细胞焦亡是近年来发现的一种炎性细胞死亡方式，焦亡发生后，细胞内容物泄露，激发炎症发生[1]。细胞焦亡与放疗敏感性、化疗药物抵抗及肿瘤免疫微环境等密切相关，有望成为抗肿瘤治疗的潜在新靶点[2,3,4]。放疗是肿瘤治疗的经典手段之一，近年来，精确放疗技术不断开展，放疗疗效明显改善，由于肿瘤细胞生物学特性和个体差异，放 射敏感 性亟待进一步提高。国内外已有高级别证据表明，放疗可诱导细胞焦亡，增强放疗敏感性，提高抗肿瘤治疗效果，但在放射治疗引起的组织损伤中[5],也存在细胞焦亡的发生。因此，为了提高放疗疗效和减轻辐射损伤，寻求更有效的减毒增效策略，深入揭示细胞焦亡在肿瘤放疗中的潜在调节作用机制，提高放疗疗效和进一步降低辐射损伤很有必要。本文旨在阐述细胞焦亡及其在辐射治疗中的双重作用机制，以期为放疗敏感性和预防辐射性损伤提供新思路。

1、细胞焦亡及其调控机制

细胞焦亡通常由病原体相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)引起，其特征是由gasdermin家族蛋白执行，Caspases或颗粒酶蛋白酶介导的gasdermin蛋白都具有焦性gasdermin-N结构域，gasdermin蛋白在质膜上打孔，细胞肿胀和质膜破坏后，白细胞介素-1β (IL-1β)和白细胞介素-18 (IL-18)促炎细胞因子成熟释放，导致细胞死亡和炎症发生[6,7]。大量研究表明，焦亡具有抑制肿瘤生长、改善局部和全身抗肿瘤免疫、增强放化疗敏感性等多种功能，放疗、化疗、免疫和靶向治疗都能诱导肿瘤细胞焦亡，这显示出焦亡在肿瘤治疗领域的重要应用前景[8,9,10,11]。精准放疗显著提高了治疗的靶向性，然而，由于肿瘤组织具有浸润性生长特征，往往与正常组织界限不清，肿瘤周围正常组织细胞过度焦亡则是放疗辐射损伤的主要机制之一，焦亡引起的组织损伤亦不容忽视。

最初研究发现，焦亡信号通路分为炎性小体依赖性或非炎性小体依赖性途径，随着研究的不断深入，现有四种不同的信号转导通路被确定可以诱导细胞焦亡[12,13]。其中，炎性小体主导的途径又分为经典通路和非经典通路，最近发现的Caspase-3介导的途径和颗粒酶蛋白酶介导的途径称为独立焦亡途径。经典途径可由多种炎症小体激活后Caspase-1或在脂多糖刺激下直接激活Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11相关。炎症小体是一种多蛋白复合物，NOD 样受体作为重要的胞内模式识别受体，在机体遭受微生物感染、PAMPs和DAMPs的攻击下，启动组装激活并促进细胞焦亡发生。GSDMD是炎性Caspases蛋白酶的直接底物，也是焦亡的主要执行蛋白[14]。活化的Caspase-11或Caspase-1在GSDMD的中间连接处裂解，释放GSDMD-N,在细胞膜形成孔洞。活化的Caspase-1也会切割IL-1β、IL-18前体并促进其成熟和分泌，GSDMD-N则在质膜上打孔后使成熟的IL-1β、IL-18等细胞内容物释放到细胞外环境。此外，焦亡还伴随HMGB1和LDH的释放，导致炎症进一步放大并吸引更多免疫细胞靠拢[15]。焦亡发生后导致炎性微环境形成，过度的细胞焦亡引起多种炎症相关性和自身免疫性疾病发生[16]。

