急性肺損傷中鐵死亡的研究進(jìn)展

孔維軒 楊鵬杰 朱賁賁 魏起友

[摘要]?鐵死亡是近年新發(fā)現(xiàn)的一種與細(xì)胞凋亡、壞死和自噬不同的細(xì)胞死亡類型，其特征是鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化。急性肺損傷嚴(yán)重危害患者的生命健康，其發(fā)病機(jī)制與多種因素有關(guān)。隨著對(duì)其探究的深入，發(fā)現(xiàn)鐵死亡對(duì)急性肺損傷的發(fā)生發(fā)展有著重要作用。本文對(duì)鐵死亡的機(jī)制及有望治療鐵死亡的藥物進(jìn)行綜述，以供臨床研究參考。

[關(guān)鍵詞]?鐵死亡；谷胱甘肽過氧化物酶4；脂質(zhì)過氧化；急性肺損傷

[中圖分類號(hào)]?R563??????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.16.033

急性肺損傷（acute?lung?injury，ALI）可由多種原因引起。ALI表現(xiàn)為急性全身性炎癥，以彌漫性肺浸潤(rùn)、低氧血癥和呼吸窘迫為特征。炎癥會(huì)引起機(jī)體分泌大量促炎因子、活性氧（reactive?oxygen?species，ROS）和蛋白酶。這些物質(zhì)可損傷肺泡屏障，使肺泡上皮細(xì)胞通透性升高，導(dǎo)致富含蛋白質(zhì)的液體滲入肺泡腔內(nèi)。調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulatory?cell?death，RCD）既能維持機(jī)體的正常發(fā)育，又能清除衰老、突變、壞死的細(xì)胞，使機(jī)體細(xì)胞處于一種健康的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[1]。RCD類型眾多，鐵死亡便是其中之一。Dixon等[2]將小分子化合物erastin和RSL3誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡表型命名為“鐵死亡”。鐵死亡不同于細(xì)胞凋亡、壞死和自噬的死亡方式，它是一種具有脂質(zhì)氧化性、鐵依賴性、非凋亡性，同時(shí)會(huì)引起膜氧化損傷的細(xì)胞死亡形式。在近年研究中證實(shí)鐵死亡參與多個(gè)疾病的發(fā)生發(fā)展。在呼吸系統(tǒng)中，鐵死亡也成為引起或加重ALI的因素之一。因此探究鐵死亡的機(jī)制及二者的關(guān)系，對(duì)治療ALI有較大意義?，F(xiàn)將鐵死亡的機(jī)制及其在ALI中的研究進(jìn)展綜述如下。

1??鐵死亡的機(jī)制

1.1??氨基酸與鐵死亡

胱氨酸/谷氨酸逆轉(zhuǎn)運(yùn)體（cystine/glutamate?antiporter?system，system?Xc-）是一種反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它可通過調(diào)節(jié)谷氨酸、半胱氨酸和谷胱甘肽（glutathione，GSH）之間的代謝，參與抗氧化反應(yīng)。它由溶質(zhì)載體超家族7成員11（olute?carrier?superfamily?7?member11，SLC7A11）通過二硫鍵連接SLC3A2L組成[3]。谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione?peroxidase?4，Gpx4）是一種GSH依賴酶。它能還原脂質(zhì)ROS中的脂質(zhì)過氧化物，是體內(nèi)重要的細(xì)胞內(nèi)自由基清除劑[4]。正常情況下，system?Xc-1∶1地將胱氨酸移入細(xì)胞的同時(shí)排出谷氨酸，進(jìn)入細(xì)胞的胱氨酸被還原為半胱氨酸，半胱氨酸繼而參與GSH的合成。GSH在Gpx4的作用下，將磷脂氫過氧化物還原為磷脂氫氧化物的同時(shí)生成氧化性谷胱甘肽[glutathione（oxidized），GSSG]。隨后，谷胱甘肽-二硫化物還原酶利用還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸提供的電子，將GSSG還原為GSH。所以能夠影響這條通路的物質(zhì)可引起鐵死亡的發(fā)生，如小分子化合物erastin能抑制system?Xc-間接促進(jìn)鐵死亡、RSL3能使Gpx4失活促進(jìn)鐵死亡、FIN56使Gpx4降解促進(jìn)鐵死亡。

