综述:针对溃疡性结肠炎中PANoptosis机制及其靶向治疗的综述
1. 引言
溃疡性结肠炎(UC)是一种病因复杂的慢性炎症性肠病(IBD),其全球发病率持续上升,已成为重大的公共卫生挑战。当前的治疗策略,如氨基水杨酸制剂、糖皮质激素和生物制剂,虽然能在一定程度上缓解炎症,但大量患者仍面临疗效不足、耐药或药物不良反应等诸多困境。近年来,一种新发现的程序性细胞死亡形式——PANoptosis,为理解UC的病理过程提供了全新视角。PANoptosis整合了细胞焦亡(pyroptosis)、凋亡(apoptosis)和坏死性凋亡(necroptosis)的核心特征,其分子基础在于PANoptosome复合物的动态组装。本综述旨在系统阐述PANoptosis在UC发生发展中的核心作用机制,并重点讨论以水凝胶负载多靶点抑制剂为代表的创新治疗策略,为攻克这一难治性疾病提供新思路。
2. UC的发病机制
UC的发病机制复杂,涉及免疫失衡、肠道菌群紊乱和肠上皮屏障损伤等多个关键环节。在免疫失衡方面,固有和适应性免疫细胞的异常激活是核心驱动力。中性粒细胞、巨噬细胞等固有免疫细胞在肠道菌群或损伤信号刺激下,会广泛浸润肠黏膜组织并释放肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)等多种促炎细胞因子,启动炎症反应。适应性免疫细胞如Th1、Th17细胞的异常分化与功能亢进,共同驱动UC的慢性炎症进程。而调节性T细胞(Treg)的功能缺陷,导致其分泌白细胞介素-10(IL-10)、转化生长因子-β(TGF-β)等抗炎因子减少,无法有效抑制过度的免疫应答,从而加剧免疫失衡。
肠道菌群紊乱同样在UC发病中扮演重要角色。UC患者肠道菌群结构发生显著变化,表现为黏附侵袭性大肠杆菌(AIEC)等致病菌增加,而双歧杆菌(Bifidobacterium)、乳杆菌(Lactobacillus)等有益菌减少。这种菌群失调可通过多种途径触发炎症,例如,致病菌可直接黏附侵袭肠上皮细胞,其代谢产物如脂多糖(LPS)可激活Toll样受体(TLRs)等模式识别受体,启动下游炎症信号通路。
肠上皮屏障损伤是UC发病的重要基础。UC患者的肠上皮细胞因炎症因子、氧化应激等因素攻击而损伤死亡,细胞间紧密连接蛋白(如occludin、claudin)表达减少或异常,导致肠道屏障通透性增加。杯状细胞数量减少、功能受损,导致粘液分泌不足,粘液层变薄或断裂,无法有效阻隔肠道菌群与肠上皮细胞的直接接触。屏障损伤使得肠道菌群、毒素等有害物质侵入肠道黏膜下层,进一步激活免疫细胞,引发更剧烈的炎症反应,形成恶性循环。
3. PANoptosis的机制
PANoptosis是一种新型的炎症性程序性细胞死亡,其特征在于同时激活上述多种死亡通路并释放大量促炎细胞因子。其分子机制的核心在于PANoptosome复合物的形成。这个复合物是一个多蛋白复合体,能够整合来自不同死亡信号通路的关键分子,包括炎症小体(如NLRP3、NLRC4)、caspase家族成员(如caspase-1、caspase-8)、受体相互作用蛋白激酶(RIPK)家族成员(如RIPK1、RIPK3)、Z-DNA结合蛋白1(ZBP1)等。当细胞受到外界因素刺激时,这些分子通过特定结构域相互作用,组装成该复合体,从而启动PANoptosis的信号级联反应。
目前已被鉴定的经典PANoptosome复合体有四种,分别是ZBP1-PANoptosome、AIM2-PANoptosome、RIPK1-PANoptosome和NLRP12-PANoptosome。其中,ZBP1-PANoptosome主要由ZBP1、NLRP3、ASC、caspase-1/6/8以及RIPK1/3组成。干扰素调节因子1(IRF1)可以正向调节PANoptosis及多种PANoptosome的激活。在信号转导过程中,炎症小体的激活是关键步骤。作为细胞内模式识别受体复合物,它们能够识别病原体相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)。激活后,它们可募集caspase-1并使其自催化激活。激活的caspase-1可以切割白细胞介素-1β(pro-IL-1β)和白细胞介素-18(pro-IL-18)的前体,生成成熟的促炎细胞因子IL-1β和IL-18并释放到细胞外。同时,激活的caspase-1还能切割gasdermin D(GSDMD)蛋白,其N端片段在细胞膜上形成孔洞,导致细胞焦亡。caspase-8则扮演着关键的枢纽角色,它既是凋亡通路的重要执行者,也能与RIPK1、RIPK3等分子相互作用调节坏死性凋亡的发生,并参与炎症小体的激活,进一步推动PANoptosis的进程。RIPK1和RIPK3主要通过形成坏死小体(necrosome)来激活混合系列激酶结构域样蛋白(MLKL),使其磷酸化并转位至细胞膜,造成膜穿孔,触发坏死性凋亡并释放促炎因子。
