王立铭·巡山报告｜第四十七期：细胞焦亡：肿瘤和免疫疾病的新靶点

源济

第四十七期：细胞焦亡：肿瘤和免疫疾病的新靶点

你好，我是王立铭。2023年1月6日，第四十七期《巡山报告》又和你见面了。

这一期《巡山报告》，我们主要通过细胞焦亡机制的盘点，看看针对肿瘤和免疫疾病的药物研发有什么进展。

众所周知，细胞是地球生命的基本组成单元。人类这样的多细胞生物，每个个体都由数十万亿个细胞构建而来，这些细胞的使命就是竭尽全力保证我们的出生、成长和繁殖。为了实现这些伟大的目标，细胞本身随时可以被牺牲和替代；在很多场合，身体细胞甚至还会主动开启死亡程序来协助人体更好地生存和繁殖。

这一期《巡山报告》重点介绍的“细胞焦亡”，就是人体细胞内生的一种死亡程序。这种特殊的细胞死亡程序在1990年代才逐渐为人所知。研究者们发现，人体免疫细胞在被志贺杆菌、沙门氏菌等病原菌入侵后会死亡，这种情境下出现的死亡，细胞具有鲜明的特征：进入死亡程序的细胞，体积快速涨大，细胞膜上出现穿孔和鼓包，直至细胞的完整性被彻底破坏，细胞内容物大量泄露，引发周围组织的炎症反应。

细胞焦亡如何发生

从发现的源头起，细胞焦亡就和人体免疫系统对病原体的防御密切相关。

人体免疫系统的很多细胞，比如巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞、B细胞、T细胞等，在正常状态下可以直接识别和杀伤病原微生物。但如果它们自己也被病原微生物感染且无力清除时，就可能会选择焦亡这类暴烈的死亡方式。它们在和病原体同归于尽的同时，向周围环境释放明确的危险信号，进一步吸引免疫系统的火力，召集更多的免疫细胞，帮助机体更好地清除病原体。

在过去20年的时间内，人们也逐渐理解细胞焦亡具体是如何发生的。这些信息除了让人们得以理解细胞焦亡的全貌，也为利用细胞焦亡过程开发肿瘤和免疫相关的药物奠定了基础。

在这里，我们先简要回顾一下细胞焦亡研究中的关键性节点：

2011年，美国基因泰克公司的Vishva Dixit实验室发现，多种革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、啮齿类柠檬酸杆菌、霍乱弧菌）的感染，会诱导小鼠的巨噬细胞释放大量促进炎症反应的细胞因子（如白介素1b和白介素18等），也会诱导巨噬细胞死亡[1]。

2013年和2014年，Dixit实验室和中国北京生命科学研究所的邵峰实验室又先后发现，被革兰氏阴性菌感染后，革兰氏阴性菌表面的脂多糖分子（LPS）可以结合和激活巨噬细胞内一个特殊的蛋白酶（caspase-4/11），从而引发巨噬细胞的焦亡[2][3]。这是人们第一次开始理解细胞焦亡的具体机制。

而细胞焦亡本身又是如何发生的呢？

2015年，Dixit实验室和邵峰实验室利用截然不同的实验手段，证明细胞焦亡是被激活的caspase蛋白酶切割一个名叫Gasdermin D的蛋白质引发的[4][5]。具体而言，Gasdermin D是一个接近500个氨基酸长度的蛋白质，中间部位有一段序列可以被caspase蛋白酶切割。未切割状态下，Gasdermin D的前半部分和后半部分可以相互结合，进入一种功能被深度抑制的结构。而一旦被切割开，Gasdermin D的前半部分蛋白就会被释放出来，直接推动焦亡的发生。

2016年，被切割的Gasdermin D如何导致焦亡也有了更进一步的信息。好几个研究组（包括邵峰实验室、Dixit实验室，还有哈佛大学医学院的吴浩实验室和Judy Lieberman实验室等）在同一时间发现，Gasdermin D在被蛋白酶切割后，前半段能够插入细胞膜，大约27个Gasdermin D单体就能组装形成一个直径18纳米的巨型孔洞，正是这个孔洞使得细胞外的水分涌入细胞，细胞膜膨大，细胞内容物泄露，最终导致细胞的暴裂死亡[6][7]。

