免疫反应是生命活动的重要组成部分，绝大部分疾病的发生都与免疫系统产生的某种缺陷有关。人体免疫系统的根本使命是识别“非我”和“异我”物质，如病原、肿瘤，继而采取应对措施。

  细胞焦亡是一种自主的细胞程序性死亡，可以使机体产生炎症反应，表现为细胞膜的不断胀大并最终破裂，这个过程会伴随细胞内容物的大量释放和机体的免疫激活。这种炎症反应在很多疾病中都非常关键，也是癌症免疫治疗的一个非常关键的因素。

  近十年随着免疫检查点抑制剂的问世，肿瘤免疫的力量被人们所熟知，但较低的临床响应率限制了其临床使用。虽然细胞焦亡对于癌症治疗的作用还处于研究阶段，但希望这些研究能为癌症治疗提供一个全新角度。

 

免疫系统的防御机制

 

  人体免疫系统分为获得性免疫系统和天然免疫系统两类。

  获得性免疫系统可以针对某个病原体，由B细胞产生特异性抗体或具有杀伤性的特异性T细胞，从而识别病原体，清除“异我”。整个过程通常需要几天时间。获得性免疫具有抗原依赖性、高度特异性以及免疫记忆性，是人体免疫系统的第二道防线。

  而作为人体第一道防线的天然免疫系统，在受到病原体感染时，与前者需要花费几天时间不同，它可以快速启动炎症反应，并活化获得性免疫系统。这个免疫过程因为不依赖抗原，因此具有广谱性。

  理解天然免疫系统最重要的途径是发现天然免疫系统中各种类型的“侦探”分子，也就是所谓的免疫受体分子。它们就像“侦探”一样，“坏人”来了就能识别出来。

  2011年诺贝尔生理学或医学奖授予该领域的三位科学家，表彰他们在天然免疫系统领域的突出贡献。法国斯特拉斯堡大学教授Jules A.Hoffmann和美国得克萨斯大学西南医学中心教授Bruce A.Beutler发现了第一个识别病原细菌的天然免疫受体；美国洛克菲勒大学教授Ralph M. Steinman发现了天然免疫识别病原最重要的一类细胞——树突状细胞，其细胞表面含有大量免疫受体分子。

  前两位科学家发现的第一个“侦探”样免疫受体分子是Toll样受体4，其可以识别细菌细胞壁上一个最重要的成分——脂多糖（LPS），并将受细菌感染的信息传导给机体细胞。Toll样受体4通过一个程序让细胞核里的基因翻译表达出一系列促炎症的抗感染蛋白分子，继而活化免疫系统，抵抗细菌感染。

  后来科学家们发现，这样的Toll样受体大概有十几种，它们都定位在细胞膜上，像“侦探”一样监测着病原信号。但是，如果浸染机体的病原细菌穿过细胞膜直接钻到细胞质中，那么Toll样受体在细胞外的“侦察”就无法发挥作用了。

  一个非常经典的实验记录了病原细菌钻到细胞里面后，细胞发生的变化。健康的活细胞有严格的过滤系统，可以阻止染料分子进入。但当细胞被细菌感染时，其细胞膜的通透性发生变化，细胞膜破裂，导致染料分子进入细胞。也就是说，被感染的细胞发生了裂解性死亡。这就是细胞焦亡，一种快速的、程序化的、裂解性的细胞死亡。

 

细胞焦亡“真相大白”

 

  细胞焦亡和传统的细胞凋亡有什么差别？

  简单来说，细胞凋亡是生理性过程，细胞皱缩，细胞膜维持完整，细胞质不会泄漏。发生凋亡的细胞会迅速被巨噬细胞清除，且不诱发炎症免疫反应，是“干净”的死亡。

  细胞焦亡是病理性过程，细胞胀大至细胞膜破裂，继而细胞质内容物泄漏，产生强烈的炎症免疫反应，是“脏”的死亡。更多来说，细胞焦亡是应对病理性的条件。

  1996年，科学家发现细胞焦亡依赖蛋白酶分子Caspase-1。如果细胞里没有这个分子或者人为把它拿掉，细胞焦亡就不能发生了。这从根本上将细胞焦亡与其他细胞死亡途径区分开来。