1.2??脂質(zhì)與鐵死亡

脂質(zhì)過氧化是導(dǎo)致鐵死亡的核心步驟[5]。長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A合成酶4（acyl-CoA?synthetase?long-chain?family?member?4，ACSL4）活化后，游離的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated?fatty?acid，PUFA）在ACSL4的作用下形成PUFA-CoA，在溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3的作用下被酯化，與細(xì)胞膜的磷脂結(jié)合形成PUFA-PL[6]。PUFA易受到脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）催化作用的影響，使PUFA-PL在LOX介導(dǎo)的酶促反應(yīng)形成磷脂氫過氧化物。磷脂氫過氧化物累積超過閾值引起質(zhì)膜損傷，最終導(dǎo)致鐵死亡[7]。在鐵存在的情況下，磷脂氫過氧化物形成的脂質(zhì)自由基能夠從相鄰的PUFA提取質(zhì)子，啟動(dòng)新一輪的脂質(zhì)氧化，這就是為什么鐵死亡能從一個(gè)細(xì)胞“傳染”到另一個(gè)細(xì)胞[1]。通過使用KBM7細(xì)胞的大規(guī)模插入誘變，敲除ACSL4和LPCAT3，能夠防止Gpx4抑制劑RSL3和ML162誘導(dǎo)鐵死亡[5]。這可佐證ACSL4和PUFA一樣也可作為鐵死亡的調(diào)節(jié)因素。除上述PUFA-PL在LOX作用下引起鐵死亡外，Zou等[8]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素P450氧化還原酶通過與PUFA-PL作用參與脂質(zhì)過氧化的過程。據(jù)報(bào)道，只有在Gpx4失活且膜中存在高度可氧化的PUFA時(shí)，才能導(dǎo)致鐵死亡[9]。

1.3??鐵與鐵死亡

鐵對(duì)于鐵死亡的發(fā)生至關(guān)重要。機(jī)體中的鐵處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，F(xiàn)e3+與血清中的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，被細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體識(shí)別后攝入到內(nèi)體。在內(nèi)體中，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，由二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1轉(zhuǎn)運(yùn)至不穩(wěn)定的鐵池中。鐵調(diào)節(jié)蛋白（iron?regulatory?protein，IRP）能直接感受到細(xì)胞中Fe2+的濃度[10]。通過信使RNA（messenger?RNA，mRNA）翻譯調(diào)控細(xì)胞中的Fe2+濃度。正常情況下，F(xiàn)e-S簇可調(diào)節(jié)控制IRP1活性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Fe2+濃度低時(shí)，F(xiàn)e-S簇不與IRP1結(jié)合，IRP1與mRNA調(diào)控相應(yīng)的蛋白增加Fe2+濃度。當(dāng)細(xì)胞中的Fe2+濃度高時(shí)，F(xiàn)e-S簇與IRP1結(jié)合，抑制IRP1與mRNA結(jié)合，降低鐵濃度。但Fe-S簇易受過氧化物的影響，所以在鐵死亡的細(xì)胞中，大量的脂質(zhì)過氧化物與Fe-S簇結(jié)合，使細(xì)胞在鐵含量不低時(shí)出現(xiàn)IRP1促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)增加鐵的現(xiàn)象[11]。正常情況下，鐵蛋白重鏈1通過催化Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，再將Fe3+與鐵蛋白殼結(jié)合，降低細(xì)胞內(nèi)Fe2+的濃度。由于Fe2+的增加導(dǎo)致Fe2+通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量的脂質(zhì)ROS并與磷脂反應(yīng)生成磷脂氫過氧化物，因此Gpx4無法完全抑制，導(dǎo)致氧化損傷，造成鐵死亡。此外，過量的鐵也會(huì)增加LOX和細(xì)胞色素P450氧化還原酶的活性，間接促進(jìn)鐵死亡發(fā)生[11-12]。

1.4??核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2與鐵死亡

核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2（nuclear?factor-?erythroid?2-related?factor?2，Nrf2）是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要因子，能通過p62-Keap1-Nrf2途徑負(fù)性調(diào)節(jié)鐵死亡。Nrf2通過增加參與鐵和脂質(zhì)ROS代謝的靶基因表達(dá)，如醌氧化還原酶1和血紅素加氧酶-1（heme?oxygenase?1，HO-1），抑制鐵死亡[13]。Nrf2也可通過調(diào)節(jié)SLC7A11抑制鐵死亡[14]。

