The Mechanism and Clinical Values of Apoptosis<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

顾海慧  包晓航 综述 王景阳　审校
Haihui Gu, Xiaohang Bao, Jingyang Wang

第二军医大学附属长海医院麻醉科 上海200433
Department of Anesthesiology, Changhai Hospital, The Second Military Medical University, Shanghai 200433

　　一、凋亡的定义
　　凋亡特指一个能量依赖、非同步、基因调控过程，凋亡基因被激活后，不需要或损伤的单个细胞自我破坏^[1]。简言之即细胞皱缩、与邻近细胞脱离、核裂解、核碎片和细胞器浓缩，最终包裹在有膜囊泡中而被周围细胞吞噬消化。膜完全被保留，染料仅在过程的晚期才被摄入。无炎性反应是凋亡和坏死的区别。凋亡和坏死细胞死亡的区别祥见表一。

　　二、病理生理学特征
　　1．形态学特征：
　　凋亡分三个独特的阶段。第一阶段：丧失微绒毛和连接复合体或桥粒的细胞与基底物和邻近细胞脱离^[2]。DNA被特殊的核酸内切酶消化成碎片并最终被包裹在囊泡中。随着胞质皱缩和退化，细胞变得浓厚。第二阶段：细胞产生出包含细胞器和核碎片的伪足，伪足脱落形成多个有膜囊泡。剩下的细胞变成光滑的圆形有膜残余物（凋亡小体）^[3]。第三阶段：蓝色染料（tryphan blue）透过细胞膜。凋亡小体和有膜囊泡然后被巨噬细胞、上皮细胞、血管内皮细胞或肿瘤细胞吞噬。整个凋亡过程仅需15分钟，所以在组织切面不一定能发现^[4]。
　　2．细胞死亡的机制
　　可诱发凋亡的刺激主要有四类（表二），多种生理的和病理的刺激都可诱发凋亡。
　　凋亡受基因的调控，Bcl-2和P53这两组基因起重要作用^[5]。第一组Bcl-2是调控凋亡的基因家族^[6]，位于线粒体膜、内质网上控制钙通道。现知有与Bcl-2相似的哺乳动物蛋白家族可促进或抑制凋亡。Bcl-2和Bcl-Xl蛋白防止凋亡；而Bcl -2相关的X蛋白(Bax)如Bax、 Bad、 Bak和Bcl-Xs则促进凋亡^[6]。
P53基因是一个53 kDa核磷酸蛋白，与DNA结合后起转录因子的作用，控制细胞增殖和DNA修复。50%以上的人类癌瘤（如结肠癌）中发现P53突变^[7]，且与抵抗治疗有关。C-myc基因是一个原癌基因，编码特异的DNA结合蛋白，起转录因子作用，当存在P53时可引起凋亡。在许多肿瘤细胞中，C-myc蛋白增高。


　　半胱氨酸蛋白酶称为 Caspase家族，其激活可导致细胞破裂^[6-9]。人类共有10种Caspases 。Caspases有两个亚家族ced-3亚家族（由ced-3基因表达产生）和ICE亚家族（IL-1β转移酶）。Caspase1与ICE有关，主要参与炎性反应；ced-3亚家族是影响凋亡的重要效应基因。Caspase8或类 FADD白介素转移酶（FADD-like inteleukin converting enzyme：FLICE）是ced-3亚家族中最重要的酶。

