免疫反應(yīng)是生命活動的重要組成部分，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)的根本使命是識別“非我”和“異我”物質(zhì)，如病原、腫瘤，繼而采取應(yīng)對措施。
細胞焦亡是一種自主的細胞程序性死亡，可以使機體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，表現(xiàn)為細胞膜的不斷脹大并最終破裂，這個過程會伴隨細胞內(nèi)容物的大量釋放和機體的免疫激活。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非常關(guān)鍵的因素。
近十年隨著免疫檢查點抑制劑的問世，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。雖然細胞焦亡對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全新角度。
免疫系統(tǒng)的防御機制
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)可以針對某個病原體，由B細胞產(chǎn)生特異性抗體或具有殺傷性的特異性T細胞，從而識別病原體，清除“異我”。整個過程通常需要幾天時間。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，與前者需要花費幾天時間不同，它可以快速啟動炎癥反應(yīng)，并活化獲得性免疫系統(tǒng)。這個免疫過程因為不依賴抗原，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”來了就能識別出來。
2011年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予該領(lǐng)域的三位科學(xué)家，表彰他們在天然免疫系統(tǒng)領(lǐng)域的突出貢獻。法國斯特拉斯堡大學(xué)教授Jules A.Hoffmann和美國得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心教授Bruce A.Beutler發(fā)現(xiàn)了第一個識別病原細菌的天然免疫受體；美國洛克菲勒大學(xué)教授Ralph M. Steinman發(fā)現(xiàn)了天然免疫識別病原最重要的一類細胞——樹突狀細胞，其細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“偵探”樣免疫受體分子是Toll樣受體4，其可以識別細菌細胞壁上一個最重要的成分——脂多糖（LPS），并將受細菌感染的信息傳導(dǎo)給機體細胞。Toll樣受體4通過一個程序讓細胞核里的基因翻譯表達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，它們都定位在細胞膜上，像“偵探”一樣監(jiān)測著病原信號。但是，如果浸染機體的病原細菌穿過細胞膜直接鉆到細胞質(zhì)中，那么Toll樣受體在細胞外的“偵察”就無法發(fā)揮作用了。
一個非常經(jīng)典的實驗記錄了病原細菌鉆到細胞里面后，細胞發(fā)生的變化。健康的活細胞有嚴格的過濾系統(tǒng)，可以阻止染料分子進入。但當細胞被細菌感染時，其細胞膜的通透性發(fā)生變化，細胞膜破裂，導(dǎo)致染料分子進入細胞。也就是說，被感染的細胞發(fā)生了裂解性死亡。這就是細胞焦亡，一種快速的、程序化的、裂解性的細胞死亡。
細胞焦亡“真相大白”
細胞焦亡和傳統(tǒng)的細胞凋亡有什么差別？
簡單來說，細胞凋亡是生理性過程，細胞皺縮，細胞膜維持完整，細胞質(zhì)不會泄漏。發(fā)生凋亡的細胞會迅速被巨噬細胞清除，且不誘發(fā)炎癥免疫反應(yīng)，是“干凈”的死亡。
細胞焦亡是病理性過程，細胞脹大至細胞膜破裂，繼而細胞質(zhì)內(nèi)容物泄漏，產(chǎn)生強烈的炎癥免疫反應(yīng)，是“臟”的死亡。更多來說，細胞焦亡是應(yīng)對病理性的條件。
1996年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細胞焦亡依賴蛋白酶分子Caspase-1。如果細胞里沒有這個分子或者人為把它拿掉，細胞焦亡就不能發(fā)生了。這從根本上將細胞焦亡與其他細胞死亡途徑區(qū)分開來。
我們實驗室的工作發(fā)現(xiàn)了另一個和Caspase-1比較像的分子，在小鼠里叫Caspase-11，對應(yīng)人體的Caspase-4和Caspase-5，其也可以活化細胞焦亡。這些Caspase像一把“剪刀”，可以切割并活化底物分子。與定位在細胞膜上的Toll樣受體4功能類似，Caspase-11也可以識別LPS，不同之處是它存在于細胞質(zhì)內(nèi)。如果LPS鉆到細胞內(nèi)，那么識別LPS的分子就是Caspase-11了。隨著識別的發(fā)生，細胞焦亡開始被激活。
Caspase家族激活細胞焦亡的機制是什么？2015年，我們實驗室取得了一個非常大的突破——首次鑒定出細胞焦亡特異性的關(guān)鍵效應(yīng)分子Gasdermin D（GSDMD）。當機體的免疫受體識別細菌感染信號后，會通過Caspase1/11等蛋白酶切割并活化GSDMD，誘發(fā)細胞焦亡，激活抗細菌免疫反應(yīng)。相關(guān)研究被《自然—免疫學(xué)》雜志認為是“20年來國際免疫學(xué)領(lǐng)域20項標志性進展”之一。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD及其所屬的整個GSDM家族蛋白（GSDMA～E）被活化后都會在細胞膜上打孔，最終致使細胞膜破裂，引發(fā)細胞焦亡，細胞同時釋放出炎癥因子等物質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)澄清了細胞焦亡是裂解性細胞死亡的本質(zhì)，焦亡過程中會發(fā)生細胞膜通透直至破裂。因此細胞焦亡和凋亡是性質(zhì)相反的兩種細胞死亡方式。