2018年，吴浩实验室还详细解析了Gasdermin聚集成环形孔洞的结构信息[8]。

至此，细胞焦亡发生的完整脉络得到了充分说明。我们可以粗略地将细胞焦亡的过程分为三个步骤：

启动阶段：病原体入侵细胞，暴露出它的特征（如革兰氏阴性菌表面的脂多糖分子）；

准备阶段：细胞内的防御机制识别出病原体的信号，并开始准备焦亡所需的元件（如脂多糖分子被caspase蛋白酶识别，caspase蛋白酶切割Gasdermin D蛋白）；

完成阶段：细胞膜结构破裂，导致细胞焦亡（如被切割后的Gasdermin D蛋白插入细胞膜，形成孔洞）。

细胞焦亡和天然免疫

值得特别指出的是，在刚才说到的“主干”步骤之外，研究者们陆续发现细胞焦亡的每个步骤也有不同的分支，这让我们对细胞焦亡在免疫反应中的角色有了更深刻的理解。例如，除了革兰氏阴性菌的脂多糖外，病原体分泌的毒素、细胞内游离的RNA和双链DNA、细胞的特征性结构、病原体的代谢产物等，都能通过不同的细胞内检测机制被识别，启动炎症反应和细胞焦亡[9][10][11][12]。

同时，在焦亡的准备阶段，除了前面介绍的caspase-4/11蛋白酶，其他类型的caspase蛋白酶在特定条件下也能切割Gasdermin引起炎症反应。甚至有研究提示，某些条件下，Gasdermin的切割完全可以摆脱对caspase的依赖。例如，在肿瘤免疫微环境中，免疫细胞可以直接释放颗粒酶进入肿瘤细胞，切割Gasdermin，从而诱导细胞焦亡[13]。换句话说，焦亡的第二阶段主要服务于Gasdermin蛋白的切割和激活，具体的操作途径比较灵活。

还有，虽然细胞焦亡的最终“出口”都要依靠Gasdermin蛋白的组装成环，但除了上面描述的Gasdermin D之外，人类基因组中还有四个Gasdermin家族成员（A/B/C/E）都表现出了类似的引发焦亡的功能[14]。

根据上面这些分析，我们其实可以在人体天然免疫这个更大的框架下理解焦亡。所谓天然免疫，指的是不依赖后天经验和训练，能直接识别入侵异源物质的某些固有特征，并对其进行清除和杀伤的机制。在这个框架下，焦亡可以看作是天然免疫系统的“兜底”措施。

图：细胞焦亡和机体天然免疫系统

当人体的天然免疫系统，比如巨噬细胞，识别到人体正常条件下不会出现、往往由入侵病原体携带的某些特征之后，就会启动一系列免疫反应对其进行杀伤。如果这个防御机制没有起到期望中的效果，巨噬细胞就可以启动自身的焦亡，用一种更加暴烈的方式杀伤内部的病原菌，并将能够引发免疫反应的信号更强烈地释放出去，以激发更大范围的免疫反应。

细胞焦亡和药物开发

换句话说，我们可以把细胞焦亡看作人体应对病原体入侵的免疫防御机制的一部分。和人体其他类型的免疫机制类似，焦亡也需要被小心地维持在一个合理的强度。过强（“不该死的死了”），可能产生过度的免疫反应，引发慢性炎症和自身免疫性疾病；而过弱（“该死的没死”），则可能促进癌细胞的繁殖复制，或者影响肿瘤治疗的效果。

这当然不是焦亡特有的属性。在过去二三十年时间里，围绕免疫系统的过度活跃或者抑制，人们已经阐明了许多疾病的发病机理，也开发出了相应的药物。

针对免疫系统的过度激活，一个经典案例是1960-70年代发现的肿瘤坏死因子TNF-α。

和上面介绍的焦亡过程类似，TNF-α也是机体抵御病原体入侵的重要手段。在诸如细菌脂多糖等危险信号的刺激下，TNF-α主要由巨噬细胞等免疫细胞大量产生和分泌，吸引和激活各种免疫细胞，引发机体炎症反应，以消灭入侵病原体。但TNF-α的异常增高，也会导致一系列慢性炎症和自身免疫疾病。因此，靶向TNF-α成为了治疗这些疾病的重要途径。在医疗市场上，多个抑制TNF-α的药物，比如阿达木单抗（Adalimumab）、英夫利昔单抗（Infliximab）、依那西普（Etanercept）等，都是横跨类风湿性关节炎、强直性脊柱炎、银屑病性关节炎、克罗恩病、溃疡性结肠炎等多种炎症适应症的重磅药物[15]。

