鐵死亡的發生機制及其在急性肺損傷的研究進展

王 倩 明婷倩 吳曉靜

細胞死亡在促進器官發育和維持組織與細胞穩態上起著重要作用。細胞死亡分為意外性細胞死亡和程序性細胞死亡[1]。程序性細胞死亡主要分為凋亡形式和非凋亡性形式。鐵死亡是近年來發現的一種不同于壞死性凋亡、自噬的細胞程序性死亡，以鐵依賴的脂質過氧化物(lipid peroxides, LPO)積累為特征[2]。

多種疾病的發生、發展與鐵死亡有關，如退行性疾病(阿爾茨海默病、亨廷頓舞蹈癥和帕金森病)、癌癥、腦卒中、腦出血、外傷性腦損傷、缺血再灌注損傷等[3]。氧化應激產生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)在急性肺損傷(acute lung injury,ALI)進展中占據重要的地位，鐵死亡會導致LPO堆積，說明鐵死亡可能與ALI密切相關[4]。近年來研究確定了鐵死亡在ALI中發揮的作用，但鮮有相關綜述發表，本文總結鐵死亡在ALI中的研究進展，進一步闡明急性肺損傷的發病機制，為潛在的治療靶點提供理論依據。

一、鐵死亡的發生機制

1.鐵死亡的定義：鐵死亡是由鐵依賴性LPO積累所導致的細胞死亡。鐵死亡細胞變現出典型的壞死形態，如質膜的破壞和細胞內容物的釋放，特別是損傷相關分子模式，其線粒體萎縮，線粒體嵴減少或消失，線粒體膜密度增加，雖然細胞核形態正常且保持完整，但染色質未見凝集狀態，電鏡下可觀察到細胞內線粒體變小、膜密度增高[2]。發生機制主要為具有氧化還原能力的Fe2+堆積，多不飽和脂肪酸氧化，消除過氧化物能力受損[5]。

2.影響鐵死亡的代謝過程

(1)鐵代謝：鐵螯合劑的使用可降低ROS，抑制鐵死亡，鐵的存在是鐵死亡執行所必須的[2]。在循環中，轉鐵蛋白(transferrin，Trf)與三價鐵(Fe3+)結合，以可溶、無毒的形式輸送到骨髓和其他組織。在生理pH值下，TRF與Fe3+高親和力結合，由細胞膜表面的轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TFR1)介導攝取。Trf與TFR1結合后被內化，其中Fe3+被還原成Fe2+，通過二價金屬離子轉運體1釋放到胞質中，可存儲于鐵蛋白中或借助于膜上鐵轉運蛋白泵出。若細胞Fe2+過載，Fe2+可通過芬頓反應產生大量ROS，導致LPO累積，誘導鐵死亡發生[6]。因此，調控鐵的輸入、輸出、儲存和循環轉運均可影響鐵死亡的敏感度。

(2)脂質代謝：生物體中常見的ROS類型有超氧化物、羥基自由基、過氧化氫和LPO，但不是所有的ROS都會誘導鐵死亡，使用親脂抗氧化1(liproxstain-1，LIP-1)可抗鐵死亡，證實了LPO是導致鐵死亡的主要原因[6]。病理狀態下，LPO可通過多種途徑產生。除芬頓反應外，花生酰磷脂和腎上腺酰磷脂在酰基輔酶a合成酶長鏈家族成員4(acyl-coa synthetase long-chain family member 4，ACSL4)、溶血卵磷脂酰基轉移酶和15-脂氧合酶的催化下產生LPO。LPO攻擊多不飽和脂肪酸，在脂氧合酶作用下擴大氧化反應，造成損傷[7]。Doll等[8]使用抗鐵死亡細胞的全基因組CRISPR基因篩選和微陣列分析發現，ACSL4是鐵死亡重要的執行成分，ACSL4使細胞膜上富含多不飽和ω6脂肪酸，藥物Thiazolidinedione抑制ACSL4可降低鐵死亡。

