鐵死亡與呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)性的研究進(jìn)展

趙藝,黃浩,覃雪梅,黃霞,梁瓊▲

(1.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,廣西百色533000;2.右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院,廣西百色533000)

細(xì)胞死亡如壞死、凋亡、自噬在哺乳動(dòng)物發(fā)育、體內(nèi)平衡和疾病的各種分子生理過(guò)程中具有重要意義。鐵死亡(ferroptosis)是鐵依賴性的新型細(xì)胞死亡,與細(xì)胞凋亡、壞死、自噬在形態(tài)、生物化學(xué)方面均有顯著的差別[1]。其主要形態(tài)特征為線粒體密度降低,線粒體嵴減少或缺失以及線粒體外膜破裂。而在生化上則表現(xiàn)為活性氧(reactive oxygen species, ROS)積累、鐵離子過(guò)量催化細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化(lipid peroxidation, LPO)增強(qiáng)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)合成減少及谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)的失活。鐵死亡的特征是復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)微環(huán)境。近年來(lái),越來(lái)越多的研究表明,鐵死亡與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。對(duì)此,本文總結(jié)了鐵死亡的定義、機(jī)制及其在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展,以期為臨床上防治呼吸系統(tǒng)疾病提供新策略。

1 鐵死亡的定義

2003年,DOLMA等[2]在篩選選擇性抗腫瘤藥物時(shí),發(fā)現(xiàn)erastin在殺死Ras突變腫瘤細(xì)胞時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)非凋亡性細(xì)胞死亡過(guò)程。然而,由于當(dāng)時(shí)的研究有限,作者未能確定由erastin誘導(dǎo)的特殊調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡模式。2008年,有研究[3]通過(guò)高通量方法鑒定了兩種新致死化合物RSL3和RSL5,其選擇性地誘導(dǎo)具有突變的致癌Ras亞型基因的癌細(xì)胞中的鐵依賴性非凋亡細(xì)胞死亡,而這種非凋亡性細(xì)胞死亡可以通過(guò)抑制細(xì)胞鐵攝取或鐵螯合劑來(lái)預(yù)防。隨著研究的進(jìn)展,2012年,DIXON等[1]將erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡定義為脂質(zhì)過(guò)氧化誘導(dǎo)的鐵依賴性調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡,并以鐵死亡命名。這伴隨了第一個(gè)小分子鐵死亡抑制劑的出現(xiàn),即ferrostatin-1(Fer-1)。

2 鐵死亡的機(jī)制

鐵死亡的生化過(guò)程主要與鐵代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝異常相關(guān)。

2.1 鐵代謝異常鐵穩(wěn)態(tài)在各種生物過(guò)程中是必需的,對(duì)細(xì)胞活力至關(guān)重要。復(fù)雜而精確的鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制能確保細(xì)胞內(nèi)鐵濃度穩(wěn)定。在生理?xiàng)l件下,細(xì)胞輸出的三價(jià)鐵與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合,通過(guò)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將鐵轉(zhuǎn)運(yùn)至骨髓和其他組織。相反,如果血漿中的轉(zhuǎn)鐵蛋白減少,鐵與白蛋白和陰離子結(jié)合形成非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵,被組織細(xì)胞吸收后,導(dǎo)致鐵過(guò)載。鐵死亡的主要特征之一是鐵離子的積累。當(dāng)身體的鐵代謝紊亂時(shí),細(xì)胞內(nèi)鐵儲(chǔ)存減少,二價(jià)鐵參與芬頓反應(yīng)催化大量ROS和羥基自由基的產(chǎn)生,導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[4]。參與鐵結(jié)合、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存的蛋白功能紊亂都會(huì)發(fā)生鐵死亡。蘇欣等人[5]以鐵缺乏大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,探討了缺鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激與鐵死亡的關(guān)系,結(jié)果表明,在大鼠幼齡時(shí),通過(guò)有效地控制鐵攝入,可導(dǎo)致成年期體內(nèi)鐵負(fù)荷增加,從而導(dǎo)致鐵死亡。有文獻(xiàn)表明,在大鼠急性腦出血模型病灶腦組織中,觀察到鐵沉積量及腦組織脂質(zhì)活性氧(lipid-ROS)含量顯著升高,而給予腦泰方后可通過(guò)調(diào)節(jié)鐵代謝蛋白,抑制鐵死亡發(fā)生進(jìn)而達(dá)到保護(hù)腦作用[6]。