还有，1990年代，研究者们先后发现了两个在免疫细胞中表达的细胞表面蛋白——CTLA4和PD-1，都呈现对免疫机能的抑制作用。而敲除CTLA4或PD-1的小鼠都表现出了全身性的自身免疫症状。后续研究更是进一步发现，肿瘤细胞可以通过高表达PD-1的配体PD-L1来抑制免疫机能，逃逸免疫系统的识别和杀伤，从而促进自身的生存繁殖。

这一系列研究最终指向引发肿瘤治疗领域革命的癌症免疫疗法。靶向PD-1/PD-L1通路的药物纳武单抗（Nivolumab）、帕博丽珠单抗（Pembrolizumab），靶向CTLA通路的伊匹单抗（lpilimumab）等，都成了适应症覆盖十几种不同肿瘤类型的重磅药物[16]。

延续类似的逻辑，细胞焦亡的异常激活或者抑制，或者更广泛地说，天然免疫系统的异常激活和抑制，是否和人类疾病有直接关联，从而可以用于指导药物的开发呢？

当然如此。我们仍然先讨论细胞焦亡过程的异常激活——

研究者已经发现，天然免疫和焦亡通路的蛋白，如果出现功能增强的基因变异，确实可能导致严重的自身免疫疾病。例如，Pyrin的基因变异会导致家族性地中海热[17]，ALPK1的基因变异会导致罕见的ROSAH综合征等[18]。而在更为常见的自身免疫病，比如类风湿性关节炎、溃疡性结肠炎中，也观察到了细胞焦亡的异常激活[19][20][21]。还有，病原微生物入侵人体后，如果长时间得不到清除，人体的天然免疫反应和焦亡过程就会过度激活，引发致命的脓毒血症[22]。那么，设计药物反其道而行之，抑制焦亡的过度激活，也许就能治疗这些疾病。

而细胞焦亡的异常也和人类疾病有关。

在不少类型的肿瘤中，焦亡通路的基因，特别是Gasdermin家族的基因，都处于深度抑制状态[23]。这本身倒很容易理解。因为诱导细胞死亡，包括凋亡和焦亡，本就是人体免疫系统消灭异常细胞的手段之一，癌细胞自然要逃逸这些控制手段来保护自身。而相应的，人类的免疫系统也有反制措施。比如，2020年，邵峰实验室和Judy Lieberman实验室的两项研究分别证明，免疫细胞可以通过一个特别的机制绕过上面的逃逸机制来重新杀伤肿瘤细胞。具体来说，免疫细胞可以释放一类叫作颗粒素（Granzyme）的蛋白酶，借由细胞之间的穿孔素通道进入癌细胞，直接切割并激活Gasdermin蛋白，诱导肿瘤细胞的焦亡[24][25]。

按照这个逻辑推演，激活肿瘤细胞内被深度抑制的焦亡通路，是一条很有前途的肿瘤药物开发路径。事实上，2020年人们就发现，如果将Gasdermin蛋白特异性的导入肿瘤细胞，确实能观察到显著的肿瘤杀伤效果[26]。

值得一提的是，不同的Gasdermin家族成员也体现出了不同的组织特异性。这一点既反映了它们不同的生理功能，也为后续药物开发给出了重要的提示。

例如，Gasdermin D的表达范围最广泛，因此可以用来治疗全身性的炎症疾病，比如病原菌感染引起的脓毒血症[27]；而Gasdermin B的基因变异、异常表达和哮喘、溃疡性结肠炎等慢性炎症的发病有关，因此对它的抑制可用来治疗这些疾病[28]；而Gasdermin B/E在某些肿瘤类型中高表达，但功能被深度抑制，因此设计药物激活它们，则可能成为有效的癌症药物等等。

细胞焦亡作为药物靶点：展望和挑战

根据上面的讨论，细胞焦亡作为肿瘤和免疫相关疾病的全新靶点，在科学上已经有了相当充分的证据。简单总结地话，抑制细胞焦亡通路可能治疗和人体免疫活动过强有关的疾病，包括各种慢性炎症、自身免疫疾病、细菌感染引发的脓毒血症等；而激活细胞焦亡通路则可能杀伤癌细胞，治疗各种癌症，或者提升癌症药物的杀伤效率。