焦亡被发现之前，长期以来Caspase家族蛋白特别是Caspase-3的激活被认为是凋亡发生的标志之一，Caspase-3/GSDME信号通路和颗粒酶介导途径是近年来发现的两种细胞焦亡途径[17,18]。Caspase-3/GSDME焦亡通路的发现改变了研究者以往的认知，Caspase-3的功能并不限于细胞凋亡和焦亡，某些条件下，Caspase-3还能诱导细胞凋亡向焦亡转化。在化疗药物刺激下，Caspase-3切割GSDME后在质膜打孔将化疗药物诱导的细胞凋亡转变为细胞焦亡，当然这取决于GSDME的表达程度[19]。此外，细胞毒性T淋巴细胞，NK细胞等可通过颗粒酶蛋白酶切割GSDMB诱导肿瘤细胞焦亡。颗粒酶B(GZMB)来自NK细胞或嵌合细胞抗原受体(CAR)T细胞在D270残基后直接裂解Caspase-3,使GSDME释放细胞毒n端，在膜-膜上形成孔。颗粒酶介导的肿瘤细胞焦亡可放大肿瘤微环境(TME)中的炎症信号，从而吸引更多免疫细胞，进一步点燃抗肿瘤免疫。有研究发现GSDMB在消化系统上皮细胞源肿瘤细胞中呈高表达，通过GSDMB诱导焦亡能增强抗肿瘤免疫，这将成为某些消化系统肿瘤潜在治疗靶点[20]。放疗作为DAMPs的一种，可以通过经典、非经典途径和Caspase-3/GSDME途径诱导焦亡发生。

2、细胞焦亡与肿瘤治疗

作为一种促炎性细胞死亡方式，细胞焦亡与多种恶性肿瘤发生发展及治疗密切相关。现有证据表明，细胞焦亡具有抑制肿瘤生长，增强化疗药物敏感性，增强抗肿瘤免疫和靶向药物疗效等多种效应，与肿瘤放化疗具有协同作用。例如，邵峰院士团队研究发现，在只有不到15%的肿瘤细胞发生焦亡后，小鼠肿瘤免疫微环境明显改善，就足以增强抗肿瘤免疫，清除整个4T1乳腺肿瘤移植物[20],由此可见细胞焦亡在肿瘤治疗中的重要作用。细胞焦亡在肿瘤中的作用机制如下。

2.1 细胞焦亡抑制肿瘤生长

传统研究普遍认为，放化疗主要通过诱导肿瘤细胞凋亡从而抑制肿瘤生长。近年来，随着细胞焦亡的研究不断增多，诱导肿瘤细胞焦亡从而抑制肿瘤生长已被学界广泛认可。实验研究发现，大多数癌组织不表达GSDME,而小鼠中表达GSDME的肿瘤在敲除 GSDME后会促进肿瘤生长。 GSDME基因突变中有20种突变降低了GSDME执行焦亡的功能，使其不能抑制肿瘤生长[21]。这表明GSDME对肿瘤有抑制作用，其对肿瘤的抑制依赖于其执行焦亡的活性。 哺乳动物STE20样激酶基因表达异常在胰腺导管腺癌组织中呈现低表达，而过表达胰腺导管腺癌细胞MST1基因后，可诱导Caspase-1介导的焦亡，从而抑制胰腺导管腺癌细胞的增殖、迁移、侵袭[22]。另有研究表明，抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路，促进结肠癌细胞焦亡，抑制小鼠结肠癌发生[23]。此外，丹参酮IIA作为一个专利药物可通过调控miR-145/GSDMD信号转导通路促进Hela细胞焦亡，抑制Hela肿瘤细胞增殖[24]。综上，焦亡相关蛋白表达水平与肿瘤生长密切相关，靶向焦亡相关蛋白是一种消除癌细胞的有效方法，焦亡对肿瘤发生发展的调控作用值得进一步研究。

