鐵死亡在急性呼吸窘迫綜合征作用機制中的研究進展*

馮幫海，梅鴻，覃松，陳淼

（1.遵義市中醫院重癥醫學科，貴州遵義 563000；2. 遵義醫學院附屬醫院重癥醫學科二病區，貴州遵義 563000）

鐵死亡由DIXON[1]于2012年首次命名，是一種程序性細胞死亡方式，其特征是鐵依賴的脂質過氧化物蓄積。形態學上表現為線粒體縮小、線粒體嵴減少或消失，以及線粒體膜密度增加；生化方面表現為胱氨酸/谷氨酸反向轉運體（cystine/glutamate antiporter system, system Xc-）功能障礙致谷胱甘肽（Glutataione, GSH）耗竭、谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）失活[1-2]。現有研究表明，鐵死亡受多種基因調控，影響鐵穩態、脂質過氧化及氨基酸代謝，與急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）、慢性阻塞性肺疾病、肺纖維化等肺部疾病密切相關[3]。ARDS 是由肺泡毛細血管通透性改變引起肺水腫和肺不張，以頑固性低氧血癥和肺炎細胞浸潤為特征[4]。重癥監護病房中ARDS 的患病率為10.4%，病死率高達35%～46%[5]。目前，ARDS 的治療以保護性機械通氣和液體管理為基礎，仍缺乏有效的藥物治療[4，6]。近年來，鐵死亡在ARDS 中的作用逐漸顯現，本文就鐵死亡及其在ARDS 中的研究進展進行綜述，以引起研究者對鐵死亡在ARDS 中作用的關注。

1 鐵死亡的調控機制

鐵死亡調控機制錯綜復雜，其發生發展主要涉及鐵穩態、脂質過氧化代謝以及氨基酸抗氧化系統失衡等機制。當細胞內鐵代謝失衡時，鐵（Fe2+）可通過芬頓反應產生活性氧簇（reactive oxygen species, ROS），直接與多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid, PUFA）結合導致脂質過氧化物（lipid peroxide, LPO）大量蓄積，誘發鐵死亡[7]。而位于細胞膜上的system Xc-參與GSH 的合成，GPX4 以GSH 為底物可將LPO 醇化，這一代謝過程可防止LPO 蓄積，阻止鐵死亡的發生[8]。因此，鐵死亡可以被認為是GPX4 清除LPO 能力不足和/或脂質過氧化反應過強導致LPO 致死性蓄積，誘發的細胞死亡。

1.1 鐵穩態與鐵死亡

鐵作為重要微量元素之一，其吸收和釋放被一系列鐵調節蛋白（iron regulatory protein, IRP）調控。胞外的Fe3+與轉鐵蛋白（Transferrin, TF）結合并通過轉體蛋白受體1（transferrin receptor 1, TFR1）進入胞質，以鐵蛋白（Ferritin, FT）的形式儲存，少數Fe2+儲存在不穩定鐵池（labile iron pool, LIP）中。Fe2+通過芬頓反應生羥自由基，與胞膜上PUFA 結合生成LPO，誘發細胞死亡。核受體共激活因子4 可將TF 轉運至溶酶體通過自噬性降解釋放Fe2+，該過程為鐵自噬，在鐵回收和釋放的過程中尤為重要[9]。鐵自噬可促進Fe2+的釋放，加重LPO 的堆積，誘導細胞死亡。此外，IRP-1/2 可感知LIP 中Fe2+，并通過調控TF、FT 等蛋白的穩定性來調節細胞內鐵的攝入、存儲和釋放，以維持細胞內鐵代謝的穩定狀態[10]。研究顯示，核因子E2 相關因子2（nuclear erythroid 2-related factor 2, NRF2）、過氧化物還原酶-6、熱休克蛋白β-1 等蛋白也參與了鐵穩態的調節過程[3]。以上研究表明，鐵穩態的調控過程可能是干預鐵死亡的潛在切入點。

