免疫反應(yīng)是生命活動(dòng)的重要組成部分，絕大部分疾病的發(fā)生都與免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的某種缺陷有關(guān)。人體免疫系統(tǒng)的根本使命是識(shí)別“非我”和“異我”物質(zhì)，如病原、腫瘤，繼而采取應(yīng)對(duì)措施。
細(xì)胞焦亡是一種自主的細(xì)胞程序性死亡，可以使機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，表現(xiàn)為細(xì)胞膜的不斷脹大并最終破裂，這個(gè)過程會(huì)伴隨細(xì)胞內(nèi)容物的大量釋放和機(jī)體的免疫激活。這種炎癥反應(yīng)在很多疾病中都非常關(guān)鍵，也是癌癥免疫治療的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。
近十年隨著免疫檢查點(diǎn)抑制劑的問世，腫瘤免疫的力量被人們所熟知，但較低的臨床響應(yīng)率限制了其臨床使用。雖然細(xì)胞焦亡對(duì)于癌癥治療的作用還處于研究階段，但希望這些研究能為癌癥治療提供一個(gè)全新角度。
免疫系統(tǒng)的防御機(jī)制
人體免疫系統(tǒng)分為獲得性免疫系統(tǒng)和天然免疫系統(tǒng)兩類。
獲得性免疫系統(tǒng)可以針對(duì)某個(gè)病原體，由B細(xì)胞產(chǎn)生特異性抗體或具有殺傷性的特異性T細(xì)胞，從而識(shí)別病原體，清除“異我”。整個(gè)過程通常需要幾天時(shí)間。獲得性免疫具有抗原依賴性、高度特異性以及免疫記憶性，是人體免疫系統(tǒng)的第二道防線。
而作為人體第一道防線的天然免疫系統(tǒng)，在受到病原體感染時(shí)，與前者需要花費(fèi)幾天時(shí)間不同，它可以快速啟動(dòng)炎癥反應(yīng)，并活化獲得性免疫系統(tǒng)。這個(gè)免疫過程因?yàn)椴灰蕾嚳乖�，因此具有廣譜性。
理解天然免疫系統(tǒng)最重要的途徑是發(fā)現(xiàn)天然免疫系統(tǒng)中各種類型的“偵探”分子，也就是所謂的免疫受體分子。它們就像“偵探”一樣，“壞人”來了就能識(shí)別出來。
2011年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予該領(lǐng)域的三位科學(xué)家，表彰他們?cè)谔烊幻庖呦到y(tǒng)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)。法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)教授Jules A.Hoffmann和美國(guó)得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心教授Bruce A.Beutler發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)識(shí)別病原細(xì)菌的天然免疫受體；美國(guó)洛克菲勒大學(xué)教授Ralph M. Steinman發(fā)現(xiàn)了天然免疫識(shí)別病原最重要的一類細(xì)胞——樹突狀細(xì)胞，其細(xì)胞表面含有大量免疫受體分子。
前兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)“偵探”樣免疫受體分子是Toll樣受體4，其可以識(shí)別細(xì)菌細(xì)胞壁上一個(gè)最重要的成分——脂多糖（LPS），并將受細(xì)菌感染的信息傳導(dǎo)給機(jī)體細(xì)胞。Toll樣受體4通過一個(gè)程序讓細(xì)胞核里的基因翻譯表達(dá)出一系列促炎癥的抗感染蛋白分子，繼而活化免疫系統(tǒng)，抵抗細(xì)菌感染。
后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這樣的Toll樣受體大概有十幾種，它們都定位在細(xì)胞膜上，像“偵探”一樣監(jiān)測(cè)著病原信號(hào)。但是，如果浸染機(jī)體的病原細(xì)菌穿過細(xì)胞膜直接鉆到細(xì)胞質(zhì)中，那么Toll樣受體在細(xì)胞外的“偵察”就無(wú)法發(fā)揮作用了。
