細胞焦亡研究中的檢測指標有哪些？

更新時間：2021-09-16

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細胞焦亡是什么？

細胞凋亡（Apoptosis）是經典的細胞死亡方式，但隨著研究的不斷深入，很多細胞死亡現象并不能用細胞凋亡來解釋，隨著研究的深入，科學家又陸續發現了一些新的細胞死亡新機制。細胞焦亡（Pyroptosis）便是近年來發現并證實的一種炎癥程序性細胞死亡，其特征為依賴于炎性半胱天冬酶（主要是caspase-1，4，5，11），并伴有大量促炎癥因子的釋放。細胞焦亡可由各種病理刺激引發，如中風、心臟病發作、癌癥、感染等。

按照激活機制，細胞焦亡可分為Caspase-1依賴和不依賴兩種途徑。兩種途徑都是通過切割GSDMD后形成N端游離的肽段，這一肽段會誘導細胞形成孔道并導致細胞破裂，釋放胞質成分。兩種途徑都能同時誘導IL-1β和IL-18的前體進行切割，形成成熟的IL-1β和IL-18。不同的只是是否直接激活Caspase-1。經典的細胞焦亡依賴于caspase-1，這從根本上將細胞焦亡與其它細胞死亡途徑區分開來。由于caspase-1是細胞焦亡途徑中的主要效應蛋白酶，因此caspase-1的活化是細胞發生焦亡的重要指標。

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三種主要的pyroptosis途徑示意圖[1]

細胞焦亡的特征：

1. 細胞膜破裂：Caspase-1介導的細胞膜離子梯度發生改變，細胞內滲透壓增加，導致細胞膜破裂，細胞膨大變形，釋放炎性物質；

2. DNA隨機降解：DNA隨機降解，不像細胞凋亡時，DNA降解為180-200bp及其整數倍的片段；

3. 產生炎癥體：炎癥體是一種胞質多聚體信號復合物，協調免疫反應對入侵病原體的激活。炎癥體的激活導致caspase-1的加工和激活。一旦被激活，caspase-1將pro-IL-1β和pro-IL-18切割成成熟形式IL-1β、IL-18，并切割Gasdermin D（由GSDMD編碼）以誘發細胞焦亡。

4. 活化的IL-1β和IL-18釋放：炎性細胞因子IL-1β和IL-18在細胞焦亡中經歷caspase-1依賴性激活和分泌。白介素-1β是一種有效的內源性熱原，可刺激發熱、白細胞組織遷移和多種細胞因子和趨化因子的表達。白細胞介素-18誘導干擾素γ的產生，對活化T細胞、巨噬細胞和其它細胞類型很重要。白細胞介素-1β和白細胞介素-18在一系列炎癥和自身免疫性疾病的發病機制中起著至關重要的作用。

細胞焦亡的檢測指標：

1. Gasdermin D的切割：細胞焦亡發生時，GSDMD（53KD）被切割，產生30KD左右的片段，能夠通過Western blot（WB）對GSDMD的大小進行驗證。推薦：GSDMD抗體

2. Caspase的激活，主要是Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5，Caspase-11：細胞焦亡發生時，caspase-1和caspase-4被激活，可以通過檢測caspase-1和caspase-4的活性來驗證。推薦：Caspase活性分析試劑盒

3. IL-1β、IL-18的成熟和釋放：細胞焦亡發生時，IL-1β和IL-18會釋放到細胞中，可以通過WB或ELISA方法檢測細胞上清中的IL-1β和IL-18的含量來驗證。

4. 細胞形態學檢測：可以用掃描電鏡觀察細胞形態，如：細胞膜破裂、細胞膨大變形、細胞器變形。

5. 染色質完整性檢測（TUNEL檢測等）

細胞焦亡與細胞凋亡異同點：

異同點		細胞凋亡	細胞焦亡
相同點		都是程序性細胞死亡過程
不同點	起因	生理條件下的基因調控	病理性的刺激
	細胞類型	細胞凋亡發生在所有細胞中	細胞焦亡一般發生在Mφ（巨噬細胞）和DC細胞中
	對組織的影響	無炎癥反應	有炎癥反應
	溶血現象	無溶血	有溶血
	標志性事件	細胞形態：縮小	細胞形態：膨大、變形
		細胞膜：結構完整	細胞膜：破裂
		細胞器：完整	細胞器：變形
		DNA：斷裂，降解為180~200bp及其整數倍的片段	DNA：隨機降解
		其他：核蛋白、細胞骨架、蛋白交聯破壞，吞噬細胞配體表達，形成凋亡小體	其他：核濃縮、形成焦亡小體
	分類	內源性途徑/線粒體途徑	經典通路：基于caspase1
	分類	基于caspase9	非經典通路：基于caspase4，5，11
	對caspase的依賴性	起始：caspase8，9，10	Caspase1，3，4，5，11
	對caspase的依賴性	執行：caspase3，6，7	Caspase1，3，4，5，11
	檢測指標	早期凋亡：Annexin V、JC-1；中期凋亡：Caspase；晚期凋亡：TUNEL；	Gasdermin D切割； Caspase-1、Caspase-4活性； IL-1β、IL-18含量.

細胞焦亡也是近幾年的研究熱點之一。此外，研究還表明，細胞焦亡與許多的人類疾病具有一定相關性，因此是很好的課題研究切入點。

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參考文獻：

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[5] Xia, X., et al. The role of pyroptosis in cancer: pro-cancer or pro-"host"? Cell Death Dis, 2019. 10(9): 650.

[6] Zeng Z. et al., Role of pyroptosis in cardiovascular disease. Cell Prolif, 2019. 52(2): e12563.

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