鐵死亡在急性肺損傷中的研究進(jìn)展

周思江，寧宗

細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）指由基因決定的細(xì)胞主動(dòng)的有序的死亡方式，普遍存在于生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中，在維持生物體穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮了不可替代的作用。PCD包括凋亡（apoptosis）、自噬（autophagy）、壞死性凋亡（necroptosis）、焦亡（pyroptosis）和鐵死亡（ferroptosis）等數(shù)種方式［1］。鐵死亡有別于一般的PCD，其細(xì)胞受鐵離子影響，在細(xì)胞核完整的情況下，線(xiàn)粒體嵴減少，線(xiàn)粒體膜的雙側(cè)膜密度改變，線(xiàn)粒體外膜破裂，導(dǎo)致高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體被過(guò)氧化等［2］，并最終誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。急性肺損傷（ALI）是由各種肺內(nèi)和肺外致病因素引發(fā)的肺部損傷的急性發(fā)作，可造成彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫并導(dǎo)致急性低氧性呼吸功能不全［3］。近年來(lái)，更多研究證實(shí)鐵死亡與ALI的發(fā)生密切相關(guān)。本文總結(jié)了既往有關(guān)鐵死亡的作用機(jī)制及其在ALI發(fā)病機(jī)制中的研究成果，認(rèn)為鐵死亡可作為ALI的預(yù)防、診斷和治療的靶標(biāo)，在ALI的治療中展現(xiàn)出巨大前景。

1 本文文獻(xiàn)檢索策略

以“Ferroptosis”“Acute Lung Injury”為英文關(guān)鍵詞檢索PubMed、Medline、Web of Science；以“鐵死亡”“急性肺損傷”為中文關(guān)鍵詞檢索中國(guó)知網(wǎng)、維普網(wǎng)、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)。檢索時(shí)間為建庫(kù)至2021年8月。文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）鐵死亡與ALI的臨床研究；（2）基礎(chǔ)研究及文獻(xiàn)研究。文獻(xiàn)排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）與研究問(wèn)題無(wú)關(guān)、重復(fù)發(fā)表、無(wú)法找到全文信息的文獻(xiàn)；（2）質(zhì)量差的文獻(xiàn)。根據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)與排除標(biāo)準(zhǔn)，最終納入相關(guān)文獻(xiàn)45篇。

2 概述

2.1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn) DOLMA等［4］于2003年首次發(fā)現(xiàn)了在DNA未斷裂、不改變細(xì)胞核的形態(tài)及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase3）未活化的情況下誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生非凋亡性細(xì)胞死亡的鐵死亡激動(dòng)劑（Erastin）。MOU等［5］于2008年進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)了激活非凋亡性細(xì)胞死亡的兩種化合物RSL3和RSL5，并發(fā)現(xiàn)了鐵螯合劑可以拮抗該非凋亡性細(xì)胞死亡的發(fā)生。DIXON等［2］2012年的研究表明，部分細(xì)胞的死亡原因與鐵離子濃度有關(guān)，并首次將這種新型非凋亡性細(xì)胞死亡方式命名為“鐵死亡”。此后，鐵死亡的概念逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者知曉。2018年，細(xì)胞死亡命名委員會(huì)將鐵死亡定義為PCD模式中的一種［6］。

2.2 鐵死亡的作用機(jī)制 在鐵離子的作用下，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化物堆積的現(xiàn)象是鐵死亡的特點(diǎn)之一，其可能與磷脂氫過(guò)氧化物（PLOOHs）有關(guān)。PLOOHs是脂質(zhì)過(guò)氧化的主要產(chǎn)物，細(xì)胞膜中存在過(guò)量的PLOOHs會(huì)損害細(xì)胞功能。有研究表明，PLOOHs是誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵因素，因此PLOOHs的前體多不飽和脂肪酸的合成和活化、代謝產(chǎn)物活性氧及調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的鐵離子成為影響鐵死亡進(jìn)程的關(guān)鍵點(diǎn)［7］。鐵死亡的作用機(jī)制概括見(jiàn)圖1。

