細胞死亡的路徑主要可以區分為細胞凋亡與細胞壞死(圖 1)，細胞凋亡主要指的是 主動的、有計畫性的細胞死亡途徑，並且可以避免非預期性的發炎反應 (inflammation) 產生[58-62];而細胞壞死主要被歸類為被動的，被環境影響的非計畫性死亡，並會釋放細 胞內的發炎物質導致發炎反應的產生[63-66]。換句話說，當細胞受損而進行細胞凋亡
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時，並不會對附近的細胞或組織產生不良的影響，而細胞壞死則會對附近的細胞或組織 產生不良的影響，進而導致其受損。除了生理影響上的區別外，一般判斷細胞凋亡與壞 死的方式，主要是尤其外觀上的不同(表一)及其分子機制的差異進行判斷。
表一、細胞凋亡與細胞壞死的型態學差異
參考文獻[61-65, 67, 68]
3-1 細胞壞死與其分子機制
細胞壞死被稱為一個非計畫性的細胞死亡模式，在此情況下，細胞會迅速膨脹，細 胞膜破裂，細胞內的物質會被釋放出來。導致離子平衡、溶小體內容物被釋放，在這種 情形下，細胞本身無法承擔死亡所帶來的後果，而進一步造成細胞毒性並釋放發炎因子 影響到附近的細胞與組織[67, 68]。在病理上，細胞壞死常與缺血、中風及神經退化性疾 病有關[69-71]。然而，最近的研究指出，細胞其實可以控制是否走向壞死路徑[72-75]，
也就是說，除了無法預期的傷害外，細胞其實也可以選擇是否走向壞死路徑。其原因可 能是當其他細胞死亡路徑被抑制，細胞又需要死亡時，細胞可能會選擇以壞死路徑造成 細胞死亡[76, 77]。但是因為其造成的發炎反應及對週遭細胞或組織的傷害，所以通常是 被放在較後面的選擇順位，此外，在演化上，越高等的生物會有更多的自噬 (autophagy) 與細胞凋亡機制可代替壞死機制[75, 78]。事實上，當使用藥物毒殺細胞時，常會發現細 胞凋亡與細胞壞死共同產生的情形[79]，此結果也反映出了無法使用簡單的方式檢測並 量化細胞壞死的程度[80]。
在分子機制方面，當死亡受體 (death receptors)接受到訊息後，會聚集並啟動訊息傳 導路徑，依照不同的細胞，造成細胞凋亡或細胞壞死[81]。腫瘤壞死因子 α (tumor necrosis factor α, TNF-α)，可誘導多種細胞凋亡，但在 L929 小鼠纖維肉瘤細胞株內，腫瘤壞死因 子α 可誘導細胞壞死[82]，其作用機轉主要是改變細胞膜的通透性且失去脫氫酶
(dehydrogenase)的活性，並誘導腫瘤壞死因子-細胞激素 5 (cytokine 5)的產生[83]，另外，
加入泛硫胱氨酸蛋白酶 (cysteine asparate protease, caspase)抑制劑 zVAD-FMK 可增強腫 瘤壞死因子α 所誘導的細胞壞死[84]，此外，在小鼠胚胎纖維母細胞 (murine embryonic fibroblasts , MEFs)中，加入泛硫胱氨酸蛋白酶抑制劑可將腫瘤壞死因子 α 所誘導的細胞 凋亡途徑改變為細胞壞死途徑[85]，此結論也可呼應細胞壞死路徑可當作細胞凋亡路徑 被阻斷時的替代路徑。Fas 相關死亡區域 (Fas-associated death domain, FADD)，是決定 細胞走向細胞凋亡或是細胞壞死的關鍵開關[86, 87]，在細胞壞死路徑中，當腫瘤壞死因 子α 與腫瘤壞死因子受器超級家族 1a (tumor necrosis factor receptor superfamily member
細胞凋亡 細胞壞死
型態變化 細胞皺縮，胞器完整 细胞腫脹 (cell swelling)，結構被破壞 細胞核 濃縮 (nuclear condensation) 細胞核腫脹
染色體 聚集，緻密 鬆散，分散
細胞形狀 呈現凋亡小體 (apoptotic body) 細胞破碎
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1a, TNF-R1)結合後，並不會造成更多的 Fas 相關死亡區域與受器結合[88-90]，並且迅 速的在質膜 (plasma membrane)形成含有腫瘤壞死因子受器超級家族 1a、腫瘤壞死因子 受器相關因子2 (TNF receptor-associated factor 2, TRAF2)與 RIP1 (ubiquinol-cytochrome c reductase, Rieske iron-sulfur polypeptide 1)之複合體[91]，迅速活化 NF –κB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells)與有絲分裂原活化蛋白激酶
（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）[92]，例如 p38 有絲分裂原活化蛋白激酶 (p38 mitogen-activated protein kinase, p38 MAPK)、c-jun N 端激酶 (c-jun N-terminal kinases, JNK)與細胞外訊息調節激酶 (Extracellular signal-regulated kinases, ERK)等 [93]。在腫瘤壞死因子受器超級家族 1a 被細胞內吞 (endocytosis)作用所吞噬後，腫瘤壞 死因子受體相關死亡區域蛋白質（tumor necrosis factor receptor – associated death domain , TRADD）會與 Fas 相關死亡區域及原硫胱氨酸蛋白酶 8 (procaspase-8, FADD-like
interleukin-1-converting enzyme, FLICE)或原硫胱氨酸蛋白酶 10 (procaspase-10)形成第二 個複合體[94, 95]，被吞噬進來的囊泡 (vesicle)會與含有原酸性鞘磷脂酵素
