鐵死亡在呼吸系統疾病中的研究進展

楊 霞寧 宗

(廣西醫科大學第一附屬醫院急診科,南寧 530021)

作為細胞的一種基本生物學現象,細胞死亡在機體的生存、發展中發揮重要作用。 隨著研究的進展,壞死和凋亡并不能完全解釋細胞死亡所發生的全部現象。 鐵死亡(ferroptosis)是近年來被定義的一種新型的以鐵依賴性脂質過氧化和脂質活性氧(reactive oxygen species, ROS)堆積為特點的非細胞凋亡性的細胞死亡方式[1]。 與常見的細胞死亡形式,如自噬性細胞死亡和壞死性細胞凋亡等相比,鐵死亡在形態學特征、生物化學指標及基因水平等方面均存在顯著差異。 細胞焦亡(pyroptosis)作為一種保守性的機體天然免疫機制,是一種依賴于caspase-1 介導,并以伴有早期質膜的破裂及大量促炎癥因子的釋放為特點的細胞程序性死亡方式[2]。 自噬性細胞死亡,簡稱自噬(autophag)是一種由溶酶體介導的細胞程序性死亡方式,其主要的形態學改變為蛋白質的降解和細胞器的隔離與分解[3]。 而鐵死亡的則主要表現為線粒體體積變小、密度增加、線粒體嵴消失、細胞質和胞質中脂質活性氧增多等[4]。 作為一種新的程序性細胞死亡方式,鐵死亡被證實與腫瘤、神經系統疾病、動脈粥樣硬化等多種疾病密切相關,最新研究亦顯示鐵死亡在呼吸系統疾病中亦發揮至關重要的作用。 本文就鐵死亡的作用機制及在呼吸系統疾病發生發展過程中的作用研究概況,以期為呼吸系統相關疾病的進一步研究提供新思路。

1 概述

1.1 鐵死亡的定義

作為細胞生命的終結,細胞死亡在哺乳動物的生長發育及疾病的發生發展過程中、在維持內環境穩態的過程中均發揮重要的作用。 細胞意外死亡和調節性細胞死亡是細胞死亡命名委員會認定的細胞死亡的兩種方式,其中,凋亡和壞死 是經典的兩種細胞死亡形式[5]。 隨著研究的進展,上述形式并不能囊括所有的細胞死亡模式。 由此,按照細胞死亡的特點細胞焦亡、自噬性細胞死亡、鐵死亡等新的死亡模式被接踵提出。 其中,作為一種新型的細胞死亡方式,鐵死亡被逐步認識。 2003 年Dolma等[6]采用高通量篩選技術發現了鐵死亡的誘導劑,即erastin(愛拉斯汀),此化合物有別于凋亡的死亡方式而成為一種新的細胞死亡形式。 隨著研究的進一步進展,2008 年Yang 等[7]發現了與erastin 所致細胞死亡方式及其相似的兩種化合物,即ras 選擇性致死化合物(ras-selective-lethal compound,RSL3)和RSL5。 研究發現細胞焦亡、 自噬性細胞死亡等抑制劑并不能抑制上述化合物所誘導的細胞死亡,但鐵螯合劑及抗氧化劑卻能抑制這種死亡方式,提示上述這種細胞死亡模式與鐵及ROS 密切相關。 2012 年 Dixon 等[8]研究發現 erastin 可以抑制胱氨酸向胞內轉入,引起細胞內合成谷胱甘肽(glutathione,GSH)的原料減少以及磷脂過氧化物酶谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)失活,從而導致一種新的細胞死亡模式,并最終根據細胞死亡的特點將這種死亡模式命名為鐵死亡,即一種以鐵依賴性脂質過氧化和脂質活性氧堆積為特點的非細胞凋亡性的細胞死亡方式。2018 年,細胞死亡委員會建議將鐵死亡定義為調節性細胞死亡(regulated cell death,RCD)模式中的一種[9]。

1.2 鐵死亡的結構與功能

研究發現與目前已知的其他的細胞死亡模式相比,鐵死亡在形態學特征、生物化學指標及遺傳學等方面均存在顯著不同。 首先,形態學特征方面,與凋亡、壞死、自噬等不同,鐵死亡時細胞膜是完整的,細胞核的形態不發生任何改變,但胞內線粒體功能明顯受損,主要表現為線粒體皺縮,體積變小、膜密度增加、線粒體嵴消失、線粒體外膜破裂等[1,10];其次,生物化學方面,細胞內合成GSH 原料減少、GPX4 失活、細胞質及胞質中脂質 ROS 增多等[11];再者,遺傳學方面,鐵死亡的具體作用機制尚不明確,涉及鐵代謝、氧化應激、脂質代謝異常等方面,與多基因的異常表達密切相關。 其中抑制鐵死亡的基因常見的有SLC7A11,即溶質轉運蛋白第7家族11 成員基因(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11,簡稱 xCT)、GPX4 基因、CISD1 基因,即CDGSH 鐵硫域 1(CDGSH, iron sulfur domain 1)、NFS1 基因, 即半胱氨酸脫硫酶( cysteine desulfurase)、NRF2 基因,即核轉錄因子(nuclear factor erythroid 2-related factor)、HSPB1 基因,即熱休克蛋白(heat shock protein 1)等;促進鐵死亡的基因有p53 基因、VDACs 基因,即電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel)、ACSL4 基因,即長鏈脂酰輔酶A 合成酶4(Acyl-CoA synthetase 4)、NCOA4 基因,即核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4)等,在鐵死亡過程中發揮重要的作用。

