引爆肿瘤“小炸弹” 扩大免疫杀伤力

局灶性细胞死亡是近年来被证明和广泛关注的一种新的程序性细胞死亡方法。其特征是细胞肿胀，直至细胞膜破裂，导致细胞内容物释放，然后激活强烈的炎症反应。细胞死亡是机体的一种自然免疫反应，在抗感染过程中起着重要作用。

2014年至2017年，中国科学院院士、北京生命科学研究院研究员邵峰研究组对局灶性死亡的概念进行了重新界定，局灶性死亡的研究取得了重大进展。2018年，细胞死亡命名委员会将局灶性死亡修改为一种可控的细胞坏死，这种坏死依赖于Gasdermin(GSDM)家族蛋白形成质膜孔。局灶性死亡有时但不总是通过激活炎性半胱天冬酶来完成。

邵峰在接受《中国科学》采访时表示，GSDM家族蛋白介导的细胞死亡为肿瘤免疫治疗药物的研发提供了新思路，GSDM家族蛋白也成为肿瘤免疫治疗的潜在生物标志物，这些蛋白的激动剂有可能成为抗肿瘤药物研发的新方向。

焦之死背后有一个故事

在过去的30年里，这一有趣而重要的生物学现象吸引了国内外许多研究团体来探索其分子机制。在早期的研究中，这种由细菌毒素引起的细胞死亡被误认为是一种细胞凋亡。2001年以后，一些研究者开始认识到这种伴随炎症进展的细胞死亡是一种裂解性死亡，在形态学上明显不同于经典的细胞凋亡，并将这种细胞死亡称为局灶性死亡。

2015年，邵峰研究小组鉴定出了Gasdermin D(GSDMD)，一种对局灶性细胞死亡具有特异性的关键效应分子。当机体的免疫受体识别细菌感染信号时，GSDMD将被蛋白酶如半胱天冬酶1/11切割和激活，以诱导局部细胞死亡并激活抗菌免疫反应。

2016年，邵峰研究小组的进一步研究发现，GSDMD和整个GSDM家族蛋白(GSD MA ~ E)在活化后会穿透细胞膜，最终导致细胞膜破裂并释放炎症因子和其他物质。

这项工作彻底阐明了细胞死亡是裂解细胞死亡的本质，细胞膜的通透性将在细胞死亡过程中发生直至破裂。然而，在细胞凋亡的传统过程中，细胞膜不会被渗透，但也会挖出一个信号分子来诱导巨噬细胞及时清除凋亡细胞。因此，局灶性死亡和凋亡是两种相反的细胞死亡模式。

也就是说，细胞死亡通过释放炎症物质和细胞内容物向全身发出“警告和动员”信号。细胞凋亡是一种“平静”的死亡，它调节正常的生理发育过程。例如，邵峰说，“蝌蚪在青蛙发育过程中消失了尾巴。这一过程中的细胞死亡是细胞凋亡，不会对身体产生其他影响，也不会引发炎症反应。”

由GSDMD激活引起的局灶性细胞死亡。

交乌药的抗肿瘤免疫功能

目前还不清楚除GSDMD外，其他GSDM蛋白是如何被激活的。如果GSDM家族蛋白质被想象成“小炸弹”，它们可以“爆炸”细胞膜，但是每个“小炸弹”都有不同的“爆炸”方式。因此，我们需要探索每个“小炸弹”的“爆炸”模式，即GSDM家族蛋白的激活机制邵峰说。

2017年，邵峰研究小组在《自然》杂志上报道说，谷胱甘肽硫转移酶可以被胱天蛋白酶-3裂解，释放其膜穿孔活性。Caspase-3一直被认为是细胞凋亡的标志。对各种内源性和外源性信号的响应，GSDME的激活机制表明细胞烧焦在非感染性生物过程中也起重要作用。

今年3月，美国哈佛医学院和波士顿儿童医院的教授朱迪·利伯曼和他的实验室医生张志彬在《自然》杂志上报道，有毒淋巴细胞(包括杀伤性T细胞和自然杀伤细胞)分泌的颗粒酶B可以通过半胱天冬酶-3间接或直接裂解和激活GSDME，诱导癌细胞烧焦并抑制肿瘤生长。

