呼吸系統(tǒng)疾病中線粒體依賴型鐵死亡機(jī)制的研究進(jìn)展

陳少昀 馬純政 常思思 閆俊濤 高付彥 朱亞輝 李洪霖

鐵死亡是一種鐵依賴型、脂質(zhì)過氧化物(lipid peroxides，LPO)和活性氧(reactive oxygen species，ROS)堆積引起的氧化調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡，其特征是線粒體嵴減少或消失、線粒體外膜破裂和線粒體濃縮，這些現(xiàn)象可被鐵螯合劑、抗氧化劑等所抑制[1]。脂質(zhì)LPO主要由細(xì)胞代謝產(chǎn)生，因此細(xì)胞代謝在鐵死亡中具有重要作用，越來越多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明許多代謝途徑，包括細(xì)胞呼吸[2]、脂質(zhì)代謝[3]和氨基酸代謝[4]等都會促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡。線粒體是細(xì)胞內(nèi)代謝的主要場所和氧化應(yīng)激的主要調(diào)節(jié)器[5]，是細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的主要來源，所以在鐵死亡過程中有較大的意義。最近的研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡與許多呼吸系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，包括肺癌、急性肺損傷、肺缺血再灌注損傷、慢性阻塞性肺疾病和肺纖維化等，線粒體作為細(xì)胞氧化代謝的中心，在呼吸系統(tǒng)疾病鐵死亡的發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮著重要的作用。

一、鐵死亡發(fā)生的機(jī)制

鐵死亡最主要的特點(diǎn)是細(xì)胞內(nèi)鐵累積和脂質(zhì)過氧化。鐵的積累是鐵死亡的開始，細(xì)胞內(nèi)鐵通過鐵調(diào)節(jié)蛋白系統(tǒng)處于動態(tài)穩(wěn)態(tài)中，鐵調(diào)節(jié)蛋白系統(tǒng)可以感知細(xì)胞內(nèi)游離Fe2+的濃度，它由轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1、轉(zhuǎn)鐵蛋白和鐵蛋白等組成。在正常生理?xiàng)l件下，膳食鐵主要以Fe2+的形式被腸上皮細(xì)胞吸收，F(xiàn)e3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合后通過細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體進(jìn)入細(xì)胞。隨后，細(xì)胞內(nèi)的 Fe3+被前列腺六次跨膜上皮抗原3還原為 Fe2+，然后Fe2+通過二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1釋放到細(xì)胞質(zhì)不穩(wěn)定鐵池中并儲存在鐵蛋白中[6]，鐵蛋白是一種具有亞鐵氧化物酶活性的貯鐵蛋白，能將有毒的Fe2+轉(zhuǎn)化為無毒的Fe3+，從而防止芬頓反應(yīng)。這些相關(guān)蛋白的異常表達(dá)或功能障礙會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵離子濃度失衡，導(dǎo)致Fe2+積累，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的過量Fe2+和過氧化氫發(fā)生芬頓反應(yīng)并和鐵依賴性氧化酶作用直接催化脂質(zhì)ROS的產(chǎn)生，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)ROS的不斷積累并引發(fā)鐵死亡。不受限制的脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的標(biāo)志性特征，多不飽和脂肪酸(Polyunstatured fatty acid，PUFA)是細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的靶標(biāo)。ROS是一類還原的含氧分子，包括過氧化物、超氧陰離子和自由基，它們對于維持細(xì)胞和組織的穩(wěn)定狀態(tài)至關(guān)重要，大多數(shù)與鐵死亡相關(guān)的 ROS 源自芬頓反應(yīng)，它們與脂質(zhì)膜上的PUFA相互作用形成脂質(zhì) ROS，當(dāng)大量脂質(zhì) ROS 在細(xì)胞中積聚時(shí)引起鐵死亡[7]。在細(xì)胞內(nèi)存在大量Fe2+的情況下，脂氧合酶(lipoxygenase，LOXs)通過催化PUFA氧化形成有毒的脂質(zhì)自由基，參與鐵依賴性脂質(zhì)ROS的形成，最終導(dǎo)致細(xì)胞損傷[8]。同時(shí)，PUFA旁邊的質(zhì)子可以被這些有毒的脂質(zhì)自由基轉(zhuǎn)移，然后開始新一輪的脂質(zhì)氧化反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生更嚴(yán)重的氧化損傷。

