋白实现，绕过了炎症小体传感器。虽然这些Caspases不直接激活IL-1β和IL-18，但它们通过裂解GSDMD触发细胞焦亡，导致钾离子外流，进而激活NLRP3炎症小体并上调Caspase-1的作用。
替代途径
研究表明，在某些情况下，如化疗或靶向癌症治疗后，可能存在从细胞凋亡转向细胞焦亡的途径，这可通过Caspase-3诱导。尽管Caspase-3主要与细胞凋亡执行相关，但它也可以通过切割GSDME介导细胞焦亡，导致GSDME-N孔形成和膜通透性改变。当GSDME水平较高时，Caspase-3激活后会迅速引发细胞焦亡；而当GSDME水平较低时，则倾向于引发凋亡。然而，这一概念仍需进一步验证。
此外，还存在其他几种替代性细胞焦亡途径，包括Caspase-8切割GSDMD；Caspase-8或颗粒酶B（GzmB）切割GSDME；Caspase-1或颗粒酶A（GzmA）切割GSDMB；以及通过Caspase-8切割GSDMC，GSDMC通过缺氧上调的PD-L1和pSTAT3转录以及其他未知机制形成的GSDMA孔。
细胞焦亡及其成分在癌症中的作用
细胞焦亡在癌症中的复杂作用似乎与细胞类型、遗传背景和诱导持续时间有关。GSDMs、炎症小体和/或促炎细胞因子的异常表达和持续活性，可能通过诱导免疫抑制细胞、促进上皮-间质转化以及上调基质金属蛋白酶来重塑细胞外基质，从而促进肿瘤进展。然而，与此同时，细胞焦亡也可以抑制肿瘤。例如，在肝细胞癌模型中，通过NLRP3炎症小体激活诱导的细胞焦亡显著抑制了肿瘤的转移和生长。
鉴于细胞焦亡的双重作用，其分子成分在不同癌症中表现出差异表达。GSDMs在乳腺癌、胃癌、宫颈癌和肺癌等多种肿瘤中，既可以作为癌基因，也可以作为肿瘤抑制因子，调控细胞增殖、转移、治疗抵抗和抗肿瘤免疫。
在胃癌中，GSDMD表达显著降低，导致体外和体内肿瘤增殖增强。相反，在非小细胞肺癌（NSCLC）中，GSDMD蛋白水平显著升高，并与肿瘤转移和更差的预后相关。与GSDMD类似，GSDME在胃癌、乳腺癌和大肠癌中的表达也常降低。GSDMC在大肠癌中表达明显上调，并在体外促进癌变和增殖，在体内促进肿瘤生长。GSDMB水平越高，乳腺癌患者的转移率越高，生存率越低。
在其他细胞焦亡成分中，大多数结直肠癌肿瘤中AIM2表达显著降低或缺失，且与患者预后不良有关。NLRP1水平在大肠癌肿瘤组织中同样降低，并与转移增加和生存率降低相关。乳腺癌患者组织中的Caspase-1 mRNA水平显著降低，此外，Caspase-1的缺失与前列腺癌和大肠癌的肿瘤发生有关。
阐明细胞焦亡与癌症之间的复杂关系需要更广泛深入的研究。一个挑战在于识别每种细胞焦亡分子成分在特定肿瘤中的作用。由于多条通路可导致细胞焦亡，且多个成分存在重叠，因此，表征每条通路整体在特定肿瘤中的效应，而非仅关注单个成分，可能是理解和预测肿瘤对细胞焦亡调控反应的更有效策略。
细胞焦亡与抗肿瘤免疫的关系
细胞死亡引发适应性免疫反应的能力被称为免疫原性细胞死亡（ICD）。与通常是免疫耐受过程的细胞凋亡不同，细胞焦亡具有诱导强烈炎症反应的分子机制，在某些情况下被认为是ICD的一种形式。尽管细胞焦亡与抗癌免疫之间的联系仍在探索中，但越来越多的研究表明，细胞焦亡介导的肿瘤清除是通过增强免疫激活和功能实现的。
GSDMA
研究发现，将小鼠亚型Gsdma3选择性递送到人类HeLa、小鼠EMT6和4T1癌细胞中，可诱导20-40%的细胞发生细胞焦亡。在体内模型中，通过静脉或瘤内注射NP–Gsdma3进行治疗，导致肿瘤明显缩小。与对照组相比，治疗后的肿瘤中CD4+、CD8+、自然杀伤（NK）细胞和M1巨噬细胞数量增加，而单核细胞、中性粒细胞、髓源性抑制细胞和M2巨噬细胞数量减少。此外，除了IL-1β、IL-18和HMGB1水平升高外，还发现许多免疫刺激和抗肿瘤效应基因（如Cd69、Gzma、Gzmb）上调，以及多种免疫抑制和肿瘤前体基因（如Csf1、Vegfa、Cd274）下调。
GSDMD
通过研究细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）在肺鳞状细胞癌（LUSC）和黑色素瘤样本中与CD8+T细胞标记物相关的GSDM基因表达，发现在五个GSDM家族成员中，只有GSDMD表达与CTLs中的CD8+T细胞标记基因（如CD8A、CD8B、PRF1、GZMA、GZMB和IFNG）呈正相关。进一步研究表明，与原始T淋巴细胞相比，激活的OT-1小鼠CTLs中GSDMD表达显著增加。类似地，人CD8+T细胞在激活后会上调GSDMD，肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）中也可见高水平的GSDMD蛋白。
此外，GSDMD敲除后，CTLs对3LL-OVA细胞的细胞毒性降低。使用人CTLs和H1299非小细胞肺癌细胞系也记录了类似结果。考虑到CTLs杀死肿瘤细胞的关键途径之一是通过将细胞毒性分子释放到免疫突触中，推测GSDMD和GzmB进入效应癌细胞可能是CTL细胞毒性的潜在机制。