2??鐵死亡與急性肺損傷

正常情況下，肺通過巨噬細(xì)胞、轉(zhuǎn)鐵蛋白、肺上皮細(xì)胞維持鐵代謝穩(wěn)態(tài)并防止肺受到氧化應(yīng)激的損傷。內(nèi)源性或外源性因素使肺部鐵穩(wěn)態(tài)失衡出現(xiàn)過量的鐵，進(jìn)而通過芬頓反應(yīng)生成脂質(zhì)ROS引發(fā)鐵死亡損傷細(xì)胞，進(jìn)一步加重肺損傷。

2.1??膿毒癥導(dǎo)致的ALI與鐵死亡

膿毒癥是由病原體感染引起的全身炎癥反應(yīng)綜合征，易發(fā)展為ALI。Liu等[15]在使用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)的ALI模型中，發(fā)現(xiàn)支氣管上皮細(xì)胞中Fe2+濃度增加，而鐵死亡標(biāo)志物SLC7A11和Gpx4的表達(dá)降低，總鐵水平和能反映脂質(zhì)氧化的代謝物丙二醇（malondialdehyde，MDA）增加。此外，Nrf2/抗氧化響應(yīng)元件可能在LPS導(dǎo)致ALI中發(fā)揮作用?；旌献V系激酶3的沉默通過抑制p53介導(dǎo)鐵死亡減輕LPS誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞損傷。在盲腸結(jié)扎穿刺引起膿毒癥建立ALI的動(dòng)物模型中，發(fā)現(xiàn)Gpx4表達(dá)下降，MDA、Fe2+含量升高，線粒體醛脫氫酶2通過抑制鐵死亡減輕ALI的損傷程度[16-17]。Peng等[18]驗(yàn)證UTX/UTY?JmjC結(jié)構(gòu)域蛋白亞家族的Jumonji結(jié)構(gòu)域3缺乏可通過Nrf2依賴性阻斷肺泡上皮鐵死亡緩解LPS誘導(dǎo)的ALI。以上膿毒癥引起的ALI實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)肺組織的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，MDA增加，F(xiàn)e2+增加，SLC7A11和Gpx4降低。提示鐵死亡參與膿毒癥導(dǎo)致的ALI形成，但具體機(jī)制尚不清楚。

2.2??與微生物有關(guān)的ALI與鐵死亡

在微生物感染肺組織后均發(fā)現(xiàn)鐵死亡的蹤跡。在感染結(jié)核分枝桿菌的模型中檢測(cè)到肺組織Gpx4表達(dá)降低，脂質(zhì)ROS增加。在感染銅綠假單胞菌的模型中發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌可增強(qiáng)LOX將花生四烯酸–磷脂酰乙醇胺氧化為15-氫過氧–花生四烯酸–磷脂酰乙醇胺從而誘導(dǎo)鐵死亡[19]。感染病毒會(huì)引起鐵穩(wěn)態(tài)的失衡[20]。在病毒性肺炎中，尤其是新型冠狀病毒感染的相關(guān)報(bào)道中發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒可通過影響鐵調(diào)素誘發(fā)鐵死亡，導(dǎo)致急性肺部炎癥[21]。

2.3??腸缺血再灌注型ALI與鐵死亡

嚴(yán)重創(chuàng)傷、大面積燒傷、嚴(yán)重感染可導(dǎo)致腸道缺血再灌注損傷，之后繼發(fā)大量細(xì)胞因子與炎癥介質(zhì)入血，導(dǎo)致全身炎癥反應(yīng)。而肺作為最脆弱的器官之一，會(huì)出現(xiàn)腸缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的ALI（intestinal?ischemia?reperfusion-acute?lung?injury，IIR-ALI）。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肺組織中出現(xiàn)Fe2+、脂質(zhì)ROS增加和Gpx4、ACSL4下降[22]。其他研究也發(fā)現(xiàn)，p53抑制劑iASPP能通過Nrf2/HIF-1/TF通路發(fā)揮抗鐵死亡作用，Nrf2可通過調(diào)節(jié)SLC7A11、HO-1、端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶抑制鐵死亡[23]。目前，IIR-ALI的發(fā)病機(jī)制尚未明確。

