急性肺損傷中鐵死亡的研究進展

孔維軒 楊鵬杰 朱賁賁 魏起友

[摘要]?鐵死亡是近年新發現的一種與細胞凋亡、壞死和自噬不同的細胞死亡類型，其特征是鐵依賴性的脂質過氧化。急性肺損傷嚴重危害患者的生命健康，其發病機制與多種因素有關。隨著對其探究的深入，發現鐵死亡對急性肺損傷的發生發展有著重要作用。本文對鐵死亡的機制及有望治療鐵死亡的藥物進行綜述，以供臨床研究參考。

[關鍵詞]?鐵死亡；谷胱甘肽過氧化物酶4；脂質過氧化；急性肺損傷

[中圖分類號]?R563??????[文獻標識碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.16.033

急性肺損傷（acute?lung?injury，ALI）可由多種原因引起。ALI表現為急性全身性炎癥，以彌漫性肺浸潤、低氧血癥和呼吸窘迫為特征。炎癥會引起機體分泌大量促炎因子、活性氧（reactive?oxygen?species，ROS）和蛋白酶。這些物質可損傷肺泡屏障，使肺泡上皮細胞通透性升高，導致富含蛋白質的液體滲入肺泡腔內。調節性細胞死亡（regulatory?cell?death，RCD）既能維持機體的正常發育，又能清除衰老、突變、壞死的細胞，使機體細胞處于一種健康的動態平衡狀態[1]。RCD類型眾多，鐵死亡便是其中之一。Dixon等[2]將小分子化合物erastin和RSL3誘導的細胞死亡表型命名為“鐵死亡”。鐵死亡不同于細胞凋亡、壞死和自噬的死亡方式，它是一種具有脂質氧化性、鐵依賴性、非凋亡性，同時會引起膜氧化損傷的細胞死亡形式。在近年研究中證實鐵死亡參與多個疾病的發生發展。在呼吸系統中，鐵死亡也成為引起或加重ALI的因素之一。因此探究鐵死亡的機制及二者的關系，對治療ALI有較大意義。現將鐵死亡的機制及其在ALI中的研究進展綜述如下。

1??鐵死亡的機制

1.1??氨基酸與鐵死亡

胱氨酸/谷氨酸逆轉運體（cystine/glutamate?antiporter?system，system?Xc-）是一種反轉運蛋白，它可通過調節谷氨酸、半胱氨酸和谷胱甘肽（glutathione，GSH）之間的代謝，參與抗氧化反應。它由溶質載體超家族7成員11（olute?carrier?superfamily?7?member11，SLC7A11）通過二硫鍵連接SLC3A2L組成[3]。谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione?peroxidase?4，Gpx4）是一種GSH依賴酶。它能還原脂質ROS中的脂質過氧化物，是體內重要的細胞內自由基清除劑[4]。正常情況下，system?Xc-1∶1地將胱氨酸移入細胞的同時排出谷氨酸，進入細胞的胱氨酸被還原為半胱氨酸，半胱氨酸繼而參與GSH的合成。GSH在Gpx4的作用下，將磷脂氫過氧化物還原為磷脂氫氧化物的同時生成氧化性谷胱甘肽[glutathione（oxidized），GSSG]。隨后，谷胱甘肽-二硫化物還原酶利用還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸提供的電子，將GSSG還原為GSH。所以能夠影響這條通路的物質可引起鐵死亡的發生，如小分子化合物erastin能抑制system?Xc-間接促進鐵死亡、RSL3能使Gpx4失活促進鐵死亡、FIN56使Gpx4降解促進鐵死亡。