GSDMB
GSDMB介导的细胞焦亡与GzmA密切相关。在HEK-293F细胞中，五种人类颗粒酶中只有GzmA能以类似于NK细胞杀伤试验的模式快速切割GSDMB。当GzmA电穿孔到重组表达GSDMB的293T细胞中时，引起广泛的GSDMB裂解和细胞焦亡。同样，在生理条件下，GzmA介导的GSDMB切割在NK细胞杀伤293细胞时也是必需的。
值得注意的是，其他GSDMB水平不明显的癌细胞系，如OE33（食管癌细胞）和HCC1954（乳腺癌细胞），可通过暴露于通常由活化CTLs释放的细胞因子（如IFN-γ和TNF-α）来转录诱导GSDMB表达增加。反过来，IFN-γ显著增强了这些细胞系的细胞焦亡，这种效应最终取决于GzmA。
总而言之，这些发现不仅表明GSDMB介导的细胞焦亡作用于GzmA下游，而且细胞毒性淋巴细胞可以将GzmA传递到表达GSDMB的癌细胞中，以促进抗肿瘤免疫。
GSDME
研究发现，GSDME介导的细胞焦亡与GzmB相关。在小鼠4T1E乳腺癌细胞中异位表达小鼠GSDME（mGSDME），在体内模型中可显著抑制4T1E肿瘤生长，并导致NK细胞和肿瘤相关巨噬细胞（TAM）浸润增加。此外，当受到刺激时，肿瘤中表达GzmB和穿孔素的NK细胞和CD8+TILs增加。
进一步研究表明，人NK细胞系YT可以激活表达GSDME的HeLa细胞中的细胞焦亡，这种诱导是通过GzmB实现的，它不仅在与Caspase-3相同的位置切割GSDME，而且间接激活Caspase-3。
此外，CAR-T细胞可以通过释放穿孔素和GzmB，在B细胞白血病和实体瘤细胞中诱导GSDME介导的肿瘤细胞细胞焦亡。用共培养的CD19-CAR-T细胞和癌细胞（NALM-6、Raji或原发性B白血病细胞）的上清液处理人源性巨噬细胞，可促进巨噬细胞激活Caspase-1，切割GSDMD，并释放IL-6和IL-1β。同时发现共培养上清液中的ATP和HMGB1分别足以促进巨噬细胞IL-1β分泌和IL-6上调。总的来说，这些发现表明CAR-T细胞治疗通过GSDME促进的细胞焦亡诱发CRS，对CD19-CART细胞治疗前患者的肿瘤细胞进行分析，显示GSDME水平升高与更严重的CRS相关。
细胞焦亡在抗癌治疗中的应用前景
近年来，越来越多的研究表明，利用细胞焦亡通过不同的靶向和传递方法进行抗肿瘤免疫具有可行性和治疗潜力。
例如，利用肿瘤细胞衍生微粒（TMP）将甲氨蝶呤注入胆管癌（CCA）细胞，以诱导GSDME介导的细胞焦亡，从而激活患者衍生的巨噬细胞，并将中性粒细胞募集到肿瘤部位进行药物导向的肿瘤破坏。此外，当这种甲氨蝶呤TMP输送系统注入肝外CCA患者的胆管管腔时，25%的患者观察到中性粒细胞活化和胆道梗阻的缓解。
此外，还发现GSDME介导的细胞焦亡通过BRAF和MEK抑制剂的组合在黑色素瘤中引起免疫细胞浸润/激活，并导致黑色素瘤消退。在另一种策略中，二甲双胍是治疗2型糖尿病最常用的药物，其可以通过Caspase-3间接激活细胞焦亡来抑制癌细胞增殖。
一系列针对KRAS、EGFR或ALK突变型肺癌的小分子抑制剂也被发现，在线粒体固有凋亡途径激活后，通过Caspase-3介导的GSDME裂解诱导细胞焦亡。在乳腺癌细胞中，用RIG-1激动剂治疗可触发外源性凋亡途径和细胞焦亡，激活STAT1和NF-κB并上调淋巴细胞募集趋化因子。因此，在小鼠中RIG-1激活后，乳腺癌转移和肿瘤生长的减少伴随着肿瘤淋巴细胞的增加。
几乎所有抗癌免疫治疗策略面临的另一个主要障碍是免疫抑制肿瘤微环境引起的失调。为了解决这个问题，Lu等人设计了含有嵌合共刺激转化受体（CCCR）的NK92细胞，该受体将抑制性PD-1信号转化为激活信号，有效地增强了抗肿瘤活性。在体外，CCCR-NK92细胞通过GSDME介导的细胞焦亡迅速杀死H1299细胞，在体内显著抑制肿瘤生长。
此外，越来越多令人兴奋的研究报告表明，细胞焦亡诱导与PD-1抑制剂协同作用使肿瘤由“冷”变“热”，表明这种组合在抗癌治疗中的巨大潜力。
结语
作为一种炎症性细胞死亡模式，细胞焦亡通过激发抗肿瘤免疫反应而在肿瘤抑制中发挥重要作用。在某些情况下，单纯的细胞焦亡诱导就可能足以阻碍肿瘤生长。然而，细胞焦亡治疗应用面临的最大挑战之一是细胞焦亡相关成分的表达和功能的不规则性，不仅在不同的癌症之间，而且还存在于同一类型的癌症中。尽管如此，分子、遗传和表观遗传靶向/递送系统的进步，以及精准和个性化医学的发展，让我们有希望很快能够利用这些强大机制作为治疗癌症的工具。
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参考资料：
1.Pyroptosis at the forefront of anticancerimmunity. J Exp Clin Cancer Res. 2021; 40: 264.