二、線粒體在鐵死亡中的作用

鐵死亡時(shí)線粒體的形態(tài)往往發(fā)生顯著的變化，在使用Erastin誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡時(shí)，可觀察到細(xì)胞線粒體收縮、線粒體膜密度增加、體積減少和線粒體嵴消失等形態(tài)變化，同時(shí)還伴隨著線粒體膜電位的超極化，這表明線粒體在鐵死亡中扮演著重要的角色。線粒體是細(xì)胞內(nèi)鐵代謝的中心樞紐和ROS的主要產(chǎn)生者[9]。通過線粒體選擇性熒光鐵指示劑或電子磁共振對線粒體鐵的評估表明，線粒體含有高表達(dá)細(xì)胞內(nèi)鐵總量20%～50%的鐵[10]。有實(shí)驗(yàn)表明，ROS主要作為呼吸鏈反應(yīng)的副產(chǎn)物在線粒體中產(chǎn)生，線粒體消耗的大約1%～5%的氧氣轉(zhuǎn)化為ROS，線粒體鐵代謝和能量代謝都可產(chǎn)生ROS[11]。線粒體內(nèi)鐵代謝紊亂和能量代謝紊亂都可以導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生線粒體膜超極化、脂質(zhì)過氧化物積累和鐵死亡。

(一)線粒體中的鐵代謝

線粒體內(nèi)鐵代謝失衡被認(rèn)為與鐵死亡相關(guān)，鐵是線粒體內(nèi)最常見的金屬，積極參與線粒體的生理功能，但是過量的鐵會通過限制線粒體的氧化磷酸化和抗氧化反應(yīng)來損害線粒體的功能。線粒體中有幾種調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)的分子，包括線粒體鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、電壓依賴性陰離子通道(Voltage dependent anion selective channel，VDAC)和鐵蛋白等。線粒體鐵代謝主要發(fā)生在線粒體基質(zhì)中，細(xì)胞中的鐵必須穿過線粒體外膜和線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體基質(zhì)，通過線粒體內(nèi)膜的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)是一個(gè)活躍過程，依賴于膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1及其同系物膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2，二者失調(diào)會導(dǎo)致線粒體鐵過載和氧化損傷[12]。線粒體和細(xì)胞質(zhì)通過位于線粒體外膜的VDAC進(jìn)行代謝物質(zhì)的交換，VDAC可以調(diào)節(jié)線粒體的鐵內(nèi)流，VDAC水平增加會導(dǎo)致線粒體外膜滲透率提高，細(xì)胞質(zhì)中的Fe2+向線粒體的內(nèi)流增加，從而催化線粒體膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，誘發(fā)鐵死亡[13]。線粒體內(nèi)含有一個(gè)不穩(wěn)定的鐵池，具有極強(qiáng)的氧化還原活性，在生理?xiàng)l件下，線粒體內(nèi)的自由鐵儲存在線粒體鐵蛋白中，并受線粒體鐵蛋白的嚴(yán)格控制，該蛋白可以防止線粒體ROS的積累，下調(diào)該蛋白可以增加線粒體內(nèi)游離鐵的積累，導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激增加和功能障礙，產(chǎn)生更多的線粒體ROS并誘發(fā)鐵死亡[14]。近年來研究發(fā)現(xiàn)鐵硫蛋白(2Fe-2S)NEET在鐵死亡中有重要作用[15]，鐵硫蛋白在細(xì)胞質(zhì)和線粒體之間調(diào)節(jié)硫離子和鐵離子的輸出，線粒體亞型鐵硫結(jié)構(gòu)域1是線粒體外膜上屬于NEET家族的鐵硫蛋白，是線粒體重要的應(yīng)激反應(yīng)蛋白，參與調(diào)節(jié)線粒體中鐵和ROS的積累，它的缺失可導(dǎo)致線粒體內(nèi)游離鐵的積累和線粒體脂質(zhì)LPO的發(fā)生，從而誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[16]。