圖1 鐵死亡的作用機(jī)制Figure 1 The mechanism of ferroptosis

2.3 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制 近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)鐵死亡調(diào)節(jié)機(jī)制的研究取得了快速的進(jìn)展。目前已驗(yàn)證了谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（GPX4）、核因子E2相關(guān)因子2（Nrf2）、Xc-系統(tǒng)等是鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子。GPX4將細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)醇，促進(jìn)過(guò)氧化氫（H2O2）的分解，修復(fù)脂質(zhì)細(xì)胞的氧化損傷，保護(hù)細(xì)胞膜不受氧化損傷，其失活將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物的堆積和鐵死亡［8］。Nrf2通過(guò)調(diào)節(jié)抗炎性、鐵穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)過(guò)氧化在鐵死亡中起著非常重要的作用［9］。Xc-系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞內(nèi)谷氨酸鹽與細(xì)胞外胱氨酸交換后合成谷胱甘肽（GSH），清除細(xì)胞內(nèi)的自由基，抑制系統(tǒng)Xc-可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)GSH水平快速下降和鐵死亡［10］。學(xué)者們研究證實(shí)了多種化合物可以誘導(dǎo)和抑制鐵死亡，具體見(jiàn)表1［11-36］。以上研究揭示了鐵死亡的發(fā)生和發(fā)展受多種細(xì)胞組分和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，豐富了對(duì)鐵死亡發(fā)生和發(fā)展的認(rèn)識(shí)，并且驗(yàn)證了調(diào)控鐵死亡發(fā)生發(fā)展的激動(dòng)劑和拮抗劑，為臨床上通過(guò)應(yīng)用藥物調(diào)控鐵死亡治療疾病提供了思路。

表1 鐵死亡的激動(dòng)劑和拮抗劑及其調(diào)節(jié)機(jī)制Table 1 Agonists and Antagonists of Ferroptosis and their Regulatory Mechanisms

3 鐵死亡和ALI的關(guān)系

ALI指由于各種肺內(nèi)和肺外致病因素引起的肺泡上皮細(xì)胞及毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，導(dǎo)致彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫，造成急性低氧性呼吸功能不全［3］。ALI的死亡率高達(dá)40%，是危害人類(lèi)生命健康的一項(xiàng)重大疾病。隨著研究的深入，更多證據(jù)表明鐵死亡參與了ALI的發(fā)病。ALI的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，目前被認(rèn)為與炎癥、氧化應(yīng)激等細(xì)胞學(xué)機(jī)制相關(guān)，但尚無(wú)有效的靶向治療措施。近幾年，學(xué)者們通過(guò)動(dòng)物及細(xì)胞模型實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了鐵死亡與缺血再灌注、膿毒血癥、放射線(xiàn)、淹溺以及油酸等引起的ALI有關(guān)。

3.1 肺缺血再灌注損傷與鐵死亡 近年研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是缺血性損傷的主要驅(qū)動(dòng)因素。鐵死亡已被證實(shí)參與心肌、腎臟、肝臟、腸道和大腦的缺血再灌注損傷的動(dòng)物模型或細(xì)胞模型。在腸道缺血再灌注誘導(dǎo)的ALI小鼠模型中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵死亡依賴(lài)于Nrf2信號(hào)參與腸道缺血再灌注誘導(dǎo)的ALI的發(fā)生。進(jìn)一步研究表明，p53凋亡刺激蛋白抑制劑（iASPP）可以通過(guò)Nrf2/缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1α）/防止形成ROS的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)器（antitransferrin，TF）信號(hào)通路減輕腸道缺血再灌注誘導(dǎo)的ALI和鐵死亡［37］。另一項(xiàng)研究通過(guò)建立動(dòng)物模型和細(xì)胞模型試驗(yàn)，觀察鐵含量、丙二醛 （MDA）和GSH水平、線(xiàn)粒體形態(tài)和鐵死亡相關(guān)蛋白表達(dá)的變化情況，評(píng)估鐵死亡在不同再灌注持續(xù)時(shí)間中的參與程度［38］。該研究證實(shí)了通過(guò)抑制鐵死亡和?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4（ACSL4）可以減少脂質(zhì)過(guò)氧化和增加GSH和 GPX4 水平來(lái)減輕缺血再灌注誘導(dǎo)的肺損傷中的鐵死亡損傷。

作為一種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡方式，鐵死亡被證明在ALI的發(fā)病機(jī)制中起到了越發(fā)重要的作用。肺缺血再灌注損傷是一種復(fù)雜的疾病過(guò)程，近年來(lái)學(xué)者們即使對(duì)肺缺血再灌注損傷進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)其認(rèn)識(shí)仍處于早期階段，因此深入探討鐵死亡在肺缺血再灌注損傷的作用機(jī)制十分必要。鐵死亡抑制劑目前僅用于實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已證實(shí)其具有一定的肺保護(hù)作用，但鐵死亡抑制劑尚未應(yīng)用于臨床，具體調(diào)控機(jī)制還需進(jìn)一步研究。因此未來(lái)研究的重點(diǎn)應(yīng)是更好地了解肺缺血再灌注損傷的機(jī)制，以確定更精準(zhǔn)的治療靶點(diǎn)，并將有效的治療方法應(yīng)用推廣于臨床。