1.2 脂質過氧化和鐵死亡

鐵死亡最顯著的特征之一是脂質過氧化物蓄積介導的質膜損傷。脂質代謝組學顯示，長鏈脂酰輔酶A 合成酶4（long chain acyl-coenzyme A syntheatase 4, ACSL4）和溶血磷脂膽堿酰基轉移3（lysolecithin acetyl trans-ferase 3, LPCAT3）在調控脂質過氧化中發揮關鍵作用[11-12]。ACSL4 可催化乙酰輔酶A 和PUFAs 如花生四烯酸（Archidonoyl, AA）、腎上腺酸（Adrenoyl, AdA）結合生成AA-輔酶A 和AdA-輔酶A，在LPCAT3 作用下，被酯化為磷脂酰乙醇胺（Phosphatidylethanolamine, PE）形成AA-PE 和AdA-PE，在脂肪氧合酶的作用下生成LPO[12]。LPO最終被代謝成毒性醛類物質4-羥基壬烯醛和丙二醛（Malondialdehyde, MDA），造成細胞膜、質膜不可逆損傷，導致細胞死亡[12]。因此，ACSL4 和LPCAT3 的高表達被認為是鐵死亡的重要標志之一。值得注意的是，DOLL[13]和BERSUKER[14]等命名了一種鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1,FSP1），FSP1 利用NAD（P）H 催化輔酶Q10 來促進親脂性自由基的表達，在GPX4 含量不足的情況下抑制胞膜脂質過氧化級聯反應，阻止鐵死亡的發生。此外，新型鐵死亡誘導劑FIN56 可通過甲羥戊酸途徑失活GPX4 并抑制親脂性抗氧化劑的合成，促進鐵死亡[15]。有趣的是，脂滴的自噬性降解可促進鐵死亡激活劑RSL3 誘導的肝細胞鐵死亡，而通過促進脂質的存儲或抑制脂滴的降解可防止RSL3 誘導的LPO 與鐵死亡，這表明，脂滴可能在鐵死亡過程中發揮抗氧化作用[16]。以上研究表明，鐵死亡可以通過調節與PUFA 膜磷脂生物合成有關的酶來調控。

1.3 氨基酸代謝與鐵死亡

鐵死亡的另一個顯著特征是GPX4 生成不足或失活導致LPO 不能有效降解。System Xc-被溶質載體家族7A11/3A2（solute carrier 7A11/3A2, SLC7A11/SLC3A2）調控。細胞利用system Xc-以1∶1 的比例將胱氨酸與谷氨酸轉運至胞內，生成由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸氨基酸殘基組成的GSH，并以還原型和氧化型的形式存在。GSH 作為體內重要的抗氧化劑，不僅可以清除H2O2等自由基，維持胞內自由基的平衡，還作為GPX4 的輔因子以維持GPX4的活性，協同GPX4 以拮抗LPO 的蓄積。當system Xc-活性被抑制時，GSH 合成不足抑制GPX4 活性，顯著降低細胞的抗脂質過氧化能力，誘發鐵死亡[17]。因此，GSH 耗竭或GPX4 失活認為是鐵死亡的標志。現有研究表明，鐵死亡激活劑Erastin 可直接抑制system Xc-活性導致GSH 合成不足，GPX4 失活[18]，而另一種鐵死亡激活劑RSL3 則直接促使GPX4 失活[17]。以上結果表明，直接或間接抑制GPX4，均會導致LPO 蓄積，且不能被有效清除，促進鐵死亡的發生。值得注意的是，在細胞內谷氨酰胺可轉化為谷氨酸，高劑量的谷氨酰胺不能誘發鐵死亡，但是谷氨酰胺與胱氨酸剝奪相結合時可顯著誘導細胞鐵死亡；而當谷氨酰胺不足或代謝障礙時，胱氨酸剝奪并不能有效觸發鐵死亡，推測其機制可能是谷氨酰胺代謝產物α-酮戊二酸參與了鐵死亡的調節[19]。這表明谷氨酰胺在鐵死亡中發揮作用。以上研究表明，system Xc-和GPX4 可以作為鐵死亡重要的干預靶點。