(二)線粒體中的能量代謝

線粒體能量代謝與鐵死亡密切相關(guān)。在線粒體基質(zhì)內(nèi)發(fā)生的三羧酸循環(huán)(Tricrboxylic acid cycle，TCA)是細(xì)胞內(nèi)重要的能量代謝和物質(zhì)代謝過程[11]，同時(shí)也是細(xì)胞內(nèi)ROS的主要產(chǎn)生場所。谷胱甘肽(glutathione，GSH)是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化物，其合成受細(xì)胞膜上的胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)受體systemXc-的影響，systemXc-是由SLCA711和SLC3A2組成的二聚體，可通過1:1的比例攝入胱氨酸并排出谷氨酸(Glutamate，Glu)，攝入細(xì)胞的胱氨酸有助于細(xì)胞合成GSH，當(dāng)systemXc-失活后Glu無法釋放到細(xì)胞外，并在谷氨酰胺合成酶的作用下轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺(Glutamine，Gln)，轉(zhuǎn)氨酶通過轉(zhuǎn)氨過程將Gln轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸，從而為 TCA 循環(huán)和脂質(zhì)生物合成提供燃料，使得TCA循環(huán)不斷進(jìn)行，產(chǎn)生更多的線粒體ROS[17]。研究發(fā)現(xiàn)，Gln分解產(chǎn)物α-酮戊二酸及TCA其他代謝物包括琥珀酸、延胡索酸和蘋果酸等都是可以調(diào)節(jié)胱氨酸饑餓誘導(dǎo)的鐵死亡，抑制TCA則可以減輕脂質(zhì)ROS的積累和鐵死亡的發(fā)生[18]。另外，TCA往往伴隨著可促進(jìn)線粒體氧化還原的電子傳遞鏈(The electron transport chain，ETC)過程，研究發(fā)現(xiàn)，胱氨酸饑餓誘導(dǎo)的鐵死亡可通過抑制ETC線粒體復(fù)合物I、復(fù)合物Ⅱ、復(fù)合物Ⅲ和復(fù)合物Ⅳ得到減輕[19]。近來也有研究發(fā)現(xiàn)，能量應(yīng)激介導(dǎo)的磷酸腺苷依賴的蛋白激酶活化可阻斷鐵死亡的發(fā)生，線粒體中的 ETC 可以驅(qū)動質(zhì)子動力和三磷酸腺苷酶合成，從而抵消能量應(yīng)激誘導(dǎo)的磷酸腺苷依賴的蛋白激酶活化，從而促進(jìn)鐵死亡[20]。此外，ETC 復(fù)合物I 和 Ⅲ 的電子泄漏會產(chǎn)生超氧化物，隨后將其轉(zhuǎn)化為過氧化氫，通過超氧化物歧化酶介導(dǎo)的歧化，過氧化氫可以與Fe2+反應(yīng)生成羥基自由基，羥基自由基與PUFA發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而導(dǎo)致脂質(zhì)體膜的過氧化[19]。這些都表明線粒體能量代謝在鐵死亡中起著重要的作用，線粒體膜電位超極化、脂質(zhì)LPO積累等鐵死亡特征可以通過抑制線粒體TCA或ETC來逆轉(zhuǎn)。

(三)線粒體的其他途徑

鐵死亡抑制蛋白 1(ferroptosis suppressor protein 1，F(xiàn)SP1)也可稱線粒體凋亡因子誘導(dǎo)2，是另一種獨(dú)立于谷胱甘肽過氧化酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)發(fā)揮作用的鐵死亡抑制劑[21]。FSP1是位于質(zhì)膜上的一種氧化還原酶，它將泛醌還原為泛醇，泛醌是一種親脂性代謝物，是線粒體 ETC 中的關(guān)鍵電子傳遞載體，它的完全還原形式泛醇可以作為自由基捕獲抗氧化劑來降解脂質(zhì)過氧自由基的毒性，防止脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的發(fā)生。因此，F(xiàn)SP1通過將泛醌還原為泛醇，減輕細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，抑制鐵死亡的發(fā)生[22]。近來有最新的研究發(fā)現(xiàn)線粒體中的二氫乳清酸脫氫酶(Dihydroorotate Dehydrogenase，DHODH)可減輕線粒體內(nèi)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[23]，DHODH通過與泛醌發(fā)生氧化反應(yīng)，催化二氫乳清酸分子轉(zhuǎn)化為乳清酸并生成泛醇，從而修復(fù)線粒體膜脂質(zhì)遭受的氧化損傷，這保護(hù)了細(xì)胞免受脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的發(fā)生。此外，線粒體離子肽酶1(Lon peptidase 1，LONP1)是調(diào)節(jié)線粒體功能和維持線粒體基因組的完整性的主要多功能酶之一，在PANC1細(xì)胞系中，erastin誘導(dǎo)的鐵死亡增強(qiáng)了線粒體LONP1的表達(dá)。相反，LONP1抑制導(dǎo)致NRF2/KEAP1信號通路的激活和GPX4的上調(diào)，從而減輕細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的發(fā)生，抑制細(xì)胞鐵死亡[24]。

