細胞程序性壞死(Necroptosis)

細胞壞死在過去被認為是一種被動之過程(Evan and Littlewood, 1998)，通

常被認為是意外發生或是因為細胞受到生理上嚴重改變，如局部缺氧、能量缺 乏、ROS 生成或劇烈溫度變化等因素而造成的被動性細胞死亡(McConkey,

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1998)，或者是一項不受訊息調控且無法修復的細胞死亡型態，屬於被動的細 胞死亡，而不是細胞自殺(Alison and Sarraf, 1994; Hawkins et al., 1972)。而主動 與被動的關鍵點，主要是取決於細胞消耗ATP 的程度(Desagher and Martinou, 2000; Nicotera et al., 1998)，當細胞缺乏足夠ATP 時，細胞凋亡相對於壞死的 比率則有降低的現象。近期已有愈來愈多的研究證實，部分的細胞壞死是有受 到胞內訊息調控的程序性細胞死亡(Degterev et al., 2005; Yang et al., 2007; Liu et al., 2008)，這樣的發現證實並非所有的細胞壞死都是屬於非程序性之細胞死 亡。過去已有文獻指出，許多不同的細胞刺激也可以誘發細胞壞死的產生，例 如: Tumor necrosis factor (TNF)刺激某些癌細胞、IFN-γ、dsRNA、ATP消耗、

與營養缺乏，且透過某些已經確定的途徑導致細胞死亡(Vanden Berghe et al., 2007)。這些可以被誘發細胞壞死被認為是一種可以調控且具有程序性的細胞 死亡(Festjens et al., 2006b)。

細胞壞死可以再詳細區分成以下幾種不同的模式： (1) Oncosis (Majno and Joris, 1995)、(2) Pyroptosis (Cookson and Brennan, 2001)、(3) Necrapoptosis (Lemasters, 1999)及 (4) Necroptosis (Degterev et al., 2005)。Oncosis 被定義為細 胞腫脹、胞內之胞器腫脹、胞膜有大水泡與細胞膜通透性增加 (Majno and Joris, 1995)。Oncosis 更可以因毒物干擾ATP 合成、或是細胞內能量被大量消耗，

最終細胞膜的離子通道失去功能而引起一連串之反應(Majno and Joris, 1995)。

Pyroptosis 通常是細胞發生在細菌的感染如被沙門氏菌(Salmonella)與志賀氏 菌(Shigella)感染進而引起之發炎反應(proinflammatory)，最終會導致細胞膜脹 破 並 且 釋 放 出 一 些 促 發 炎 (inflammatory) 的 細 胞 激 素 (cytokine)(Fink and Cookson, 2005) 。 過 去 文 獻 中 也 發 現 細 胞 中 caspase-1 對 於 感 染 沙 門 氏 菌 (Salmonella)與志賀氏菌(Shigella) 造成巨噬細胞的細胞壞死有關(Thornberry et al., 1992; Kuida et al., 1995; Li et al., 1995)。而Pyroptosis 亦是唯一一種細胞死 亡需要caspase-1 蛋白的參與之死亡方式(Brennan and Cookson, 2000; Chen et

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al,. 1996; Hersh et al., 1999; Hilbi et al., 1997; Hilbi et al., 1998)。Necrapoptosis 則 是假設細胞在開始走向死亡時是經由共同路徑，而最後會藉由其他因素來決定 細胞是走向細胞凋亡或是細胞壞死，例如細胞內ATP 濃度偏低時，細胞會走 向細胞壞死，若是ATP 濃度偏高或是維持在平衡狀態，細胞則會走向細胞凋 亡(Lemasters, 1999)。

細胞壞死是人體病變中的一種普遍特徵，但不像細胞凋亡現象被認為是細

胞對外界傷害或是其他因素影響的一種被動反應，但當沒有足夠血液到達大腦 時，也就是處在發生缺血性腦傷害時，細胞壞死將會發生。過去數十年來，許 多科學家及一些相關研究人員發現並詳細了解細胞凋亡的過程與其重要之機 制，但在過程中，亦有一些奇特之現象發生，例如非凋亡的程序性死亡-細胞 壞死，在過去此現象被普遍認為是純屬突發性的，但近年來關於具有壞死特徵 的非凋亡性細胞死亡的研究與理論逐漸增加而被到高度重視。