2 鐵死亡與ARDS

ARDS 的臨床表現為肺水腫和/肺不張、頑固性低氧血癥和呼吸窘迫，病理改變為肺泡毛細血管通透性改變、肺泡內皮及上皮細胞損傷和炎癥細胞彌漫性浸潤，常由肺內因素（肺炎、誤吸、肺挫傷等）和肺外因素（膿毒癥、胰腺炎、手術等）引起。目前，ARDS 發病機制尚未闡明，認為與炎癥、凝血、氧化應激等有關，尚無有效的靶向干預措施。自鐵死亡概念提出以來，其在腫瘤、神經退行性疾病、急性腎損傷等疾病中已被廣泛研究。而越來越多的證據表明，鐵死亡與ARDS 的發生、發展密切相關，已在ARDS 的動物模型或細胞模型中得到驗證[20-21]。

2.1 鐵死亡與脂多糖介導的ARDS

膿毒癥所致ARDS 本質上是由于炎癥反應失控引起的肺組織急性病理損傷，進展快，預后差。ARDS 通常發生在膿毒癥的早期階段，目前尚無有效的預防及治療措施。脂多糖（Lipopolysaccharide,LPS）誘導的ARDS 動物或細胞模型以模擬膿毒癥已被廣泛采納。研究發現，LPS 干預人支氣管上皮細胞系BEAS-2B 后，鐵死亡標志物SLC7A11、GPX4表達下調，MDA 和總鐵水平呈劑量依賴性升高，而FSP1 可顯著抑制上述改變，提示鐵死亡在LPS誘導的ARDS 發病機制中起著關鍵作用[20]。多項研究[21-24]通過靜脈注射或氣管內滴入LPS 復制的ARDS 模型也得出了相似結論，表明鐵死亡可能通過NRF2/ARE 信號通路調控LPS 誘導的ARDS。此外，NRF2 沉默可顯著抑制GPX4 的表達，加重LPS誘導的ARDS 小鼠肺損傷[25]。另外，抑制MAPK/ERK 信號通路可通過調控鐵代謝及PGX4 活力來減少鐵死亡，防止LPS 誘導的ARDS 的進展減輕肺損傷[26]。以上結果表明，GPX4 是調控鐵死亡的重要因素，NRF2 可能在LPS 誘導的ARDS 中發揮核心作用。

2.2 鐵死亡與缺血再灌注介導的ARDS

腸缺血再灌注（schemia-reperfusion, I/R）損傷常由嚴重創傷、重度燒傷、膿毒癥休克、腸梗阻、心臟手術等引起。當發生腸I/R 損傷時，腸黏膜屏障破壞，腸道細菌和毒素移位，致大量細胞因子和炎癥介質釋放入血，誘發炎癥級聯反應和遠隔器官損傷，在多器官功能障礙綜合征的發生發展中起著關鍵作用[27]。肺是最早受到影響和最脆弱的器官，被稱為腸I/R 誘導的ARDS。到目前為止，腸I/R 所致ARDS 的發病機制尚未完全闡明。在各種缺血性損傷模型中，細胞凋亡被認為是主要的調控細胞死亡方式。然而，有研究[28]發現，鐵死亡是缺血性損傷的主要驅動因素。在腸I/R 損傷誘導的ARDS 的體內外模型中，肺泡Ⅱ型上皮細胞發生了鐵死亡，FSP1 可顯著改善腸I/R 所致的肺損傷[27，29]。部分研究發現，NRF2 可通過促進血紅素氧合酶1（HO?1）和SLC7A11 的表達抑制鐵死亡，減輕腸I/R 誘導的ARDS[29-31]。進一步的研究表明，抑癌蛋白P53 可通過NRF2/HIF-1α/TF 信號通路調控鐵死亡，抑制腸I/R 誘導的ARDS[27]。此外，NRF2可促進信號轉導和轉錄激活因子3（STAT3）的磷酸化調控SLC7A11 的表達抑制鐵死亡，減輕腸I/R 誘導的ARDS[32]。以上研究顯示，NRF2 可能是腸I/R誘導ARDS 的關鍵調節因子，NRF2/HO-1/SLC7A11信號通路可能在腸I/R 誘導的ARDS 中起核心作用。此外，在肺I/R 損傷誘導的ARDS 模型中，鐵死亡抑制劑LIP-1 和ACSL4 抑制劑羅格列酮可通過調控GPX4 的活力抑制鐵死亡，阻止肺I/R 損傷的進一步加重。另外，H2S 可抑制mTOR 信號通路表達調控鐵自噬及GPX4 活力減輕盲腸結腸誘導的ARDS[33]。