  我们实验室的工作发现了另一个和Caspase-1比较像的分子，在小鼠里叫Caspase-11，对应人体的Caspase-4和Caspase-5，其也可以活化细胞焦亡。这些Caspase像一把“剪刀”，可以切割并活化底物分子。与定位在细胞膜上的Toll样受体4功能类似，Caspase-11也可以识别LPS，不同之处是它存在于细胞质内。如果LPS钻到细胞内，那么识别LPS的分子就是Caspase-11了。随着识别的发生，细胞焦亡开始被激活。

  Caspase家族激活细胞焦亡的机制是什么？2015年，我们实验室取得了一个非常大的突破——首次鉴定出细胞焦亡特异性的关键效应分子Gasdermin D（GSDMD）。当机体的免疫受体识别细菌感染信号后，会通过Caspase1/11等蛋白酶切割并活化GSDMD，诱发细胞焦亡，激活抗细菌免疫反应。相关研究被《自然—免疫学》杂志认为是“20年来国际免疫学领域20项标志性进展”之一。

  进一步研究发现，GSDMD及其所属的整个GSDM家族蛋白（GSDMA～E）被活化后都会在细胞膜上打孔，最终致使细胞膜破裂，引发细胞焦亡，细胞同时释放出炎症因子等物质。这一发现澄清了细胞焦亡是裂解性细胞死亡的本质，焦亡过程中会发生细胞膜通透直至破裂。因此细胞焦亡和凋亡是性质相反的两种细胞死亡方式。

  也就是说，细胞焦亡通过炎性物质及细胞内容物的释放，向整个机体发出警示动员信号；而细胞凋亡是一种“安静”的死亡，介导正常的生理发育过程。比如，蝌蚪变青蛙的发育过程中尾巴会消失，此过程中细胞的死亡是凋亡，其不会对机体产生其他影响，更不会诱发炎症反应。

  GSDM家族蛋白与很多疾病相关，它们就好比一个个“小炸弹”，平时“小炸弹”没有被点燃，就不能在细胞膜上打孔。不同的“小炸弹”以不同的方式被引爆，也就是说，不同的GSDM家族蛋白以不同的方式被活化——GSDMD是被Caspase1/11这两把“剪刀”剪开的，而其他GSDM分子也许是被别的“剪刀”剪开的。这也是我们过去几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、珊瑚虫里都存在。珊瑚有白化现象，我们觉得这或许也与这类基因有关系，当然这只是一个假说。总结来说，细胞焦亡的核心特征就是GSDM家族蛋白的参与和活化。

 

控制细胞焦亡可以治疗疾病

 

  细胞焦亡是天然免疫系统的一个重要组成部分。免疫受体的存在可以检测到“坏人”来了，然后通过“剪刀”把GSDM分子活化，使细胞发生促炎性反应来消灭“坏人”。所以，如果把小鼠的Gsdmd打孔分子拿掉，阻断细胞焦亡的发生，那么小鼠在面对很多细菌的感染时就会很脆弱和敏感，很容易死亡。但当细胞焦亡过度或失控的时候，又会引发很多与炎症相关的疾病。因为免疫和炎症永远是一把“双刃剑”，过度焦亡会带来副作用。因此，细胞焦亡与疾病治疗有密切关系。

  “炎症风暴”里一个非常著名的疾病叫内毒素休克，在人类疾病里被称为脓毒症，也叫败血症。当细菌感染发生时，如果只有局部的轻微感染，比方说肠道感染，就会拉肚子或者发烧；但如果感染程度严重，很多细菌跑进循环系统，扩散得血液里到处都是，就会导致“炎症风暴”，从而产生脓毒症，最终导致多器官功能紊乱休克。脓毒症的致死率达30%~70%，目前没有特效药，每年有1800万人死于该疾病，重症监护室里超过1/3的病人最终死于该症。