4. UC中肠上皮细胞的PANoptosis与免疫细胞功能障碍
肠上皮细胞的PANoptosis不仅是单纯的细胞死亡,更是一个结构损伤、信号释放和免疫激活的级联过程,驱动着UC的进展。肠上皮细胞在与肠道菌群的互作中,受到脂多糖(LPS)、鞭毛蛋白等微生物相关分子模式(MAMPs)的刺激,激活细胞内的NLRP3炎症小体。NLRP3炎症小体的激活引发caspase-1介导的GSDMD蛋白切割,产生孔洞效应。这一过程破坏了肠上皮细胞的膜结构,使细胞膜通透性极大增加,最终导致细胞内含物泄漏。这不仅直接导致肠上皮细胞通透性增加,还会触发一系列免疫反应,促进炎症进一步发展。在此过程中,肠上皮细胞的物理屏障功能受损,导致肠道屏障完整性被破坏。研究表明,UC患者肠黏膜中claudin-1的表达水平较健康个体降低约52%,且这种降低与GSDMD的激活水平呈负相关。
在PANoptosis过程中,肠上皮细胞内含物释放的DAMPs进一步加剧了炎症反应,放大了免疫激活信号。细胞死亡后,三磷酸腺苷(ATP)等分子作为DAMPs被释放到细胞外。这些DAMPs可以激活P2X7受体,启动巨噬细胞和树突状细胞中NLRP3炎症小体的组装,从而促进更多促炎因子的释放。同时,另一个重要的DAMP分子——高迁移率族蛋白B1(HMGB1)也在PANoptosis细胞中释放。HMGB1通过结合TLR4受体激活核因子κB(NF-κB)信号通路,促使肠道内的巨噬细胞、树突状细胞等免疫细胞大量分泌IL-6、TNF-α等促炎因子。这些因子不仅募集循环免疫细胞浸润肠黏膜,进一步加剧肠道内的免疫反应,还通过自我放大作用于肠上皮细胞,导致炎症的持续激活。PANoptosis很可能在“前馈循环”中充当致病性放大器,而不是UC唯一的初始驱动因素。
5. 免疫细胞PANoptosis的分子机制与促炎优势形成
巨噬细胞的M1型极化受到PANoptosis信号的精确调控。当巨噬细胞吞噬PANoptosis肠上皮细胞释放的凋亡小体时,其内部的NLRP3/caspase-1通路被激活,通过上调IRF5转录因子促进M1表型标志物(如CD86、诱导型一氧化氮合酶iNOS)的表达。同时,M2型巨噬细胞的分化受到双重抑制:一方面,PANoptosis释放的IL-1β可阻断IL-4/STAT6介导的M2极化通路;另一方面,TGF-β1的分泌减少38%,导致其修复肠黏膜的能力显著下降。
Th17细胞的异常活化依赖于与PANoptosis相关的细胞因子网络。PANoptosis肠上皮细胞释放的IL-1β和IL-23可协同激活Th17细胞内的RORγt转录因子,使其增殖速率提高2.8倍,并促进其大量分泌IL-17A、IL-22等细胞因子。其中,IL-17A可通过诱导肠上皮细胞表达CXC趋化因子配体1(CXCL1)、CXCL2等趋化因子特异性募集中性粒细胞,同时刺激上皮细胞产生基质金属蛋白酶(MMP-3、MMP-9),导致肠黏膜基底膜降解。相比之下,调节性T细胞(Treg)的免疫抑制功能则受到PANoptosis信号的损害;PANoptosis释放的IL-6通过激活STAT3通路,降低了Treg细胞表面细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(CTLA-4)和叉头框蛋白P3(Foxp3)的表达,从而使其抑制Th17细胞的能力下降约60%。此外,在LPS刺激下,Treg细胞自身也可发生PANoptosis,其内部GSDMD的切割增加,导致其数量减少并释放促炎因子,进一步削弱免疫调节网络。
