综述：胞质核酸感应 —— 危重症的驱动因素：机制与治疗进展

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Cytosolic nucleic acid sensing as driver of critical illness: mechanisms and advances in therapy

这篇综述聚焦胞质核酸感应，阐述其在危重症中的机制、相关疾病及治疗策略的研究进展。

　　

引言

核酸（NA）作为重要的危险信号，可触发免疫反应。无论是来自自身还是非自身的核酸，在细胞质和循环系统中出现异常时，都能作为损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs），通过 NA 传感器启动危险信号。过去十年间，NA 感应在危重症中的作用逐渐受到关注，为疾病治疗提供了潜在靶点。本文将围绕 NA 感应在急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、脓毒症、创伤和缺血等疾病中的研究进展进行综述，并探讨相关治疗策略。

核酸传感器的发现

1957 年，人们发现了能干扰病毒复制的干扰素（IFN）。1963 年，研究人员发现核酸可诱导鸡和小鼠细胞分泌 I 型 IFN，这暗示了核酸感应的存在。直到 2000 年，Akira 实验室才鉴定出首个核酸传感器 TLR9，它能识别未甲基化的胞嘧啶 - 磷酸 - 鸟嘌呤（CpG）DNA。随后，2008 年发现了 STING，它是胞质 DNA 识别的关键衔接蛋白；2009 年，AIM2 被报道为新型细胞内 DNA 探测器和炎性小体激活剂；2012 年，cGAS 的发现揭示了胞质 DNA 感应的重要途径。在 RNA 传感器方面，虽然 RNA 分子最早被发现具有免疫刺激作用，但早期鉴定的 2′-5′寡腺苷酸合成酶（OAS）和蛋白激酶 R（PKR）主要作用是降解 RNA 和限制 mRNA 翻译，并不诱导 IFN 反应。2001 年，TLR3 被确定为能诱导 IFN 反应和激活核因子 κB（NF-κB）的关键受体；2004 年，单链 RNA（ssRNA）被鉴定为 TLR7 和 TLR8 的配体，同时 RIG-I、MDA5 等胞质解旋酶也被确定为 dsRNA 受体。此后，IFIT1 和 NLRP1 炎性小体等也相继被发现为新型 dsRNA 受体。