2.2 脂質(zhì)代謝異常脂質(zhì)ROS積累是鐵死亡的標(biāo)志性特征。當(dāng)ROS含量過(guò)高而完全破壞氧化還原動(dòng)態(tài)平衡時(shí),會(huì)通過(guò)非酶途徑和酶途徑誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化[7]。游離多不飽和脂肪酸含有易于提取的雙烯丙基氫原子,容易受到脂質(zhì)過(guò)氧化的影響。在細(xì)胞質(zhì)中存在大量鐵離子的情況下,脂氧合酶通過(guò)催化游離多不飽和脂肪酸氧化為脂質(zhì)氫過(guò)氧化物并生成毒性的自由基,參與了鐵依賴型ROS的生成,最終導(dǎo)致細(xì)胞膜的穩(wěn)定性被破壞,導(dǎo)致鐵死亡[8]。此外FINO2是一種含有內(nèi)部過(guò)氧化物的有機(jī)物質(zhì),它通過(guò)直接誘導(dǎo)氧化鐵和間接抑制GPX4促進(jìn)廣泛的脂質(zhì)過(guò)氧化,并優(yōu)先引發(fā)鐵死亡[9]。而細(xì)胞質(zhì)ROS消除劑N-乙酰半胱氨酸和線粒體靶向抗氧化劑均可通過(guò)阻斷ROS產(chǎn)生來(lái)減輕erastin及其類似物誘導(dǎo)的鐵死亡[10]。

2.3 氨基酸代謝異常氨基酸代謝異常引起的鐵死亡與GSH、GPX4、谷氨酸/胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(System Xc-)有關(guān),并且與GSH生物合成和降解相關(guān)的一系列基因及調(diào)控因子都可參與鐵死亡的調(diào)控。GPX4處于GSH代謝和脂質(zhì)過(guò)氧化的交叉點(diǎn),兩者都與鐵死亡有關(guān)。GPX4是清除脂質(zhì)氧自由基的重要酶,一旦被激活,GSH催化脂質(zhì)過(guò)氧化氫還原為無(wú)毒的脂質(zhì)醇和水,清除因鐵聚集產(chǎn)生的脂質(zhì)氧化物,從而抵抗細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層過(guò)氧化,抑制鐵死亡[11]。GSH是GPX4的必需底物,具有抗鐵死亡活性。GSH/GPX4抗氧化系統(tǒng)被認(rèn)為是細(xì)胞對(duì)抗鐵死亡的最關(guān)鍵的內(nèi)源性因素之一。研究表明多種疾病的產(chǎn)生與GPX4敲除有關(guān),如前腦神經(jīng)元中條件性缺失GPX4的小鼠模型易出現(xiàn)鐵死亡,促進(jìn)認(rèn)知障礙和神經(jīng)退行性變[12]。 此外,GPX4失活可引發(fā)急性腎功能衰竭[13]。

System Xc-是位于細(xì)胞膜上的抗氧化系統(tǒng),廣泛分布在磷脂雙層中。其由兩個(gè)亞基 SLC7A11和SLC3A2組成的二聚體[14]。System Xc-以1∶1的比例將細(xì)胞中的谷氨酸鹽和胞外胱氨酸進(jìn)行交換。在細(xì)胞中,胱氨酸能轉(zhuǎn)變成GSH合成的關(guān)鍵物質(zhì)半胱氨酸。當(dāng)抑制Xc-系統(tǒng)的活性時(shí)會(huì)降低半胱氨酸的攝取,從而影響GSH的合成,降低GPX4的活性和細(xì)胞的抗氧化能力,最終導(dǎo)致氧化損傷和鐵死亡[15]。宣文婷等[16]通過(guò)構(gòu)建細(xì)胞模型以探討小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞谷氨酸毒性作用,結(jié)果表明凋亡誘導(dǎo)因子p53可通過(guò)調(diào)節(jié)Xc-系統(tǒng)的表達(dá)而明顯抑制鐵死亡。

