鐵死亡調控機制及其在肺纖維化中的作用研究進展

劉迎博，茹美華，李建強

(1.山西醫科大學，山西 太原 030000；2.山西醫科大學第二醫院呼吸與危重癥醫學科，山西 太原 030000)

細胞程序性死亡是由特定的細胞信號通路調控的細胞自主死亡方式，對機體的正常發育有著重要意義。鐵死亡是一種鐵依賴的細胞程序性死亡方式，近年來的研究發現,鐵死亡相關機制如鐵代謝紊亂、氧化還原失衡等與包括肺纖維化在內的多種呼吸系統疾病的發生密切相關[1]。目前，肺纖維化的病因及發病機制尚不十分明確，且缺乏有效的治療手段，預后不容樂觀，而鐵死亡的發現及其可能在肺纖維化中的作用為肺纖維化的治療提供了新的思路。基于此，本文就鐵死亡的調控機制及鐵死亡在肺纖維化中的作用最新研究進展進行綜述。

1 鐵死亡概述

鐵死亡是DIXON等[2]發現的一種特殊類型的細胞死亡方式，具有脂質過氧化物聚集和鐵離子依賴性的特點。鐵死亡與以往發現的經典細胞死亡方式不同，主要表現在：(1)在細胞形態上表現為線粒體的萎縮，線粒體嵴減少甚至消失，而細胞核形態并沒有明顯的變化，不存在染色質凝集和核碎裂現象[3]；(2)發生過程中需要鐵離子的參與，并受多基因途徑調節，而無炎癥介質的釋放；(3)鐵死亡過程中細胞膜的破損是由于脂質過氧化引起膜通透性改變造成的，而不依賴于膜穿孔蛋白在細胞膜上打孔[4]。目前，肺纖維化發病機制仍不十分明確，且患者大都預后不佳。鐵死亡可能參與了肺纖維化早期的細胞氧化應激損傷，因此，需要更好地了解鐵死亡機制，探索有效的抗肺纖維化治療的潛在途徑。

2 鐵死亡的調控機制

2.1 鐵代謝紊亂鐵是維持人體細胞正常生理活動的重要微量元素，參與機體能量代謝及細胞色素和各種酶的合成。鐵離子由十二指腸及空腸上皮以Fe2+形式吸收入血，經銅藍蛋白氧化為Fe3+，并與血漿中的轉鐵蛋白結合，將其輸送到其他組織細胞內，經鐵還原酶轉化為Fe2+后被加以利用，在鐵儲備充足的情況下，細胞內未被利用的鐵以鐵蛋白和含鐵血黃素的形式貯存。

鐵的代謝穩態對機體來說至關重要，與鐵代謝相關的因子包括轉鐵蛋白受體、二價金屬轉運蛋白1、轉鐵蛋白和鐵蛋白等，受鐵反應元件-鐵調節蛋白系統的調控，可以根據體內游離Fe2+的濃度，維持細胞內源性鐵穩態[5]。鐵死亡是鐵依賴的過程，上述蛋白的異常表達或功能障礙均會導致細胞內鐵離子代謝紊亂，對鐵死亡起到調控作用，導致鐵穩態失衡[6]。過量的Fe2+可以與過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)發生Fenton反應生成活性氧和羥基自由基[7]，其產物具有很強的氧化活性，可以引起一系列的細胞氧化損傷。因為只有游離的Fe2+才會通過Fenton反應引起細胞鐵死亡，所以細胞內游離鐵的代謝對調控鐵死亡的發生具有重要作用。