2.2 细胞焦亡增加肿瘤治疗敏感性

放化疗一直都是治疗癌症的主要方式，但肿瘤细胞的抗药性已成为放化疗面临的主要挑战之一[25]。然而，细胞焦亡作为一种新型炎性细胞死亡机制，与肿瘤细胞对放化疗的敏感性密切相关。作为临床常用的细胞毒性抗肿瘤药物，普遍认为，铂类是通过破坏DNA功能诱导凋亡来杀伤肿瘤细胞，最新实验表明，在动物实验中顺铂也能通过Caspase-3/GSDME信号通路诱导肺癌A549细胞焦亡，从而抑制肿瘤生长，而沉默GSDME蛋白可显著降低顺铂对A549细胞的细胞毒性[26,27]。顺铂联合PLK1抑制剂(BI2536)诱导GSDME介导的食管鳞状细胞癌细胞株(ESCC)的焦亡，Caspase-3通过裂解GSDME,将化疗药物诱导的细胞凋亡转变为焦亡，从而增加化疗药物对癌细胞的敏感性，而敲除GSDME可降低ESCC对顺铂的敏感性[28]。研究者发现，STAT3β在ESCC化疗期间通过破坏线粒体电子链传递活性和促进细胞焦亡来诱导ESCC细胞对顺铂化疗敏感性，这也许与GSDME被Caspase-3裂解，并将化疗药物诱导的细胞凋亡转变为焦亡相关[29]。洛铂还通过激活Caspase-3诱导GSDME介导宫颈癌、鼻咽癌细胞焦亡，增强化疗敏感性[30,31]。此外，紫杉醇可诱导GSDMD激活介导的鼻咽癌细胞焦亡，而焦亡抑制被认为与鼻咽癌紫杉醇耐药有关[32]。综上，焦亡在放化疗中的关键作用已经被充分验证，靶向gasdermin家族蛋白有望成为化疗的潜在新靶点，这也许是提高治疗效果改善肿瘤预后的重要潜在途径。

2.3 细胞焦亡增强抗肿瘤免疫

目前，肿瘤免疫疗法已成为继手术、放疗和化疗之后癌症又一主要治疗手段，然而，肿瘤免疫逃逸是影响免疫治疗效果的主要机制。研究表明，以细胞焦亡为基础的干预措施与肿瘤免疫疗法相结合，可以明显改善癌症的控制[33],癌细胞焦亡后诱导的炎症反应可以吸引更多的免疫细胞聚集，从而增强肿瘤的免疫原性，使“冷”肿瘤变“热”肿瘤，而具有炎症表型的“热肿瘤”往往对免疫检查点抑制剂更敏感，从而提高免疫疗效[34]。细胞焦亡发生后，通过诱导肿瘤免疫原性细胞死亡，产生HMGB1、HSP90和钙网蛋白等DAMPs, 激活相关的细胞学反应，最终激活固有和适应性免疫，从而增强局部和全身免疫反应，刺激全身免疫应答，从而阻止肿瘤进展[35],逆转或改善肿瘤细胞周围的免疫抑制微环境，重建局部或全身抗肿瘤免疫，这为实现肿瘤的长期全身控制提供了很好的手段[36]。

作为一种促炎程序性细胞死亡方式，诱导肿瘤细胞焦亡为逆转肿瘤微环境(TME)的免疫抑制表型提供了可能。 GSDME介导的细胞焦亡增强肿瘤浸润自然杀伤细胞和CD8+ T细胞对化疗的敏感性和抗肿瘤功能。研究发现，野生型GSDME高表达的肿瘤组织表现出CD8+ T和NK细胞浸润增加，而缺乏GSDME表达的肿瘤或GSDME突变体表达功能缺失的肿瘤表现出免疫细胞浸润减少的征象。在细胞毒淋巴细胞减少小鼠或免疫缺陷小鼠模型中，GSDME的抑瘤功能消失，这表明GSDME的抑瘤作用需要依赖于细胞焦亡诱导抗肿瘤免疫的激活[37]。此外，GSDME的表达还可通过促进巨噬细胞介导的吞噬作用来增强抗肿瘤适应性免疫，从而防止肿瘤的免疫扩散。辐射诱导GSDME高表达的肺癌、肝 癌和乳腺癌等肿瘤细胞系发生焦亡， Caspase-3/GSDME途径参与了辐射诱导的焦亡，作为一种由辐射引起的免疫原性细胞死亡，焦亡在辐射后促进抗肿瘤免疫[38]。在同种移植物模型中，与GSDME敲除的同种移植物肿瘤相比，放射治疗后，表达GSDME的同种移植物肿瘤的体积和重量明显减小，在机制上，辐射诱导GSDME介导的CRC细胞焦亡，从而招募并激活NK细胞，增强抗肿瘤免疫[33]。目前为止，在治疗肿瘤的临床药物中，只有极少数药物已被证明能引发免疫原性细胞死亡，通过诱导肿瘤细胞焦亡产生抗原以恢复抗肿瘤免疫为临床提供了新思路。由此推断，通过化疗、放疗诱导肿瘤细胞焦亡从而增强机体抗肿瘤免疫是达到肿瘤全身控制的潜在治疗途径。

