鐵死亡在新生兒急性肺損傷中作用機制的研究進展

楚曉云，蔡 成

上海市兒童醫(yī)院 上海交通大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院 新生兒科，上海 200062

新生兒急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是由多種因素引起的新生兒肺部彌漫性損傷,以進行性低氧血癥和呼吸窘迫為主要臨床表現(xiàn),嚴重威脅新生兒生命安全。ALI的發(fā)病機制錯綜復雜,主要包括氧化應激、炎性反應、自噬及壞死性凋亡等[1-4],但確切機制尚未完全闡明,臨床上亦無有效的防治措施。鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種鐵離子依賴性的、以脂質活性氧(reactive oxygen species, ROS)過量蓄積為特征的細胞調控性死亡形式?，F(xiàn)越來越多證據(jù)表明,鐵死亡在ALI的進程中發(fā)揮重要作用[5-7]。本文綜述了鐵死亡在ALI中作用機制的研究進展,以進一步闡明ALI的發(fā)病機制,并為其防治提供新靶點。

1 鐵死亡的概述

2003年發(fā)現(xiàn)小分子化合物erastin對RAS突變的腫瘤細胞具有選擇致死性,與經典凋亡途徑不同,此過程無caspase酶的活化、caspase底物的裂解,也沒有細胞核形態(tài)的變化[8],且能被鐵螯合劑和親脂性抗氧化劑所抑制[9]。2012年首次將這種細胞調控性死亡形式命名為鐵死亡[10]。與凋亡,壞死和自噬均不同,鐵死亡的主要形態(tài)學表現(xiàn)為線粒體皺縮、膜密度增加及嵴減少[10];在生化水平上,鐵死亡主要表現(xiàn)為細胞內Fe2+過量蓄積、GSH耗竭、GPX4活性下降及膜脂質的過氧化反應[10-11];在遺傳學上,鐵死亡涉及多種基因的表達異常,尤其是鐵調節(jié)相關基因[10]。鐵死亡的調控機制錯綜復雜,主要包括鐵穩(wěn)態(tài)失調、氨基酸抗氧化系統(tǒng)失衡及脂質過氧化反應等。

2 鐵死亡在新生兒ALI發(fā)病學中的作用

新生兒ALI是臨床上常見的一種危急重癥,其主要病理改變?yōu)榉闻菝氀芡ㄍ感栽黾?、炎性細胞浸潤及肺泡上皮細胞損傷,常由非心源性的肺內和肺外因素引起,但確切發(fā)病機制尚未完全闡明。目前已知鐵穩(wěn)態(tài)失調、胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(system Xc-)功能障礙和脂質過氧化反應是鐵死亡的主要特征[10-11],同時這些代謝異常在ALI的發(fā)病機制中也占據(jù)重要地位[6,12]。各種致病因素引起的肺泡上皮細胞中Fe2+蓄積,可通過Fenton反應催化產生大量氧自由基,并進一步將多不飽和脂肪酸等膜脂氧化成脂質過氧化物,從而破壞細胞生物膜的結構和功能,誘發(fā)鐵死亡并導致ALI[13]。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)為鐵死亡的核心調控蛋白,可通過降解H2O2及脂質ROS阻斷脂質過氧化鏈式反應,避免細胞發(fā)生氧化性損傷。谷胱甘肽(glutathione,GSH)為體內重要的抗氧化劑和自由基清除劑,同時也是GPX4活化過程中必需的輔助因子[14]。system Xc-功能障礙可引起半胱氨酸剝奪,GSH合成減少,進一步導致依賴GSH的GPX4失活,最終引起脂質過氧化水平的增加,誘導鐵死亡及ALI的發(fā)生[15]。

2.1 高氧肺損傷

氧氣吸入是危重新生兒救治過程中必不可少的組成部分,但持續(xù)高氧暴露可導致機體產生大量高活性氧及自由基,從而干擾細胞代謝,抑制蛋白酶和DNA合成,造成廣泛的細胞和組織損傷。在新生大鼠高氧肺損傷模型中可以觀察到肺泡II型上皮細胞發(fā)生線粒體萎縮、膜結構破裂和嵴的減少等形態(tài)異常。同時,存在鐵超負荷、與維持鐵穩(wěn)態(tài)相關的轉鐵蛋白受體(transferrin receptor,TFRC)、鐵蛋白重鏈(ferritin heavy chain,FHC)和鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain,FLC)的表達增加、鐵死亡核心調控蛋白GPX4及其輔助因子GSH的表達下降[5,16],表明鐵死亡可通過調節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)和抑制GPX4及GSH的活性參與高氧肺損傷的進程。而鐵死亡抑制劑去鐵胺可通過減少黃嘌呤氧化酶及增加谷胱甘肽還原酶的表達抑制氧化應激反應從而減輕高氧肺損傷,更是印證了這一觀點。Nrf2作為機體抗氧化應激反應的核心轉錄因子,可在高氧暴露下上調鐵死亡相關下游靶基因GSH、HO-1和NADPH的表達發(fā)揮肺保護作用,還可通過直接或間接調控GPX4和細胞內游離鐵含量及線粒體功能從而調控鐵死亡。因此,可以此為切入點進一步探索高氧肺損傷的防治策略。