中性粒细胞在PANoptosis驱动下表现出“功能亢进与自我损伤”的矛盾状态。一方面,与PANoptosis相关的IL-1β可增强中性粒细胞表面Fc受体和补体受体的表达,使其吞噬能力提高1.7倍。另一方面,活性氧(ROS)水平在UC患者的结肠活检组织中显著升高。这些ROS不仅通过氧化应激损伤肠上皮细胞,还会激活中性粒细胞的NETosis程序,释放含有脱氧核糖核酸(DNA)、组蛋白和弹性蛋白酶的中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)。NETs的双重作用在UC中尤为突出,虽然它们能捕获病原体,但过量的NETs释放可直接降解肠黏膜的粘蛋白层(如MUC2),使上皮细胞暴露在菌群的攻击下。研究结果表明,UC患者肠黏膜中NETs标志物(如瓜氨酸化组蛋白H3)的水平与黏膜损伤评分呈正相关,其弹性蛋白酶可降解紧密连接蛋白occludin,形成“屏障破坏、中性粒细胞浸润、进一步破坏”的恶性循环。
上述机制最终通过细胞因子的级联反应形成“促炎优势”。Th17细胞分泌的IL-17与巨噬细胞释放的TNF-α协同作用,使肠上皮细胞IL-8的表达量提高五倍,持续募集中性粒细胞。然而,M2巨噬细胞和Treg细胞分泌的IL-10却不足(仅为健康水平的40%),无法有效抑制NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的激活。这种“促炎因子亢进、抗炎因子耗竭”的失衡状态,导致肠黏膜的急性炎性损伤转变为慢性持续状态,成为UC难以治愈的核心病理基础。
6. 靶向PANoptosis的治疗策略
6.1. 靶向肠上皮细胞PANoptosis缓解UC
靶向肠上皮细胞的PANoptosis是缓解UC的重要策略之一。小分子抑制剂在此方面显示出一定潜力。例如,RIPK1抑制剂(如Nec-1s)可特异性抑制RIPK1活性,阻断PANoptosis信号通路传导,减少肠上皮细胞PANoptosis,从而保护肠道屏障完整性。天然产物也表现出抑制肠上皮细胞PANoptosis的作用。姜黄中提取的活性成分姜黄素(curcumin),具有抗炎、抗氧化等多种生物活性,它可通过抑制炎症小体激活、调节相关信号通路等方式减少肠上皮细胞的PANoptosis,在实验模型中有效缓解UC的症状和炎症程度。
6.2. 靶向免疫细胞功能障碍缓解UC
针对PANoptosis引发的免疫细胞功能障碍采取治疗措施可缓解UC。为靶向巨噬细胞功能障碍,可使用TLR4抑制剂。通过抑制TLR4信号通路,可减少M1型巨噬细胞的极化及促炎因子分泌,同时促进M2型巨噬细胞分化,增强抗炎作用。为靶向T细胞功能异常,可应用IL-17拮抗剂。这些拮抗剂可特异性结合IL-17,阻断其生物活性,抑制Th17细胞介导的促炎反应。临床研究表明,IL-17拮抗剂可显著提高中重度UC患者的临床缓解率并改善症状。此外,通过调节Treg细胞功能,例如使用IL-2等细胞因子促进其增殖和活化以增强其免疫抑制效应,可恢复免疫平衡,缓解UC发生的炎症。
6.3. PANoptosis与炎症性细胞死亡的多靶点抑制策略
在哺乳动物中,caspase家族包含14个成员,可分为凋亡亚型(如caspase-3、6–10)和炎症亚型(如caspase-1、4、5和11)。它们不仅介导细胞凋亡,还参与了由DAMPs或PAMPs以及人类疾病诱导的各种细胞死亡途径。例如,caspase-6可与RIPK3结合,增强ZBP1与RIPK3的相互作用,从而激活PANoptosis通路。caspase-1抑制剂VX-765、CZL80和四环素(tetracycline)等药物可通过抑制caspase-1依赖性细胞因子的产生来减轻炎症反应。最具代表性的炎症小体传感器NLRP3的特异性抑制剂包括MCC950、OLT1177(dapansutrile)、格列本脲(glibenclamide)及其类似物JC171、CY-09、BOT-4-one、Fc11a-2等,它们通过不同机制抑制NLRP3的激活,从而阻断IL-1β和IL-18的释放,部分已进入临床试验阶段。同时,作为调控细胞存活与死亡的关键分子,RIPK1拥有多种类型的抑制剂,包括I型(如tozasertib)、II型和III型抑制剂(如GSK963、GSK772、DNL104、GFH312等)。其中许多化合物在炎症性和退行性疾病模型中显示出良好疗效,部分已进入临床试验。坏死性凋亡的关键激酶RIPK3的抑制剂包括AZD5423、CPD42和HS-1371,它们通过阻断RIPK1–RIPK3–MLKL通路发挥保护作用。此外,针对其他泛凋亡相关蛋白如ZBP1、AIM2、ASC以及成孔分子GSDMD(其抑制剂包括双硫仑(disulfiram)、LDC7559等)和MLKL(如NSA)的研究也取得进展。这些分子通过干扰PANoptosome复合体的组装或下游效应机制,调控包括细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡在内的多种细胞死亡途径。总体而言,针对细胞死亡通路抑制剂的开发应考虑多通路间的相互作用,未来的研究应侧重于评估它们在PANoptosis背景下的综合效应,以实现对炎症和疾病更有效的治疗。
