《International Journal of Molecular Sciences》：Caspase-1 and Inflammasome Signaling in Spinal Cord Injury: Mechanistic Insights and Translational Gaps
Caspase-1是经典炎性小体（canonical inflammasome）信号的中枢介质，并通过白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）成熟、gasdermin D（GSDMD）介导的细胞焦亡（pyroptosis）以及继发性炎症级联驱动神经炎症性损伤。在脊髓损伤（SCI）和其他神经系统疾病中，实验证据将caspase-1激活与血脊髓屏障（BSCB）或血脑屏障（BBB）破坏、胶质激活、神经元和少突胶质细胞损伤以及更差的功能结局相联系。然而，尽管具有机制合理性，caspase-1作为生物流体（biofluid）生物标志物的临床作用仍未完全明确。本综述总结有关caspase-1和炎性小体相关蛋白在脑脊液（CSF）、血清、血浆和其他生物流体中的临床前和临床证据，重点强调SCI和转化神经炎症。人体研究提示，炎性小体相关标志物可能反映急性炎症活动和损伤严重程度，但直接测量caspase-1受到小队列、异质性采样窗口、可变检测平台和与神经学结局不一致相关性的限制。总体而言，caspase-1仍是生物学上合理但尚未在临床确立的生物标志物。未来研究应纳入纵向采样、标准化检测、IL-1β、IL-18、GSDMD和其他细胞焦亡相关标志物的配对测量，并与影像学和功能结局整合。此类工作可能阐明caspase-1能否在SCI和相关神经炎症性疾病中作为临床可操作生物标志物、预后指标或治疗监测靶点。
1. Introduction
脊髓损伤（SCI）仍是破坏性极强的神经系统损伤，在美国每年约新发18 000例，患病约255 000至390 000人。尽管可早期干预，许多患者仍遗留永久性神经功能缺损，并带来显著个人和社会经济负担。SCI病理生理包括原发性机械损伤及随后持续数小时至数天的继发性炎症级联。继发性损伤是治疗干预和研究重点，涉及炎症、氧化应激、血脊髓屏障（BSCB）破坏和程序性细胞死亡。经典炎性小体信号激活是创伤后神经炎症的核心驱动因素。caspase-1调节IL-1β和IL-18成熟，并通过切割gasdermin D（GSDMD）诱导细胞焦亡，从而将炎症信号与结构损伤和细胞死亡相连。大量临床前研究显示实验性SCI早期炎性小体激活，抑制caspase-1可改善啮齿类模型组织病理和功能结局。然而，caspase-1在人类SCI中作为可测生物流体生物标志物的评估仍有限，其用于评估炎性小体激活、患者分层和治疗监测的潜力尚不确定。本综述整合caspase-1在SCI中激活的证据，评估现有人类数据，并提出炎性小体来源生物流体生物标志物的转化框架。
2. Introduction to Secondary Injury
继发性损伤在初始机械损伤后数分钟内开始，并持续数小时至数天，由生化和细胞级联驱动，扩大初始病灶。继发性损伤通常分为急性、亚急性和慢性阶段。急性期包括氧化应激、早期炎症信号、胶质激活和BSCB破坏。
2.1. Oxidative Stress
中枢神经系统高脂含量使其易于发生氧化应激信号。正常情况下存在内源性抗氧化系统维持氧化还原平衡，但SCI后活性氧（ROS）骤增迅速压倒这些系统。过量自由基驱动脂质过氧化、破坏膜稳定性、损害Na
+/K
+-ATPase活性，并触发多种程序性和非程序性细胞死亡。氧化还原介导过程放大细胞功能障碍，并为后续炎症、胶质和血管反应创造允许环境。
2.2. Inflammation
损伤微环境失稳后，氧化应激、离子失衡和细胞碎片等危险信号触发强烈炎症反应。正常修复性炎症在SCI急性期表现过度并转向病理角色。驻留微胶质迅速释放肿瘤坏死因子（TNF）、IL-1β和IL-6等促炎细胞因子，循环中性粒细胞浸润病灶并放大氧化和酶性损伤。激活的微胶质和巨噬细胞在数小时至数天内维持高炎症状态，加重神经元和胶质功能障碍，并为后续细胞因子波、胶质反应和血管损害奠定基础。
2.3. Glial Activation