三、肺疾病與線粒體鐵死亡

(一)肺癌

肺癌是我國常見的惡性腫瘤，肺癌組織環(huán)境特殊，肺部與其他組織相比具有較高的氧水平，肺癌組織中的ROS水平和脂質(zhì)氧化物水平與其他癌組織相比也較高，這表明肺癌中存在更多的鐵死亡現(xiàn)象。肺癌中的鐵代謝也與正常細(xì)胞有所不同，維持鐵穩(wěn)態(tài)的鐵蛋白的表達(dá)顯著升高，從而抵抗肺癌細(xì)胞中鐵死亡的發(fā)生[25]。鐵硫簇在電子轉(zhuǎn)移和能量代謝中起著關(guān)鍵作用，鐵硫簇合成的缺失會增加鐵負(fù)荷并促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，肺中氧濃度比其他組織高得多，這會加快鐵硫簇降解，因此肺癌細(xì)胞往往擁有高水平的鐵硫簇生物合成酶。線粒體在鐵硫簇的生物發(fā)生中起著核心作用，半胱氨酸脫硫酶(Nitrogen fixation 1，NFS1)是一種鐵硫簇生物合成酶，它位于肺腺癌中存在的基因組擴(kuò)增區(qū)域，在高分化腺癌中表達(dá)最高[26]。NFS1是線粒體鐵硫簇組裝機(jī)制的核心組成部分，胱氨酸是NFS1的合成底物，抑制systemXc-可以抑制NFS1的合成，同時(shí)也促進(jìn)了Gln的分解，加速線粒體TCA循環(huán)，促進(jìn)線粒體ROS的產(chǎn)生[27]。在肺癌組織的高氧環(huán)境下同時(shí)抑制NFS1與GSH的生物合成，將會導(dǎo)致肺癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，這表明了肺癌中的鐵死亡與線粒體中的鐵穩(wěn)態(tài)失衡有密切關(guān)系。此外，研究表明，KRAS突變在人類肺癌中高度發(fā)生，從而提高了Gln分解，進(jìn)入線粒體TCA循環(huán)的α-酮戊二酸增加，從而促進(jìn)TCA循環(huán)的進(jìn)行，加速線粒體ROS的產(chǎn)生[28]。另外，KRAS驅(qū)動的癌癥中代謝途徑也會發(fā)生不同的增強(qiáng)性改變，如Gln分解、糖酵解或營養(yǎng)吸收，從而影響TCA循環(huán)[29]。此外，還原性輔酶Ⅱ作為供氫體可參與體內(nèi)多種代謝反應(yīng)，包括維持線粒體TCA循環(huán)、脂肪酸合成和Gln代謝，并被谷胱甘肽還原酶用于將氧化型谷胱甘肽還原為還原型谷胱甘肽，然而KRAS通過代謝重編程提高還原性輔酶Ⅱ的水平，這能提高GSH再生率并抑制鐵死亡[30]。