一個(gè)非常經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)記錄了病原細(xì)菌鉆到細(xì)胞里面后，細(xì)胞發(fā)生的變化。健康的活細(xì)胞有嚴(yán)格的過濾系統(tǒng)，可以阻止染料分子進(jìn)入。但當(dāng)細(xì)胞被細(xì)菌感染時(shí)，其細(xì)胞膜的通透性發(fā)生變化，細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致染料分子進(jìn)入細(xì)胞。也就是說，被感染的細(xì)胞發(fā)生了裂解性死亡。這就是細(xì)胞焦亡，一種快速的、程序化的、裂解性的細(xì)胞死亡。
細(xì)胞焦亡“真相大白”
細(xì)胞焦亡和傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡有什么差別？
簡(jiǎn)單來說，細(xì)胞凋亡是生理性過程，細(xì)胞皺縮，細(xì)胞膜維持完整，細(xì)胞質(zhì)不會(huì)泄漏。發(fā)生凋亡的細(xì)胞會(huì)迅速被巨噬細(xì)胞清除，且不誘發(fā)炎癥免疫反應(yīng)，是“干凈”的死亡。
細(xì)胞焦亡是病理性過程，細(xì)胞脹大至細(xì)胞膜破裂，繼而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物泄漏，產(chǎn)生強(qiáng)烈的炎癥免疫反應(yīng)，是“臟”的死亡。更多來說，細(xì)胞焦亡是應(yīng)對(duì)病理性的條件。
1996年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞焦亡依賴蛋白酶分子Caspase-1。如果細(xì)胞里沒有這個(gè)分子或者人為把它拿掉，細(xì)胞焦亡就不能發(fā)生了。這從根本上將細(xì)胞焦亡與其他細(xì)胞死亡途徑區(qū)分開來。
我們實(shí)驗(yàn)室的工作發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)和Caspase-1比較像的分子，在小鼠里叫Caspase-11，對(duì)應(yīng)人體的Caspase-4和Caspase-5，其也可以活化細(xì)胞焦亡。這些Caspase像一把“剪刀”，可以切割并活化底物分子。與定位在細(xì)胞膜上的Toll樣受體4功能類似，Caspase-11也可以識(shí)別LPS，不同之處是它存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。如果LPS鉆到細(xì)胞內(nèi)，那么識(shí)別LPS的分子就是Caspase-11了。隨著識(shí)別的發(fā)生，細(xì)胞焦亡開始被激活。
Caspase家族激活細(xì)胞焦亡的機(jī)制是什么？2015年，我們實(shí)驗(yàn)室取得了一個(gè)非常大的突破——首次鑒定出細(xì)胞焦亡特異性的關(guān)鍵效應(yīng)分子Gasdermin D（GSDMD）。當(dāng)機(jī)體的免疫受體識(shí)別細(xì)菌感染信號(hào)后，會(huì)通過Caspase1/11等蛋白酶切割并活化GSDMD，誘發(fā)細(xì)胞焦亡，激活抗細(xì)菌免疫反應(yīng)。相關(guān)研究被《自然—免疫學(xué)》雜志認(rèn)為是“20年來國(guó)際免疫學(xué)領(lǐng)域20項(xiàng)標(biāo)志性進(jìn)展”之一。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD及其所屬的整個(gè)GSDM家族蛋白（GSDMA～E）被活化后都會(huì)在細(xì)胞膜上打孔，最終致使細(xì)胞膜破裂，引發(fā)細(xì)胞焦亡，細(xì)胞同時(shí)釋放出炎癥因子等物質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)澄清了細(xì)胞焦亡是裂解性細(xì)胞死亡的本質(zhì)，焦亡過程中會(huì)發(fā)生細(xì)胞膜通透直至破裂。因此細(xì)胞焦亡和凋亡是性質(zhì)相反的兩種細(xì)胞死亡方式。