SCI后微胶质和浸润巨噬细胞发生动态表型变化。巨噬细胞聚集于病灶核心，驻留微胶质主要位于病灶周围，二者约在7至10天达峰，随后在亚急性期逐渐下降。这些细胞迅速呈促炎M1样表型，但可依据微环境线索向修复性M2样表型转变。激活微胶质释放IL-1α、TNF和C1q，诱导静息星形胶质细胞转化为A1反应性星形胶质细胞。A1星形胶质细胞具有神经毒性表型，失去稳态功能并促进神经元和少突胶质细胞损伤。促炎微胶质分泌TNF、一氧化氮和补体等介质，诱导少突胶质细胞和少突胶质祖细胞死亡、分化受损和脱髓鞘加重。这些胶质反应深刻影响SCI后慢性组织重塑和功能恢复。
2.4. Blood–Spinal Cord Barrier (BSCB) Breakdown
BSCB破坏是SCI继发性损伤的早期关键成分。实验研究显示BSCB通透性在伤后数小时内增加，约24 h达峰，并持续破坏数天，约10至14天逐渐正常化。机械创伤迅速损害内皮完整性，导致紧密连接丢失、通透性增加以及血浆蛋白和免疫细胞外渗至实质。TNF、IL-1β和基质金属蛋白酶（MMPs）等炎症介质进一步加重破坏。由此产生的血管源性水肿、离子失衡和出血放大神经元和胶质损伤，并促进持续免疫浸润。亚急性和慢性期持续BSCB功能障碍促进持续炎症、髓鞘再生受损和长期神经退变。
3. Caspase-1 and the Canonical Inflammasome Pathway
3.1. Canonical Inflammasome Assembly and Caspase-1 Activation
炎性小体是胞质信号复合物，启动促炎半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase）尤其是caspase-1的激活。炎性小体由三部分组成：检测细胞应激的传感器蛋白，如NOD样受体（NLRP1、NLRP3）或AIM样受体（AIM2）；衔接分子凋亡相关斑点样蛋白含CARD（ASC）；以及效应酶原caspase-1。在SCI中，NLRP3是研究最广泛的炎性小体成分，表达于神经元、微胶质和星形胶质细胞。其激活由创伤后危险信号驱动，包括细胞外ATP诱导的K
+紊乱、线粒体功能障碍和ROS形成。炎性小体组装诱导caspase-1自催化激活，将无活性前体pro-IL-1β和pro-IL-18切割为成熟活性炎症细胞因子。同时，caspase-1切割GSDMD，生成N端片段并形成膜孔，释放IL-1β和IL-18，最终导致细胞肿胀、破裂和继发性损伤放大。这一裂解性炎症性细胞死亡过程称为细胞焦亡，但并非全或无现象。
3.2. Regulation of Pyroptotic Membrane Permeabilization and Rupture
Ninjurin-1（NINJ1）最近被确定为质膜破裂（PMR）的关键介质，是包括细胞焦亡在内的裂解性细胞死亡终末步骤。炎性小体激活后，caspase-1介导的GSDMD切割导致孔形成和初始膜通透化，但仅孔形成不足以诱导完全细胞裂解。NINJ1是终末膜破裂和细胞内损伤相关分子模式（DAMPs）释放所必需，从而放大炎症信号。在Ninj1
?/?模型中，细胞发生gasdermin依赖性孔形成和细胞因子释放，但未能终末膜破裂，导致HMGB1和乳酸脱氢酶（LDH）释放受损。这表明质膜破裂是主动调节过程而非渗透性裂解的被动结果。相反，并非所有GSDMD介导膜损伤均导致细胞裂解。细胞具有内源性修复机制，尤其是转运所需内体分选复合体（ESCRT），可在损伤后维持膜完整性。ESCRT组分被招募至膜破坏位点，通过ectosome脱落促进修复和清除gasdermin诱导孔。ESCRT耗竭增强焦亡性细胞死亡和IL-1β释放，但不影响ASC斑点形成、caspase-1激活或GSDMD加工，提示ESCRT作用于炎性小体信号下游。该修复反应允许细胞暂时维持膜完整性，限制完全裂解并允许受控细胞因子释放。亚裂解孔形成允许IL-1β和IL-18释放而无完全细胞破坏，而NINJ1介导PMR导致细胞内内容物释放，包括HMGB1和LDH。膜修复与破裂的相对贡献可能直接影响SCI后检测到的生物流体生物标志物组成和幅度。
3.3. Biofluid Biomarker