3 鐵死亡與呼吸系統(tǒng)疾病

3.1 鐵死亡和COVID-19由嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 (SARS-CoV-2)引起的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)的暴發(fā)在世界范圍內(nèi)引發(fā)了一場(chǎng)巨大的衛(wèi)生危機(jī)。細(xì)胞鐵死亡被認(rèn)為在COVID-19中發(fā)揮重要作用。在針對(duì)COVID-19患者的臨床研究中非幸存者表現(xiàn)為高鐵蛋白血癥和低血清鐵[17]。高鐵蛋白血癥會(huì)增加高氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化,最終增加線粒體自噬,導(dǎo)致鐵死亡[18]。研究表明鐵調(diào)素過(guò)度表達(dá)可誘導(dǎo)鐵死亡,鐵調(diào)素的上調(diào)和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的下調(diào)都會(huì)顯著阻礙鐵的輸出,導(dǎo)致細(xì)胞中的鐵過(guò)載和鐵死亡[19]。COVID-19感染導(dǎo)致炎癥狀態(tài),而在炎癥狀態(tài)下可通過(guò)IL-6刺激鐵代謝調(diào)節(jié)激素鐵調(diào)素的合成[20]。SARS-CoV-2感染細(xì)胞后,發(fā)現(xiàn)GSH和GPX4的表達(dá)水平明顯降低,引起的炎癥反應(yīng)與ROS產(chǎn)生的細(xì)胞損傷有關(guān)[21]。進(jìn)一步的研究表明,脂質(zhì)過(guò)氧化物在COVID-19患者的心肌及腎臟大量蓄積,并經(jīng)免疫組織化學(xué)染色顯示鐵死亡標(biāo)志物陽(yáng)性[22]。

COVID-19中鐵死亡的危害性顯而易見(jiàn),我們可以合理通過(guò)緩解鐵過(guò)載、抑制脂質(zhì)過(guò)氧化方面保護(hù)細(xì)胞免受鐵死亡。鐵對(duì)于病毒的復(fù)制是必不可少的,在COVID-19的治療中可使用去鐵酮、去鐵胺以降低細(xì)胞內(nèi)的鐵[23]。另外,高鐵還原酶、抗壞血酸等還原劑的應(yīng)用可恢復(fù)血紅蛋白與氧結(jié)合的能力,緩解患者缺氧癥狀[24]。

3.2 鐵死亡和慢性阻塞性肺疾病慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)可引起不可逆的肺損傷,且無(wú)法治愈。氣道重塑是氣道阻塞的重要病理生理組成部分,主要是由長(zhǎng)期吸煙或過(guò)敏原暴露引起的。慢性吸煙引起的異常炎癥已被認(rèn)為是COPD發(fā)病機(jī)制的一部分。吸煙和有害微粒會(huì)誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生ROS、活性氮等高反應(yīng)性分子,導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激。已有研究證實(shí)了經(jīng)香煙煙霧提取物處理改變了支氣管肺泡上皮細(xì)胞的基因表達(dá)譜,并且差異表達(dá)的基因富集了鐵死亡的途徑,而Fer-1抑制了支氣管肺泡上皮細(xì)胞中ROS的積累和炎癥介質(zhì)的表達(dá)[25]。

GPX4作為鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,研究中觀察到COPD小鼠的GPX4表達(dá)下調(diào)[26]。PM2.5是誘發(fā)COPD的危險(xiǎn)因素之一,吸入PM2.5顆粒后,人內(nèi)皮細(xì)胞中鐵含量和ROS濃度升高,而GSH水平降低[27]。最近的報(bào)告顯示,抗氧化劑姜黃素可以改善GSH的降低并減少脂質(zhì)過(guò)氧化抑制肺上皮細(xì)胞中的鐵死亡[28]。