也就是說，細胞焦亡通過炎性物質(zhì)及細胞內(nèi)容物的釋放，向整個機體發(fā)出警示動員信號；而細胞凋亡是一種“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)育過程中尾巴會消失，此過程中細胞的死亡是凋亡，其不會對機體產(chǎn)生其他影響，更不會誘發(fā)炎癥反應(yīng)。
GSDM家族蛋白與很多疾病相關(guān)，它們就好比一個個“小炸彈”，平時“小炸彈”沒有被點燃，就不能在細胞膜上打孔。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，當然這只是一個假說�？偨Y(jié)來說，細胞焦亡的核心特征就是GSDM家族蛋白的參與和活化。
控制細胞焦亡可以治療疾病
細胞焦亡是天然免疫系統(tǒng)的一個重要組成部分。免疫受體的存在可以檢測到“壞人”來了，然后通過“剪刀”把GSDM分子活化，使細胞發(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，阻斷細胞焦亡的發(fā)生，那么小鼠在面對很多細菌的感染時就會很脆弱和敏感，很容易死亡。但當細胞焦亡過度或失控的時候，又會引發(fā)很多與炎癥相關(guān)的疾病。因為免疫和炎癥永遠是一把“雙刃劍”，過度焦亡會帶來副作用。因此，細胞焦亡與疾病治療有密切關(guān)系。
“炎癥風暴”里一個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。當細菌感染發(fā)生時，如果只有局部的輕微感染，比方說腸道感染，就會拉肚子或者發(fā)燒；但如果感染程度嚴重，很多細菌跑進循環(huán)系統(tǒng)，擴散得血液里到處都是，就會導(dǎo)致“炎癥風暴”，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30%~70%，目前沒有特效藥，每年有1800萬人死于該疾病，重癥監(jiān)護室里超過1/3的病人最終死于該癥。
我們利用小鼠膿毒癥模型，使其感染大量細菌，或者直接注射細菌LPS——細菌里面最廣泛存在的分子。在這個實驗?zāi)Ｐ椭�，LPS會被Caspase-11識別，同時Caspase-11被活化。這把“剪刀”打開以后，就會切割焦亡底物GSDMD，細胞發(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兩個基因中的任何一個從小鼠體內(nèi)敲除，小鼠就會因為細胞焦亡被很大程度地抑制而存活下來。
這項工作說明，全身性細胞焦亡是導(dǎo)致膿毒癥的關(guān)鍵機制，GSDMD也成為開發(fā)針對膿毒癥藥物的新靶點。
GSDM家族共有5個成員，這些細胞焦亡的關(guān)鍵分子就相當于5個“小炸彈”，埋伏在人體不同細胞里。它們不僅存在于免疫細胞，在各種器官的上皮內(nèi)細胞、肌肉細胞里也都有存在。由于細胞焦亡可直接促進或?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。如果能準確地將一些“小炸彈”定點送到癌細胞里，或許就能將不斷增殖的癌細胞“炸掉”。
于是，我們設(shè)計了一個用化學(xué)方法來定向誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生焦亡的實驗體系。在這個體系下，利用小鼠乳腺癌模型，對小鼠進行三輪給藥，誘導(dǎo)腫瘤細胞發(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驗放到?jīng)]有T細胞和獲得性免疫系統(tǒng)的小鼠體內(nèi)進行，腫瘤卻不會消失。也就是說，如果沒有T細胞，即便同樣誘導(dǎo)細胞焦亡，腫瘤也不能消失。這說明，細胞焦亡誘導(dǎo)之后發(fā)生的免疫反應(yīng)，需要免疫系統(tǒng)T細胞的幫助。
我們研究發(fā)現(xiàn)，這是因為少部分的腫瘤細胞發(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。該實驗表明，適當?shù)募毎雇隹梢杂|發(fā)炎癥反應(yīng)，活化T細胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)。
細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)典的是免疫檢查點抑制劑PD-1治療，其讓人類首次實現(xiàn)癌癥治愈。但現(xiàn)在免疫治療最大的問題是，只有10%~20%的患者對免疫治療有反應(yīng)。
小鼠乳腺癌模型對PD-1的治療也沒有響應(yīng)，臨床上將這種對免疫治療無反應(yīng)的腫瘤稱之為“冷”腫瘤。但是，如果對這個模型小鼠進行一輪細胞焦亡治療后，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，腫瘤細胞的焦亡可以把“冷”腫瘤變成“熱”腫瘤，使其對免疫治療產(chǎn)生反應(yīng)。
腫瘤免疫的關(guān)鍵效應(yīng)步驟是毒性淋巴細胞對腫瘤細胞的殺傷。毒性淋巴細胞分泌的顆粒酶A可直接切割和活化GSDMB蛋白，誘導(dǎo)靶細胞發(fā)生焦亡。這條通路的激活可以顯著促進小鼠對腫瘤的免疫清除。
考慮到細胞焦亡的天然促炎能力，是否可以通過誘導(dǎo)細胞焦亡來增強癌癥患者的抗腫瘤免疫，是一個非常重要的科學(xué)問題。
可以說，GSDM家族蛋白介導(dǎo)的細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志物，這類蛋白的激動劑很有可能成為抗腫瘤藥物研發(fā)的新方向�！�
（作者系中國科學(xué)院院士，記者辛雨根據(jù)其在“科學(xué)與中國”再出發(fā)——“千名院士·千場科普”首場報告會上的報告整理）