(pro-acid-sphingomyelinase , pro-A-SMase)及含有原前組織蛋白酶 D （pro-pre-cathepsin D，pro-pre-CAD）的反式高爾基氏囊泡 (trans-Golgi vesicles)融合，並活化多囊泡核內體 (endosome)內的酸性鞘磷脂酵素與組織蛋白酶 D [96, 97]。如果第一個複合體沒有成功誘 導出大量的抗凋亡蛋白 (anti-apoptotic protein)，則細胞會走向凋亡路線。反之，如果有 大量的抗凋亡蛋白產生，則細胞會走向壞死路徑[84, 98]。當細胞走向壞死路徑時，一些 發炎因子如TNF-α、NFκB、COX-2 等會被誘發表現並對周圍細胞產生傷害[99, 100]。
3-2 細胞凋亡及其分子機制
細胞凋亡，或稱程序性細胞死亡 (programmed cell death)，此現象首先於線蟲 (Caenorhabditis elegans, C. elegans)中被發現[101]，成熟的線蟲有1090個體細胞，其中有 131個體細胞會於發育過程中經由細胞凋亡方式死亡，在不同的個體中，這131個體細胞 死亡的時機與方式是一模一樣的，代表其中有個嚴謹且精準的機制調控細胞死亡，且不 影響其他細胞的正常生長發育[101]。細胞凋亡在生長以及維持體內平衡扮演重要的角 色，且常伴隨者發育或衰老過程[102-107]，維持細胞組織內的平衡，或是在免疫反應或 細胞受損時，扮演者防禦者的角色，清除損壞的細胞[108-110]，雖然有多種途徑可誘導 細胞凋亡[111-116]，但相同的細胞凋亡誘導物並非對所有的細胞均有相似的效果，例如 Her-2抗體只對乳癌細胞有效[117]，對其他組織的細胞並不會造成影響。而細胞凋亡主 要分為兩種起始途徑，內在 (inner/ intrinsic/ mitochondria)路徑以及外在 (outer/ extrinsic/
receptor) 路徑[118-121]，外在路徑主要是受到一些凋亡訊息所誘導，如Fas或腫瘤壞死 因子α，與細胞膜上的Fas或腫瘤壞死因子α受器結合後，與受器相連接的Fas 相關死亡 區域會與原硫胱氨酸蛋白酶8及原硫胱氨酸蛋白酶10的同源區域-死亡效應區域 (death effector domain, DED)結合，形成死亡誘導訊息複合體 (death-inducing signaling complex, DISC)，並自催化 (autocatalytic)及切割原硫胱氨酸蛋白酶8或原硫胱氨酸蛋白酶10，使 其成為活化態的硫胱氨酸蛋白酶8 (active caspase-8)或硫胱氨酸蛋白酶10 (active
caspase-10) [122-124]，活化態的硫胱氨酸蛋白酶8或硫胱氨酸蛋白酶10會接下來繼續催
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化且切割下游的原硫胱氨酸蛋白酶3、6、7[125, 126]，讓細胞走向凋亡路徑。除此之外，
活化態的硫胱氨酸蛋白酶也會將屬於細胞淋巴瘤基因2 (B-cell lymphoma 2, Bcl-2)的促 細胞凋亡蛋白Bid切割並活化，導致粒線體膜電位改變，啟動細胞凋亡的內在路徑 [127-129]。除了外在路徑可以活化細胞凋亡的內在路徑，還有許多的物理或化學傷害(如 紫外光[130]等)、抑癌基因以及致癌基因 (c-Myc, c-Fos, p53等)的表現、去氧核醣核酸受 損、氧化壓力、錯誤摺疊的蛋白質堆積、以及其他的壓力因子導致內在細胞凋亡路徑的 啟動[111, 113, 131]。當路徑啟動時，促細胞凋亡蛋白質細胞淋巴瘤基因2家族成員Bax、
Bak、Bim、Bid會被活化[132-134]，或是內質網 (endoplasmic reticulum, ER) 釋放鈣離 子，鈣離子隨後會進入粒線體[135-137]，這兩種方式皆會導致粒線體外膜膜電位改變並 產生孔洞，造成细胞色素C (cytochrome c)及一些促細胞凋亡分子產生，如第二粒腺體衍 生活化硫胱氨酸蛋白酶因子 (second mitochondria derived activator of caspase, Smac)/ 低 等電點直接結合細胞凋亡抑制蛋白 (direct IAP-binding protein with low pI, DIABLO)[138, 139]，細胞凋亡誘導因子 (apoptosis-inducing factor, AIF)等[140, 141]。而細胞色素C被釋 放至細胞質時，會與凋亡蛋白酶啟動因子1 (apoptotic protease activating factor 1,
Apaf-1)、原硫胱氨酸蛋白酶9 (procaspase-9)形成凋亡小體 (apoptosome)[142, 143]，進一 步切割與活化硫胱氨酸蛋白酶9，活化的硫胱氨酸蛋白酶9 (active caspase-9)會切割與活 化下游的原硫胱氨酸蛋白酶3、6、7 (caspase-3, -6, -7)[144, 145]，並開始細胞凋亡路徑，
例如切割修復去氧核醣核酸的多核醣核酸聚合酶 (Poly (ADP-ribose) polymerase, PARP)[146]，水解維持細胞核膜骨架的lamin (class V intermediate filaments)蛋白[147, 148]，使得細胞出現凋亡小體 (apoptotic body)等細胞凋亡型態並死亡。
在本研究中，我們藉由觀察發炎因子之一-環氧酵素2 (cyclooxygenase-2, COX-2)判 定細胞是否走向壞死路徑，並以硫胱氨酸蛋白酶3、硫胱氨酸蛋白酶9、多核醣核酸聚合 酶[149-151]、細胞凋亡誘導因子等判斷細胞是否走向凋亡途徑。
6 圖 1、細胞死亡之分子機制