核酸传感器

1. DNA 传感器
   • TLR9：主要表达于 B 细胞和浆细胞样树突状细胞（pDCs）等细胞中，能识别微生物和其他病原体来源的含有未甲基化 CpG 二核苷酸的 DNA。TLR9 在非活性状态下定位于内质网，经高尔基体转运至内溶酶体后被激活。激活后，通过 MyD88 招募相关蛋白，诱导 I 型 IFN 反应、激活 NF-κB 并促进促炎细胞因子的释放。此外，TLR9 还能检测自身 DNA，尤其是线粒体 DNA（mtDNA）。
   • cGAS-STING：是识别胞质双链 DNA（dsDNA）并激活 IFN 产生的关键非冗余途径。cGAS 识别 DNA 后催化合成 2′3′- 环鸟苷酸 - 腺苷酸（cGAMP），cGAMP 激活 STING，进而通过 IRF3 启动 I 型 IFN 产生。cGAS 可识别多种来源的 DNA，且在细胞核中也有分布，其活性受多种因素调控。STING 在结合 cGAMP 后会发生构象变化、寡聚化并转位至高尔基体，除诱导 I 型 IFN 反应外，还能激活 NF-κB 和诱导炎症细胞因子转录，同时参与自噬和程序性细胞死亡等过程。
   • AIM2 炎性小体：主要表达于髓系细胞、T 细胞、B 细胞以及上皮和内皮细胞中。AIM2 通过其 C 末端结构域结合 DNA，N 末端结构域介导蛋白 - 蛋白相互作用。结合 DNA 后，AIM2 发生寡聚化并招募 ASC，激活 caspase-1，进而切割 pro-IL-1β、pro-IL-18 和 gasdermin D（GSDMD），引发细胞焦亡并释放成熟的 IL-1β 和 IL-18。AIM2 炎性小体与 cGAS-STING 信号通路存在相互作用，共同参与 DNA 感应。
   • 其他 DNA 传感器：IFI16 和 DDX41 等也参与 DNA 感应过程，它们与 STING 相互作用，增强 I 型 IFN 反应和 NF-κB 激活。Z-DNA 结合蛋白 1（ZBP1）能诱导 TBK1-IRF3-IFN I 和 NF-κB 信号通路，促进炎性小体激活和细胞死亡。此外，还有一些 DNA 结合蛋白与 DNA 诱导的 IFN 产生相关，它们在免疫反应中发挥着重要作用。
2. RNA 传感器
   • TLR3/7/8：TLR3、7 和 8 位于内体中，分别识别长 dsRNA、短富含 U 的 dsRNA 或 ssRNA。TLR7 和 8 主要在免疫细胞中表达，其实际配体是核糖核酸酶（RNases）切割产生的 RNA 片段。TLR3 在成纤维细胞和肿瘤细胞表面也有表达，可被长 dsRNA 激活。激活后，它们通过不同的信号通路诱导 I 型 IFN、趋化因子和细胞因子的表达。
   • RIG-I 样受体：包括 RIG-I、MDA5 和 LGP2。RIG-I 和 MDA5 由 N 端串联的半胱天冬酶募集结构域（CARD）、中央解旋酶结构域和 C 端结构域组成。激活后，它们通过 MAVS 蛋白招募激酶，激活 NF-κB 和 IRF3/5/7 等转录因子，上调抗病毒效应蛋白、趋化因子和细胞因子的转录。LGP2 缺乏 CARDs，对 MDA5 和 RIG-I 的活性影响存在争议。RIG-I 识别 5′三磷酸化或二磷酸化的 dsRNA，MDA5 识别非常长的 dsRNA。
   • 其他 RNA 传感器：NLRP1 炎性小体可被长 dsRNA 或（+）ssRNA 病毒感染激活，导致 caspase-1 激活和细胞焦亡。PKR 和 OAS1 可被长 dsRNA 激活，分别通过磷酸化翻译起始因子和合成 2′,5′寡聚腺苷酸来抑制病毒复制。IFIT1 能识别病毒 mRNA 的低甲基化 cap-0 结构，干扰 mRNA 翻译。

核酸传感器的配体

1. 非自身 DNA：微生物 DNA 因其未甲基化的 CpG 基序被识别为免疫刺激剂，可激活 DNA 感应途径，介导抗菌、抗病毒和抗真菌免疫。此外，外来 DNA 还可通过移植、输血、肠道易位和妊娠等途径进入体内。
2. 自身 DNA：内源性 DNA 来源多样，mtDNA 在应激条件下可通过线粒体通透性转换孔（mPTP）、BAX/BAK 和 VDAC 等途径释放到细胞质中，激活 cGAS-STING 等信号通路。基因组 DNA 可因核膜缺陷、溶酶体降解受损等原因释放到细胞质中，激活核酸传感器。细胞游离 DNA（cfDNA）在健康个体中也存在，但在病理状态下其水平和模式会发生显著变化，可通过多种细胞死亡机制释放，包括凋亡、自噬、坏死等。
3. 细胞游离 RNA：cfRNA 由多种 RNA 类型组成，来源于外源和内源。在危重症中，cfRNA 的释放具有临床意义，可作为疾病诊断和预后的生物标志物。
4. 胞质非自身 RNA：RNA 病毒在复制过程中会产生 dsRNA，可被 RNA 传感器识别。不同类型的 RNA 病毒产生的 dsRNA 长度和结构不同，激活的传感器也有所差异。
5. 胞质自身 RNA：真核细胞中，核 RNA 经过高度修饰，可避免被 RNA 传感器识别。而线粒体 RNA（mtRNA）结构和修饰类似于原核 RNA，在 mitochondrial barrier impairment 时，可被 MDA5 和 PKR 等传感器识别。