2.2 膿毒癥相關ALI

膿毒癥是由感染引起的全身性炎性反應,發(fā)病率高且預后差,可引起機體免疫系統(tǒng)的過度激活,促炎細胞因子、集落刺激因子及趨化因子的過度釋放,引發(fā)細胞因子風暴,從而導致肺微血管通透性增加、肺水腫和肺不張等病理改變。在脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS) 誘導的ALI小鼠支氣管上皮細胞中存在鐵超負荷、脂質過氧化的主要終產物丙二醛(malondialdehyde,MDA)表達增加、GPX4和SLC7A11的表達下降,ferrostatin-1可通過抑制上述改變有效緩解LPS誘導的ALI[6],提示鐵死亡參與了膿毒癥相關ALI的進程。多項研究表明Nrf2可通過調節(jié)鐵代謝、氨基酸代謝及脂質過氧化反應相關靶基因的轉錄,在LPS誘導的ALI中發(fā)揮保護作用[14,17-18]。此外,鐵死亡也通過鐵超載及氨基酸抗氧化系統(tǒng)的失衡參與了SARS-CoV-2導致的COVID-19[19],鐵死亡抑制劑ferrostatin-1和liproxstatin-1已被證實可有效緩解冠狀病毒感染導致的鼠ALI[20]。

2.3 缺血/再灌注肺損傷

缺血/再灌注肺損傷是由于嚴重創(chuàng)傷、心肺復蘇、休克及重大手術等引起的肺臟缺血后重新恢復血流時引起的損傷。除損傷肺微血管床外,還可導致肺泡血管內皮通透性增加,肺血管內炎性介質和炎性細胞的外滲,最終導致呼吸衰竭。在大鼠腸道缺血/再灌注肺損傷模型中存在MDA表達增加和GSH表達下降。Ferrostatin-1可通過增加GPX4和GSH的表達,抑制脂質過氧化反應減輕腸缺血再灌注相關ALI[7]。Nrf2可通過上調GPX4和HO-1的表達以及穩(wěn)定線粒體功能有效緩解肺缺血/再灌注損傷[21]。p53凋亡刺激蛋白抑制劑 (inhibitor of apoptosis stimulating protein of p53,iASPP) 是p53家族中唯一凋亡刺激蛋白抑制劑,可通過激活Nrf2/HIF-1/TF信號通路調節(jié)鐵代謝和脂質過氧化反應有效抑制腸缺血/再灌注誘導的鐵死亡并減輕其肺損傷作用[22]。以上研究表明,鐵死亡可通過鐵超載及脂質過氧化參與缺血/再灌注肺損傷的進程,而Nrf2和p53可能為其潛在的治療靶點。

2.4 其他因素導致的ALI

放射性治療是一種用于治療胸部惡性腫瘤的常規(guī)療法,但放療可損傷肺上皮細胞和血管內皮細胞,同時可刺激炎性因子大量釋放產生炎性反應,最終導致ALI的發(fā)生。在大鼠放射性肺損傷模型中存在GPX4表達下降,Liproxstatin-1可通過上調GPX4的表達,降低ROS及炎性因子的水平減輕輻射誘導的ALI[23]。油酸可引起肺泡毛細血管通透性增加和肺間質水腫,引發(fā)ALI。在油酸誘導的ALI小鼠模型中存在鐵超負荷,MDA表達升高,鐵蛋白、GPX4及GSH表達下降[15]。溺水會損傷肺泡上皮細胞,進而導致缺氧、出血以及炎性反應。在海水淹溺性小鼠ALI模型中存在脂質ROS和MDA表達增加,GSH和SOD活性下降,ferrostatin-1可減少胞內ROS產生和脂質ROS積累,增加GSH表達和SOD活性緩解肺損傷。Nrf2可促進FHC和GPX4表達并穩(wěn)定線粒體膜電位,從而緩解海水淹溺所致的ALI[24]。

3 問題與展望

綜上所述,鐵死亡作為一種新型細胞死亡形式參與了上述ALI的進程,但確切機制尚未闡明。雖然目前研究大多集中在動物和細胞水平,對于臨床療效的評價少之又少,但目前基于鐵死亡為靶點對動物模型ALI的干預是確切有效的。通過對鐵死亡信號通路及其調控因子的進一步探索,鐵死亡調節(jié)劑有望成為ALI治療的新靶向藥物。