经典炎性小体激活产生独特分子产物，caspase-1信号的下游成分可在SCI后脑脊液（CSF）、血清或损伤脊髓组织中检测。caspase-1激活可通过p20等切割产物或酶活性测定评估，但切割产物检测不一定确立持续酶活性；CSF或血浆中IL-1β和IL-18升高可作为炎性小体参与的间接指标。切割GSDMD片段和通过GSDMD介导膜通透化释放的其他胞质蛋白也反映损伤脊髓内的焦亡性细胞死亡。这些生物流体标志物提供炎性小体激活的可测特征，并与炎症进展、屏障破坏和继发性组织丢失相关。技术障碍包括：活性caspase-1在37 °C下估计半衰期约9 min，而caspase-3和caspase-7分别约8和11 h；抗体特异性限制，p20/p10切割产物可能并非活性标志；样本处理期间离体炎性小体激活可引入分析前变异，如未刺激人全血室温延迟处理4 h后单核细胞出现ASC斑点。新鲜分离人单核细胞具有组成性caspase-1活性并可释放内源性ATP。可靠评估人生物流体中有生物活性的caspase-1仍受分析前和分析限制。
4. Evidence of Caspase-1 Activation After SCI
SCI后caspase-1作为生物流体生物标志物的证据呈陡峭梯度。临床前数据在多种啮齿类损伤模型中广泛且一致，但主要描述脊髓组织内caspase-1激活，而非采样生物流体内。组织水平机制合理性不自动转化为生物流体可检测性。直接人类证据仅限于单个小队列研究（n = 2），caspase-1尚未在SCI中作为生物流体生物标志物获得临床验证。CSF采集有侵入性并可能限制常规连续或广泛采样，外周血检测caspase-1也面临活性快速丢失和区分pro-caspase-1与切割片段困难等障碍。这些限制并非caspase-1独有或本质上不可克服，目前缺少的是专门转化努力，包括标准化检测、纵向人类采样和与既有生物标志物的头对头比较。
Caspase-1 Levels in Human CSF
在de Rivero Vaccari等（2016）研究的极小队列（n = 2）中，急性创伤性SCI患者（入院时美国脊髓损伤协会损伤量表[AIS] A-B级）伤后48 h内CSF中NLRP1、ASC和caspase-1水平升高。免疫印迹显示神经学结局较差患者这些炎性小体相关蛋白水平明显高于结局较好患者，提示炎性小体激活与损伤严重程度可能存在关联。从CSF分离外泌体后发现caspase-1（包括p20片段）、ASC和NLRP1富集于外泌体组分，尤其结局较差患者。这些发现提示急性SCI后外泌体相关炎性小体信号活跃，外泌体caspase-1可能具有生物标志物相关性。但样本量仅2例，不能进行正式统计推断，应视为严格假设生成，需更大前瞻性队列确认。
5. Caspase-1 Levels in Spinal Tissues (Rodents)
5.1. Temporal Dynamics of Caspase-1 in Rodent Spinal Cord Tissue
在大鼠夹闭压迫（挤压）SCI模型中，Zheng等报道caspase-1 mRNA表达伤后早期增加，3天达峰并持续至7天。IL-1β和IL-18呈相似时间模式，符合亚急性期持续炎性小体激活。该时间特征与持续神经炎症和胶质激活平行，提示炎性小体介导细胞因子释放和焦亡性细胞死亡在放大创伤后组织损伤中发挥持续作用。
5.2. Rodent Evidence for NLRP1-Driven Caspase-1 Activation After SCI
啮齿类模型提供caspase-1介导炎性小体激活的强机制证据，但几乎均为组织水平。在大鼠颈段挫伤SCI模型中，de Rivero Vaccari等（2008）显示神经元NLRP1炎性小体复合物快速组装，包括NLRP1（旧称NALP1）、ASC、caspase-1、caspase-11（人caspase-5的小鼠直系同源物）和X连锁凋亡抑制蛋白（XIAP）。切割caspase-1在伤后15 min内可检测，并伴随IL-1β和IL-18早期加工。SCI还诱导caspase-11强烈上调和ASC快速积聚，而NLRP1水平稳定，损伤脊髓中未检测到NLRP3。用抗体中和ASC可减少caspase-1激活、降低IL-1β和IL-18加工并改善功能恢复，支持早期神经元炎性小体信号在继发性损伤中的因果作用。共免疫沉淀显示伤后30 min内ASC与caspase-1和caspase-11关联增加。这些研究仅在脊髓组织内量化炎性小体激活，未解决caspase-1或其下游产物能否在生物流体中可靠检测或预测临床结局。