3、细胞焦亡在肿瘤放射治疗中的研究

放疗通过损伤细胞DNA,导致DNA双链断裂，DNA损伤不能修复时则可引起细胞焦亡[39]。此外，放疗引起ROS大量产生，通过氧化应激反应，上调TLR4/NF-κB等信号转导通路，进而激活细胞焦亡通路，诱导肿瘤细胞焦亡[40]。放疗可通过经典焦亡途径和非经典焦亡途径诱导肿瘤细胞焦亡，在经典焦亡途径中，放疗可使NLRP3炎症小体组装并激活，通过招募ASC和pro-Caspase-1蛋白前体，并激活剪切为Caspase-1。随后活化的Caspase-1裂解焦亡关键执行蛋白GSDMD,形成GSDMD-N并在细胞膜打孔。Caspase-1还能剪切pro-IL-18和pro-IL-1β,使成熟的IL-18和IL-1β通过GSDMD-N孔释放到细胞外[41]。放疗诱导的细胞焦亡具有增加免疫细胞数量和活力，增强抗肿瘤免疫，改善肿瘤免疫微环境等多种功能。此外，细胞焦亡导致细胞内容物释放到细胞外，除ROS外，肿瘤组织在辐照后还会产生其他DAMPs, 部分DAMPs也会放大炎症信号，进一步点燃抗肿瘤免疫[42](图1)。

3.1 细胞焦亡增强放疗疗效

放疗一直是结直肠癌(colorectal cancer, CRC)治疗的重要手段，但放疗对CRC低敏感性和周围正常组织的损伤限制了其临床应用。TAN等[43]发现，GSDME蛋白在CRC组织中沉默，但在其周围正常 组织中却显著表达，放疗诱导 GSDME介导的CRC细胞焦亡，通过募集和激活NK细胞来增强抗肿瘤免疫，增加CRC细胞对放疗的敏感性，此外，与野生型小鼠相比，辐射治疗后，GSDME基因敲除小鼠体重下降和肠、胰腺及肝等组织损伤相对减轻。Caspase-4、Caspase-1、GSDME和NLRP3是介导细胞焦亡的关键蛋白，在肿瘤患者中发现，焦亡相关蛋白Caspase-4、Caspase-1、GSDME和NLRP3的遗传变异与接受术后放化疗的癌症患者发生不良反应相关，提示它们可能是预测不良反应等级及实现癌症个体化治疗的潜在遗传标记物[44]。唐正等研究发现，放疗刺激肿瘤微环境发生氧化应激，通过诱导APE1依赖性M2巨噬细胞焦亡，削弱肿瘤免疫抑制微环境，从而揭示细胞焦亡在放射增敏性中的潜在作用[45]。ZHANG等研究发现，circNEIL3在低剂量照射的腺癌 A549 细胞中显著下调，circNEIL3敲除促进放疗引起A549细胞焦亡，显著增强了放疗的疗效，使肿瘤体积和重量降低，其机制与解除miR-1184对PIF1的抑制作用相关[46],因此诱导circNEIL3/miR-1184/PIF1信号转导通路介导的细胞焦亡可能为临床放疗或抗肿瘤药物研发提供一种有前景的肺腺癌治疗选择。放射抵抗是鼻咽癌治疗失败的主要原因之一，DI等研究发现，低GSDME表达可能与鼻咽癌放射抵抗及预后不良相关，OTUD4泛素化并稳定GSDME介导的细胞焦亡是改善鼻咽癌放射敏感性的关键决定因素[2],靶向细胞焦亡为改善鼻咽癌放疗敏感性揭示了一个潜在治疗靶点。

