《Communications Biology》：The challenge of cell death switching in inflammasome-targeted therapies for bacterial and viral infections
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炎症小体激活与细胞焦亡是固有免疫应答的核心环节，在宿主防御中发挥保护作用或致病作用。抑制这些过程对由炎症小体激活加重的疾病具有重要治疗前景。然而，临床靶向该通路仍面临挑战，因为阻断细胞焦亡可能触发替代性细胞死亡通路。在本篇小型综述中，研究人员总结了炎症小体激活
炎症小体激活与细胞焦亡是固有免疫应答的核心环节，在宿主防御中发挥保护作用或致病作用。抑制这些过程对由炎症小体激活加重的疾病具有重要治疗前景。然而，临床靶向该通路仍面临挑战，因为阻断细胞焦亡可能触发替代性细胞死亡通路。在本篇小型综述中，研究人员总结了炎症小体激活和细胞焦亡损害宿主防御的细菌和病毒感染类型，探讨了细胞死亡转换的潜在机制，并讨论了有效阻断多条细胞死亡通路及其潜在相互转化是当前干预策略的关键考量因素。
引言
炎症小体是通过激活炎性半胱天冬酶（inflammatory caspases）触发免疫应答的信号蛋白复合物，其激活在细菌、病毒、真菌及其他病原体感染或无菌性炎症的应答中发挥关键作用。经典炎症小体复合物由感受器蛋白、衔接蛋白ASC（也称为PYCARD）及酶效应蛋白caspase-1组成，感受器蛋白包括NLR家族成员如NLRP1、NLRP3、NLRP6、NLRP9、NLRP12、NLRC4，以及非NLR感受器如AIM2（ALR）、干扰素γ诱导蛋白16（IFI16）和pyrin。炎症小体激活后，caspase-1被活化并切割pro-IL-1β和pro-IL-18使其成熟，同时切割gasdermin D（GSDMD）产生具有膜成孔活性的N端结构域，该结构域介导细胞膜穿孔，促进成熟IL-1β和IL-18向胞外释放并触发细胞焦亡。非经典炎症小体通路则由逃逸吞噬溶酶体降解的细菌胞质脂多糖（LPS）启动，该识别机制不依赖TLR4，而是依赖炎性蛋白酶caspase-11/4/5，这些半胱天冬酶切割GSDMD进而启动细胞焦亡。炎症小体激活和细胞焦亡在宿主防御中具有双重作用：沙门菌感染早期，炎症小体激活发挥保护作用并促进细菌清除，Nlrp3缺陷小鼠对沙门菌感染的易感性显著升高，caspase-1?/?和caspase-11?/?小鼠在肠道沙门菌感染模型中也表现出更高的细菌负荷；感染慢性阶段，抑制NLRP3炎症小体的识别和激活反而有利于沙门菌持续定植。NLRP3炎症小体激活对金黄色葡萄球菌的病原监测和caspase-1/IL-1β驱动的清除也至关重要。甲型流感病毒（IAV）感染中，NLRP3启动有益的炎症反应，增强清除感染的固有免疫和适应性免疫；但随着疾病进展，过度的细胞焦亡促进大量炎性介质释放，可诱发细胞因子风暴，导致慢性炎症和多器官组织损伤等严重临床病理改变。因此，抑制炎症小体激活和细胞焦亡对治疗该类进程加重的疾病具有重要前景，目前已开发多种小分子NLRP3抑制剂进入临床前或早期临床评估阶段，包括首个特异性靶向NLRP3炎症小体的工具化合物MCC950（也称为CP-456、773或CRID3），以及CY-09、曲尼司特（Tranilast）、冬凌草甲素（oridonin）、四氢喹啉类化合物、OLT1177等。但不同细胞死亡通路并非独立运行，它们存在相互作用甚至可发生表型转换，因此有效阻断多条死亡通路及其潜在转化已成为当前干预策略的核心考量，本综述将总结炎症小体-细胞焦亡损害宿主防御的感染类型，探讨细胞死亡转换的机制，并讨论协同抑制策略如何指导新型宿主导向疗法的开发。