今年4月，邵峰集团在《科学》杂志上报道，有毒淋巴细胞分泌的颗粒酶A可以直接裂解并激活GSDMB，诱导靶细胞焦烧死亡。激活该途径也能显著促进小鼠肿瘤的免疫清除。

邵峰说，这些研究已经证明，毒性淋巴细胞可以通过GSDM家族蛋白介导的局部死亡杀死靶细胞，这是细胞免疫的重要作用机制。由于杀伤T细胞通过颗粒酶杀伤靶细胞也是肿瘤免疫的执行机制，GSDM蛋白也成为肿瘤免疫治疗的潜在靶点。

《自然》杂志是李伯曼论文的同一期，它连续报道了邵峰和北京大学化学与分子工程学院的特别研究员刘志波之间的合作研究。他们发现细胞死亡可以通过一个新的生物正交系统诱导强烈的抗肿瘤免疫反应。

研究小组设计了一种全新的化学和生物方法。首先，将活化的GSDM蛋白连接并锚定在纳米颗粒上，利用纳米颗粒的特殊性质将GSDM蛋白带入小鼠的肿瘤组织中。随后，研究人员将一种特殊的化学小分子注入小鼠体内，这种小分子可以打开GSDM和纳米粒子之间的连接，释放GSDM蛋白并将其转运到细胞膜上穿孔，诱导肿瘤细胞死亡。

研究人员发现，注射了GSDM纳米粒子和小化学分子的小鼠体内的肿瘤几乎完全消失。

尽管老鼠身上的所有肿瘤都被切除了，但这并不是因为所有的肿瘤细胞都被烧焦了。邵峰强调:“事实上，肿瘤细胞中只有大约15%的GSDM蛋白被激活。”少数肿瘤细胞被烧伤致死后，由于某些炎症因子的释放，强烈的T细胞介导的抗肿瘤免疫反应将被激活。

"虽然只有15%，但足以有效改变肿瘤免疫微环境."邵峰说:“一种可能的解释是，在人体的肿瘤微环境中，只有少量的杀伤T细胞能够杀伤肿瘤细胞。然而，GSDM蛋白诱导一些肿瘤细胞的局部死亡，从而积极地增强抗肿瘤免疫反应，在肿瘤微环境中产生大量有效的杀伤T细胞。然而，具体的机制仍不清楚。”

邵峰说，这项研究是第一次使用强有力的直接实验数据来揭示肿瘤细胞死亡可以强烈激活人体的抗肿瘤免疫反应。

GSDM家族蛋白可以在细胞膜上打孔，从而引发细胞灼伤。

肿瘤免疫治疗的新希望

免疫疗法被认为是最有希望的新的癌症治疗方法，它使“治愈”肿瘤成为可能。对细胞灼死的研究表明，如果肿瘤细胞能够被灼死或被灼死杀死，这将是一种潜在的有效的肿瘤免疫治疗方法。

在GSDM家族中，GSDMD蛋白广泛表达于各种组织和细胞中，而其他GSDM蛋白在消化道和皮肤等组织中的表达水平相对较高。利伯曼和邵峰的团队还发现，癌细胞有时会降低或抑制某些GSDM蛋白的表达，或使它们失去通过突变介导细胞死亡的功能。

“也就是说，癌细胞有时会扔掉或丢弃‘小炸弹’，因为如果这些‘小炸弹’被‘引爆’，就不利于肿瘤的生长。”有趣的是，GSDMD在大多数肿瘤中保持高水平的表达。邵峰说，如果有一个小分子能够激活GSDM家族的蛋白质，尤其是GSDMD，那么就有可能将这个小分子开发成药物，并在肿瘤细胞中“引爆”这个“小炸弹”。

虽然开发这类药物通常需要很长时间，但邵峰希望这些基本的科学发现能够尽快应用于临床肿瘤治疗，造福于患者。

目前，邵峰正与相关医生和临床专家合作，积极探索将GSDM家族蛋白开发成肿瘤免疫治疗生物标志物的可能性。

现有的免疫治疗药物仅在少数癌症中显示出疗效，且有效率通常低于20%。对于许多类型的癌症，接受免疫治疗的患者组之间的预后没有统计学差异。邵峰推测，如果免疫疗法能够被选择并针对GSDM蛋白高表达的癌症患者，根据他们的研究发现，可能更容易看到免疫疗法药物的治疗效果。

邵峰研究小组(右一)正在进行一项实验性讨论。