2 鐵死亡的作用機制

鐵死亡的作用機制目前尚未明確,仍在不斷探索中,最新的研究證據提示鐵代謝紊亂、脂質代謝異常等因素與鐵死亡的發生發展過程密切相關。

2.1 鐵代謝紊亂

相關研究顯示,鐵代謝紊亂是鐵死亡的中心環節[12]。 作為機體必需的微量元素之一,鐵主要以二價和三價鐵離子的形式存在于機體內參與細胞的運輸、機體的代謝等活動。 正常情況下借助于銅藍蛋白,體內二價鐵離子(Fe2+)被氧化為三價鐵離子(Fe3+),Fe3+與細胞外轉鐵蛋白形成復合物被轉運至胞內,繼而在鐵還原酶前列腺六次跨膜蛋白3 作用下還原為Fe2+,而后存儲于胞質內鐵蛋白中或借助于膜上鐵轉運蛋白泵出,參與機體內鐵再循環,維持鐵穩態。 當機體內鐵穩態被打破時,細胞內鐵儲存減少,過量Fe2+則通過芬頓化學反應及Haber-Weiss 反應催化ROS 生成,引起胞質內ROS 聚集,從而誘導鐵死亡的發生[13]。 蘇欣等[14]通過制備鐵缺乏的大鼠動物模型來研究鐵缺乏所致氧化應激與鐵死亡的關系,結果發現在生命早期有效控制鐵的攝入量造成鐵缺乏,從而引起大鼠成年期鐵負荷,導致鐵死亡的發生。

2.2 脂質代謝異常

氧化應激是指各種有害因素所致機體處于過氧化狀態,出現氧化與抗氧化系統的失衡。 研究發現誘發鐵死亡的直接原因之一是脂質ROS 形成與堆積[15]。 首先,脂質膜上的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)在酶促或非酶促的氧化反應作用下形成脂質ROS。 當機體出現鐵負荷過多,此時過剩的游離Fe2+可以作為機體有效的催化劑引發氧化應激反應,導致線粒體、DNA 等損傷[16]。 其次,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)依賴的脂質過氧化及谷胱甘肽(GSH)耗竭所致ROS 在鐵死亡發生發展過程中同樣起著至關重要的作用[17]。 研究發現作為發現最早的鐵死亡抑制劑,Ferrostain-1 借助于特異性抑制脂質ROS的聚集而特異性阻斷鐵死亡的發生[8]。 陳芳等[18]采用線粒體細胞色素bcl 抑制劑阿霉素A 來干預腎小管上皮細胞的氧化磷酸化過程,發現鐵死亡參與急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)的過程,予以鐵死亡抑制劑Ferrostain-1 等干預后,細胞內ROS 水平顯著下降,線粒體損傷明顯減輕,結果提示抑制鐵死亡可以有效緩解AKI 的進程,為AKI 的治療提供新的靶點與方向。 再者,細胞膜谷氨酸/胱氨酸轉運體(glutamate/cystine antiporter),即system Xc-系統與鐵死亡過程中脂質代謝作用密切相關。 作為Xc-系統抑制劑,柳氮磺吡啶(Sulfalsalazine,SAS)不僅可以抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉運體,而且還會影響胱氨酸依賴的GSH 的合成,從而導致鐵死亡的發生,這與高瑋男等[19]研究報道相一致。 細胞模型中,宣文婷等采用凋亡誘導因子p53 干預小鼠海馬神經元細胞來探討鐵死亡過程中谷氨酸興奮性毒性作用,結果發現通過調節Xc-系統的表達,p53 可以顯著抑制鐵死亡的過程[20]。