5.3. NLRP3 Inflammasome Activation and Pyroptosis in Rodent SCI Models
后续小鼠和大鼠研究将发现扩展至NLRP3炎性小体和焦亡性细胞死亡。多种挫伤和压迫模型中，SCI诱导脊髓组织NLRP3、ASC、切割caspase-1、IL-1β和IL-18显著上调。例如Jiang等使用雌性C57BL/6小鼠显示活性（切割）caspase-1在伤后72 h内持续显著升高，而pro-caspase-1水平不变，提示急性-亚急性期持续经典炎性小体激活。转录水平研究也证实SCI后脊髓组织NLRP3、ASC和caspase-1 mRNA上调。Liang等报道雄性Sprague-Dawley大鼠伤后12 h至7天NLRP3、ASC和caspase-1转录本显著增加，高压氧治疗可部分减弱，提示炎性小体启动既持续又可治疗调节。这些转录变化补充了蛋白水平数据，显示伤后数天切割caspase-1及IL-1β、IL-18持续升高，支持急性-亚急性期继发性损伤中持续经典炎性小体激活。几乎所有SCI啮齿类研究仅在脊髓组织评估caspase-1和炎性小体成分，极少评估CSF、血清或细胞外囊泡，故不能确定caspase-1或其下游产物是否可作为循环或CSF生物标志物。
5.4. Limitations of Rodent Work
多个因素导致转化缺口。啮齿类SCI研究主要集中于双侧胸段模型，而人类SCI多发生在颈段且约一半为不完全损伤，损伤位置和严重程度不匹配可能限制临床前机制发现的普遍性。实验啮齿类研究与人类临床管理的标准伤后护理不同，尤其镇痛、抗凝和支持措施，可能改变伤后微环境并导致临床前与临床炎症反应差异。循环生物标志物测量还可能受系统性创伤混杂，如S100B、NSE和GFAP在孤立性创伤性脑损伤中有预测价值，但在合并颅外损伤时可能失去预测价值。SCI中急性孤立SCI与无神经创伤的多发伤显示不同循环miRNA模式，提示创伤背景可影响血液生物标志物信号。未来多中心研究应将caspase-1作为人类SCI生物标志物评估时标准化采样时间、生物标本来源、分析方法和临床变量。
6. Therapeutic Inhibition of Caspase-1
6.1. Ac-YVAD-cmk
Ac-YVAD-cmk是常用的caspase-1药理学抑制剂，为细胞可渗透四肽氯甲基酮（Ac-Tyr-Val-Ala-Asp-cmk），靶向ICE/caspase-1样蛋白酶。虽广泛用作工具化合物，但较高浓度时特异性不完全，因此最好视为偏向caspase-1而非完全选择性抑制剂。在SCI中，Karao?lan等在Wistar大鼠的早期实验提示伤后caspase-1抑制可减轻继发性组织损伤。腹腔注射Ac-YVAD-cmk（1 mg/kg，伤后1 min给药）后，与未治疗SCI相比，24 h多形核白细胞（PMNL）浸润显著减少，5天空腔形成、脱髓鞘和凋亡细胞死亡明显减轻，并伴随斜板试验和运动评分改善。Ac-YVAD-cmk也在斑马鱼SCI模型中评估，幼虫暴露于50 μM，药理学caspase-1抑制改变IL-1β相关炎症反应和轴突再生，效果随治疗时机变化。
6.2. VX-765 (Belnacasan)
VX-765（belnacasan）是口服生物利用度前药，在体内迅速转化为活性代谢物VRT-043198，为caspase-1亚家族高效选择性抑制剂。在生化和细胞测定中，VRT-043198对caspase-1的选择性较其他caspase高约100至10 000倍，并抑制人外周血单核细胞（PBMC）和全血中炎性小体依赖性IL-1β和IL-18释放，同时基本不影响非炎性小体细胞因子。在实验性SCI中，Chen等使用C57BL/6雌性小鼠T9挫伤模型，发现VX-765全身腹腔注射（100 mg/kg，伤后立即给药并每日1次共7天）显著降低损伤脊髓组织中切割caspase-1及下游IL-1β和IL-18水平，并使髓系和T细胞群体向抗炎表型转变。这些分子效应伴随病灶缩小、髓鞘化白质和腹角运动神经元保存增加，以及伤后21天起Basso Mouse Scale运动恢复显著改善。免疫印迹显示SCI显著增加caspase-1和caspase-3切割活性形式而不改变pro-caspase表达，VX-765可强烈抑制两种蛋白酶激活。这些结果支持caspase-1抑制作为SCI治疗策略，但不应解释为验证caspase-1作为生物标志物的效用；蛋白可为可行治疗靶点而不一定是可靠诊断或预后生物流体标志物。人类SCI中缺乏验证的炎性小体激活生物标志物，限制识别最可能获益患者和监测治疗反应。