炎症性疾病中炎症小体激活的有害作用
炎症小体可根据病原体、感染背景、激活时机、病原体负荷和组织微环境等因素，介导保护性炎症应答或有害炎症应答，许多病原体可触发过度炎症小体激活，往往导致严重的免疫病理损伤而非有效宿主防御。
NLRP3与AIM2
细菌的NLRP3和AIM2炎症小体激活
NLRP3是研究最广泛的NOD样受体（NLRs）类炎症小体形成蛋白，组织分布广泛且在免疫细胞中表达水平最高，可识别病原体、微生物毒素、核酸、ATP、结晶物质等多种刺激，参与多种感染性和炎症性疾病的发病进程。革兰阳性菌和革兰阴性菌均可通过NLRP3激活损害宿主防御：一类核心机制是细菌成孔毒素或分泌系统破坏质膜完整性，导致K+外流、NLRP3组装、caspase-1激活及随后的细胞焦亡，结核分枝杆菌（ESX-1系统）、蜡样芽孢杆菌（溶血素BL）、产气荚膜梭菌（卵磷脂酶和perfringolysin O）、败毒梭菌（α-毒素）等均通过该途径触发过度炎症小体驱动的炎症，加重组织损伤、感染性休克或促进细菌播散；另一类有害机制是劫持宿主代谢，金黄色葡萄球菌通过α-毒素激活巨噬细胞NLRP3炎症小体，驱动宿主细胞糖酵解并耗竭胞质葡萄糖，这种葡萄糖限制降低细菌ATP水平并诱导抗生素耐受，而抑制NLRP3或补充外源性葡萄糖可恢复抗生素敏感性；志贺菌通过降解宿主glomulin蛋白激活NLRP3，诱导巨噬细胞焦亡以促进细菌逃逸和后续上皮侵袭。除此之外，NLRP3激活还参与多种急性或慢性炎症疾病：香烟烟雾暴露的肺组织中，铜绿假单胞菌通过NLRP3激活、线粒体自噬受损和p62积累进一步放大该过程，加重急性肺损伤；痤疮皮肤杆菌通过TXNIP-NLRP3轴驱动椎间盘退变；大肠埃希菌K1通过NLRP3/IL-18信号诱导神经元DNA双链断裂和永久性细胞衰老，参与脑膜炎发病。AIM2是响应胞质双链DNA（dsDNA）的炎症小体模式识别受体，弗朗西斯菌突变株XWK4可强烈激活AIM2和NLRP3，驱动大量细胞因子产生和细胞焦亡，造成显著细胞死亡和组织损伤，Asc?/?小鼠对该菌株的抵抗力更强。综上，NLRP3和AIM2激活不仅参与宿主防御，还可通过不同分子机制驱动免疫病理、细菌播散和慢性炎症性疾病。
病毒的NLRP3和AIM2炎症小体激活
细胞焦亡最初是抗病毒免疫的调节机制，但过度NLRP3激活可导致细胞因子风暴和高凝状态，这一特征在SARS-CoV-2和裂谷热病毒（RVFV）感染中均有体现。NLRP3依赖性细胞焦亡还可导致HIV-1、HSV-1、发热伴血小板减少综合征病毒（SFTSV）感染相关的神经炎症和神经元损伤；此外，细胞焦亡参与诺如病毒（MNV）、柯萨奇病毒A16和A10感染诱导的免疫病理和病毒播散，AIM2识别的猴痘病毒（MPXV）也可通过该通路驱动致病进程。这种调控失衡可诱发细胞因子风暴并促进病毒扩散，使细胞焦亡成为重症感染的核心致病机制之一。
NLRP6与NLRC4炎症小体
