《Frontiers in Immunology》：Caspases and programmed cell death in sepsis: mechanisms, pathophysiology, and therapeutic targets
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脓毒症是一种危重医学状态，其特征为由机体对病原体感染失控的全身性反应所致的器官功能损害，给重症监护管理带来重大挑战。作为关键病理机制，程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）对脓毒症的发生发展具有决定性作用，而半胱天冬酶（caspa
脓毒症是一种危重医学状态，其特征为由机体对病原体感染失控的全身性反应所致的器官功能损害，给重症监护管理带来重大挑战。作为关键病理机制，程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）对脓毒症的发生发展具有决定性作用，而半胱天冬酶（caspases）则作为调控多种PCD方式的中心分子枢纽，包括细胞凋亡（apoptosis）、程序性坏死（necroptosis）、细胞焦亡（pyroptosis）及PANoptosis。在本文中，研究人员综述了半胱天冬酶的分类及结构特征，阐释其调控上述4种PCD通路的分子机制，并明确这些PCD形式在脓毒症所致免疫失衡与器官损伤中的双重病理作用。此外，还总结了以半胱天冬酶为靶点的治疗策略，为开发脓毒症新型靶向治疗提供理论依据。
1 Introduction
本文首先界定脓毒症的核心本质并非单纯感染本身，而是感染诱导的宿主免疫炎症反应失调。文章指出，脓毒症可进一步演变为多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）乃至脓毒性休克，并常并发脓毒症相关急性肺损伤、脓毒症相关急性肾损伤、脓毒症相关脑病及脓毒症诱导心肌损伤。尽管当前临床已在液体复苏、抗感染、器官功能维持及抗炎调控方面取得进展，但由于起病急、进展快、病情重以及耐药菌流行等因素，脓毒症治疗仍面临显著局限。文章进一步强调，程序性细胞死亡（PCD）贯穿脓毒症发生、进展和预后全过程，既是感染信号转导与组织器官损伤之间的重要桥梁，也是免疫防御与炎症失控转换的关键节点。半胱天冬酶（caspases）作为进化保守的半胱氨酸蛋白酶家族，居于多种PCD调控网络中心，因此解析其在脓毒症中的调控机制具有重要理论与转化价值。
2 Classification of caspases
在分类方面，文章指出目前已鉴定出caspase-1至caspase-14共14个成员，其中caspase-13在人类中不表达，caspase-14主要参与角质形成细胞分化，不属于经典意义上的半胱天冬酶。按功能可分为凋亡起始型半胱天冬酶、凋亡执行型半胱天冬酶及炎性半胱天冬酶三大类。结构上，半胱天冬酶通常以无活性的酶原（pro-caspases）形式存在，C末端由大、小两个催化亚基构成，其中大亚基含保守半胱氨酸活性位点。部分成员还具有N末端非酶结构域，如死亡效应结构域（death effector domain，DED）和半胱天冬酶募集结构域（caspase activation and recruitment domain，CARD），二者均属于死亡结构域（death domain，DD）超家族，可通过同源或异源相互作用组装信号平台并触发级联反应。执行型半胱天冬酶则缺乏这些募集结构域，需经起始型半胱天冬酶切割后方可激活。作者据此说明，结构差异决定了不同家族成员在多种PCD通路中的特异性调控作用。
3 Caspases in apoptosis
文章将细胞凋亡描述为高度保守的PCD形式，具有细胞皱缩、染色质固缩、核碎裂及凋亡小体形成等典型形态学特征。与其他死亡方式不同，凋亡细胞通常被迅速清除而不引发明显炎症。其生化本质是以半胱天冬酶级联反应为核心的蛋白水解过程。凋亡可分为内源性线粒体通路与外源性死亡受体（death receptor，DR）通路，分别以caspase-9和caspase-8为起始因子。内源性通路中，DNA损伤和氧化应激等胞内刺激可改变促凋亡与抗凋亡蛋白平衡，增加线粒体膜通透性，促使细胞色素c释放并启动下游caspase级联。外源性通路则由Fas-FasL等死亡配体与受体结合开始，随后通过Fas相关死亡结构域蛋白（Fas-associated death domain，FADD）募集pro-caspase-8形成死亡诱导信号复合物（death-inducing signaling complex，DISC），经近距离自切割激活后，进一步启动执行型半胱天冬酶并完成凋亡程序。
4 Caspases in necroptosis
程序性坏死（necroptosis）被概括为一种依赖混合谱系激酶结构域样蛋白（mixed lineage kinase domain-like protein，MLKL）的炎性PCD形式。其核心特征在于形成MLKL膜孔，导致细胞破裂和胞内内容物外泄，从而引发明显炎症反应。文章指出，caspase-8是该通路最关键的调控蛋白，决定细胞在死亡受体信号刺激后趋向凋亡还是程序性坏死。以肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）通路为例，当caspase-8受抑时，受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1和3（receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 1/3，RIPK1/3）结合并发生磷酸化，继而招募并磷酸化MLKL，促使其寡聚化、膜转位及成孔，最终造成Ca
2+内流、细胞肿胀、膜破裂以及损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）释放。相反，当caspase-8活化时，可切割RIPK1和RIPK3，阻断坏死性信号转导，并同时激活caspase-3，使细胞死亡模式转向凋亡。文中还强调，caspase-8与细胞型FLICE抑制蛋白（cellular-FLICE inhibitory protein，cFLIP）形成异源二聚体后，可发挥支架功能以阻止RIPK1-RIPK3坏死小体组装，从而同时抑制凋亡和程序性坏死，维持细胞存活。
