综述：Caspase-1抑制：机制见解及至今已报道抑制剂的全面综述

《Inflammopharmacology》：Caspase-1 inhibition: mechanistic insights and comprehensive review of reported inhibitors to date

　　

Caspase-1是一种关键蛋白酶，通过介导促炎细胞因子IL-1β和IL-18的成熟以及诱导细胞焦亡来调节炎症。Caspase-1活性失调与多种炎症、自身免疫和代谢疾病有关。本综述系统分析了天然、合成和计算机预测的Caspase-1抑制剂，强调了它们的结构、机制和药理学特征。研究人员提供了细胞和酶抑制的数据，包括IC₅₀值（当可用时），并列出了已进入临床前或临床试验的化合物。Caspase-1的选择性抑制仍然具有挑战性，因为催化结构域和底物结合口袋在Caspase家族中高度保守，这使得设计特异性抑制剂变得困难。尽管许多已报道的候选物显示出有前景的Caspase-1抑制活性，然而，仍然缺乏关于Caspase-1特异性抑制剂的研究，需要进一步通过体内、体外和计算机模拟方法研究新型有效的Caspase-1抑制剂及其细胞毒性、生物利用度和溶解性。

**Introduction**
炎症是宿主清除病原体、清除受损细胞并促进组织修复以恢复稳态的基础生物反应，但失调的炎症反应会促进自身免疫疾病、神经退行性并发症、代谢紊乱和癌症的发生。炎症分为急性（自限性、快速）和慢性（持续数月甚至数年，导致组织损伤）。Caspase家族中的半胱氨酸依赖性天冬氨酸特异性蛋白酶在调节炎症和程序性细胞死亡中起核心作用，其中Caspase-1是协调先天免疫反应的原型酶。Caspase-1通过炎症小体激活后，加工pro-IL-1β和pro-IL-18为成熟形式，并激活gasdermin D（GSDMD）诱导细胞焦亡。Caspase-1的异常调控与多种炎症和免疫介导疾病相关，因此成为有吸引力的治疗靶点。本综述旨在提供Caspase-1激活和抑制的全面机制视角，整合计算、实验和临床前研究证据。

**Methodology**
通过PubMed、ScienceDirect和Google Scholar等主要科学数据库系统检索关于Caspase-1抑制剂的文献，关键词包括caspase-1抑制剂、炎症小体抑制、NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18抑制。纳入标准为提供直接证据证明Caspase-1抑制或NLRP3炎症小体通路调节的研究，排除非同行评审文章和重复文献。此外，使用BRENDA酶数据库和Google/ResearchGate等资源进行额外验证和全文获取。

**Caspases: classifications and biology**
Caspase是半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶，具有不同功能：Caspase-1参与炎症和先天免疫，Caspase-3和Caspase-7参与凋亡，Caspase-10参与凋亡信号，Caspase-12参与内质网应激反应，Caspase-14参与皮肤分化。所有Caspase具有相似的基本结构和功能，但激活机制和底物特异性不同。根据结构和功能分类，包括炎症性Caspase和凋亡性Caspase（起始Caspase和效应Caspase）。

**Inflammatory caspases**
人类炎症性Caspase包括Caspase-1、-4和-5，小鼠中包括Caspase-1和-11（Caspase-11是人类Caspase-4和-5的功能同源物）。Caspase-12在小鼠中表达，功能有限。这些Caspase通过炎症小体复合物激活，其中Caspase-1在裂解IL-1β和IL-18并诱导细胞焦亡中起关键作用。

**Apoptotic caspases**
起始Caspase（Caspase-2、-8、-9、-10）含有死亡效应结构域（DED）或Caspase募集结构域（CARD），通过寡聚信号复合物自加工，启动凋亡级联。效应Caspase（Caspase-3、-6、-7）由起始Caspase激活，协同降解结构蛋白并刺激其他酶，导致凋亡相关的形态学和生化改变。

**Other caspases**
Caspase-14具有高度组织特异性表达，主要局限于哺乳动物角化上皮。Caspase-16的存在和功能仍存争议，可能为假基因。Caspase-13在人类中未检测到表达，可能仅在牛类中存在。

**Structural and functional insights of caspase-1**
Caspase-1又称白细胞介素-1转换酶（ICE），是一种天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶。它以无活性的酶原形式存在，通过炎症小体募集后被激活，自催化裂解为p20和p10亚基，形成催化结构域和活性位点（催化二联体C285和H237）。活性Caspase-1由两个p20/p10异二聚体组成，其CARD结构域与ASC和NLRC4等蛋白相互作用，形成炎症小体。

**NLRP3: occurrence, activation, and role in inflammation**
NLRP3炎症小体是一种多蛋白复合物，由传感器蛋白NLRP3、适配蛋白ASC和pro-caspase-1组成，存在于免疫细胞和非免疫细胞中。其激活遵循两步机制：第一步（启动）通过TLR识别PAMPs/DAMPs，激活NF-κB通路，上调NLRP3、pro-IL-1β和pro-IL-18的表达；第二步（激活）由细胞应激信号（如K+外流、Ca2+内流、ROS、线粒体功能障碍等）触发，NEK7和TXNIP促进NLRP3构象变化和寡聚化。活化的NLRP3通过PYD-PYD相互作用招募ASC，ASC聚合形成ASC斑点，再通过CARD-CARD相互作用招募pro-caspase-1，导致Caspase-1自催化激活。活化的Caspase-1加工pro-IL-1β和pro-IL-18为成熟形式，并裂解GSDMD释放N端片段，形成膜孔，促进IL-1β和IL-18分泌并诱导细胞焦亡。