核酸感应在 ARDS 中的作用

ARDS 是危重症患者中死亡率高达 40% 的疾病，其危险因素包括肺炎、非肺部脓毒症、误吸和创伤等。

1. 细菌性肺炎相关 ARDS：细菌 DNA 可通过 TLR9 等途径引起肺部和全身炎症，增加内皮通透性并诱导急性肺损伤（ALI）。不同细菌感染激活的 DNA 感应途径有所不同，如金黄色葡萄球菌感染时，细菌 DNA 可通过 TLR9 激活 IFN 反应；肺炎链球菌感染可激活 cGAS-STING 途径和 AIM2 炎性小体。RNA 感应方面，TLRs 和 RLRs 在肺部细菌感染时被激活，但 RLR 在细菌性肺炎中的作用尚不清楚。
2. 病毒性肺炎相关 ARDS：以 IAV 感染为例，TLR9 在 IAV 感染患者中表达上调，但它在病毒肺炎相关 ARDS 中的作用存在争议。cGAS-STING 途径在 IAV 感染中被激活，可介导抗病毒免疫，但过度激活可能导致炎症和 ARDS。AIM2 炎性小体在 IAV 感染中可被激活，促进炎症反应。此外，TLR3、TLR7/8、RIG-I 和 MDA5 等 RNA 传感器在 IAV 感染中也发挥着重要作用，参与抗病毒免疫和炎症反应的调节。
3. COVID-19：COVID-19 疫情引发全球关注，部分患者会发展为 COVID-19 相关 ARDS，预后较差。cGAS-STING 途径在 COVID-19 中被激活，与疾病严重程度相关。TLR9 在重症 COVID-19 患者中活性升高，AIM2 炎性小体在单核细胞中被激活，可能与肺纤维化有关。此外，TLR3、TLR7/8、RIG-I 和 MDA5 等传感器也参与了 COVID-19 的免疫反应，其表达水平与疾病严重程度和预后相关。
4. 真菌性肺炎相关 ARDS：虽然真菌不是 ARDS 的主要病因，但曲霉菌和肺孢子菌与 ARDS 密切相关。TLR9 和 cGAS-STING 途径参与了抗真菌免疫，但自我 DNA 感应在真菌性肺炎中的作用尚待进一步研究。

核酸感应在脓毒症中的作用

脓毒症是由感染引起的危及生命的疾病，其异质性给治疗带来挑战。

1. DNA 感应在脓毒症中的作用：TLR9 在脓毒症患者中的表达和功能存在争议，其激活可能与不良预后相关，也可能参与抗真菌免疫。cGAS-STING 途径在脓毒症中被激活，可介导炎症反应、免疫抑制和血栓形成等过程。AIM2 样受体与脓毒症中 DNA 的关联研究较少，其具体作用尚不清楚。
2. RNA 感应在脓毒症中的作用：TLR3 和 TLR7/8 在脓毒症患者中的表达与疾病严重程度相关，TLR7 在脓毒症中的作用较为明确，参与炎症反应、凝血和免疫调节等过程，而 TLR8 的作用相对较少被研究。
3. 脓毒症诱导的器官功能障碍：脓毒症可导致多个器官功能障碍，核酸感应在其中发挥了重要作用。例如，mtDNA 可通过激活 TLR9-MyD88-NF-κB 途径加重脓毒症诱导的 ALI；cGAS-STING 信号通路在脓毒症诱导的急性肝损伤中被激活，导致肝细胞死亡；TLR9 和 STING 在脓毒症相关脑病中参与神经元死亡和认知功能障碍的发生；STING-IRF3 激活可导致脓毒症诱导的心肌病；mtDNA 和 cGAS-STING 途径在脓毒症诱导的急性肾损伤中起重要作用；NETs 可通过激活 TLR9 导致脓毒症诱导的肠道损伤。

核酸感应在创伤中的作用

创伤可导致细胞损伤和免疫刺激 NA 的释放，影响患者的病情。

1. DNA 感应：创伤后 cfDNA 释放，其水平与疾病严重程度相关，可通过激活不同的 DNA 识别途径介导炎症反应和凝血异常。mtDNA 释放可触发 TLR9 介导的炎症反应，与器官损伤如 ARDS 相关。
2. RNA 感应：创伤后 cfRNA 的临床相关性研究较少，在创伤小鼠模型中，炎症反应与 TLR7 相关，但与 TLR3 无关，尽管 TLR3 在肺挫伤时会上调。