(3)氨基酸和谷胱甘肽代謝：谷胱甘肽(glutathione，GSH)是細胞內含量最豐富的抗氧化劑，其可保護胞內的DNA、蛋白質、脂質等生物分子免受氧化損傷[9]。GSH由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸在谷氨酰半胱氨酸連接酶和谷胱甘肽合成酶催化合成，與谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)反應發揮氧化還原作用，可將有毒的脂質氫過氧化物轉化成無毒的醇脂。GSH與GPX4的耗竭和活性降低均可導致清除LPO能力降低，誘導鐵死亡[10]。細胞膜上由調節性亞基SLC3A2和催化亞基SLC7A11組成的system xc-也是重要的調節分子，將胱氨酸轉運進細胞內，同時1∶1泵出谷氨酸，其活性通常與其SLC7A11編碼的輕鏈表達量呈正相關[11]。抑癌基因P53可通過抑制催化亞基SLC7A11表達可誘導鐵死亡[12]。而OTUB1直接與SLC7A11相互作用并穩定其結構，相反抑制鐵死亡[13]。GSH、GPX4和system xc-均是藥物調節鐵死亡的重要靶點。

3.其他調節機制：GPX4是多年來唯一被發現的負性鐵死亡調節分子，而近年來研究發現，二氫乳清酸脫氫酶(dihydroorotate dehydrogenase，DHODH)和凋亡誘導因子線粒體相關分子2(apoptosis-inducing factor mitochondria-as-sociated，AIFM2)在腫瘤細胞中同樣具有鐵死亡保護作用，三者作用很可能平行調節脂質過氧化和鐵過載，但部分腫瘤細胞即使3種保護分子均被抑制后，仍對鐵死亡低度敏感，說明在腫瘤細胞系中還存在尚未被發現的鐵死亡抑制系統[14，15]。

二、鐵死亡與急性肺損傷的聯系

急性肺損傷是非心源性的各種肺內外致病因素導致的急性、進行性缺氧性呼吸衰竭，臨床治療著重于使用激素，支氣管擴張藥物和機械通氣緩解呼吸困難，然而病死率仍然很高，重癥監護室出現ALI的患者，致死率可高達35%～40%，其余患者由于長期低氧可能出現腦損傷等后遺癥[16]。因此研究有效的改進方案是十分有必要的，而進一步探索急性肺損傷的研究機制為尋找有效的治療方案指明方向。

ALI病理生理機制是由于肺部炎性反應，毛細血管通透性增加導致的肺泡和間質性水腫，肺不張，透明膜形成[17]。其發生機制十分復雜，炎性反應失衡、水通道蛋白調控、凝血/纖溶系統失衡、細胞凋亡、自噬、發熱等參與其中[18]。正常情況下，肺組織中巨噬細胞的吞噬作用、轉鐵蛋白分泌、呼吸道上皮表面的抗氧化分子和呼吸纖毛排痰系統來維持鐵穩態。一旦保護機制被內源性或外源性因素破壞時，鐵代謝發生紊亂后沉積影響細胞正常功能。在ALI患者下呼吸道可發現鐵沉積，鐵積累可導致炎性反應、氧化應激和線粒體功能障礙，進一步加重肺損傷程度[19]。此外，有研究發現在LI患者和動物模型中肺泡上皮液中總GSH減少，氧化谷胱甘肽增加[20]。總而言之，這些研究提示鐵代謝、氧化應激、谷胱甘肽可能參與了ALI的發病機制。而如今越來越多體外研究證實ALI發生、發展中存在鐵死亡現象(表1、表2)。

表1 鐵死亡與ALI

表2 鐵死亡抑制劑與ALI

1.IR-ALI：遠離肺組織的損傷如腹部損傷，感染，手術導致的腸缺血再灌注(intestinal ischemia/re-perfusion，IIR)可造成ALI[33]。Xu等[29]在IIR-ALI小鼠模型中，肺組織組織鐵含量和脂質過氧化積累，再灌注過程中關鍵蛋白(GPX4和ACSL4)的表達發生改變。此外，缺血前給予ACSL4抑制劑羅格列酮可減輕肺組織鐵死亡損傷，與ACSL4基因敲除對肺上皮細胞的保護作用一致，ACSL4是重要的鐵死亡調控基因。Li等[21]研究發現，在IIR-ALI中p53抑制因子iASPP通過介導Nrf2/HIF-1/TF發揮抗鐵死亡的保護作用，降低肺組織水腫、肺不張、壞死、肺泡和間質炎癥。p53在其他疾病模型中對鐵死亡起著關鍵性作用，而iASPP是否通過調節p53起作用還不得而知，有待于進一步研究。而IIR-ALI中抗氧化分子Nrf2調控下游HO-1和STAT3磷酸化表達，抑制鐵死亡從而降低組織損傷但是到目前為止，IIR誘導ALI的發病機制尚未完全闡明，也沒有特異性藥物[22，23]。