3.3 鐵死亡與急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征急性肺損傷(acute lung injury, ALI)是嚴(yán)重感染、外傷和吸入有害氣體后的急性致死性疾病。急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是ALI的嚴(yán)重階段,以呼吸窘迫和頑固性低氧血癥為主要臨床表現(xiàn)。遺傳關(guān)聯(lián)研究表明鐵代謝與肺部疾病表型之間存在聯(lián)系[29]。在輸注的血液成分中的鐵提高了受者體內(nèi)的鐵水平,從而破壞了體內(nèi)鐵的穩(wěn)態(tài)而導(dǎo)致輸血相關(guān)急性肺損傷[30]。在ALI模型中,炎性細(xì)胞因子的釋放會(huì)導(dǎo)致氧化損傷和不受控制的炎癥,使細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)ROS和丙二醛累積,GSH含量減少及GPX4失活,最終導(dǎo)致嚴(yán)重的線粒體損傷,引發(fā)鐵死亡[31]。在ARDS患者的肺泡灌洗液樣本中的鐵含量明顯高于健康志愿者的樣本[32]。這支持了鐵穩(wěn)態(tài)被破壞會(huì)導(dǎo)致ARDS患者氧化應(yīng)激和組織損傷增加的假設(shè)。而鐵死亡誘導(dǎo)劑可加劇肺水腫和肺泡炎癥,并伴有高水平的炎癥細(xì)胞因子,而這些影響可以被鐵死亡抑制劑所逆轉(zhuǎn)[33]。

3.4 鐵死亡與肺癌肺癌是世界上第二大惡性腫瘤,其致死率居世界首位,威脅著人類健康和生活質(zhì)量,迫切需要新的藥物和治療方法。肺癌常見(jiàn)治療方法以手術(shù)和化療為主,但以上方法對(duì)患者總體生存的益處是有限的。肺癌細(xì)胞通過(guò)上調(diào)Xc-系統(tǒng),改善了下游途徑的抗氧化作用,增加細(xì)胞的抗氧化能力,抑制鐵死亡的發(fā)生[34]。

長(zhǎng)鏈非編碼 RNA (long non-coding RNA, lncRNA)網(wǎng)絡(luò)LINC00336在肺癌發(fā)展中具有重要作用,通過(guò)敲低LINC00336可減少肺癌細(xì)胞中脂質(zhì)ROS和線粒體超氧化物的濃度,從而減弱了癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[35]。研究表明雙氫青蒿素可使PRIM2/SLC7A11軸失活來(lái)抑制肺癌細(xì)胞的增殖、集落形成,并誘導(dǎo)肺癌細(xì)胞的鐵死亡?？梢?jiàn)PRIM2的抑制性表達(dá)可能會(huì)發(fā)展成為肺癌治療中的一種新的治療方法[36]。同時(shí),在小鼠模型中,輻射可以促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化并與鐵死亡誘導(dǎo)劑協(xié)同增強(qiáng)抗腫瘤作用[37]。耐藥性已成為肺癌化療治療中的一個(gè)難點(diǎn)。在順鉑耐藥的非小細(xì)胞癌細(xì)胞中,索拉非尼和erastin對(duì)Nrf2/SLC7A11信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有明顯的抑制作用,進(jìn)而誘導(dǎo)了癌細(xì)胞的鐵死亡[38]。鐵死亡誘導(dǎo)劑與化療藥物聯(lián)合使用或開發(fā)相關(guān)誘導(dǎo)鐵死亡的藥物可成為肺癌治療的新策略。

4 總結(jié)與展望

隨著研究的進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的影響鐵死亡的途徑和調(diào)控因素,形成了一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),目前已經(jīng)確定了許多誘導(dǎo)和抑制鐵死亡的精確靶點(diǎn),但呼吸系統(tǒng)疾病鐵死亡的靶向調(diào)控仍有待進(jìn)一步探索。因此,有必要對(duì)鐵死亡進(jìn)行更深入的研究,以便于更高效、特異地調(diào)控細(xì)胞鐵死亡,使其在呼吸系統(tǒng)疾病的臨床治療上取得歷史性突破。