(二)肺缺血再灌注損傷

肺缺血再灌注損傷(Lung ischemia-reperfusion injury，LIRI)是導(dǎo)致患者死亡的重要原因。LIRI會引起細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，并導(dǎo)致肺組織損傷的發(fā)展。線粒體功能障礙和ROS的過度產(chǎn)生介導(dǎo)了 LIRI 的發(fā)病機(jī)制[31]。在實(shí)驗(yàn)大鼠的LIRI模型中，存在線粒體氧化應(yīng)激和形態(tài)損傷等鐵死亡征象。有研究闡明，線粒體呼吸鏈功能障礙導(dǎo)致再灌注開始后ROS增加。ROS的產(chǎn)生可以攻擊線粒體膜，引發(fā)脂質(zhì)過氧化[32]。解偶聯(lián)蛋白 2(Uncoupling protein2，UCP2)是一種位于線粒體上的陰離子載體蛋白，研究發(fā)現(xiàn)它可調(diào)節(jié)線粒體 ATP 和 ROS 的產(chǎn)生[33]，下調(diào)UCP2可致線粒體腫脹，線粒體嵴減少且變短。上調(diào)UCP2可減少線粒體中ROS的產(chǎn)生，從而減少LIRI 中鐵死亡的發(fā)生，因此，可以通過靶向UCP2蛋白來保護(hù)肺缺血再灌注損傷，這為LIRI的治療提供了新思路。

(三)慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是呼吸系統(tǒng)疾病中的常見病和多發(fā)病，并且是世界第四大死因。煙草煙霧是COPD 產(chǎn)生的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，是由 6000 多種化學(xué)物質(zhì)組成的混合物[34]。煙草煙霧中高濃度的ROS和親脂成分能夠通過細(xì)胞膜擴(kuò)散至細(xì)胞內(nèi)并損傷線粒體，同時(shí)可使肺部細(xì)胞的線粒體DNA含量下降，線粒體DNA的分子量和拷貝數(shù)對線粒體的TCA循環(huán)十分重要，香煙煙霧通過影響線粒體TCA循環(huán)誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[35]。丙烯醛被認(rèn)為是與吸煙相關(guān)的大部分非癌癥疾病風(fēng)險(xiǎn)的原因。新的證據(jù)表明，丙烯醛誘導(dǎo)的氣道上皮細(xì)胞線粒體形態(tài)和功能異常在 COPD 發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用。近來有研究發(fā)現(xiàn)了丙烯醛對線粒體代謝途徑關(guān)鍵成分豐度的影響，在暴露于一定劑量的丙烯醛后，線粒體內(nèi)ETC復(fù)合物 Ⅲ 和 V 相關(guān)的核編碼亞基的蛋白質(zhì)豐度顯著降低，導(dǎo)致線粒體障礙，且肺細(xì)胞中鐵、血清鐵蛋白和非血紅素鐵的濃度會增加，這都加快了肺上皮細(xì)胞的鐵死亡進(jìn)程[36]。先前也有研究表明，丙烯醛暴露會導(dǎo)致線粒體內(nèi)ROS 含量增加，這會引起線粒體膜電位發(fā)生變化，線粒體膜通道開放，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能障礙，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。線粒體功能異常是COPD發(fā)生鐵死亡的重要損傷機(jī)制，尋找高特異性的線粒體鐵死亡抑制劑來控制COPD的發(fā)生發(fā)展是未來研究的關(guān)鍵。

(四)急性肺損傷

感染是急性肺損傷(Acute lung injury，ALI)的主要致病因素之一。最近的研究表明，鐵死亡在感染引起的ALI的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。在脂多糖誘導(dǎo)的 ALI 小鼠模型中，ALI 小鼠支氣管上皮細(xì)胞中游離鐵的濃度顯著增加[37]，而鐵死亡標(biāo)志物溶質(zhì)載體家族7成員11(Recombinant solute carrier family 7，Member 11，SLC7A11)和 GPX4 的表達(dá)顯著降低，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Glu向胞外轉(zhuǎn)出減少，細(xì)胞內(nèi)Glu增多，Glu對線粒體TCA循環(huán)中的-酮戊二酸有促進(jìn)作用，使得線粒體內(nèi)TCA循環(huán)得以不斷進(jìn)行，導(dǎo)致線粒體膜電位超極化，線粒體內(nèi)ROS堆積性增加，誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，同時(shí)TCA循環(huán)可促進(jìn)線粒體氧化還原的ETC，線粒體ETC復(fù)合物 I和Ⅲ的電子泄漏產(chǎn)生超氧化物，可促進(jìn)PUFA過氧化，從而促進(jìn)鐵死亡。最新證據(jù)表明核因子E2相關(guān)因子2(NF-E2-related factor 2，Nrf2)抑制鐵死亡并維持細(xì)胞氧化還原平衡[38]，Nrf2信號通路的抑制，會影響鐵死亡相關(guān)蛋白如GPX4、SLC7A11等表達(dá)，導(dǎo)致線粒體內(nèi)TCA循環(huán)加速進(jìn)行，產(chǎn)生過量ROS，從而破壞細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡，影響脂質(zhì)過氧化誘發(fā)鐵死亡。

