鐵死亡在肺部疾病中的研究進(jìn)展

劉佳欣 卞濤

南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫市人民醫(yī)院呼吸內(nèi)科214023

細(xì)胞死亡是細(xì)胞生命的終點(diǎn),傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式主要有非程序性細(xì)胞死亡和程序性細(xì)胞死亡。隨著分子生物學(xué)研究的深入,自噬、鐵死亡等新的程序性細(xì)胞死亡方式被不斷發(fā)現(xiàn)。其中,鐵死亡是在鐵離子過(guò)飽和的條件下,使細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物累積從而引起細(xì)胞的死亡。近年研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān),包括神經(jīng)系統(tǒng)病變、缺血再灌注損傷以及膿毒血癥等。鐵死亡是一種鐵依賴性調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡形式,可能在肺部疾病的發(fā)病機(jī)制和病理方面發(fā)揮重要作用。非小細(xì)胞肺癌中,鐵死亡已被發(fā)現(xiàn)可以抑制癌細(xì)胞的增殖,對(duì)肺癌的治療產(chǎn)生協(xié)同作用。隨后多篇文獻(xiàn)報(bào)道,鐵死亡與各種肺部疾病具有相關(guān)性,這為各種肺部疾病制定個(gè)體化治療方案提供了新思路。

1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn)

2003年,Dolma等在篩選各種化合物對(duì)腫瘤細(xì)胞殺傷作用的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)化合物erastin可以使RAS突變的腫瘤細(xì)胞以不同于傳統(tǒng)細(xì)胞死亡方式的形式死亡[1]。2008年,Stockwell等發(fā)現(xiàn)2 種新的化合物RSL3、RSL5 與erastin具有相同的作用[2]。2012 年,Dixon等[3]定義了這種新的細(xì)胞死亡方式并將其命名為鐵死亡。一旦發(fā)生鐵死亡,細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)變?yōu)樘卣餍缘木€粒體萎縮、線粒體脊減少甚至消失、細(xì)胞核形態(tài)正常,但缺乏染色質(zhì)凝集;電鏡下觀察到胞內(nèi)線粒體變小、膜密度增高[4]。由此發(fā)現(xiàn),鐵死亡不僅在細(xì)胞形態(tài)上不同于細(xì)胞凋亡、自噬、壞死等其他形式的細(xì)胞死亡,而且在發(fā)生機(jī)制上也有所不同,主要體現(xiàn)在發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞質(zhì)中存在鐵代謝異常、脂質(zhì)過(guò)氧化物增多等特征,并可被鐵螯合劑所抑制[2]。

2 鐵死亡的發(fā)生機(jī)制

鐵死亡的本質(zhì)實(shí)際是在Fe2+的作用下使細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物代謝障礙,細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡遭到破壞,攻擊生物大分子,誘發(fā)細(xì)胞的死亡。

2.1 鐵超載 鐵是人體所必需的微量元素,參與鐵硫簇化合物的合成,具有氧化還原的功能,可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖與死亡[5]。血液中的Fe3+結(jié)合細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)鐵蛋白后識(shí)別轉(zhuǎn)鐵蛋白相關(guān)受體,向細(xì)胞內(nèi)輸入Fe3+。進(jìn)入細(xì)胞的Fe3+在鐵還原酶的作用下生成Fe2+,Fe2+被儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定的鐵池中[6]。多余的Fe2+一部分可以與鐵蛋白結(jié)合組成復(fù)合物,另一部分可以通過(guò)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從細(xì)胞中排出后,被一種含有H 型亞基的蛋白氧化為Fe3+,與血中轉(zhuǎn)鐵蛋白相結(jié)合以轉(zhuǎn)運(yùn)到別的組織,使正常人體內(nèi)鐵代謝處于平衡狀態(tài)[7]。

鐵代謝功能障礙與鐵死亡密切相關(guān)。抑制鐵蛋白降解后,鐵死亡誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)自由鐵水平以及鐵死亡都明顯低于對(duì)照組,表明鐵蛋白可以通過(guò)維持鐵代謝平衡抑制鐵死亡[8]。鐵蛋白減少可促進(jìn)Fe2+大量釋放,鐵超載通過(guò)Fenton 反應(yīng)促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)活性氧簇 (reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生,過(guò)量的ROS可與細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),過(guò)多的脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積促使細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[7,9]。因此,細(xì)胞內(nèi)鐵含量對(duì)細(xì)胞維持穩(wěn)態(tài)平衡發(fā)揮重要作用[10]。