也就是說，細(xì)胞焦亡通過炎性物質(zhì)及細(xì)胞內(nèi)容物的釋放，向整個(gè)機(jī)體發(fā)出警示動(dòng)員信號(hào)；而細(xì)胞凋亡是一種“安靜”的死亡，介導(dǎo)正常的生理發(fā)育過程。比如，蝌蚪變青蛙的發(fā)育過程中尾巴會(huì)消失，此過程中細(xì)胞的死亡是凋亡，其不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生其他影響，更不會(huì)誘發(fā)炎癥反應(yīng)。
GSDM家族蛋白與很多疾病相關(guān)，它們就好比一個(gè)個(gè)“小炸彈”，平時(shí)“小炸彈”沒有被點(diǎn)燃，就不能在細(xì)胞膜上打孔。不同的“小炸彈”以不同的方式被引爆，也就是說，不同的GSDM家族蛋白以不同的方式被活化——GSDMD是被Caspase1/11這兩把“剪刀”剪開的，而其他GSDM分子也許是被別的“剪刀”剪開的。這也是我們過去幾年一直在研究的事情。
非常神奇的是，GSDM分子在非常低等的生物如水螅、珊瑚蟲里都存在。珊瑚有白化現(xiàn)象，我們覺得這或許也與這類基因有關(guān)系，當(dāng)然這只是一個(gè)假說�？偨Y(jié)來說，細(xì)胞焦亡的核心特征就是GSDM家族蛋白的參與和活化。
控制細(xì)胞焦亡可以治療疾病
細(xì)胞焦亡是天然免疫系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。免疫受體的存在可以檢測(cè)到“壞人”來了，然后通過“剪刀”把GSDM分子活化，使細(xì)胞發(fā)生促炎性反應(yīng)來消滅“壞人”。所以，如果把小鼠的Gsdmd打孔分子拿掉，阻斷細(xì)胞焦亡的發(fā)生，那么小鼠在面對(duì)很多細(xì)菌的感染時(shí)就會(huì)很脆弱和敏感，很容易死亡。但當(dāng)細(xì)胞焦亡過度或失控的時(shí)候，又會(huì)引發(fā)很多與炎癥相關(guān)的疾病。因?yàn)槊庖吆脱装Y永遠(yuǎn)是一把“雙刃劍”，過度焦亡會(huì)帶來副作用。因此，細(xì)胞焦亡與疾病治療有密切關(guān)系。
“炎癥風(fēng)暴”里一個(gè)非常著名的疾病叫內(nèi)毒素休克，在人類疾病里被稱為膿毒癥，也叫敗血癥。當(dāng)細(xì)菌感染發(fā)生時(shí)，如果只有局部的輕微感染，比方說腸道感染，就會(huì)拉肚子或者發(fā)燒；但如果感染程度嚴(yán)重，很多細(xì)菌跑進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)，擴(kuò)散得血液里到處都是，就會(huì)導(dǎo)致“炎癥風(fēng)暴”，從而產(chǎn)生膿毒癥，最終導(dǎo)致多器官功能紊亂休克。膿毒癥的致死率達(dá)30%~70%，目前沒有特效藥，每年有1800萬(wàn)人死于該疾病，重癥監(jiān)護(hù)室里超過1/3的病人最終死于該癥。
我們利用小鼠膿毒癥模型，使其感染大量細(xì)菌，或者直接注射細(xì)菌LPS——細(xì)菌里面最廣泛存在的分子。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校琇PS會(huì)被Caspase-11識(shí)別，同時(shí)Caspase-11被活化。這把“剪刀”打開以后，就會(huì)切割焦亡底物GSDMD，細(xì)胞發(fā)生焦亡。正常的小鼠在膿毒癥發(fā)生后一天就死了，但是如果把Casp11或Gsdmd兩個(gè)基因中的任何一個(gè)從小鼠體內(nèi)敲除，小鼠就會(huì)因?yàn)榧?xì)胞焦亡被很大程度地抑制而存活下來。
這項(xiàng)工作說明，全身性細(xì)胞焦亡是導(dǎo)致膿毒癥的關(guān)鍵機(jī)制，GSDMD也成為開發(fā)針對(duì)膿毒癥藥物的新靶點(diǎn)。
GSDM家族共有5個(gè)成員，這些細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵分子就相當(dāng)于5個(gè)“小炸彈”，埋伏在人體不同細(xì)胞里。它們不僅存在于免疫細(xì)胞，在各種器官的上皮內(nèi)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞里也都有存在。由于細(xì)胞焦亡可直接促進(jìn)或?qū)е潞芏嗯c炎癥相關(guān)的疾病發(fā)生，因此在癌癥研究領(lǐng)域，如何將細(xì)胞焦亡在激活免疫方面的能力用于癌癥治療成為研究重點(diǎn)。如果能準(zhǔn)確地將一些“小炸彈”定點(diǎn)送到癌細(xì)胞里，或許就能將不斷增殖的癌細(xì)胞“炸掉”。