(五)肺動脈高壓

肺動脈高壓(Pulmonary hypertension，PAH)是一種罕見的血管疾病，其特點(diǎn)是肺血管重構(gòu)和肺血管阻力增加，最終導(dǎo)致右心衰竭和死亡。研究表明，鐵代謝參與維持肺血管穩(wěn)態(tài)，鐵代謝失調(diào)在PAH的發(fā)展中起重要作用[39]。鐵調(diào)素是鐵代謝的調(diào)節(jié)因子，它可以與細(xì)胞質(zhì)膜上的膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合來抑制細(xì)胞內(nèi)鐵離子向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)，增加細(xì)胞內(nèi)鐵離子的濃度[40]，在PAH 患者，由于基因突變(如BMPR2 突變)和炎癥反應(yīng)等多種因素會導(dǎo)致鐵調(diào)素異常升高，從而抑制腸道鐵攝取和細(xì)胞內(nèi)鐵輸出，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵積累[41]。細(xì)胞內(nèi)鐵積累通常會導(dǎo)致線粒體功能障礙，過量的鐵轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)，導(dǎo)致線粒體內(nèi)發(fā)生芬頓反應(yīng)，產(chǎn)生過量的線粒體ROS，引起線粒體內(nèi)脂質(zhì)過氧化、DNA 氧化等，從而影響線粒體的功能，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)并發(fā)生鐵死亡。

(六)新型冠狀病毒肺炎

2019 年新型冠狀病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)在世界惡性傳播，越來越多的證據(jù)表明COVID-19 患者疾病的加速進(jìn)展與體內(nèi)高炎癥狀態(tài)密切相關(guān)，并且這種升高的炎癥反應(yīng)會導(dǎo)致體內(nèi)鐵代謝失衡、氧化應(yīng)激等[42]。能攜帶大量鐵分子的鐵蛋白和鐵調(diào)素參與細(xì)胞內(nèi)的鐵代謝，COVID-19 感染可導(dǎo)致炎癥狀態(tài)，其中白介素-6可以刺激鐵蛋白和鐵調(diào)素的合成，從而阻止鐵從細(xì)胞內(nèi)流出，過量的鐵可通過線粒體鐵蛋白轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)，導(dǎo)致線粒體內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)并誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡[43]。此外，高炎環(huán)境會增加線粒體內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)[44]，炎癥細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子α誘導(dǎo)線粒體 ROS 的鈣依賴性增加，干擾素-γ可上調(diào)誘導(dǎo)線粒體 ROS 產(chǎn)生的基因，白介素-6 和白介素-10 通過直接調(diào)節(jié)ETC的活性而調(diào)節(jié)線粒體 ROS 的產(chǎn)生，這些過量的炎癥細(xì)胞因子促進(jìn)了線粒體ROS的產(chǎn)生，加速了細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生。

(七)其他呼吸系統(tǒng)疾病

肺結(jié)核仍是嚴(yán)重危害人類健康的重大傳染病，目前在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)惡化趨勢。人體吸入結(jié)核桿菌后，肺泡中的巨噬細(xì)胞最先分泌大量的白介素-1、白介素-6 和腫瘤壞死因子，促使淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞聚集，形成聯(lián)合肉芽腫以限制結(jié)核桿菌的擴(kuò)散。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)核桿菌誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞死亡與 GSH 和 GPX4 水平降低以及游離鐵、線粒體超氧化物和 LPO 增加有關(guān)[45]。另外，肺纖維化是一種致命的纖維性肺病，纖維化病灶的形成是一個(gè)突出的病理特征，由轉(zhuǎn)化生長因子-β1誘導(dǎo)的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化被認(rèn)為與肺纖維化的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，轉(zhuǎn)化生長因子β1促進(jìn)A549細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中線粒體的超微結(jié)構(gòu)變化，并觀察到ROS增加的鐵死亡跡象[46]。