2.2 脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積 在鐵超載的條件下,脂質(zhì)過(guò)氧化物過(guò)量是鐵死亡的最終執(zhí)行者。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)是一種抗氧化劑,在谷胱甘肽 (glutathione,GSH)的輔助下,可催化脂質(zhì)過(guò)氧化物還原為無(wú)毒的醇,避免細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[11]。Wenzel等[12]實(shí)驗(yàn)證明,在敲除GPX4基因的小鼠模型中可觀察到脂質(zhì)過(guò)氧化物堆積,突出GPX4在保護(hù)細(xì)胞免受脂質(zhì)過(guò)氧化物損害方面的重要作用。此外,在前腦和腎臟中特異性敲除GPX4,已被報(bào)道可出現(xiàn)與鐵死亡相關(guān)的病理表型。因此,GPX4是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)控因子。GPX4的消耗或滅活會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積,觸發(fā)鐵死亡。GPX4的活性中心含有硒半胱氨 (Sec),它通過(guò)特定的Sec tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)才能進(jìn)入GPX4發(fā)揮作用。Sec tRNA 的成熟需要在特定的腺嘌呤位點(diǎn)發(fā)生異戊烯化修飾,負(fù)責(zé)修飾的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶以異戊烯焦磷酸為供體,而異戊烯焦磷酸是甲羥戊酸途徑通路的重要產(chǎn)物[13-14]。因此,甲羥戊酸途徑通路抑制劑如他汀類藥物可直接影響異戊烯焦磷酸的合成,進(jìn)而調(diào)節(jié)GPX4的活性,使脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積誘導(dǎo)鐵死亡。

由于GSH 是GPX4進(jìn)行抗氧化反應(yīng)必要的輔助因子,所以對(duì)GSH 的調(diào)節(jié)也是鐵死亡的重要機(jī)制[15]。胱氨酸是GSH 生成的關(guān)鍵物質(zhì)。System Xc-是一種存在于磷脂雙分子層的谷氨酸-胱氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體,由輕鏈亞基SLC7A11與重鏈亞基SLC3A2組成,可介導(dǎo)細(xì)胞外胱氨酸輸入、細(xì)胞內(nèi)谷氨酸輸出,從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)GSH 的合成,保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的損傷[16]。因此,抑制System Xc-可以減少GSH 的生成,間接減弱GPX4的作用,增加脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積引發(fā)鐵死亡。

2.3 鐵死亡的誘導(dǎo)劑與抑制劑 鐵死亡的誘導(dǎo)劑可通過(guò)直接或間接抑制GPX4 的通路產(chǎn)生作用。鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin一方面通過(guò)腺苷酸活化蛋白激酶使BECN1磷酸化,抑制System Xc-的輕鏈亞基SLC7A11間接作用于GPX4導(dǎo)致鐵死亡,另一方面還可以關(guān)閉線粒體膜通道2、3,減少NADH 氧化,使NADPH 生成下降,減少對(duì)GSH 供氫使其生成減少,觸發(fā)鐵死亡[17-18]。此外,丁硫氨酸亞砜胺能夠抑制GSH 合成過(guò)程中的限速酶,使GSH 減少并抑制其活性,影響GPX4的作用,誘發(fā)鐵死亡。

自噬、壞死、凋亡這些經(jīng)典的細(xì)胞死亡方式的抑制劑如z VAD-fmk、necrostatin-1、氯喹等都對(duì)鐵死亡無(wú)效,而鐵螯合劑DFO 對(duì)細(xì)胞內(nèi)鐵的消耗或ROS 抑制劑ferrostatin-1抑制ROS 的產(chǎn)生可以抑制鐵死亡[19]。因此,抑制鐵離子過(guò)度釋放、維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原的平衡,減少ROS的產(chǎn)生可以抑制鐵死亡[4]。

根據(jù)多篇文獻(xiàn)報(bào)道,除了上述物質(zhì),鐵死亡的誘導(dǎo)劑還 有 RSL3、FINO2、FIN56, 抑 制 劑 還 有 HSPB1、liproxstatin-1、FSP1等[2,20-21]。更多與鐵死亡相關(guān)的物質(zhì)還有待探究。