2.2 氧化和抗氧化失衡過量的氧化物可以導致機體氧化和抗氧化作用失衡，肺部的氧化物主要是活性氧、H2O2和超氧陰離子，而抗氧化系統由超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPX)等抗氧化酶和谷胱甘肽、維生素C、維生素E等小分子抗氧化物構成。線粒體是細胞內活性氧產生的重要細胞器，且鐵含量豐富，被認為是鐵死亡發生的重要場所。活性氧具有較強的氧化能力[8]，在正常生理水平時可發揮細胞信號轉導作用，調控細胞的凋亡和增殖[9]，但活性氧可導致脂質過氧化物累積，蓄積到一定程度后會造成線粒體膜的損傷，導致細胞能量代謝障礙，這也是鐵死亡在細胞形態上主要表現為線粒體體積減小和膜的皺縮，最終導致細胞死亡的原因。

谷胱甘肽是細胞內一種重要的抗氧化劑，主要維持細胞氧化還原狀態平衡[10]，其合成異常會造成脂質過氧化物的大量蓄積，從而導致細胞鐵死亡的發生。此外，在細胞中GPX4能以谷胱甘肽為底物發揮抗氧化作用，將細胞中過多的脂質過氧化物還原成無氧化活性的脂質醇[11]，通過限制脂質過氧化物對細胞的氧化損傷來抑制鐵死亡的發生[12]。

最新研究發現，鐵死亡抑制蛋白1是一種獨立于GPX4的鐵死亡抑制因子，其可以不依賴谷胱甘肽的還原活性，通過還原輔酶Q10來阻止脂質過氧化和細胞的鐵死亡[13-14]。

2.3 脂質過氧化脂質過氧化物的大量積累是鐵死亡的標志，鐵死亡過程中的膜破損是由脂質過氧化物導致的。脂質過氧化不僅破壞生物膜的功能與穩定性，其降解產物丙二醛還可干擾蛋白質、糖和核酸的代謝，影響細胞正常功能。多不飽和脂肪酸是脂質代謝調控鐵死亡的關鍵分子，在鐵死亡過程中，多不飽和脂肪酸特別是花生四烯酸和腎上腺素因為其結構的相對不穩定性而容易發生過氧化。

長鏈酯酰輔酶A合成酶4與溶血卵磷脂酰基轉移酶3是鐵死亡過程中脂質過氧化物合成的關鍵酶，可催化活性氧誘導多不飽和脂肪酸產生脂質過氧化物[15]。研究發現，多不飽和脂肪酸是細胞膜和細胞器膜結構的重要組成部分，也是細胞鐵死亡過程中脂質過氧化的重要靶點[16]。此外，由鐵介導的脂氧合酶也參與多不飽和脂肪酸的過氧化過程而產生脂質過氧化物[17]。大量的脂質過氧化物可破壞細胞膜單位上許多酶、受體和離子通道的空間構象，使膜的完整性和選擇通透性被破壞[18]，最終引發細胞死亡。

3 鐵死亡與肺纖維化發生的相關性

肺纖維化是許多急、慢性肺損傷最常見的臨床結局，其主要病理特征是成纖維細胞增殖和細胞外基質的廣泛沉積，最終導致肺泡結構被破壞，造成肺功能下降甚至導致患者死亡等不良預后[19]。

氧化/抗氧化失衡引起的氧化應激是早期肺纖維化發生、發展的重要因素，機體存在許多抗氧化系統，其中p62-Kelch樣相關蛋白1(Kelch-1ike ECH-associated protein 1，Keapl)-核紅細胞2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)-抗氧化反應元件(antioxidant response element，ARE)信號通路與鐵死亡密切相關[20]。p62-Keapl-Nrf2-ARE信號通路可通過上調HO-1的表達，降低細胞內游離Fe2+及α-平滑肌肌動蛋白的表達[21]，減少膠原的合成，在抑制鐵死亡的同時起到抗肺纖維化作用。此外，Nrf2可通過抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶的轉錄，抑制活性氧的產生，增加谷胱甘肽的合成，發揮抗纖維化的作用。