2.RILI：放射誘導肺損傷(radiation-induced lung injury，RILI)是胸部性腫瘤放療后出現的重要并發癥，其發生率為16.7%～50.3%，增加了腫瘤患者的病死率和致殘率[34]。放射造成大量ROS產生被認為是引起RILI的重要機制，小鼠經放射處理后肺組織鐵死亡表現加重，但是LIP-1可逆轉鐵死亡現象。除此之外，RILI中肺泡內皮細胞鐵死亡會影響其屏障功能，其機械敏感度鈣離子通道PIEZO1表達增加，鈣內流增加和鈣蛋白酶活性增加，使用其特異性抑制劑GSMTX4后，鐵死亡程度得到緩解[25]。PIEZO1通過Ca2+/calpain/VE-CADHERIN途徑調節鐵死亡，鐵死亡與Ca2+超載相關，但機制還有待于進一步深入研究。PIEZO1是未來治療放射性肺損傷的新靶點。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是一種典型的內源性抗氧化酶，可直接滅活ROS，臨床使用SOD及其類似物已被證明可以保護肺免受輻射損傷。由于穩定性差、細胞攝取低、免疫原性高、體內循環少等特點，天然SOD作為治療藥物應用臨床極為受限。基因工程技術將SOD封裝進線性肽ARA290-HBc組成仿生納米反應器，提高了ARA290肽的穩定性和肺潴留，進一步研究證實了可防止輻射誘導的肺泡上皮細胞凋亡、鐵死亡、氧化應激[34]。雖然SOD@ARA29-HBc應用于臨床的可行性還需更廣泛的實驗驗證，但不可否認生物納米技術具有巨大的治療前景。

3.膿毒癥相關ALI：膿毒癥繼發于嚴重創傷、感染與手術后，進展后可發展為休克和多器官功能障礙綜合征，肺臟是極易累及的器官之一。龍偉等[35]研究發現，在盲腸結扎穿孔模型中，與假手術組比較，手術組肺損傷程度增高，鐵死亡指標升高，且指標依賴時間和穿刺孔數變化，說明小鼠膿毒癥相關ALI惡化進展可能有鐵死亡參與。之后，Liu等[28]使用鐵死亡的抑制劑ferrostatin-1進一步說明鐵死亡參與LPS-ALI進展，Nrf2/ARE信號通路可能調節鐵死亡參與LPS誘導的ALI[24]。常用麻醉藥七氟烷對其存在保護作用，近年來研究發現，其保護作用部分是通過抑制鐵死亡實現的，但具體機制仍有待后續研究，用于臨床的實際可行性還有待研究[31]；而在中藥方面，Li等[32]從人參的根中分離了人參環氧炔醇，發現其通過上調KEAP1-Nrf2-HO-1通路水平顯著抑制鐵死亡，改善肺損傷。綜上所述，鐵死亡可能是膿毒癥相關ALI的潛在治療靶點，鐵死亡抑制劑具有治療潛力。

4.海水淹溺所致ALI：溺水是造成意外傷害死亡的主要原因之一，而ALI是溺水最常見的并發癥之一。SOX9可通過上調TNFAIP3-ACSL4通路促進海水淹溺性急性肺損傷中肺上皮細胞鐵死亡[27]。除此之外Nrf2也具有保護作用,但尚未研究表明有特異性的藥物可緩解鐵死亡[26]。

四、展 望

鐵死亡是一種鐵依賴性脂質過氧化積累的細胞程序性死亡。近年來細胞鐵死亡的機制逐漸被擴展完善，獨立于GPX的抑制系統FSP1和DHODH的發現是個重大突破，這為未來鐵死亡的研究提供新思路出了新問題：①FSP1和DHODH在非腫瘤細胞系中是否有鐵死亡抑制作用；②FSP1和DHODH是否調控其他疾病鐵死亡發生；③鐵死亡低敏感度腫瘤還存在其他未被發現的鐵死亡抑制形式。

2019年發現鐵死亡參與ALI，抑制鐵死亡可在ALI中起到肺臟損傷保護的作用。ALI中對于鐵死亡的研究還處于起步階段，鐵代謝、脂質代謝、氨基酸和谷胱甘肽代謝、和其他代謝途徑對鐵死亡的調節機制需要進一步探索。中藥有效成分人參環氧炔醇可在小鼠模型上通過抑制鐵死亡緩解ALI肺臟損傷程度，但是否能應用于臨床還需要更深入研究，使用納米技術可改善藥物可用性、靶向作用，在ALI治療上應用具有獨特優勢，未來可能成為研制防治ALI藥物的熱門方法。