3 鐵死亡與肺部疾病

鐵死亡在肺部疾病中的作用及發(fā)生機(jī)制引發(fā)越來(lái)越多的研究。針對(duì)不同的肺部疾病,通過(guò)誘導(dǎo)和抑制鐵死亡可以干預(yù)疾病的發(fā)展進(jìn)程。

3.1 鐵死亡與肺癌的關(guān)系 肺癌是對(duì)人類健康和生命威脅最大的惡性腫瘤之一。抑癌基因p53的基因突變與肺癌的發(fā)生關(guān)系緊密[22]。而p53可促進(jìn)癌細(xì)胞產(chǎn)生鐵死亡[2],即突變的p53可抑制鐵死亡在肺癌發(fā)生中的作用,使癌細(xì)胞避免鐵死亡。在肺癌的發(fā)生過(guò)程中,已發(fā)現(xiàn)肺癌組織高表達(dá)鐵蛋白[23],但肺癌細(xì)胞是否通過(guò)此種方式來(lái)避免鐵死亡對(duì)其傷害尚需深入研究。肺癌一般分為小細(xì)胞肺癌和非小細(xì)胞肺癌,其中非小細(xì)胞肺癌占據(jù)肺癌的85%[24]。隨著臨床應(yīng)用化療藥物治療非小細(xì)胞肺癌患者的日益增多,非小細(xì)胞肺癌的耐藥性不可避免地出現(xiàn)。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin與化療藥物順鉑聯(lián)合應(yīng)用比單獨(dú)應(yīng)用順鉑治療非小細(xì)胞肺癌的效果更好[25-26]。然而其中的作用機(jī)制還未明了,其他化療藥物是否也能通過(guò)相同的機(jī)制誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡發(fā)揮抗癌作用仍需研究。此外,肺腺癌細(xì)胞的存活依賴于肺組織高氧和高水平的鐵硫簇生物合成酶NFS-1的作用[27]。體外實(shí)驗(yàn)中抑制NFS-1引起的鐵饑餓反應(yīng)與抑制GPX4協(xié)同作用,可觸發(fā)鐵死亡,減緩肺癌組織的生長(zhǎng)[28]。未來(lái)可研發(fā)臨床藥物在人體內(nèi)阻斷NFS-1發(fā)揮治療作用。除化療藥物,鐵死亡也能增敏放療對(duì)于肺癌的治療效果,靶向治療藥物索拉菲尼可通過(guò)抑制System Xc-誘導(dǎo)肺癌癌細(xì)胞鐵死亡,而針對(duì)肺癌的免疫治療是否與鐵死亡相關(guān)尚缺乏更明確的證據(jù)[29-30]。因此,鐵死亡在抑制肺癌細(xì)胞增殖中發(fā)揮重要作用,深入研究鐵死亡通路的分子機(jī)制,為肺癌的治療和新藥的研發(fā)提供新的途徑。

3.2 鐵死亡與COPD 的關(guān)系 COPD 是一種以持續(xù)性氣流受限為特征的呼吸道疾病[31]。吸煙是引起COPD 發(fā)病的主要危險(xiǎn)因素之一[32]。Yoshida 等[33]報(bào)道,吸煙可以誘導(dǎo)COPD 小鼠模型的支氣管上皮細(xì)胞鐵死亡。與非吸煙者相比,吸煙者的肺泡灌洗液中有更多的鐵和鐵蛋白。給予香煙煙霧提取物刺激支氣管上皮細(xì)胞24 h后,其GSH 濃度明顯下降。COPD 的發(fā)病機(jī)制與肺內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)失衡和GPX4消耗引起的鐵死亡相關(guān)已被證實(shí)。隨著研究的深入,由核受體共刺激因子4介導(dǎo)的鐵自噬被發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)支氣管上皮細(xì)胞的鐵死亡。鐵自噬是鐵蛋白通過(guò)核受體共刺激因子4介導(dǎo)被遞送至自噬小體,被鐵蛋白噬菌體吞噬降解為游離鐵,以此調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鐵代謝[8]。香煙煙霧刺激物可誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞產(chǎn)生鐵自噬,釋放的鐵離子通過(guò)Fenton反應(yīng)促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化物的沉積[33]。過(guò)量的脂質(zhì)過(guò)氧化物在GPX4活性和含量降低時(shí),可在細(xì)胞內(nèi)堆積造成細(xì)胞鐵死亡。鐵死亡促使支氣管上皮細(xì)胞釋放損傷相關(guān)的分子模式和促炎細(xì)胞因子,形成壞死性炎癥循環(huán),導(dǎo)致與COPD 相關(guān)病理氣道重塑和肺氣腫的發(fā)生。此外,通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和缺氧誘導(dǎo)的線粒體動(dòng)態(tài)平衡的紊亂可能也是引起支氣管上皮細(xì)胞鐵死亡的原因之一[34]。鐵死亡在COPD 的發(fā)生中起重要作用,但其中的分子機(jī)制未明。鐵死亡釋放的損傷相關(guān)的分子模式具體有哪些物質(zhì),這些物質(zhì)怎樣引起氣道重塑和肺氣腫,抑制鐵死亡是否可以延緩COPD 的發(fā)生發(fā)展都需進(jìn)一步研究。綜上,進(jìn)一步闡明鐵死亡在COPD 發(fā)病機(jī)制中的作用,對(duì)于COPD 患者的治療和預(yù)防具有重要意義。