NLRP6（也称为NALP6和PYPAF5）在大肠和小肠中高表达，在人及小鼠的肺、肝、肾和脑中也有分布，其周转部分受转录水平调控，提示与NLRP3类似，其激活可能需要上游信号启动。在小鼠中可一致观察到NLRP6在细菌感染宿主应答中的有害作用：金黄色葡萄球菌肺部感染中，NLRP6抑制中性粒细胞功能（IFN-γ/ROS），驱动细胞焦亡和坏死性凋亡，加重炎症并提高死亡率；单核细胞增生李斯特菌感染的巨噬细胞中，NLRP6识别脂磷壁酸（LTA）激活caspase-1/11，促进IL-18成熟并加重病理损伤，Nlrp6?/?小鼠对该菌的易感性降低，表现为细菌负荷减少和IL-18产生下降，该菌的毒力因子李斯特菌溶素O（LLO）还可促进炎症小体衔接蛋白ASC寡聚化，驱动炎症病理进程。NLRC4（也称为CARD12、CLAN、CLAN1和IPAF）最初通过序列相似性检索发现，坏死性凋亡是由受体相互作用丝氨酸/苏氨酸激酶RIPK1和RIPK3介导、混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）执行的促炎程序性细胞死亡。金黄色葡萄球菌可激活NLRC4，驱动RIPK3-MLKL依赖性坏死性凋亡和IL-18产生，抑制中性粒细胞招募并削弱宿主防御；志贺菌触发NLRC4炎症小体，导致吞噬泡膜快速破裂，引起巨噬细胞焦亡和细菌增殖；耶尔森菌也可通过NLRC4炎症小体激活诱导宿主细胞焦亡；铜绿假单胞菌感染的Nlrc4?/?小鼠中，由于NLRC4驱动的IL-18分泌减少，过度中性粒细胞招募和肺损伤减轻，细菌清除增强且生存率提高。与NLRP3和AIM2相比，NLRC4和NLRP6较少被报道与病毒感染宿主防御的负调控相关。
GSDMD、GSDME与NINJ1
GSDMD是成孔蛋白，介导炎症小体激活后的裂解性细胞死亡，近期证据显示细胞死亡通路具有可塑性，细胞焦亡并非仅依赖炎症小体信号：GSDME的表达可通过caspase-3依赖性切割及随后的质膜成孔，将凋亡信号转换为裂解性细胞焦亡；膜蛋白NINJ1是质膜破裂的关键调控因子，其结构基础已被深入研究。重度甲型流感病毒感染的特征为过度炎症、显著细胞死亡和广泛上皮损伤，共同导致致死性肺病，研究显示GSDMD缺陷可增强对流感的抵抗力，表现为气道中性粒细胞浸润减少、促炎细胞因子水平降低、病毒负荷下降和肺病理损伤减轻；甲型流感病毒感染上调NINJ1表达，后者随后寡聚化并介导感染巨噬细胞裂解，体内敲除NINJ1可改善甲型流感病毒诱导的病毒性肺炎并降低死亡率。其他多种病毒也可利用GSDME介导的细胞焦亡驱动不同病理进程：HSV-2诱导的神经炎症、寨卡病毒相关的不良胎儿发育、鸭甲型肝炎病毒1型（DHAV-1）触发的致死性细胞因子风暴均与该通路相关。尽管抑制炎症小体激活或后续细胞焦亡可增强对某些细菌和病毒的宿主防御，但越来越多的证据表明，干扰单个模块很少直接导致生存结局改善，反而会推动细胞死亡执行向替代通路偏移。遗传或药物抑制炎症小体组分通常会改变主导细胞死亡模式并重编程相关炎症谱，虽然阻断GSDMD依赖性细胞焦亡可减少急性免疫病理，但上游危险信号可持续存在并通过凋亡、坏死性凋亡或其他gasdermin介导的裂解通路重定向；例如，在持续NLRP3激活条件下，Gsdmd缺陷巨噬细胞短暂暴露于NLRP3激活剂时无法发生细胞焦亡和分泌IL-1β，但在持续激活刺激下仍可释放细胞因子并发生细胞死亡，证实无GSDMD时存在替代性GSDME依赖性细胞死亡。因此即使GSDMD依赖性裂解被抑制，组织损伤和炎症放大仍可持续存在。
多条细胞死亡通路之间的串扰