7. Caspase-1 in Broader SCI Biomarker Landscape
尽管出现众多候选生物标志物，SCI生物标志物研究仍主要由临床前研究主导。星形胶质损伤标志物包括钙结合蛋白S100β和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）。神经元、轴突或髓鞘损伤候选标志物包括泛素C末端水解酶-L1（UCHL-1）、神经元特异性烯醇化酶（NSE）、髓鞘碱性蛋白（MBP）、神经丝蛋白-H和轻链（NF-H、NfL）以及微管相关蛋白2（MAP-2）。αII-血影蛋白降解产物（SBDP150/SBDP145/SBDP120）反映细胞骨架蛋白水解，IL-6和IL-8代表炎症生物标志物。其中SBDP150/145、UCHL-1、GFAP和S100β在大鼠SCI模型组织或CSF以及SCI患者中较健康参与者显著升高。UCHL-1、S100β和GFAP在AIS A级损伤患者中也更高，提示生物标志物水平与损伤严重程度相关。Wang等利用大鼠模型鉴定另外12种候选SCI生物标志物，其中转铁蛋白、组织蛋白酶D、磷酸丙糖异构酶1（TPI-1）和星形胶质细胞富集磷酸蛋白15（PEA15）在SCI患者人CSF样本中验证升高。在此背景下，caspase-1应视为与既有损伤标志物互补，而非固有优越。GFAP、UCHL-1、NfL和SBDPs主要报告星形胶质、神经元、轴突或细胞骨架损伤，而切割caspase-1或caspase-1酶活性可能更直接反映经典炎性小体参与，但该机制特异性尚未在人类SCI中验证。检测必须区分pro-caspase-1、切割caspase-1片段如p20和酶活性，循环测量还可能受系统性创伤和炎症影响。需要头对头纵向研究比较caspase-1与既有生物标志物组合，确定其是否提供额外诊断、预后或药效学价值。
8. Translational Barriers
尽管caspase-1抑制在SCI中有强临床前支持，但若干挑战阻碍向人类研究转化。临床数据几乎缺失，尚无早期试验评估caspase-1抑制剂、NLRP3阻断剂或下游IL-1β/IL-18拮抗剂在急性SCI中的作用。最佳治疗窗口仍不确定。尽管啮齿类数据证明伤后72 h内炎性小体激活显著，但该时间线是否适用于人类或是否需要超急性干预尚不清楚。此外，系统性炎性小体抑制可能产生脱靶免疫抑制，增加感染易感性或干扰必要炎症修复过程，鉴于IL-1β和IL-18在宿主防御细菌感染中的作用。关于caspase-1下游治疗的临床证据最强：在类风湿关节炎随机试验中，IL-1受体拮抗剂anakinra与安慰剂相比严重感染发生率数值更高，剂量>100 mg/day时风险显著增加；IL-1靶向治疗更广泛临床经验也发现感染性不良事件。caspase-1抑制本身是否具有类似感染风险尚不清楚。在VX-765的IIa期试验中，72.9%治疗参与者出现至少一种治疗中出现的不良事件（TEAE），安慰剂组为83.3%；严重TEAE在VX-765治疗组为6.3%，安慰剂组为0%。这些有限数据不能确定caspase-1抑制是否具有类似感染风险。若获临床验证，连续测量caspase-1活性可探索作为未来试验药效学标志物，结合感染相关免疫参数解释。最后，缺乏验证的炎性小体激活生物标志物：候选指标包括CSF IL-1β、IL-18、ASC斑点和切割GSDMD片段，尚未标准化、纵向评估或与人类神经结局关联。这些限制使剂量选择、患者分层和试验设计复杂化，强调需专门转化研究。
9. Conclusions
caspase-1是SCI中炎症与程序性细胞死亡交叉的中心机制节点，整合上游危险信号与IL-1β/IL-18产生及焦亡执行。多种啮齿类模型中，药理学抑制caspase-1一致改善结局，包括减轻病灶病理、减弱炎症信号和改善运动恢复。尽管数十年有前景的临床前工作，缺乏人类生物标志物研究、转化模型和早期临床试验仍限制进展。推进该领域需要协调努力，绘制人类炎性小体动力学、建立可测生物标志物、测试选择性抑制剂，并确定动物模型中的稳健获益能否在急性SCI患者中重现。