3.3 鐵死亡與放射性肺纖維化的關(guān)系 肺纖維化是成纖維細(xì)胞增殖及細(xì)胞外基質(zhì)大量聚集,并伴炎癥損傷、組織結(jié)構(gòu)破壞的一大類肺部疾病的終末期改變[35-36]。其中放射性肺纖維化是胸部腫瘤患者放療的晚期并發(fā)癥,臨床表現(xiàn)為氣急、刺激性干咳和胸痛等,嚴(yán)重影響患者生存質(zhì)量,如何有效地防止放射性肺纖維化的發(fā)生是值得探索的問(wèn)題。Li等[37]實(shí)驗(yàn)證明在放射性肺纖維化小鼠動(dòng)物模型中,使用鐵死亡抑制劑liproxstatin-1后,輻照組肺組織GPX4水平明顯升高,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制劑liproxstatin-1可以通過(guò)激活Nrf2通路下調(diào)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1來(lái)減輕放射性肺纖維化的炎癥反應(yīng)。因此,鐵死亡在放射性肺纖維化的發(fā)病機(jī)制中起作用,抑制鐵死亡可保護(hù)呼吸道減輕炎癥損傷。此外,有文獻(xiàn)報(bào)道輻射可以產(chǎn)生脂質(zhì)過(guò)氧化物[38]。輻射可能導(dǎo)致放射性肺纖維化小鼠支氣管上皮細(xì)胞的鐵死亡,鐵死亡抑制劑對(duì)放射性肺纖維化有部分治療作用。肺纖維化的發(fā)病機(jī)制中存在氧化與抗氧化失衡、GSH 減少、ROS增強(qiáng)、GPX4活性和表達(dá)降低,這些變化會(huì)引起α-平滑肌肌動(dòng)蛋白和Ⅰ型膠原蛋白過(guò)表達(dá),導(dǎo)致肌成纖維細(xì)胞的分化[37,39]。可見(jiàn),鐵死亡與肺纖維化發(fā)病機(jī)制存在潛在關(guān)系。除放射性肺纖維化以外,其他類型的肺纖維化中鐵死亡通過(guò)什么方式參與其發(fā)病機(jī)制還需進(jìn)一步研究。抑制鐵死亡可能會(huì)成為未來(lái)治療肺纖維化的新靶點(diǎn)。

4 小結(jié)與展望

目前,鐵死亡作為一種新型的細(xì)胞死亡方式,與肺部疾病相關(guān)的研究較少。未來(lái)我們需要不斷探索,進(jìn)一步探明鐵死亡涉及的通道和機(jī)制,更全面地研究鐵死亡與肺部疾病的關(guān)系。無(wú)論是肺癌、COPD 還是肺纖維化,鐵死亡均在這些疾病的發(fā)病中具有重要作用,使我們對(duì)這些疾病的發(fā)病機(jī)制和治療有更新的認(rèn)識(shí)。另外,其他機(jī)制如非編碼RNA 是否對(duì)鐵死亡進(jìn)行調(diào)控值得進(jìn)一步研究。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突