四、線粒體鐵死亡對呼吸系統(tǒng)疾病治療的作用

線粒體在鐵死亡中發(fā)揮巨大的作用，并且參與多種呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展，這為疾病的控制與治療提供了一條新的思路。多項(xiàng)研究表明線粒體依賴型鐵死亡在癌癥治療中有巨大的潛力。放射治療是肺癌最常用的治療方法之一，但是部分非小細(xì)胞肺癌患者會產(chǎn)生放射抗性，對放射療法不敏感，新的研究發(fā)現(xiàn)，非編碼小分子RNA(miRNA)可參與癌癥的進(jìn)展并調(diào)控癌癥相關(guān)基因的表達(dá)，在有放射抗性的非小細(xì)胞肺癌中，非編碼小分子RNA miRNA7-5p與細(xì)胞放射抗性之間存在密切關(guān)系，miRNA7-5p可使線粒體鐵蛋白的表達(dá)降低，從而使得向線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的Fe2+減少，降低線粒體內(nèi)芬頓反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致線粒體內(nèi)ROS的產(chǎn)生減少，并抑制細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生，增強(qiáng)細(xì)胞對放療的抵抗性[47]，因此對有放療抗性的非小細(xì)胞肺癌患者，可采用控制miRNA7-5p表達(dá)的方法來減輕其放射抗性。阿霉素是一種廣譜的抗腫瘤抗生素，常用于肺癌的化療，研究證實(shí)阿霉素可以抑制肺癌細(xì)胞內(nèi)線粒體 GPX4 的表達(dá)，使線粒體內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[48]。核蛋白轉(zhuǎn)錄因子1(nuclear protein transcription regulator 1，NUPR1)是一種小分子應(yīng)激蛋白，NUPR1基因的失活會阻止非小細(xì)胞肺癌的增長[49]，最新研究發(fā)現(xiàn)NUPR1 抑制劑 ZZW-115 可誘導(dǎo)非小細(xì)胞肺癌中線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵基因發(fā)生變化和線粒體形態(tài)變化，導(dǎo)致線粒體內(nèi)氧化反應(yīng)增加產(chǎn)生過量ROS，最終細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，阻止非小細(xì)胞肺癌的發(fā)展[50]。此外，在膿毒癥引起的肺損傷中，葛根素可降低損傷的肺泡上皮細(xì)胞中的鐵水平和亞鐵離子水平，并降低鐵死亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，從而起到緩解肺損傷的作用[51]，但是線粒體在其中的參與機(jī)制還尚不明確?？偟膩碚f，目前呼吸系統(tǒng)疾病中關(guān)于線粒體依賴型鐵死亡的治療研究還較少，并集中在肺癌的治療方面，因此未來還需要不斷發(fā)現(xiàn)探索在呼吸系統(tǒng)疾病中線粒體依賴型鐵死亡的作用機(jī)制，為患者的治療增加新的希望。

五、總結(jié)與展望

鐵死亡參與了各種疾病的形態(tài)變化和病理過程。在肺癌、急性肺損傷、慢性阻塞性肺疾病等呼吸系統(tǒng)疾病中，對鐵死亡網(wǎng)絡(luò)的某一點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)可能對疾病的早期預(yù)防起到一定的作用，這有利于臨床癥狀的改善并控制了病程的發(fā)展。盡管線粒體在氧化代謝中起中心作用，并在半胱氨酸剝奪誘導(dǎo)的鐵死亡中扮演主要角色，但是線粒體是否是鐵死亡的重要組成部分仍然存在較大的爭議，需要進(jìn)一步的工作來挖掘鐵死亡中線粒體的更多的作用和參與機(jī)制，這不僅可以促進(jìn)我們對線粒體依賴型鐵死亡機(jī)制的理解，還可以啟發(fā)我們在疾病治療中針對線粒體依賴型鐵死亡探索的新治療方法。此外，肺部與其他組織相比具有較高的氧水平，這種特殊的環(huán)境使得肺部細(xì)胞中可能存在較多的鐵死亡，雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些鐵死亡抵抗機(jī)制參與了呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生，但是呼吸系統(tǒng)疾病關(guān)于線粒體依賴型鐵死亡的研究還較少，還是需要更多的實(shí)驗(yàn)來探索他們的發(fā)生機(jī)制，這也將會為呼吸系統(tǒng)疾病的治療方面提供新的方向。