Ⅱ型肺泡上皮細胞(type II alveolar epithelial cells，ATⅡ)是維持肺泡結構和功能的關鍵細胞，ATⅡ的持續損傷和異常修復最終導致肺纖維化的發生[22]。ATⅡ具有高度的代謝活性，其中細胞膜上含有大量的多不飽和脂肪酸，線粒體含量也很豐富，這意味著ATⅡ具有更高的鐵死亡易感性。有研究發現，博來霉素誘導的肺纖維化小鼠ATⅡ中鐵離子水平升高，并伴有膠原沉積等纖維化的病理改變，提示ATⅡ中過多的鐵積累誘導的鐵死亡促進了肺纖維化的發展；此外，該研究還發現，在中度缺鐵的小鼠中，博來霉素誘導的肺纖維化可得到緩解[23]。以上研究均表明，鐵死亡促進了肺纖維化的發生發展。

放射性肺纖維化的發病機制是在腫瘤放射治療中，電離輻照直接導致細胞DNA損傷和活性氧產生，從而導致肺泡上皮細胞損傷，最終進展至肺纖維化。鐵死亡在輻射誘導的放射性肺纖維化中起關鍵作用[24]。有研究報道，電離輻射誘導的過量活性氧促使肺組織的氧化應激顯著增加，而SOD和GPX4活性降低，且輻照后肺上皮細胞線粒體形態也發生明顯變化[25]，進一步證實了鐵死亡與放射性肺纖維化相關。LIU等[26]研究發現，一種新構建的生物工程納米反應器SOD@ARA290-HBc可顯著降低肺泡上皮細胞中活性氧，改善線粒體膜電位，通過抑制氧化應激，防止輻射誘導的肺泡上皮細胞鐵死亡，可有效減輕放射性肺纖維化。

百草枯具有很強的毒性作用，可導致快速的進行性彌漫性肺纖維化，其抵制可能是百草枯刺激活性氧的合成，通過脂質過氧化、核因子-κB激活和線粒體損傷，最終導致細胞損傷，而去鐵胺、Fer-1等鐵死亡抑制劑可以在百草枯引起的纖維化治療中發揮一定的作用[27]。特發性肺纖維化的主要病理特征是肌成纖維細胞和細胞外基質組成的纖維化灶的形成，說明成纖維細胞向肌成纖維細胞的轉化參與了特發性肺纖維化的發病[28]。鐵死亡激活劑Erastin可增加轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)介導的活性氧的表達和脂質過氧化，抑制GPX4的表達，促進成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化，誘導膠原沉積和肺泡結構的破壞，參與纖維化過程，而鐵死亡抑制劑Fer-1可抑制上述作用，減輕肺纖維化[29]。TGF-β1誘導的上皮-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)被認為參與了肺纖維化的發病機制，在EMT過程中，TGF-β1促進了A549細胞線粒體形態發生鐵死亡典型的超微結構改變，增加了活性氧、丙二醛和亞鐵離子的水平，同時降低了E-鈣黏蛋白、α-SMA和SLC7A11的表達水平[30]。

以上研究表明，鐵死亡參與了肺纖維化的發生過程，但具體分子機制尚未明確，鐵死亡是怎樣引起成纖維細胞增殖活化和細胞外基質釋放等需進一步研究。

4 小結

綜上所述，鐵死亡在肺纖維化的發生發展過程中發揮重要作用，鐵代謝紊亂及氧化還原失衡等相關機制參與了肺纖維化的進展。但目前仍有以下問題需要繼續探討：(1)鐵死亡在肺纖維化中的具體激活機制，鐵死亡與其他的細胞死亡方式是否存在競爭，是否受其他因子調控，可以通過細胞實驗驗證鐵死亡的上游及下游相關因子；(2)氧化應激是肺纖維化的重要發病機制之一，因此減輕氧化應激，改善機體存在的氧化/抗氧化失衡有可能延緩肺纖維化的發生發展，但目前還未發現鐵死亡抑制劑能直接發揮抗纖維化的作用，也需要更多的藥物模型去篩選和驗證。總之，鐵死亡在肺纖維化中具有重要的研究價值，進一步深入探討鐵死亡的機制可為肺纖維化的治療提供新的方向。