于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)用化學(xué)方法來定向誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡的實(shí)驗(yàn)體系。在這個(gè)體系下，利用小鼠乳腺癌模型，對(duì)小鼠進(jìn)行三輪給藥，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生三輪焦亡，結(jié)果腫瘤幾乎完全消失了。
如果我們把同樣的實(shí)驗(yàn)放到?jīng)]有T細(xì)胞和獲得性免疫系統(tǒng)的小鼠體內(nèi)進(jìn)行，腫瘤卻不會(huì)消失。也就是說，如果沒有T細(xì)胞，即便同樣誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，腫瘤也不能消失。這說明，細(xì)胞焦亡誘導(dǎo)之后發(fā)生的免疫反應(yīng)，需要免疫系統(tǒng)T細(xì)胞的幫助。
我們研究發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)樯俨糠值哪[瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡所觸發(fā)的炎癥免疫反應(yīng)可以促使獲得性免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體、清除腫瘤。該實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)?shù)募?xì)胞焦亡可以觸發(fā)炎癥反應(yīng)，活化T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)。
細(xì)胞焦亡帶來免疫治療新希望
目前，癌癥的治療已經(jīng)從手術(shù)、放療、化療等階段，逐步進(jìn)入到免疫療法階段。在癌癥免疫療法中，最為經(jīng)典的是免疫檢查點(diǎn)抑制劑PD-1治療，其讓人類首次實(shí)現(xiàn)癌癥治愈。但現(xiàn)在免疫治療最大的問題是，只有10%~20%的患者對(duì)免疫治療有反應(yīng)。
小鼠乳腺癌模型對(duì)PD-1的治療也沒有響應(yīng)，臨床上將這種對(duì)免疫治療無(wú)反應(yīng)的腫瘤稱之為“冷”腫瘤。但是，如果對(duì)這個(gè)模型小鼠進(jìn)行一輪細(xì)胞焦亡治療后，再給小鼠打PD-1抗體做免疫治療，就可以看到效果非常好，最后腫瘤幾乎完全消失了。也就是說，腫瘤細(xì)胞的焦亡可以把“冷”腫瘤變成“熱”腫瘤，使其對(duì)免疫治療產(chǎn)生反應(yīng)。
腫瘤免疫的關(guān)鍵效應(yīng)步驟是毒性淋巴細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷。毒性淋巴細(xì)胞分泌的顆粒酶A可直接切割和活化GSDMB蛋白，誘導(dǎo)靶細(xì)胞發(fā)生焦亡。這條通路的激活可以顯著促進(jìn)小鼠對(duì)腫瘤的免疫清除。
考慮到細(xì)胞焦亡的天然促炎能力，是否可以通過誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡來增強(qiáng)癌癥患者的抗腫瘤免疫，是一個(gè)非常重要的科學(xué)問題。
可以說，GSDM家族蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡為腫瘤免疫治療藥物研發(fā)提供了新思路，GSDM家族蛋白也成為潛在的腫瘤免疫治療的生物標(biāo)志物，這類蛋白的激動(dòng)劑很有可能成為抗腫瘤藥物研發(fā)的新方向�！�
（作者系中國(guó)科學(xué)院院士，記者辛雨根據(jù)其在“科學(xué)與中國(guó)”再出發(fā)——“千名院士·千場(chǎng)科普”首場(chǎng)報(bào)告會(huì)上的報(bào)告整理）