3 鐵死亡的調控

鐵死亡主要是細胞內脂質活性氧生成與降解的平衡失調所致,研究發現鐵死亡可以被多種化合物所誘導和抑制,具體見表1。

表1 鐵死亡誘導劑及抑制劑分類Table 1 Classification of inducer and inhibitor of ferroptosis

4 鐵死亡在呼吸系統疾病中的作用

最新研究顯示鐵代謝紊亂、脂質代謝異常等因素與鐵死亡的發生發展過程密切相關,而脂質ROS形成與堆積在肺部疾病發病機制中占據重要地位,提示鐵死亡可能參與呼吸系統疾病的發生發展過程。 因此,調控鐵死亡過程將有可能為呼吸系統疾病的臨床防治提供新的作用靶點。

4.1 鐵死亡與支氣管哮喘(Asthma)

ROS 是氧化應激的主要參與者,而氧化應激是形成哮喘的大多數分子途徑和機制的最終結果。Frossi 等[35]研究發現氧化應激上調Th2 介導炎癥反應,增加哮喘嚴重程度;此外,哮喘患者外周血嗜酸性粒細胞中ROS 產生顯著高于健康人,且激發后ROS 生成進一步明顯增多。 因此,氧化應激與哮喘的發病密切相關。 另一方面,誘發鐵死亡的直接原因之一是脂質ROS 形成與堆積,這可能與經典損傷相關分子模式(DAMP)有關。 Shah 等[36]研究發現在鐵死亡組織中,借助于F4/80 免疫熒光染色提示可以顯著激活巨噬細胞,從而釋放促炎物質,引發一系列炎癥反應。 此外,鐵死亡組織中存在過氧化物及花生四烯酸代謝所產生的炎性介質。 作為花生四烯酸代謝中關鍵的脂質過氧化物酶,脂氧合酶(LOX)不僅參與機體的炎癥和免疫反應,而且還是鐵死亡的必備條件,主要是因為LOX 不僅可以催化PUFAs 氧化成脂質氫過氧化物,脂質氫過氧化物再形成有毒的脂質自由基,繼而引起細胞損傷,而且脂質自由基能還可以轉移PUFAs 附近的質子,引發新一輪的脂質氧化反應并導致更嚴重的氧化性損害[37]。 而LOX 亦與哮喘氣道炎癥和氣道重塑密切相關。 鑒于此,提示鐵死亡可能在哮喘的發病機制中占據重要地位。

4.2 鐵死亡與急性肺損傷(acute lung injury,ALI)

作為一種臨床常見的呼吸系統危重癥,ALI 的主要臨床特點為呼吸窘迫和進行性低氧血癥,其嚴重階段表現為急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)。 主要作用機制為肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞的凋亡以及肺泡巨噬細胞極化,從而產生大量的活性氧,引發氧化與抗氧化系統的失衡,釋放大量炎癥因子,致使肺局部的炎癥微環境失衡,誘導“炎癥因子風暴”,產生一系列炎癥反應[38]。 最新研究發現[39]采用小鼠尾靜脈注射油酸的方法制備ALI 動物模型,結果發現ALI 組小鼠肺細胞出現線粒體皺縮、變小,線粒體外膜破裂等病理變化,肺組織可見明顯的鐵過載、GSH 含量減少、鐵蛋白表達水平顯著降低等改變,上述結果提示鐵死亡參與肺損傷的致病過程,這將為ALI 的臨床治療提供新的理論依據。

4.3 鐵死亡與肺癌

肺癌是最常見的惡性腫瘤之一,嚴重影響人類的健康與生命。 研究發現與正常細胞相比,肺癌細胞內ROS 水平和脂質氧化標志物水平普遍較高,且與機體的免疫功能有關。 如前所述,誘發鐵死亡的直接原因之一是脂質 ROS 形成與堆積,NADPH 依賴的脂質過氧化及GSH 耗竭所致ROS與鐵死亡發生發展過程密切相關。 此外,T 淋巴細胞作為一種獲得性免疫細胞在腫瘤相關免疫中起著至關重要的作用,谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathioneperoxidase 4,GPX4)可以通過防止過氧化及細胞鐵死亡在活化T 淋巴細胞生存和擴張中扮演重要角色。 因此,ROS 代謝通路中相關基因的檢測在鐵死亡作用機制研究中尤為重要。 相關文獻報道指出隱丹參酮可以不同程度抑制腫瘤細胞的增殖,影響腫瘤細胞ROS 代謝通路,但具體作用機制不詳。 譚國耀等[40]以體外培養人肺癌A549 細胞和順鉑耐藥株A549/DDP 細胞為研究對象,給予不同濃度隱丹參酮進行干預,結果發現隱丹參酮可以抑制上述兩種細胞的增值,其作用機制與影響細胞鐵死亡相關基因的表達密切相關。

5 結語

綜上所述,作為一把“雙刃劍”,鐵死亡在不同的疾病狀態下發揮不同的作用。 鐵死亡在肺部疾病中的作用機制目前仍未闡明,深入研究其發生機制及相關信號通路,努力尋找有效的阻斷劑,為肺部疾病的治療提供新的靶點和方向。