核酸感应在缺血中的作用

缺血再灌注损伤（IRI）常见于心脏、肝脏和肾脏等器官，核酸及其感应途径在其中参与无菌炎症的发生。

1. 心肌梗死和缺血再灌注损伤：在心肌梗死和 IRI 中，TLR9、cGAS-STING 途径和 AIM2 炎性小体等参与炎症反应、心肌损伤和修复过程。RNA 感应方面，TLR3/7/8 信号通路在缺血诱导的心脏炎症中起重要作用，参与心肌细胞凋亡和心脏功能障碍的调节。
2. 肝缺血再灌注损伤：肝 IRI 中，DNA 释放可通过 TLR9 和 cGAS-STING 途径促进炎症反应和肝损伤，AIM2 炎性小体也可能参与其中。
3. 肾缺血再灌注损伤：肾 IRI 中，mtDNA 可激活 TLR9 和 cGAS-STING 信号通路，导致炎症和肾损伤，同时肾组织中 STING 表达增加，与肾纤维化有关。

核酸感应在非危重症中的作用

1. 癌症：NA 感应在癌症免疫治疗中受到关注，其在控制肿瘤发展中的作用存在争议，可能与特定环境触发因素有关。
2. 自身免疫：NA 感应异常与自身免疫疾病的发生发展密切相关，如 TLR9、cGAS-STING 途径以及 RNA 传感器的异常激活可导致自身免疫疾病。
3. 代谢紊乱：NA 感应可影响代谢过程，在不同细胞类型和器官中具有不同的作用，如在肥胖、非酒精性脂肪性肝炎和糖尿病等疾病中，NA 感应与炎症和代谢异常相关。
4. 衰老：cGAS-STING 途径在衰老和年龄相关疾病中起重要作用，可被内源性 dsDNA 激活，导致炎症和细胞衰老。此外，B 细胞对 TLR7 和 TLR9 刺激的反应在衰老相关自身免疫中也有重要作用。

针对核酸感应的治疗策略

1. 核酸清除：在危重症中，NA 积累与 DNase 活性降低有关，静脉注射重组人 DNase I 等可降解核酸，减轻炎症和器官损伤。抑制核酸释放，如通过抑制 mtDNA 释放，也可限制核酸感应激活。
2. 靶向 DNA 感应：针对 TLR9、cGAS-STING 等 DNA 感应途径的药物干预具有潜在治疗作用，但由于其在不同疾病中的双重功能，治疗效果存在争议。
3. 靶向 RNA 感应途径：Poly（I:C）等 RNA 传感器配体在不同疾病模型中显示出不同的效果，其保护作用取决于疾病类型和治疗时机。针对 TLR3、TLR7/8 和 RIG-I 等 RNA 传感器的激动剂和抑制剂也在研究中，部分药物已在临床试验中进行评估。

未来展望

众多核酸传感器在危重症进展中发挥重要作用，但它们的具体作用和协同机制仍需进一步研究。在治疗方面，如何平衡有效免疫反应和组织损伤是一大挑战，同时将基础研究成果转化为临床应用也面临诸多困难。此外，cfRNA 在危重症中的临床意义有待深入探索，其作为潜在生物标志物具有一定潜力。针对危重症的异质性，个性化治疗策略有望通过分析患者的核酸传感器活性来实现，从而改善患者预后，推动重症监护领域的精准医学发展。

结论

核酸作为 DAMPs 和 PAMPs，在多种危重症中水平升高，通过激活 TLR3/7/8/9、cGAS-STING、AIM2、RIG-I 和 MDA5 等信号通路，引发宿主免疫反应和组织损伤，促进疾病进展。目前，针对核酸感应的治疗策略已取得一定进展，但仍需深入研究核酸变体及其下游感应途径，以开发更有效的危重症治疗方法。