图1 放疗介导细胞焦亡的抗肿瘤机制   

3.2 抑制细胞焦亡减轻放射性损伤

放疗是一把双刃剑，如何在不破坏正常细胞和诱发放射性炎症损伤的情况下杀灭肿瘤细胞是放疗亟需解决的难题。研究发现，在骨髓来源的巨噬细胞和小鼠辐射模型中，放疗可引起细胞焦亡，敲除NLRP3则显著下调细胞焦亡比例，减少炎症和小鼠死亡，减轻放射性损伤[47]。放射性肺损伤及皮肤损伤是放疗最常见的并发症，直接影响放疗效果和患者生活质量[48,49],在放射性肺损伤小鼠模型中发现，焦亡相关蛋白NLRP3、Caspase-1、IL-18和GSDMD表达明显增高，且与照射剂量和时间相关，表明细胞焦亡可能在小鼠放射性肺炎症损伤中发挥重要作用[50]。高LET重离子照射后，小鼠皮下、毛囊和毛干等处有炎症细胞浸润，皮肤结构层次紊乱，HaCaT细胞焦亡并伴随局部炎症产生，靶向焦亡可能是抑制重离子辐射损伤信号产生急性皮肤损伤的潜在机制[51]。放疗在血管内皮细胞中激活 NLRP3/Caspase-1/gasdermin D信号转导通路，增强IL-1β和IL-18的同时产生趋化因子、TNF-α和HMGB1,导致内皮细胞中炎症小体信号激活后血管内皮细胞死亡，引起辐射性血管损伤[52]。辐射可呈剂量依赖性损伤巨噬细胞、树突状细胞和NK细胞等免疫细胞，在体内外诱导BMDMs焦亡。在动物实验模型中发现，辐射诱导的细胞焦亡，可引起脾脏、肠和肺组织损伤[53]。因此，靶向细胞焦亡也为预防放疗引起的组织损伤提供了一种新的分子调控机制，细胞焦亡在放疗中的双重作用仍需进一步研究。

综上，针对辐射环境中焦亡信号通路的早期干预和预防策略，这可能有助于解决放射性损伤这一迫切的临床问题。

4、结论及展望

越来越多的研究证实焦亡在肿瘤治疗中的重要调节作用，焦亡风险评分已被开发用于预测癌症的预后和TME特征，然而，关于焦亡在放疗中的作用机制尚未完全阐明[4,54]。放疗诱导肿瘤细胞的不同命运与肿瘤细胞系、肿瘤微环境、辐射剂量等因素相关，对于不同的肿瘤，特别是各种放疗抵抗肿瘤，深入了解相关细胞命运调控机制将有助于放疗的应用。在此基础上，调控肿瘤细胞焦亡后的各种连锁反应，如焦亡增强抗肿瘤免疫，诱导形成免疫抑制性TME,增强放疗敏感性将是增加放疗对肿瘤细胞特异性和敏感性的重要手段。因此，精确靶向gasdermin家族蛋白调控的细胞焦亡可能为提高放疗的疗效提供了一个极好的选择，这可能有助于解决迫切的临床问题。焦亡在放疗中的研究也存在众多问题和挑战，首先，多项动物细胞研究已经反复验证了焦亡增强放疗疗效的确切结果，但目前还没有开展对焦亡的相关机制进行的临床药物研究；其次，诱导焦亡的放疗强度和时间及其临床价值需要通过前瞻性临床试验进一步验证；最后，放疗诱导焦亡发生程度和焦亡对周围正常组织损伤的影响仍然很难评估和界定。总之，放疗通过细胞焦亡增强抗肿瘤疗效仍然为一种有前景的新型抗癌治疗方法，放疗通过细胞焦亡治疗各种肿瘤，进一步提高了放疗的精准度，目前细胞焦亡在放疗领域的研究相对较少，仍需继续开展相关临床和基础研究，以探寻焦亡在放疗领域的重要潜在作用。

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基金资助:国家自然科学基金(编号:82204981);国家中医临床研究基地科研专项(编号:2021JDZX2002);河南省特色骨干学科中医学学科建设项目(编号:STG-ZYX06-202145);河南中医药大学博士科研基金项目(编号:2022BSJJ08);

文章来源:李东东,王成志,张晓青等.细胞焦亡及其在肿瘤放疗中的作用机制研究进展[J].现代肿瘤医学,2024,32(02):351-355.