　　三、凋亡与临床的关系


　　1．中枢神经系统
　　随着机体的发育，有一种细胞死亡的特殊形式，以前称“凋亡”，但现称为程序性细胞死亡（programed cell death：PCD）^[6]。神经系统在胚胎发育过程中细胞产生过盛，PCD通过减少神经生长因子等营养物质或阻断突触接触或传入神经输入，消除那些轴突不能到达靶器官的神经元。细胞因子（如TNF-α）和反应性氧(reactive oxygen species：ROS，如超氧化物等)可触发PCD。
氧化剂、谷氨酸中毒和钙内流都可触发成熟的中枢神经系统发生凋亡。产生ROS过多引起氧化应激，损坏脂质膜、蛋白质、核酸和细胞外基质氨基葡聚糖。低水平ROS或抗氧化剂（如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶）耗竭产生凋亡；高水平ROS则可造成更严重的损害而引起坏死^[6]。
　　谷氨酸受体介导的神经元损伤是继缺血、创伤、癫痫、神经退化造成“兴奋毒性”神经元死亡的重要原因^[6]。谷氨酸既可导致坏死又可引起迟发性神经元死亡（delayed neuronal death：DND），前者与钠离子、氯离子、水内流所致细胞肿胀有关；后者则似凋亡，在暴露后数小时内发生，与钙离子经谷氨酸受体相连的钙通道内流有关。
　　钙是一种重要的第二信使，它通过刺激神经递质释放、基因诱导和某些酶的激活等手段导致凋亡。这些酶包括：蛋白酶、蛋白激酶、磷酸酶、核酸内切酶、磷脂酶和一氧化氮合成酶。磷脂酶A2可产生超氧阴离子；一氧化氮合成酶可产生一氧化氮（NO），两者都可引起氧化应激而导致凋亡。
　　脑缺血、脑外伤、癫痫和神经退化症中都发现细胞内钙超载引起的凋亡增加。在颅脑损伤的死亡神经元中约10%产生调亡，在伤后24至48小时达到高峰。严重创伤时，坏死性细胞死亡的比例增加，抗凋亡药物可减少创伤后细胞死亡。
在一些神经退化症中凋亡增加。痴呆症：β-淀粉肽在脑内和脑血管上斑块状沉积可引起皮质神经元凋亡，可能经NO途径。帕金森病：与黑质中多巴胺能神经元减少有关。多巴胺被认为可影响神经元凋亡^[6]。
　　基因突变引起的凋亡不足有助于神经瘤的发展。星形细胞瘤中可见P53基因突变^[10]。蛋白激酶C抑制剂（如hypericin 和 calphostin）可引起神经胶质瘤细胞凋亡。转基因技术已用于将Bcl-xs导入神经母细胞瘤细胞及将ICE逆病毒导入胶质肉瘤细胞中，使这些肿瘤细胞凋亡。
　　2．心血管系统
　　最近发现缺血缺氧导致的心肌细胞死亡既有凋亡又有坏死^[11]。因冠状动脉微栓或快速室性起搏导致的心肌缺血梗死、再灌注和心衰时都存在凋亡。
　　冠状动脉粥样硬化斑块不稳定、破裂与血管平滑肌细胞凋亡有关。在原发性动脉硬化症中凋亡增加43%而在再狭窄中凋亡增加93%，可由NO触发并与Caspase表达有关。
　　心律失常可能与心脏发育过程中凋亡不足有关。过度凋亡将导致心律过缓和猝死^[11]。QT间期延长综合症患者窦房结的凋亡速率增加。心律失常性右室发育不良是一种可导致猝死的心肌病。认为这些患者心肌活检时发现凋亡与室性心律失常时重复缺血和再灌注有关^[11]。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　3．免疫系统
　　凋亡功能障碍可引起自身免疫病、免疫缺乏症和淋巴样恶性肿瘤。人体发育过程中，大量前体细胞从骨髓迁移到胸腺，其中90-95%不能产生T细胞受体（TCR）而通过凋亡途径死亡。内生性糖皮质激素和TCR缺少可诱发胸腺细胞凋亡。因TCR诱发在胎儿肝脏和后期骨髓中的不成熟B细胞凋亡，产生抗自身抗体，可导致克隆细胞的死亡（克隆丧失，即染色体遗传物质部分丢失）。动物研究发现凋亡功能障碍可引起自身免疫病，如风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、炎症性结肠炎和胰岛素依赖性糖尿病。有证据表明细胞毒性T细胞是通过诱导凋亡杀死其靶细胞的^[12]。凋亡清除被激活的周围细胞毒性T细胞和周围B细胞。
　　粒细胞凋亡对解除炎性反应也很重要。炎性介质如脂多糖（LPS）和粒细胞集落刺激因子（G-CSF）可抑制中性粒细胞凋亡。在TNF-α和NO诱导凋亡中，中性粒细胞丧失去颗粒能力，从而限制炎症。衰老的中性粒细胞被巨噬细胞吞噬，几分钟内降解，而且不释放前炎性介质；而坏死的粒细胞被吞噬时，巨噬细胞会释放介质导致炎症反应^[13]。
　　血液系统疾病，如脊髓发育不良综合症、再生障碍性贫血、慢性粒细胞减少症或严重β-地中海贫血，都与骨髓内凋亡增加有关。
　　4．病毒感染