  我们利用小鼠脓毒症模型，使其感染大量细菌，或者直接注射细菌LPS——细菌里面最广泛存在的分子。在这个实验模型中，LPS会被Caspase-11识别，同时Caspase-11被活化。这把“剪刀”打开以后，就会切割焦亡底物GSDMD，细胞发生焦亡。正常的小鼠在脓毒症发生后一天就死了，但是如果把Casp11或Gsdmd两个基因中的任何一个从小鼠体内敲除，小鼠就会因为细胞焦亡被很大程度地抑制而存活下来。

  这项工作说明，全身性细胞焦亡是导致脓毒症的关键机制，GSDMD也成为开发针对脓毒症药物的新靶点。

  GSDM家族共有5个成员，这些细胞焦亡的关键分子就相当于5个“小炸弹”，埋伏在人体不同细胞里。它们不仅存在于免疫细胞，在各种器官的上皮内细胞、肌肉细胞里也都有存在。由于细胞焦亡可直接促进或导致很多与炎症相关的疾病发生，因此在癌症研究领域，如何将细胞焦亡在激活免疫方面的能力用于癌症治疗成为研究重点。如果能准确地将一些“小炸弹”定点送到癌细胞里，或许就能将不断增殖的癌细胞“炸掉”。

  于是，我们设计了一个用化学方法来定向诱导肿瘤细胞发生焦亡的实验体系。在这个体系下，利用小鼠乳腺癌模型，对小鼠进行三轮给药，诱导肿瘤细胞发生三轮焦亡，结果肿瘤几乎完全消失了。

  如果我们把同样的实验放到没有T细胞和获得性免疫系统的小鼠体内进行，肿瘤却不会消失。也就是说，如果没有T细胞，即便同样诱导细胞焦亡，肿瘤也不能消失。这说明，细胞焦亡诱导之后发生的免疫反应，需要免疫系统T细胞的帮助。

  我们研究发现，这是因为少部分的肿瘤细胞发生焦亡所触发的炎症免疫反应可以促使获得性免疫系统产生抗体、清除肿瘤。该实验表明，适当的细胞焦亡可以触发炎症反应，活化T细胞介导的抗肿瘤免疫反应。

 

细胞焦亡带来免疫治疗新希望

 

  目前，癌症的治疗已经从手术、放疗、化疗等阶段，逐步进入到免疫疗法阶段。在癌症免疫疗法中，最为经典的是免疫检查点抑制剂PD-1治疗，其让人类首次实现癌症治愈。但现在免疫治疗最大的问题是，只有10%~20%的患者对免疫治疗有反应。

  小鼠乳腺癌模型对PD-1的治疗也没有响应，临床上将这种对免疫治疗无反应的肿瘤称之为“冷”肿瘤。但是，如果对这个模型小鼠进行一轮细胞焦亡治疗后，再给小鼠打PD-1抗体做免疫治疗，就可以看到效果非常好，最后肿瘤几乎完全消失了。也就是说，肿瘤细胞的焦亡可以把“冷”肿瘤变成“热”肿瘤，使其对免疫治疗产生反应。

  肿瘤免疫的关键效应步骤是毒性淋巴细胞对肿瘤细胞的杀伤。毒性淋巴细胞分泌的颗粒酶A可直接切割和活化GSDMB蛋白，诱导靶细胞发生焦亡。这条通路的激活可以显著促进小鼠对肿瘤的免疫清除。

  考虑到细胞焦亡的天然促炎能力，是否可以通过诱导细胞焦亡来增强癌症患者的抗肿瘤免疫，是一个非常重要的科学问题。

  可以说，GSDM家族蛋白介导的细胞焦亡为肿瘤免疫治疗药物研发提供了新思路，GSDM家族蛋白也成为潜在的肿瘤免疫治疗的生物标志物，这类蛋白的激动剂很有可能成为抗肿瘤药物研发的新方向。■

  （作者系老挝黄金赌场院士，记者辛雨根据其在“科学与中国”再出发——“千名院士·千场科普”首场报告会上的报告整理）

《科学新闻》 (科学新闻2023年10月刊 封面)