6.4. 靶向PANoptosis的UC创新疗法
鉴于UC中PANoptosis的激活涉及复杂的信号通路,限制了单靶点疗法的疗效,一种负载多种PANoptosis抑制剂的智能响应型水凝胶递送系统应运而生,为UC的精准协同治疗提供了创新方向。该系统的核心是由壳聚糖、海藻酸钠等生物相容性材料组成的口服或结肠靶向水凝胶,具有病灶局部富集、环境响应释放(响应肠道特定pH或酶环境)和作为协同给药平台的功能。其携带的“抑制剂鸡尾酒”可系统干预PANoptosis级联反应:上游,通过MCC950或CY-09的作用抑制NLRP3炎症小体,通过GSK772或Nec-1s抑制RIPK1,并干扰ZBP1通路,以阻断PANoptosome复合体的组装。下游,鸡尾酒中的VX-765抑制caspase-1,而双硫仑和NSA分别抑制GSDMD和MLKL的成孔活性,以遏制细胞焦亡和坏死性凋亡,保护肠道屏障完整性,减少DAMPs的释放。这种多药联合策略通过“垂直阻断”(抑制同一通路的不同层级)和“横向覆盖”(同时靶向不同细胞死亡通路的分支)实现协同效应,从根本上打破“细胞死亡-炎症-更多细胞死亡”的恶性循环,代表了一种通过多靶点、局部化途径高效抑制PANoptosis、缓解肠道炎症并促进黏膜愈合的前沿疗法。尽管在药物的共包封和精确控释方面仍面临挑战,但它无疑为攻克难治性UC开辟了一条充满希望的新路径。需要强调的是,目前尚未有已发表的研究评估此处所提出的精确抑制剂组合在UC模型中的效果。抑制剂的选择是基于它们靶向PANoptosis网络内不同节点的互补作用机制,该组合策略需要在临床前环境中进行系统性验证。这种多靶点水凝胶策略目前仍是一个假设性概念,在考虑临床应用前必须解决多个转化限制,包括共包封多种不同理化性质抑制剂的技术挑战、实现精确和序贯的药物释放,以及缺乏在炎症结肠组织中长期使用的安全性数据。
7. 结论
本综述系统阐述了PANoptosis在UC发生发展中的关键作用:UC复杂的病理环境为PANoptosis的激活提供了多重触发因素,一旦启动,由ZBP1、NLRP3、RIPK1等关键分子组装成的PANoptosome复合体将协同激活caspase家族和RIPKs,导致细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡同时发生。这不仅直接导致肠上皮细胞死亡和物理屏障瓦解,还通过释放大量促炎细胞因子和DAMPs,进一步加剧免疫细胞功能障碍,形成“细胞死亡-炎症”恶性循环,驱动UC的慢性和难治性。该信号网络的冗余性使得传统单靶点策略疗效有限,凸显了开发多靶点联合干预策略的紧迫性与重要性。展望未来,该领域的发展充满机遇与挑战。应利用高通量筛选和人工智能辅助设计,发现针对ZBP1、AIM2等关键传感器的特异性抑制剂,并科学确定最佳组合给药方案。应开发更多响应UC微环境特征(如活性氧水平、酶谱)的智能材料,并构建集“抑制死亡、减轻炎症、修复屏障、调节微生态”于一体的多功能平台。应系统验证多靶点水凝胶系统在高级动物模型中的安全性与有效性,并精心设计针对难治性患者的早期临床试验。必须深入研究PANoptosome的精确组装机制及其在不同细胞类型和临床亚型中的动态调控网络。总之,通过将多靶点抑制策略与先进递送技术相结合,并深化对PANoptosis基本机制的理解,我们有希望开发出能够从根本上打破UC病理恶性循环的突破性疗法。当前文献的一个关键局限是缺乏直接临床证据证明PANoptosome复合体在人类UC活检组织中的组装。大多数机制见解来源于体外细胞系统和动物模型。未来的转化研究应优先考虑:开发经过验证的PANoptosome组分原位检测方法,以及开展前瞻性队列研究,将PANoptosis相关分子的表达与临床疾病活动指数、内镜下严重程度和治疗反应相关联。