Necroptosis 被發現出是一種新形式的細胞程序性死亡，並且與細胞凋亡

不同(Christofferson and Yuan, 2010)，是由 Degterev 等人(2005)所定義，意指細 胞在被誘導產生細胞凋亡時，其細胞凋亡機制被阻斷後，細胞進而走向細胞壞 死，例如當死亡受體(Fasl)與死亡受器(Fas)結合後，細胞凋亡的機制被凋亡蛋 白酵素抑制劑阻斷(Khwaja and Tatton, 1999; Matsumura et al., 2000; Vercammen et al., 1998a; Vercammen et al., 1998b)，或是凋亡蛋白酵素-8 (Caspase-8)及 FAS-associated death-domain protein (FADD; 腫 瘤 壞 死 因 子 受 體 ) 發生突變 (Chan et al., 2003; Degterev et al., 2005; Holler et al., 2000; Kawahara et al., 1998)，

因而導致細胞走向非細胞凋亡的細胞死亡。如圖 4 所示，因為 Necrapoptosis 是 可以被引發的，被視為一種具有程序性的細胞壞死(Programmed necrosis)死亡 途徑。此發現推翻了以往被認定是意外發生或者是一項不受訊息調控且無法修 復的細胞死亡型態，證實並非所有的細胞壞死都是非程序性細胞死亡。在型態 上 Necroptosis 有類似Necrosis 的特徵，可見細胞腫脹、細胞胞器(尤其是粒線

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體)膨脹、急性的粒線體功能喪失、細胞膜通透性增加、壞死細胞內大量產生 ROS 和缺乏 DNA 斷裂(Festjens et al., 2006b; Wu et al., 2012; Zong and Thompson, 2006)。因此 Necroptosis 被歸類為程序性細胞壞死(programmed necrosis)，雖然 Necroptosis 在細胞形態學上與 necrosis 部分相同，但與 Necrosis 最大不同處在於細胞染色質的凝聚、細胞嚴重的空泡化、細胞膜初期失去完整 性並伴隨許多 Autophagosomes(Han et al., 2009; Degterev et al., 2005; Hitomi et al., 2008; Han et al., 2007)，而細胞壞死會同時發生在一群細胞，也可分為早期 與晚期兩個時期。在細胞壞死早期，細胞內之胞器會脹大，細胞膜也會破裂；

到了晚期細胞膜也發生破裂(Searle et al., 1982; Matsuda et al., 1996; Nicotera et al., 1999a)。由於細胞發生破裂，因此會釋放出一些發炎物質而引起局部發炎 反應，傷害到鄰近的細胞或組織。

圖 4、細胞壞死之基因訊息傳遞路徑

擷取自（Cell Signaling Technology, http://www.cellsignal.com/）

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一般來說，TNF-α 與 TNFR-1 結合活化後會透過 FADD-caspase-8 促使 細胞走向細胞凋亡，並藉由 RIP-TRADD (tumor necrosis factor receptor (TNFR) 1 – associated death domain)活化 NF-κB (如圖 5)。但當細胞內細胞凋亡之功能 喪失時，其誘導細胞走向 Necroptosis 之機制，主要是在 TNF-α 的刺激下與 TNFR-1 相互結合且迅速形成一聚體，而 TNFR-1 會吸引細胞質的 RIP-1 直接 結合，並可間接與 Fas 和 TRAIL 結合，中間需與 FADD 作為橋樑，而這幾項 死亡接受器聚集在一起就形成了複合物 I (Complex I)，藉由活化 RIP-1 調控下 游訊息傳遞路徑(Zheng et al., 2006)。此時在胞漿中的 RIP-3 蛋白會與 RIP-1 蛋 白結合並形成複合物 II (Complex II)，而複合物 II (Complex II)中還有 Fas 相關 死亡結構域蛋白(Fas associated protein with death domain，FADD)，而 FADD 可 以召募 Caspase-8 蛋白之聚集而導致自我活化，亦活化了外源性凋亡之路徑，

同時亦會將 RIP-1 與 RIP-3 降解，進而阻斷 Necroptosis 的發生，以確保凋亡 路徑之進行。相反地，若將 Caspase-8 蛋白抑制，Necroptosis 便能持續地進行。

Necroptosis 需要 RIP-1 的活化，但不需要活化 NF-κB 及細胞凋亡訊息 (Holler et al., 2000)，活化的 RIP-1 會移接到粒線體中，進而破壞 ADP-ATP translocase (ANT) 與 cyclophilin D 之結合，造成 ANT 活性受到抑制，促使 ATP/ADP 比例下降並增加細胞內活性氧化物的生成(Reactive oxygen species , ROS)，且抑制細胞色素 c (cytochrome C)的釋放，因而促進細胞壞死(Kim et al., 2007; Temkin et al., 2006)。

RIP-1 也可經由活化 Rac1-NADPH oxidase complex 增加細胞內 ROS 的 含量及活化 JNK (c-Jun N-terminal Knase)來執行 Necroptosis(Kim et al., 2007)。