5 Caspases in pyroptosis
细胞焦亡（pyroptosis）是一种依赖Gasdermin（GSDM）家族蛋白的炎性PCD方式，其本质是Gasdermin N端成孔结构域在细胞膜上寡聚形成孔道，诱导细胞裂解并释放炎性介质。文中指出，GSDMA-GSDME均具有N端成孔结构域和C端抑制结构域，焦亡激活后连接区被特异性切割，N端得以释放并转位至质膜形成孔道，促进白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18分泌。半胱天冬酶是最主要的GSDM切割酶。焦亡可分为炎性半胱天冬酶介导型和凋亡相关半胱天冬酶介导型。前者包括经典通路和非经典通路，主要作用于GSDMD。经典通路依赖炎性小体组装，由模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）、含CARD的凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）及pro-caspase-1组成；炎性小体形成后，caspase-1被激活，进而切割GSDMD并促进IL-1β、IL-18成熟释放。非经典通路则由脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）直接结合人caspase-4/5或小鼠caspase-11触发，继而激活GSDMD。文章还特别指出，多种凋亡相关半胱天冬酶可切割其他Gasdermin成员，如caspase-3切割GSDME、caspase-8切割GSDMC/GSDMD/GSDME、caspase-6切割GSDMC、caspase-7切割GSDMB，提示焦亡与凋亡之间存在显著交叉放大机制。
6 Caspases in PANoptosis
PANoptosis被定义为一种整合凋亡、程序性坏死和细胞焦亡关键特征的新兴PCD方式，其核心在于不同死亡通路之间的高度串扰与协同激活。文章指出，PANoptosis由PANoptosome这一多分子复合体介导，其组装依赖传感器、衔接蛋白和催化效应分子的协同作用。传感器包括NLRP3、黑色素瘤缺失因子2（absent in melanoma 2，AIM2）和Z-DNA结合蛋白1（Z-DNA binding protein 1，ZBP1）等，可识别病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）或DAMPs；随后招募ASC、FADD以及caspase-1/8、RIPK1/3等执行成分，共同触发细胞死亡。作者强调，caspase-8在PANoptosis中具有枢纽地位：其活化时可驱动caspase-3与GSDMD介导的凋亡/焦亡，而其失活时则可通过支架作用促进RIPK1装配并将死亡模式转向程序性坏死；此外，caspase-1和caspase-6亦分别通过增强炎症放大和促进ZBP1-RIPK3复合体形成而参与该过程。
7 Caspase-related PCD modalities in sepsis
本文主体重点论述了多种caspase相关PCD在脓毒症中的双相作用。凋亡在感染早期有助于清除活化中性粒细胞、限制过度炎症，但疾病进展后，持续且过度的凋亡会出现在重要器官实质细胞和免疫细胞中，导致器官损伤及免疫抑制。文中总结了PI3K-Akt、MAPK、p53和TLR4-NF-κB等经典信号轴在脓毒症相关器官损害中的作用。程序性坏死则主要通过RIPK1-RIPK3-MLKL轴放大炎症、释放DAMPs并加重器官损伤，但在感染早期也可能通过限制某些免疫细胞过度活化而发挥一定保护效应。焦亡方面，早期适度激活有助于宿主抗感染，然而持续激活则可造成炎症因子风暴和MODS，NLRP3、GSDMD、IL-1β升高与脓毒症严重损伤密切相关。PANoptosis同样具有双重性：一方面有助于识别并清除感染细胞，另一方面过度激活时可引发TNF-α、IL-1β和IL-6大量释放，导致血管通透性增加、中性粒细胞募集及多器官损伤。文章进一步提出，脓毒症不同阶段的PCD转换受若干关键分子开关调控，如caspase-8/cFLIP比值以及GSDMD向GSDME的转换，这些变化决定了疾病从保护性免疫向病理性炎症和免疫麻痹的转变。
8 Targeting caspases in sepsis therapy
在治疗层面，文章系统梳理了针对不同半胱天冬酶的干预策略。广谱抑制剂如Z-VAD和M-920可阻断多种caspase活性，在动物模型中提高生存率并减少淋巴细胞丢失，但也可能因抑制caspase-8而促使细胞转向程序性坏死。针对caspase-3的抑制被认为有助于减少器官实质细胞和免疫细胞凋亡，并限制GSDME介导的继发性焦亡。针对焦亡通路的治疗主要聚焦于caspase-1及caspase-4/5/11轴，包括干预NLRP3炎性小体组装、阻断ASC寡聚化、抑制caspase-11自切割，以及减少胞质LPS内吞等。文章还讨论了caspase-7在抑制GSDMB介导的非经典焦亡中的潜在保护作用，提示其并非单纯促损伤因子。对于PANoptosis，caspase-8被视为最具潜力但也最复杂的靶点；其活性受cFLIP、Nemo-like kinase（NLK）以及TNF-α/IFN-γ相关信号调控。作者强调，由于不同死亡通路之间存在高度冗余和代偿，单一靶点抑制往往不足以阻断病理过程，联合阻断多个节点可能更具治疗价值。
9 Conclusion
结论部分指出，半胱天冬酶通过调控多种程序性细胞死亡方式，处于脓毒症病理生理网络的中心。正常情况下，这些通路有助于清除感染并维持宿主防御；而一旦调控失衡，则会导致免疫耗竭、细胞因子风暴及血管屏障崩溃。文章同时指出当前领域仍存在若干关键问题，包括PANoptosome确切组成、不同传感器在多菌种脓毒症中的主导性、caspase活化的时空层级关系，以及不同细胞类型中相同caspase的功能异质性。此外，动物模型与人类脓毒症之间仍存在明显种属差异与临床转化障碍。作者认为，结合单细胞RNA测序、空间转录组学以及多组学整合分析，有望更精准地识别脓毒症中主导性死亡机制和上游可药物化调控节点，从而推动基于半胱天冬酶-PCD网络的精准治疗发展。