2.4??放射性肺損傷與鐵死亡

放射性肺損傷（radiation-induced?lung?injury，RILI）是胸部放射治療惡性腫瘤的常見并發(fā)癥，輻射產(chǎn)生大量的脂質(zhì)ROS，引起肺組織氧化損傷[24]。在RILI模型中，發(fā)現(xiàn)Gpx4降低，電子顯微鏡證實(shí)肺組織中的線粒體發(fā)展為鐵死亡表型。在該研究中，鐵死亡抑制劑ferrostatin-1和liproxstatin-1可降低肺中ROS表達(dá)，增加Gpx4表達(dá)。與鐵死亡抑制劑不同的是，鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin則表現(xiàn)相反，它增加肺中脂質(zhì)ROS的表達(dá)，減少Gpx4的表達(dá)[25]。Guo等[26]發(fā)現(xiàn)，RILI的鈣離子通道PIEZO1表達(dá)增加，使用其特異性抑制劑GSMTX4后，鐵死亡標(biāo)志物Gpx4、SLC7A11表達(dá)下降，PIEZO1通過Ca2+/calpain/?VE-CADHERIN途徑調(diào)節(jié)鐵死亡，但具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究。因此，PIEZO1有望成為治療RILI的新靶點(diǎn)。

2.5??其他因素導(dǎo)致的ALI與鐵死亡

在溺水所致的動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，Nrf2激活劑富馬酸二甲酯可降低ALI肺上皮細(xì)胞中的ROS和脂質(zhì)ROS水平、防止GSH消耗和脂質(zhì)過氧化物積累、增加Gpx4表達(dá)，并維持線粒體膜電位[27]。溺水后，Nrf2基因敲除小鼠的肺損傷比野生型小鼠更嚴(yán)重。因此，Nrf2有可能成為治療溺水型ALI的靶點(diǎn)。在靜脈注射油酸誘導(dǎo)的肺損傷模型中，肺組織中GSH含量降低、MDA水平升高、Gpx4和鐵蛋白的表達(dá)降低[28]。另外，褪黑素能夠通過調(diào)控Nrf2抑制上皮細(xì)胞鐵死亡并減輕PM2.5相關(guān)的肺損傷[29]。這些報(bào)道均提示鐵死亡在各類ALI的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用，但具體機(jī)制還需深入研究。

3??鐵死亡在ALI中的治療進(jìn)展

3.1??通過降低細(xì)胞中的鐵含量減少鐵死亡

去鐵胺：去鐵胺可通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞，與Fe3+反應(yīng)，形成穩(wěn)定的鐵氧胺后被腎臟排出。但去鐵胺吸收差，清除速度快，導(dǎo)致口服無效。去鐵胺可抑制血紅素誘導(dǎo)的人單核細(xì)胞中鐵死亡和ROS產(chǎn)生[30]。除治療鐵超負(fù)荷外，由于去鐵胺能與鋁結(jié)合，還可治療鋁中毒。

地拉羅司：地拉羅司對(duì)鐵有選擇性，不與鋅、銅發(fā)生反應(yīng)，可選擇性與Fe3+結(jié)合，生成穩(wěn)定化合物，由腎臟排出。與去鐵胺相同，地拉羅司也能抑制血紅素誘導(dǎo)的人單核細(xì)胞鐵死亡和ROS產(chǎn)生。

去鐵酮：去鐵酮是口服鐵螯合劑，以3∶1的比例與鐵結(jié)合，形成穩(wěn)定的化合物由腎臟排出，它與地拉羅司相同，也具有鐵選擇性，不與鋅、銅、鋁結(jié)合。

黃芩素：黃芩素是從黃芩中提取的黃酮類化合物，可與鐵結(jié)合發(fā)揮螯合作用；可通過逆轉(zhuǎn)erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞中的GSH消耗、Gpx4降解、鐵積累而發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用[31]。

3.2??通過捕獲自由基抑制鐵死亡

ferrostatin-1：ferrostatin-1能夠清除脂質(zhì)氫過氧化物中Fe2+產(chǎn)生的烷氧基自由基[16]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)ferrostatin-1可降低ROS水平和激活Nrf2/HO-1信號(hào)通路，在LPS誘導(dǎo)的ALI模型中，通過對(duì)比鐵死亡相關(guān)的指標(biāo)證實(shí)ferrostatin-1確實(shí)能有效治療ALI。但由于ferrostatin-1代謝穩(wěn)定性較差，所以不適用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

liproxstatin-1：liproxstatin-1多用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，目前已用于多種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中抑制鐵死亡，可有效增加Gpx4含量，降低MDA含量[32]。