**Role of caspase-1 inhibitors in inflammation**
Caspase-1抑制剂在调节过度炎症反应中起关键作用，通过抑制IL-1β和IL-18的成熟，用于治疗慢性炎症疾病（如痛风、类风湿关节炎、炎症性肠病）、自身免疫疾病（如多发性硬化、系统性红斑狼疮）和神经炎症疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病）。然而，完全抑制Caspase-1可能削弱免疫系统对感染的防御能力，并可能增加恶性肿瘤风险。因此，需权衡风险与治疗获益。

**Caspase-1 inhibitors**
*In silico*
计算机模拟抑制剂通过分子对接、虚拟筛选、结构药物设计、网络药理学、QSAR和分子动力学模拟等方法鉴定。例如，González-Cofrade等人从秋水仙中筛选出colchicine、dexamethasone、raloxifene等化合物，其中三萜类化合物6和14对Caspase-1活性抑制的IC₅₀分别为1.15 μM和0.19 μM（IL-1β分泌），以及2.21 μM和0.13 μM（细胞焦亡）。从Maytenus octogona中分离的醌甲基三萜类化合物（如hydroxytingenone、tingenone、pristimerin）也表现出抑制潜力。其他化合物如eleutheroside A、liriodenrin等靶向TLR4/NF-κB/NLRP3通路。合成小分子包括2-(2S,8S,11S)-11-([1,1’-Bi-phenyl]-4-ylmethyl)-8-benzyl-3,6,9,12-tetraoxo-1,4,7,10-tetraazacyclododecan-2-yl) acetic acid、aspartyl acyloxyalkyl ketones和triaminopyrimidine等。数据库驱动虚拟筛选从ZINC数据库识别出belnacasan (VX-765)、ZINC00885612等化合物；从ChEMBL识别出linagliptin、icariin等；从PubChem识别出blumeatin、luteolin等。这些方法加速了新型Caspase-1抑制剂的发现。

*In vitro and in vivo*
多种天然和合成化合物经实验验证具有Caspase-1抑制活性。例如，JZ-1（含berberine、astilbin等）抑制病毒复制并减少Caspase-1依赖性细胞焦亡；thymoquinone抑制黑色素瘤细胞中NLRP3炎症小体激活；morin和多不饱和脂肪酸降低IL-18和Caspase-1表达；多酚类化合物（如ellagic acid衍生物）抑制Caspase-1活性；6-gingerol抑制脑组织中NLRP3/Caspase-1/IL-1β/IL-18轴；bakuchiol抑制ASC、NLRP3和Caspase-1；malvidin-glucoside减少Caspase-1活性。黄酮类化合物（如baicalin、chrysin、didymin、quercetin）持续抑制ASC、NLRP3和Caspase-1并下调细胞因子。其他多酚如punicalagin、procyanidins、trilobatin抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD轴。生物碱类（如neferine、cathinone、berberine、sinomenine）也表现出Caspase-1抑制活性。合成抑制剂如VX-765和VRT-043198在纳摩尔水平（3.96 nM和9.91 nM）抑制Caspase-1。传统方剂如Mahuang Fuzi Xixin和Qiji Shujian颗粒剂量依赖性地抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD通路。

*Clinical and pre-clinical inhibitors for caspase-1*
多种抑制剂已进入临床前或临床试验。Ac-YVAD-CHO在大鼠内毒素血症模型中表现出选择性Caspase-1抑制。Z-YVAD-FMK是肽基不可逆抑制剂，靶向Caspase-1和Caspase-4。Q-VD-OPh广谱抑制Caspase-1、-2、-3、-6、-8和-9，在创伤性脑损伤和脊髓损伤模型中显示神经保护作用。VX-765（Belnacasan）是口服生物可利用的前药，特异性抑制Caspase-1，曾进入II期临床试验用于难治性癫痫和炎症并发症，但因肝毒性终止。VX-740（Pralnacasan）是肽模拟抑制剂，用于类风湿关节炎和骨关节炎，也因肝毒性终止。VX-166是多Caspase抑制剂（靶向Caspase-1、-3、-7），在盲肠结扎穿刺诱导的脓毒症模型中显示保护作用。

**Prospects and recommendations**
需要进一步研究Caspase-1在炎症小体中的精确分子机制，利用冷冻电镜和单细胞研究识别新的调控位点和相互作用通路。开发更安全、更有效、更具选择性的Caspase-1抑制剂，包括天然来源和合成化合物，并评估其体内外安全性和有效性。加强跨学科合作（结构生物学、生物化学、分子生物学、临床医学等），促进基础和转化研究，建立标准化的临床使用指南。

**Conclusion**
Caspase-1是炎症和细胞焦亡的关键调节因子，通过IL-1β和IL-18的成熟发挥核心作用，其异常调控与多种慢性炎症和自身免疫疾病相关。本综述综合了计算、实验和临床前研究证据，全面探讨了Caspase-1激活和抑制的机制。多种抑制剂（天然植物化学物、合成分子、计算机预测化合物）在体外、体内和临床前模型中显示出抗炎潜力，调节NLRP3/Caspase-1/IL-1β轴。天然黄酮类、酚酸和多酚提取物是最有吸引力的候选物，兼具抗炎和抗氧化作用。合成抑制剂特异性高，但选择性和生物利用度等问题仍需解决。未来需整合多种方法以发现更有效、更安全的Caspase-1选择性抑制剂。