宿主进化出协调且灵活的细胞死亡系统，多条细胞死亡通路的效应分子和启动子之间存在广泛的串扰。沙门菌感染中，单一细胞死亡通路缺失对宿主防御的影响很小，只有多个通路联合缺失才会导致细菌控制缺陷。程序性细胞死亡通路并非独立运行，而是作为协调整合的系统发挥作用，这些通路广泛互连并可灵活代偿，这种串扰的生物学意义最终指向细胞清除。这在感染宿主应答中尤为明显，多种细胞死亡形式被调动，提示特定调控分子主导不同细胞死亡模式的激活。
ASC平台作为细胞死亡信号的中枢
凋亡和坏死性凋亡是由共享信号衔接蛋白、激酶和蛋白酶调控的互补通路，caspase-8是该网络的核心分子，主要介导演示凋亡激活并抑制坏死性凋亡，近年被认为是调控凋亡、坏死性凋亡和细胞焦亡交叉调节的主分子开关。大量证据表明，caspase-8可通过切割GSDMD、GSDMC等gasdermin家族蛋白，促进从凋亡向细胞焦亡的转换；caspase-3也可通过切割GSDME促进类似的表型转换。除在死亡受体下游激活外，在经典刺激后的巨噬细胞中，caspase-8也可在NLRP3、AIM2和NLRC4炎症小体下游被募集，当caspase-1或GSDMD功能缺失时，ASC平台可募集并激活caspase-8，导致延迟的凋亡应答。结构和生化证据表明，ASC纤维可直接诱导procaspase-8的死亡效应结构域（DED）聚合，为其经典细胞焦亡被抑制时的相互作用提供了物理基础。细胞焦亡和凋亡的平衡受胞质DNA水平影响，caspase-8是AIM2和NLRP3依赖性凋亡通路的上游半胱天冬酶，在该通路中procaspase-8直接与ASC的pyrin结构域结合，整合入炎症小体复合物。NLRP3和ASC也可组装成保守的非经典平台，独立于炎症小体激活caspase-8，调控上皮细胞凋亡。此外，野生型巨噬细胞中caspase-8可被募集到Naip5/NLRC4/ASC炎症小体，但其激活需要caspase-1或GSDMD被抑制，一旦在该复合物内激活，caspase-8可促进从细胞焦亡向凋亡的转换，该机制可能拮抗抑制经典细胞焦亡组分的病原体。PANoptosis是由称为PANoptosome的多蛋白复合物介导的程序性细胞死亡通路，协调细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡之间的串扰，发生PANoptosis的细胞形成包含ZBP1、NLRP3、AIM2、RIPK1、RIPK3、ASC、caspase-1或caspase-8的独特斑点结构，提示炎症小体可能是PANoptosome的核心结构组分，这些复合物依赖支架蛋白ASC募集并组装不同的分子组分。甲型流感病毒感染中已明确多种NLRP3激活机制，包括通过ZBP1与其他细胞死亡通路串扰，ZBP1在应答甲型流感病毒感染时形成首个被确认的PANoptosome——ZBP1-PANoptosome。这种串扰凸显了炎症小体在感染中的复杂作用，其在协调强效宿主防御的同时，失控的应答也可能驱动迁延不愈的炎症性疾病。综上，ASC斑点可作为细胞死亡转换的平台介导替代性caspase激活。
线粒体作为细胞死亡模式的中枢
线粒体作为必需双层膜细胞器，其功能远不止ATP生成、代谢和钙稳态维持，还参与程序性细胞死亡和固有免疫应答，这使线粒体成为死亡通路激活过程中细胞命运的核心调控者。近期研究显示，部分gasdermin可通过与心磷脂相互作用，通透细胞内包括线粒体外膜（MOM）和线粒体内膜（MIM）在内的膜结构。