3.3??其他能夠治療鐵死亡的藥物或方法

GYY4137：GYY4137是水溶性的硫化氫緩釋供體，具有舒張血管、抗高血壓活性、抗炎等作用，既能上調(diào)Gpx4和SLC7A11，還可阻斷哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)傳導(dǎo)，抑制膿毒癥誘導(dǎo)的ALI自噬激活[33]。

人參酚：人參酚是一種從人參根部分離的人參環(huán)氧炔醇，能夠通過上調(diào)Keap1/Nrf2/HO-1通路減輕LPS誘導(dǎo)的ALI鐵死亡[34]。

針灸：針灸通過刺激穴位調(diào)理生理狀況，Zhang等[35]通過使用電針刺激足三里，激活肺組織中的α7煙堿型乙酰膽堿受體，從而發(fā)揮抗鐵死亡和肺保護(hù)作用。

4??總結(jié)與展望

鐵死亡具有脂質(zhì)氧化性、鐵依賴性、非凋亡性等特點(diǎn)，能夠引起細(xì)胞膜氧化損傷而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，已被證實(shí)與多種疾病有關(guān)。鐵死亡的機(jī)制涉及氨基酸、脂質(zhì)、鐵離子和Nrf2等多方面。鐵死亡參與各型ALI的發(fā)生發(fā)展，但鐵死亡是如何導(dǎo)致或促進(jìn)ALI的具體機(jī)制尚不清楚，需要更加深入的研究。鐵死亡抑制劑可通過捕獲自由基抑制鐵死亡，鐵螯合劑也能夠有效抑制鐵死亡。相信未來能開發(fā)出更多針對(duì)鐵死亡治療ALI的藥物，為臨床治療ALI提供更多選擇。

[參考文獻(xiàn)][1] SCHWEICHEL?J?U，?MERKER?H?J.?The?morphology?of?various?types?of?cell?death?in?prenatal?tissues[J].?Teratology，?1973，?7（3）：?253–266.

[4] JIANG?X，?STOCKWELL?B?R，?CONRAD?M.?Ferroptosis：?Mechanisms，?biology?and?role?in?disease[J].?Nat?Rev?Mol?Cell?Biol，?2021，?22（4）：?266–282.

[13] KOMATSU?M，?KUROKAWA?H，?WAGURI?S，?et?al.?The?selective?autophagy?substrate?p62?activates?the?stress?responsive?transcription?factor?Nrf2?through?inactivation?of?Keap1[J].?Nat?Cell?Biol，?2010，?12（3）：?213–223.

[21] DONG?H，?QIANG?Z，?CHAI?D，?et?al.?Nrf2?inhibits?ferroptosis?and?protects?against?acute?lung?injury?due?to?intestinal?ischemia?reperfusion?via?regulating?SLC7A11?and?HO-1[J].?Aging?（Albany?NY），?2020，?12（13）：?12943–12959.

[28] ZHOU?H，?LI?F，?NIU?J?Y，?et?al.?Ferroptosis?was?involved?in?the?oleic?acid-induced?acute?lung?injury?in?mice[J].?Sheng?Li?Xue?Bao，?2019，?71（5）：?689–697.

（收稿日期：2022–08–24）

（修回日期：2023–04–24）

（上接第137頁）[33] CVETANOVA?B，?LI?M?Y，?YANG?C?C，?et?al.?Sesquiterpene?lactone?deoxyelephantopin?isolated?from?Elephantopus?scaber?and?its?derivative?DETD-35?suppress?BRAFV600E?mutant?melanoma?lung?metastasis?in?mice[J].?Int?J?Mol?Sci，?2021，?22（6）：?3226.

[40] YE?Y，?PEI?L，?DING?J，?et?al.?Effects?of?platycodin?D?on?S100A8/A9-induced?inflammatory?response?in?murine?mammary?carcinoma?4T1?cells[J].?Int?Immunopharmacol，?2019，?67：?239–247.