当然，这仅仅是一个过度简化的总结，真实的疾病场景和药物开发过程显然要复杂得多。

以Gasdermin蛋白家族来说，它促进焦亡的机制并非简单的酶学反应，而是被切割后大量单体组装成环、形成细胞膜上的孔洞。因此如何筛选和设计药物阻止Gasdermin的切割和组装，本身就是很有挑战性的任务。同时，Gasdermin家族有五个成员都可以引起焦亡，可能我们还要区分不同成员在不同免疫疾病中的作用，设计有靶点专一性的药物。

更重要的是，上面我们讨论的研究固然主要是在免疫细胞——特别是天然免疫的核心成员巨噬细胞——中完成的，但焦亡通路却普遍存在于各种人体细胞中。如果不加选择地抑制或者激活焦亡通路，可能会引发全身性的毒副作用。因此，在这类药物用于疾病治疗时，可能也需要审慎地对适应症和适用人群进行选择。

当然，这些问题是所有原创性的新药上市之前都必须面临和克服的问题。

就拿我们刚刚讨论过的肿瘤免疫药物为例，事实上，即便人们在实验室的研究中理解了CTLA4和PD-1/PD-L1信号确实能够抑制免疫细胞的功能，肿瘤细胞还能通过PD-L1信号逃逸免疫系统的识别和杀伤，但当这些药物进入临床试验后，仍然需要一个漫长的探索过程去挖掘真正的适应症和适用人群。

靶向CTLA4的伊匹单抗因副作用较大，最终仅在黑色素瘤这一个适应症上获得批准。而靶向PD-1的纳武单抗和帕博丽珠单抗虽然目前获批了多个瘤种的适应症，但临床探索过程也可谓一波三折。

比如，主导纳武单抗临床试验的美国BMS公司在一期临床试验中纳入了多个类别的实体瘤受试者，并看到了较为积极的疗效[29]。BMS公司一鼓作气，推动了更大规模的多瘤种临床试验，却遭遇数个意料之外的失败。2016年，该药物在非小细胞肺癌中的惨烈失败更是动摇了整个市场对癌症免疫药物的信心[30]。所幸在2015-2017年，约翰霍普金斯大学的某个实验室为这类药物找到了准确的适用人群[31][32]。

近年来，天然免疫领域也有一个类似的明星分子可供参照，就是NLRP3分子。这个分子广泛参与免疫细胞对多种病原体的特征信号、以及人体异常生理信号的识别，也能通过激活caspase诱导包括焦亡在内的炎症反应[33]。根据上面的讨论你应该能判断，靶向NLRP3分子也可能成为治疗各种慢性炎症和自身免疫疾病的新方式。

近年来，有多家公司致力于开发靶向NLRP3的药物，其中不乏资本市场的宠儿，比如在2019年被诺华以15亿美金收购的IFM Therapeutics公司，以及2018年上市、市值约15亿美元的Ventyx Biosciences公司。但即便如此，靶向NLRP3的药物的适应症和适用人群目前仍不明确，估计还需要多个大规模临床试验的摸索才能尘埃落定。

从本质上说，这个探索过程其实是基础科学研究向临床应用转化的必经之路。在实验室里，科学家们日常面对的是变量单一、参数可控的“完美”实验条件，相对容易获得干净和纯粹的研究结论。但一旦进入人体应用，特别是慢性炎症和肿瘤这样动态变化、成因复杂、千人千面的疾病，需要考虑的干扰因素骤然变多，药物本身的影响也变得更为复杂广泛。如何完成这中间的转换，考验的不光是科学发现的质量，还有科学家、药物开发者、临床医生之间的密切合作。

和这个目标一致，2020年，邵峰也主导创立了炎明生物，旨在开发靶向Gasdermin和ALPK1蛋白的全新药物。根据公开信息，炎明生物已经开发了靶向ALPK1蛋白的小分子激活剂，以及靶向Gasdermin的小分子抑制剂。我非常期待邵峰实验室积累的科学发现能够以炎明生物为载体完成一个证明：

在中国的土地上，不光能完成高度原创性的生物医学发现，还能通过科学家、药物开发者、临床医生的紧密配合，完成从原创性科学发现到“first in category”药物开发的顺利转化，惠泽全世界的疾病患者。

好，这就是这一期的巡山报告。我是王立铭，下一月6号，我继续为你巡山。

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