Necroptosis 進行死亡之過程中亦會活化細胞自噬(Autophagy)，但細胞自噬只 在特定細胞株中執行死亡的功能(Degterev et al., 2005)。在其他過去文獻中也指 出 ， phospholipase A2 (PLA2), lipoxygenase (Festjens et al., 2006a) 和 acid sphingomyelinase (Thon et al., 2005) 的活化亦與 Necroptosis 進行死亡有相關

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性。

最近亦發現細胞壞死會參與某些病理狀況，它不僅有助於大腦、心臟和腎 臟的缺血性損傷(Degterev et al., 2005; Smith et al., 2007; Linkermann et al., 2012)，亦能促使癌細胞走向死亡並提高腫瘤細胞對抗癌治療的敏感性(Horita et al., 2008; Bonapace et al., 2010; Ouyang et al., 2012)。而癌細胞由於出現抗藥性 直接或間接地提高癌症病人的死亡率，主要是目前缺乏能有效抑制抗藥性癌細 胞的化療藥物，在傳統的抗癌藥物，不管他們的目標或機制為何，通常是誘導 細胞走向凋亡為主，初期，癌細胞被誘導走向凋亡是極為敏感的，但最終由於 細胞凋亡調節機制的失調、抗凋亡蛋白的大量表現和促凋亡訊號的缺陷，進而 造成癌細胞產生抗藥性(Longley and Johnston, 2005; Pommier et al., 2004;

Simstein et al., 2003)。因此，發展新藥和方法用來治療具有抗藥性之癌細胞來 挽救癌症病患之生命可說是當務之急(Hu et al., 2007)。而目前有研究指出，引 誘細胞走向 Necroptosis 或許可以成為治療抗細胞凋亡及抗藥性癌症的新方法 (Han et al., 2007)，細胞凋亡誘導劑在抗藥性癌細胞療法上被廣泛的討論，這確 實是一項合理的假設，如果能透過一條非凋亡途徑的機制來殺死癌細胞，便有 可能防止傳統治療上常遇到癌細胞產生抗藥性的可能性(Han et al., 2007)，而 Necroptosis 便是一種非細胞凋亡的重要例子，而癌細胞在細胞壞死上感受性 高，對於癌細胞來說更是一項弱點。因此，細胞壞死活化劑在癌症化療上可能 有潛在幫助，特別是對一些具有抗藥性之癌細胞(Hu et al., 2007)，促使細胞走 向 壞 死 尤 其 可 抵 抗 癌 細 胞 內 因 化 療 藥 物 導 致 抗 藥 性 之 相 關 蛋 白 如 P-glycoprotein、Bcl-2、和 Bcl-xL 蛋白之表現(Han et al., 2007)。

目前細胞壞死已經使用在臨床治療上，其主要有兩種方式：(1)利用光動力

學療法(photodynamic treatment, PDT)，促使癌細胞內部產生大量 ROS；(2)利用 烷化劑(alkylating DNA damaging agents)傷害癌細胞 DNA，進而引起細胞壞死。

第一種透過細胞壞死治療癌症的方法，光動力學治療法可以選擇對象，且可避

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免傷害到其他周邊之正常組織，其方法主要是外加 porphyrines、chorines、

phthalocyanines 等光感性分子到目標細胞上(Uehlinger et al., 2000)，利用雷射 光激發這些光感物質，進而造成癌細胞內產生 ROS，導致細胞死亡(Golab et al., 2003; Miccoli et al., 1998)。如果光感物質位於細胞膜上，其細胞膜會整個失去 完整性，誘導細胞死亡(Fabris et al., 2001; Hsieh et al., 2003)，一旦光感物質位 於溶酶體膜上，產生的 ROS 就會引起溶酶體破裂，因而釋放出蛋白酶，導致 細胞壞死(Reiners et al., 2002)。若光感性物質作用在粒腺體上，會引起粒腺體 膜電位喪失，阻止 ATP 之產生，造成細胞壞死(Chiu and Oleinick, 2001)。第二 種透過細胞壞死治療癌症的方法，即是利用烷化劑加上一個甲基或是乙基在 DNA 的氮鹼基，造成 DNA 複製出錯，DNA 一旦複製出現錯誤，就會造成 Poly (ADP-ribose) polymerase (PARP)蛋白的活化，進行 DNA 的修復作用，若 過度活化 PARP，便會大量消耗細胞質內的 NAD⁺，並抑制細胞內 ATP 合成，

因而引起細胞壞死 (Ha and Snyder, 1999)。

圖 5、調控細胞走向壞死、凋亡之基因訊息表現傳遞路徑

(Lee et al., 2012)

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