线粒体活性氧（mtROS）是坏死性凋亡的关键驱动因素，可促进RIPK1自身磷酸化，进而促进RIPK3募集和功能坏死小体复合物组装以执行细胞死亡；此外mtROS可引导GSDMD与线粒体膜结合，该过程参与从细胞焦亡向坏死性凋亡的转换，GSDMD在线粒体膜上形成的孔道释放更多mtROS，形成正反馈环路，促进向RIPK1/RIPK3/MLKL依赖性坏死性凋亡偏移。GSDME也被报道可通透线粒体膜，导致细胞色素c释放和caspase-3激活，从而增强细胞死亡。线粒体还整合凋亡和细胞焦亡信号，例如NLRP3激活剂可抑制线粒体ATP生成并阻断细胞色素c释放，这种双重抑制作用作为调控开关，在触发NLRP3激活的同时阻断凋亡，协调两种通路之间的转换。凋亡过程中，BAX和BAK形成的巨孔促进mtDNA释放至胞质，释放的mtDNA是AIM2炎症小体激活的关键触发因素；同样，细胞焦亡和内在凋亡期间GSDMD和GSDME触发的线粒体通透也会导致mtDNA释放，从而放大和维持固有免疫及炎症应答。GSDMA优先靶向线粒体，破坏氧化磷酸化并促进线粒体蛋白和mtDNA释放，驱动炎症应答并加速细胞焦亡。因此即使细胞焦亡被抑制，持续的代谢和氧化还原应激仍可激活替代性或互补性细胞死亡通路，导致炎症损伤持续存在。
结论与展望
炎症小体是固有免疫系统的核心组分，参与自身免疫性疾病、脓毒症、代谢综合征、癌症和神经退行性疾病等多种疾病的发病进程。在感染与免疫背景下，细胞焦亡是一把双刃剑：其释放的危险信号可触发炎症反应以消除病原体复制生态位，但也可能导致病理性组织损伤和过度炎症。越来越多不同生物学背景下GSDMD激活通路被发现，将细胞焦亡从宿主固有免疫防御机制扩展为参与多种生理和病理进程的关键炎性细胞死亡程序。大量体内证据表明，靶向细胞焦亡的药物可在部分感染模型的短期内有效抑制病原体复制并减轻炎症应答，但代偿性细胞死亡通路的存在要求更宽泛的治疗策略。值得注意的是，程序性细胞死亡并非单一终末事件，可发生表型转换，研究感染期间细胞死亡通路的串扰和转换将为宿主免疫防御机制提供关键见解，这对学习如何调控这些通路及理解相关干预的临床意义至关重要。炎症小体研究已进入临床转化阶段，尤其是NLRP3炎症小体的基础研究发现正推进至人体试验。NLRP3炎症小体嵌入具有高度可塑性和代偿性串扰的细胞死亡通路网络中，这种复杂性对常规单靶点抑制剂构成显著挑战，这类抑制剂可能仅能短暂抑制炎症，却允许替代性裂解通路持续造成组织损伤。鉴于细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡之间存在广泛的串扰和功能冗余，靶向单一细胞死亡通路通常不足以预防病原体诱导的组织损伤或免疫病理。新兴证据提示了多种协同干预策略：GSDMD依赖性细胞焦亡被抑制后，上游炎症小体信号持续存在并可向替代性裂解通路转换；硅肺小鼠模型中，单独敲除Gsdmd或Gsdme均不能保护小鼠免于肺部炎症和纤维化，而Gsdmd?/?Gsdme?/?双敲除小鼠的病理损伤显著减轻，且仅caspase-1、caspase-3和caspase-8抑制剂联用可有效缓解硅肺，单用caspase-1抑制剂无效；继发性噬血细胞性淋巴组织细胞增多症（sHLH）小鼠模型中，同时基因删除GSDMD和GSDME可显著保护小鼠免于疾病死亡，而单独删除IL-1β/IL-18或任一gasdermin均无此效果，证明需同时阻断多个细胞死亡执行蛋白才能减轻NLRP3炎症小体驱动的病理损伤。开发治疗病原体感染诱导炎症的协同抑制策略，对管理炎症小体驱动的疾病具有重要前景，未来研究应评估这些联合策略在病原体驱动炎症中的安全性和有效性，平衡抗微生物防御与遏制免疫病理的需求。
