5月5日，中南大学湘雅三医院吕奔教授团队在《科学》（Science）上在线发表了题为“Z-DNA binding protein 1 promotes heatstroke-induced cell death”的研究论文，揭示了热射病的重要致死机理——高体温通过Z-DNA结合蛋白-1（ZBP1）诱发过度的程序性细胞死亡，进而导致危及生命的弥散性血管内凝血（DIC）与多脏器损伤。论文的第一单位是中南大学湘雅三医院。
吕奔在修完中南大学临床医学博士学位后，赴美国Feinstein医学研究所修第二个博士学位。2013年，他回到祖国。“80后”的他现为中南大学医管处处长、湘雅医学院副院长。
十年磨一剑。近10年来，吕奔带领团队一直围绕危重症的发病机制开展系列研究。在先后揭示脓毒症休克和多脏器衰竭发生的重要病理生理机制、解密细菌感染诱发凝血反应的机制、揭示脓毒症诱发弥散性血管内凝血的机制后，他终于带领团队找到了热射病致死的重要机理。
既往热射病治疗不理想
热射病又称“重度中暑”，它是一种致命性急症，病死率高。在过去20年中，破纪录的热浪在全球范围内导致越来越多与热有关的死亡病例，包括中暑。随着全球气候的持续变暖，热射病引起的死亡人数还在逐年增加。今年2月发表在《自然》上的一篇综述文章数据显示，经典型重症中暑的死亡率高达63.2%。
然而，高体温如何导致脏器损伤与机体死亡的机制过去不甚清楚。
当前对热射病患者的治疗，一般是先为患者降温，降温后患者若出现脏器功能衰竭，再立即对患者进行相应脏器功能保护治疗。尽管目前业界对肾脏、肝脏等脏器功能治疗的设备和技术已很先进，但热射病的治愈率仍较低。
为何热射病的治疗一直不理想？这可能和学术界对热射病致死机理的了解不甚清楚有关。既往学术观点认为，高体温主要通过物理性损伤导致组织细胞死亡和炎症反应。在这一观点的指引下，业内普遍采取降温和相应脏器支持的方式治疗热射病。
“有些国家的热射病死亡率甚至更高。”吕奔是该论文通讯作者，他认为，某种程度上既往的学术观点认识不够全面，对热射病的治疗造成了一定的局限性。“既往观点认为热射病是一个物理性损伤过程，高热产生细胞毒性作用，当人体内温度持续升高达到一定的阈值时，会直接导致细胞产生不可逆性损伤，再引起炎症反应、血栓等症状，继发全身多脏器功能衰竭。尽管临床上采取积极的降温治疗并实施脏器支持处理，但由于缺乏特异性的有效治疗药物和手段，热射病的死亡率仍居高不下。因此我们团队进一步探索新的机制，并取得重要进展，发现程序性细胞死亡在热射病发生发展中起重要作用，可能为日后临床救治找到潜在的干预靶点，提供精准治疗思路。”吕奔说。
“降温治疗是重症中暑患者救治的第一关键点。很多重症中暑病人发病时存在高体温，我们立即给病人对症处理使其体温迅速降至正常，但后续仍继发各脏器功能损伤，甚至最后病人还是死亡了。这提示即使医生能第一时间为高体温的病人迅速降温，依然不能阻断热射病的病程。”该论文第一作者、中南大学博士后袁芳芳说，“我们认为肯定存在其他某种机制引起热射病死亡，而不是简单的物理因素。”
简言之，当前对热射病的治疗，没有找到最关键的症结所在。这导致了热射病的高死亡率，也使得热射病的治疗长期不理想。
找到关键基因 全新揭示热射病致死机理
危重症是指病情严重且威胁患者生命的综合征，常由感染、创伤、高体温等诱发。其中，感染诱发的危重症为脓毒症，造成全球每年1100万患者死亡。脓毒症与热射病常表现为全身炎症反应、DIC和多脏器衰竭。
在前期开展脓毒症相关研究中，吕奔团队发现了一个有趣的线索。“我们采用高环境温度（39℃）与高湿度（60%）制备热射病小鼠模型时，发现了高体温通过RIPK3途径而非HMGB1-caspase-11途径诱发多种程序性细胞死亡，进而导致DIC与多脏器损伤。高体温可诱导肝、肺及肠等器官组织中RIPK3和MLKL的磷酸化，以及caspase-8等凋亡相关蛋白的剪切；敲除RIPK3基因能防止高体温诱发的炎症反应、DIC、多脏器损伤与死亡。”吕奔说。
该团队随后采用RIPK3激酶失活小鼠、MLKL敲除小鼠及MLKL-Caspase-8双基因敲除小鼠，证实了高体温诱导的致死效应主要依赖RIPK3激酶与其磷酸化底物MLKL介导的程序性细胞坏死，小部分依赖caspase-8介导的程序性细胞死亡。