3.2 膿毒血癥相關(guān)肺損傷與鐵死亡 膿毒血癥是由病原體感染誘發(fā)的全身炎癥反應(yīng)綜合征，其可造成機(jī)體的多臟器機(jī)能障礙，臨床上最常見(jiàn)為呼吸系統(tǒng)障礙，易發(fā)展為ALI。在通過(guò)盲腸結(jié)扎術(shù)誘導(dǎo)膿毒血癥引起的ALI小鼠模型中，鐵死亡標(biāo)志物GPX4的表達(dá)降低，而MDA和鐵離子水平升高［39］。利用脂多糖建立的膿毒血癥ALI模型發(fā)現(xiàn)，鐵死亡可能通過(guò) Nrf2/ARE 信號(hào)通路參與誘發(fā)ALI［40］；另有實(shí)驗(yàn)證明Kelch 樣環(huán)氧丙氯烷 關(guān)聯(lián)蛋白-1（Keap1）- Nrf2/血紅素氧合酶1（HO-1）通路在膿毒血癥ALI的發(fā)病機(jī)制中起保護(hù)作用，西洋參酚可通過(guò)激活Nrf2促進(jìn)HO-1表達(dá)來(lái)改善膿毒癥ALI［9］。膿毒血癥相關(guān)的ALI中，肺組織表現(xiàn)出脂質(zhì)體過(guò)氧化反應(yīng)，并且MDA活性增加，鐵含量增加，并且抗氧化物成分中的GPX4和GSH活性降低。以上實(shí)驗(yàn)均提示鐵死亡參與了膿毒血癥相關(guān)肺損傷的形成，但具體的機(jī)制還有待更進(jìn)一步的研究。

3.3 放射性肺損傷與鐵死亡 放射線(xiàn)治療是惡性腫瘤綜合治療的重要手段之一，放射線(xiàn)損傷通常由惡性腫瘤放射治療、骨髓移植預(yù)處理及輻射事故導(dǎo)致，放射線(xiàn)引起的ALI是肺癌、食管癌等胸部腫瘤放射線(xiàn)治療后常見(jiàn)的并發(fā)癥。目前已確認(rèn)鐵死亡在放射線(xiàn)引起的ALI中發(fā)揮了重要作用。在射線(xiàn)誘導(dǎo)ALI的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)GPX4表達(dá)水平下降，活性氧（ROS）的含量增加，給予鐵死亡抑制劑Lip-1處理后GPX4的表達(dá)水平明顯增加，ROS表達(dá)明顯下調(diào)［41］。另有研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制劑Fer-1可通過(guò)抑制脂質(zhì)過(guò)氧化和增強(qiáng)GPX4的表達(dá)來(lái)抑制射線(xiàn)引起ALI和鐵死亡，而鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin則通過(guò)增加脂質(zhì)過(guò)氧化和抑制GPX4的表達(dá)，促進(jìn)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的分化［42］。此外，多種細(xì)胞因子的級(jí)聯(lián)效應(yīng)也在射線(xiàn)引起的ALI的鐵死亡中發(fā)揮了重要作用。研究表明，轉(zhuǎn)錄生長(zhǎng)因子β1（TGF-β1）在射線(xiàn)引起的ALI起到了促進(jìn)作用，并和活性氧相互激發(fā)形成類(lèi)似協(xié)同作用的循環(huán)，造成損傷加重，而Nrf2可以通過(guò)降低TGF-β1的表達(dá)和抑制鐵離子的吸收減輕射線(xiàn)引起的ALI和鐵死亡的發(fā)展［43］。在放射性肺損傷的鐵死亡中，關(guān)鍵分子GPX4表達(dá)下調(diào)，放射線(xiàn)輻射誘導(dǎo)的ROS可能是放射性肺損傷中鐵死亡的原始觸發(fā)因素。研究已表明鐵死亡在放射性肺損傷中起著至關(guān)重要的作用，鐵死亡抑制劑可能是治療放射性ALI的一種有效方法，為未來(lái)減輕ROS損傷、預(yù)防及治療放射性肺損傷開(kāi)辟了新途徑。