　　许多病毒通过抑制靶细胞凋亡来延长宿主细胞生命，并允许病毒进行复制。病毒还可编码抗凋亡蛋白，如杆状病毒（baculovirus）IAPs、杆状病毒P53和牛痘serpin蛋白crmA，以促进某些癌瘤发展。DNA病毒也含有抗凋亡基因，如乳头状瘤病毒和腺病毒可编码P53抑制剂。RNA病毒同样含有抗凋亡基因^[14]。
　　人类免疫缺陷病毒（HIV）感染以T细胞增殖能力下降为特征，首先是CD4细胞丧失，然后是CD8细胞、自然杀伤细胞和神经元丧失。病毒还可触发HIV感染的CD4细胞不正常凋亡。另一种病毒产物??HIV-1转录激活蛋白Tat，由感染细胞产生，而被未感染的T细胞摄取。它通过降低细胞内抗氧化剂水平产生氧化应激而促进凋亡。
　　5．脓毒血症和MODS
　　脓毒血症常并发MODS，而后者由凋亡引起。细菌LPS造成TNF-α和IL-1β等细胞因子全身性释放，引起细胞内钙增加和促进产生氧自由基，从而造成各个器官产生凋亡。TNF-α通过巨噬细胞释放IL-1β产生作用。发生感染性休克的鼠模型直接应用TNF-α可造成肝细胞凋亡，鼠缺乏ICE对感染性休克的明显抵抗进一步证明了凋亡在内毒素性休克中的作用。认为凋亡性细胞死亡限制炎性反应，对脓毒性微生物可能有利。在细菌和病毒感染过程中，凋亡是造成免疫系统（胸腺、淋巴结和脾）淋巴细胞死亡的重要原因。发生脓毒血症时，肺、回肠、结肠和骨骼肌中也可见凋亡性细胞死亡。凋亡可能是维持前炎性因子和抗炎性因子间平衡的重要调节因素，通过淋巴细胞广泛凋亡和随后减少细胞因子负荷来达到这一平衡。
　　创伤病人，无论是否并发感染，都存在中性粒细胞凋亡下降及酪氨酸磷酸化增高导致组织过度损害[15]。全身炎症反应综合症患者和行择期主动脉手术的病人也示有中性粒细胞凋亡下降，可能与循环中炎性介质前体抗凋亡因子如LPS、TNF-α、γ-干扰素（INF-γ）、 G-CSF和粒细胞/单核细胞集落刺激因子有关。在此条件下中性粒细胞的持续存在、毒性粒细胞成分和ROS过度释放造成的组织破坏，有助于引起MODS。
　　6．癌肿
　　有证据DNA损伤后如不能触发凋亡将诱生癌肿。许多肿瘤中发现c-myc水平升高。人类滤泡淋巴瘤14和18染色体的移位，导致 "原癌基因” Bcl-2表达上调。其他各种人类癌肿，如淋巴瘤、白血病、腺癌、肾癌和肺癌、神经母细胞瘤和黑色素瘤也存在Bcl-2水平升高。 其他突变也可诱发生癌。肿瘤抑制物P53可抑制Bcl-2基因表达就是一个值得注意的例子；半数以上的人类癌肿缺乏P53基因^[16]。例如Wilm's瘤中细胞退化区的P53基因突变。
　　7．胃肠系统
　　凋亡过度或不足都可诱发胃肠道疾病。志贺痢疾杆菌释放IL-1β引起肠壁内巨噬细胞凋亡过度。胃肠道肿瘤的形成与凋亡进行性抑制有关，结肠直肠癌尤然。凋亡似乎还介导同种异体肝移植的排异反应。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　四、治疗可能性和未来方向
　　凋亡广泛参与疾病的病理生理学，有助于治疗的介入。因细胞增加丧失引起的疾病，如病毒性肝炎及神经退化性疾病，目的是改变激发反应的信号（如钙离子、ROS）或干扰效应器（如caspase 和核酸内切酶）。但是，抑制凋亡可能使之恶化，因为当受损细胞被防止自杀，新的肿瘤可能发生。因缺少凋亡引起的疾病，如癌、潜伏病毒及自身免役等，均寻找一种产生选择性凋亡的方法。可溶性Fas对增加凋亡（如肿瘤细胞）证明是有用的。治疗慢性炎性疾病，如风湿性关节炎及溃疡性结肠炎，用TNF-α抑制剂曾取得成功，降低Bcl-2可使癌细胞恢复对化学或放射治疗的敏感性。Caspase作为特殊抑制剂的治疗是值得注意的。ICE抑制剂可抑制许多种细胞凋亡，在脓毒血症和慢性炎症及神经退化性疾病中可能有一定作用。
　　对癌肿的治疗，已发现抗癌药可导致肺癌细胞凋亡。可引起凋亡的化学药物包括烷基化物（环磷酰胺、自力霉素、氮介类）、局部异构酶抑制剂Ⅱ（阿酶素）、地塞米松、抗代谢产物（氨甲喋呤、5-氟尿嘧啶）、微管分裂剂（长春新碱、长春花碱）等。放射治疗和细胞毒性药产生DNA损伤以增强凋亡。如P53缺失则可对化疗产生抵抗。激活P53对新生物重新得到化疗敏感性是强有力的，可使肿瘤凋亡。尼古丁已知可抑制人类肺癌凋亡。
　　皮质类固醇导致嗜曙红细胞凋亡，用以治疗哮喘病人还可引起巨噬细胞吞噬。检测哮喘病人气道分泌物了解其过程可提示临床疗效好坏。
脑、心、肝、肾的缺血再灌注受损区域都存在凋亡，进一步了解其分子机制必然会为临床带来新的保护性治疗措施。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

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