2.3 鐵死亡與高氧性急性肺損傷

氧療作為搶救低氧血癥和呼吸衰竭、維持組織氧合的重要手段，在臨床上不可或缺。但長時間吸入高氧（> 95%的氧氣）可導致高氧性急性肺損傷。高氧性急性肺損傷既是ARDS 的原因之一，又是高氧性機械通氣治療ARDS 的結果[34]。目前研究認為，高氧促進ROS 產生并放大氧化應激級聯反應，是引起高氧性急性肺損傷或ARDS 的核心因素[35]。在高氧性急性肺損傷的新生大鼠動物模型中[36]，可發現明顯的鐵蓄積，且GPX4、GSH、SLC7A11 等活性被顯著抑制，說明鐵死亡在高氧性急性肺損傷的發生發展中起重要作用，預防鐵死亡，可能阻止高氧性急性肺損傷或ARDS 的進展。

2.4 鐵死亡與其他模型介導的ARDS

靜脈注射油酸可導致肺泡毛細血管水腫、通透性增加和肺間質水腫，是復制ARDS 動物模型的有效方法之一。在油酸介導的ARDS 小鼠模型中，線粒體縮小并線粒體膜破裂、鐵超載、GSH 及GPX4 活力下降[37]。這與LPS、I/R 損傷及高氧介導ARDS 結論相似，然而，具體機制仍不清楚。我國惡性腫瘤的發病率逐年上升，這也導致了輻射誘發放射性肺損傷（radiation-induced lung injury, RILI）的發生。RILI 作為ARDS 的誘因之一已經引起臨床醫生的關注。在RILI 的小鼠模型中，鐵死亡抑制劑LIP-1 可促進GPX4 表達并抑制ROS 的產生從而抑制鐵死亡，減輕炎癥反應，改善RILI[38]。而抑制肺泡上皮細胞的鐵死亡可明顯減輕RILI[39]。此外，抑制肺泡上皮細胞鐵死亡可有效緩解氧化鎳納米顆粒介導的ARDS[40]。在溺水介導的ARDS 小鼠模型中， NRF2 激活劑富馬酸二甲酯（dimethyl fumarate, DMF）可顯著抑制LPO 聚集及GSH 耗竭，維持GPX4 活力，抑制鐵死亡，發揮肺保護作用[41]。ARDS 的發生率在胰腺炎所致多器官功能障礙綜合征中高居首位，是重癥急性胰腺炎患者早期病死的首要原因[42]。在急性胰腺炎相關性肺損傷的小鼠ARDS 模型中，FSP1 在抑制炎癥介質的同時通過調控氧化應激的水平及LPO 的蓄積，防止鐵死亡的發生從而減輕肺組織損傷[43]。

3 結語

鐵死亡主要涉及鐵穩態、脂質過氧化及氨基酸代謝等過程，其本質是上述三方面代謝紊亂及氧化還原穩態的破壞，以鐵超載、LPO 蓄積、GPX4 失活、GSH 耗竭為表現，線粒體縮小、線粒體嵴減少或消失為特征。鐵死亡已在各種ARDS 動物模型或細胞模型中得到證實，但其具體機制尚未完全闡明。GPX4、GSH、system Xc-、PUAs 可能是治療ARDS 的直接干預靶點。抑癌基因P53、STAT3、SLC7A11、ACSL4及NRF2等基因可能是干預ARDS 的潛在靶標，NRF2/HO-1/SLC7A11 信號通路可能是治療ARDS 的核心環節。雖然當前的研究大多基于動物或細胞模型，缺乏臨床的強力證據，但這些研究已初步展示了基于鐵死亡的治療方案在ARDS 中的潛在價值，并為后續繼續深入發掘ARDS 潛在有效治療策略提供了新的視角。因此，闡明鐵死亡在ARDS 進展過程中的作用機制尤為重要。臨床研究中，鐵死亡的關鍵分子能否作為預測ARDS 嚴重程度的生物標志物更待進一步研究。針對性更強的特異性鐵死亡抑制劑可能成為未來治療ARDS 的重點研究方向。