“也就是说，我们发现高体温并不是快速直接‘杀死’细胞，导致细胞的物理性损伤，而是激活了细胞的程序性死亡通路。热应激能直接诱发RIPK3依赖的程序性细胞死亡。RIPK3基因是高体温诱发炎症反应、多脏器损伤甚至死亡的关键。”吕奔说。
在此基础上，该团队进一步鉴定了ZBP1为热应激诱发RIPK3磷酸化与程序性细胞死亡的关键分子。
既往研究表明，ZBP1为一种细胞内的模式识别受体，能被病毒或宿主来源的Z型核酸活化，在抗病毒感染中发挥重要作用。吕奔团队通过进一步研究，首次发现ZBP1是热应激活化RIPK3和细胞程序性死亡的关键分子，并介导高体温诱导的DIC、多脏器损伤与死亡。
“有趣的是，热应激能诱导ZBP1的表达。生物信息学分析提示ZBP1基因启动子上存在热休克因子1的结合元件。通过突变分析，我们证实了热应激通过诱导HSF1与ZBP1基因启动子的结合来增强ZBP1的表达。”吕奔表示，这些发现彻底颠覆了此前业界对热射病“高体温通过物理性损伤导致组织细胞死亡和炎症反应”的学术观点。
发现细胞内存在“温度感受器”
2021年的诺贝尔生理学或医学奖表彰了“温度和触觉感受器的发现”。其中，美国学者戴维·朱利叶斯团队发现了辣椒素受体TRPV1为一种能被热应激活化的膜离子通道，揭示了机体感知高温的机制。
吕奔团队发现，仅ZBP1的表达不足以导致RIPK3的活化与细胞程序性死亡。他们在探讨热应激如何活化ZBP1的过程中发现，高温诱导的ZBP1活化不依赖其对Z型核酸的识别。ZBP1蛋白含有Za结构域与RHIM结构域。其中，Za结构域的主要功能是识别病毒或宿主来源的Z型核酸。
既往的学术观点认为，Za结构域与Z型核酸的结合是ZBP1活化的必要环节。然而，该团队通过构建一系列ZBP1突变体发现，热应激诱导的ZBP1活化依赖RHIM结构域而并不依赖Za结构域。虽然Za结构域缺失的ZBP1完全不能被病毒感染所激活，但它仍能够介导热应激诱发的RIPK3活化与程序性细胞死亡。这一发现打破了学术界对ZBP1的认识，揭示了ZBP1活化的新机制。
“戴维·朱利叶斯团队发现细胞膜离子通道‘温度感受器’，在此基础上，我们的这些研究明确提示了细胞内也可能存在另外的‘温度感受器’，当受到热应激时能诱发ZBP1与RIPK3依赖的程序性细胞死亡。该生命现象虽然可能在抗感染免疫中发挥保护作用，但在持续性高体温作用下可诱发过度的细胞程序性死亡，最终引起DIC、炎症反应、多脏器损伤乃至死亡。”吕奔表示。
该论文投稿后共有四个审稿人，受到编辑和审稿人的高度认可，其中一个审稿人对论文提出零修改，直接建议接收文章，其他两位审稿人也“强烈建议《科学》立即出版”。他们认为：“这个研究非常重要，且数据清晰明确。”“这是一个全新且非常重要的发现，揭示了引起热射病病程的新机制。”
“在该项研究中，我们揭示了热射病发病机制的新理论，并创新地将临床与科研深度结合，基于多学科交叉进行研究方法和技术路线上的全新尝试。”吕奔说，这项研究的理论科学意义不仅在于揭示了热射病的致死机理，还在于提示了细胞内也存在另外的“温度感受器”，展示了细胞程序死亡和“温度感受器”等之间的内在联系，提示了潜在的药物干预靶点，为热射病等危重症的防治提供了重要思路。
吕奔表示，下一步，团队将致力于揭示细胞内“温度感受器”的具体成分和和活化机制，寻找热射病潜在的药物干预靶点，探索未来的热射病防治策略。
吕奔（左）和袁芳芳（右）在进行细胞免疫荧光观察。 王昊昊摄
吕奔（右）和袁芳芳（左）在开展开展细胞死亡检测实验。 王昊昊摄
该研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、湖南省重点研发项目的资助。（来源：中国科学报 王昊昊 李姗）
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abg5251
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