3.4 淹溺致ALI與鐵死亡 溺水是意外傷害和死亡的主要原因之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年有超過(guò)36萬(wàn)人死于溺水。而ALI是溺水常見(jiàn)的并發(fā)癥之一。在溺水引起的ALI小鼠動(dòng)物模型中，使用Nrf2特異性激動(dòng)劑和抑制劑及鐵死亡抑制劑進(jìn)行干預(yù)的研究結(jié)果表明，Nrf2激活劑增加了細(xì)胞的活性，降低了細(xì)胞內(nèi)活性氧和脂質(zhì)活性氧的水平，并且阻止了GSH耗竭和脂質(zhì)過(guò)氧化物積累，增加了鐵蛋白和GPX4的表達(dá)。研究結(jié)果證實(shí)了Nrf2通過(guò)維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡抑制鐵死亡［44］。目前Nrf2已被公認(rèn)是抗氧化反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。該研究首次在體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)中證明Nrf2可以抑制鐵死亡以減輕淹溺導(dǎo)致的ALI。研究結(jié)果闡明了淹溺致肺損傷的新機(jī)制，并確認(rèn)Nrf2是治療ALI的潛在治療靶點(diǎn)，為ALI的治療提供新的思路。

3.5 油酸致ALI與鐵死亡 鐵死亡具有明顯的形態(tài)特征，不同于其他的細(xì)胞死亡類(lèi)型。現(xiàn)有研究已明確鐵死亡的形態(tài)特征是線(xiàn)粒體縮小，線(xiàn)粒體膜破裂，線(xiàn)粒體脊減少，線(xiàn)粒體大小減小。在油酸致小鼠ALI的模型中，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)肺組織中脂質(zhì)過(guò)氧化、鐵超載、GSH耗竭和MDA積累等變化，肺組織中GPX4和鐵蛋白的蛋白表達(dá)水平下調(diào)，并發(fā)現(xiàn)肺細(xì)胞線(xiàn)粒體萎縮，線(xiàn)粒體膜破裂［45］。油酸致ALI小鼠模型中鐵死亡的發(fā)生提示鐵死亡在ALI的發(fā)病機(jī)制中起著潛在的作用。以上研究嘗試探究由油酸誘導(dǎo)的ALI模型中鐵死亡的作用機(jī)制，闡述了ALI模型中鐵死亡的典型改變，為ALI的病理生理學(xué)研究提供了新的可能機(jī)制，加深了臨床對(duì)ALI發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)。然而ALI模型中導(dǎo)致鐵死亡的分子信號(hào)通路有待闡明，仍需進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望

作為新的PCD，鐵死亡已被證實(shí)在多種系統(tǒng)疾病中發(fā)揮重要作用。近年來(lái)學(xué)者們從肺缺血再灌注損傷、膿毒癥相關(guān)肺損傷、放射性肺損傷、淹溺及油酸致ALI等細(xì)胞或動(dòng)物模型研究中，證明鐵死亡在ALI的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮了不可或缺的作用，GPX4、Nrf2等是ALI中鐵死亡發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。鐵死亡有望成為治療ALI的重要靶點(diǎn)，其關(guān)鍵是抑制鐵代謝和脂質(zhì)過(guò)氧化。ALI模型與鐵死亡的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 ALI模型與鐵死亡的關(guān)系Table 2 Relationship between ALI model and ferroptosis

鐵死亡相關(guān)研究仍存在諸多局限性。關(guān)于ALI中鐵死亡的具體機(jī)制尚未完全闡明，更多詳細(xì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑仍在進(jìn)一步探索中，并且諸多研究尚停留在細(xì)胞、動(dòng)物水平實(shí)驗(yàn)階段，仍缺少大樣本、多中心的臨床隨機(jī)對(duì)照研究和證據(jù)，還需進(jìn)行更加全面和深入的研究，進(jìn)一步探討鐵死亡與ALI的關(guān)系，針對(duì)不同信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進(jìn)行干預(yù)治療ALI是將來(lái)探索的方向。

綜上所述，鐵死亡是誘導(dǎo)ALI發(fā)生發(fā)展的有效機(jī)制，在ALI中起到了至關(guān)重要的作用。鐵死亡可能成為臨床上ALI藥物治療的靶標(biāo)，為藥物在ALI的優(yōu)化應(yīng)用開(kāi)辟新的途徑。依托最新技術(shù)開(kāi)展大量的基礎(chǔ)和臨床研究有助于進(jìn)一步了解ALI的發(fā)生發(fā)展，為防治ALI提供更多可靠手段，為臨床工作提供更合理、有效的診療思路。

作者貢獻(xiàn)：周思江提出研究命題，負(fù)責(zé)論文設(shè)計(jì)、起草、論文撰寫(xiě)；寧宗對(duì)文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無(wú)利益沖突。