1.2??脂質與鐵死亡

脂質過氧化是導致鐵死亡的核心步驟[5]。長鏈脂酰輔酶A合成酶4（acyl-CoA?synthetase?long-chain?family?member?4，ACSL4）活化后，游離的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated?fatty?acid，PUFA）在ACSL4的作用下形成PUFA-CoA，在溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶3的作用下被酯化，與細胞膜的磷脂結合形成PUFA-PL[6]。PUFA易受到脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）催化作用的影響，使PUFA-PL在LOX介導的酶促反應形成磷脂氫過氧化物。磷脂氫過氧化物累積超過閾值引起質膜損傷，最終導致鐵死亡[7]。在鐵存在的情況下，磷脂氫過氧化物形成的脂質自由基能夠從相鄰的PUFA提取質子，啟動新一輪的脂質氧化，這就是為什么鐵死亡能從一個細胞“傳染”到另一個細胞[1]。通過使用KBM7細胞的大規模插入誘變，敲除ACSL4和LPCAT3，能夠防止Gpx4抑制劑RSL3和ML162誘導鐵死亡[5]。這可佐證ACSL4和PUFA一樣也可作為鐵死亡的調節因素。除上述PUFA-PL在LOX作用下引起鐵死亡外，Zou等[8]發現細胞色素P450氧化還原酶通過與PUFA-PL作用參與脂質過氧化的過程。據報道，只有在Gpx4失活且膜中存在高度可氧化的PUFA時，才能導致鐵死亡[9]。

1.3??鐵與鐵死亡

鐵對于鐵死亡的發生至關重要。機體中的鐵處于動態平衡時，Fe3+與血清中的轉鐵蛋白結合，被細胞膜上的轉鐵蛋白受體識別后攝入到內體。在內體中，Fe3+被還原為Fe2+，由二價金屬轉運蛋白1轉運至不穩定的鐵池中。鐵調節蛋白（iron?regulatory?protein，IRP）能直接感受到細胞中Fe2+的濃度[10]。通過信使RNA（messenger?RNA，mRNA）翻譯調控細胞中的Fe2+濃度。正常情況下，Fe-S簇可調節控制IRP1活性，當細胞內Fe2+濃度低時，Fe-S簇不與IRP1結合，IRP1與mRNA調控相應的蛋白增加Fe2+濃度。當細胞中的Fe2+濃度高時，Fe-S簇與IRP1結合，抑制IRP1與mRNA結合，降低鐵濃度。但Fe-S簇易受過氧化物的影響，所以在鐵死亡的細胞中，大量的脂質過氧化物與Fe-S簇結合，使細胞在鐵含量不低時出現IRP1促進細胞內增加鐵的現象[11]。正常情況下，鐵蛋白重鏈1通過催化Fe2+轉化為Fe3+，再將Fe3+與鐵蛋白殼結合，降低細胞內Fe2+的濃度。由于Fe2+的增加導致Fe2+通過芬頓反應產生大量的脂質ROS并與磷脂反應生成磷脂氫過氧化物，因此Gpx4無法完全抑制，導致氧化損傷，造成鐵死亡。此外，過量的鐵也會增加LOX和細胞色素P450氧化還原酶的活性，間接促進鐵死亡發生[11-12]。

1.4??核轉錄因子紅系2相關因子2與鐵死亡

核轉錄因子紅系2相關因子2（nuclear?factor-?erythroid?2-related?factor?2，Nrf2）是調節細胞內氧化應激反應的重要因子，能通過p62-Keap1-Nrf2途徑負性調節鐵死亡。Nrf2通過增加參與鐵和脂質ROS代謝的靶基因表達，如醌氧化還原酶1和血紅素加氧酶-1（heme?oxygenase?1，HO-1），抑制鐵死亡[13]。Nrf2也可通過調節SLC7A11抑制鐵死亡[14]。

2??鐵死亡與急性肺損傷

正常情況下，肺通過巨噬細胞、轉鐵蛋白、肺上皮細胞維持鐵代謝穩態并防止肺受到氧化應激的損傷。內源性或外源性因素使肺部鐵穩態失衡出現過量的鐵，進而通過芬頓反應生成脂質ROS引發鐵死亡損傷細胞，進一步加重肺損傷。

2.1??膿毒癥導致的ALI與鐵死亡

膿毒癥是由病原體感染引起的全身炎癥反應綜合征，易發展為ALI。Liu等[15]在使用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導的ALI模型中，發現支氣管上皮細胞中Fe2+濃度增加，而鐵死亡標志物SLC7A11和Gpx4的表達降低，總鐵水平和能反映脂質氧化的代謝物丙二醇（malondialdehyde，MDA）增加。此外，Nrf2/抗氧化響應元件可能在LPS導致ALI中發揮作用。混合譜系激酶3的沉默通過抑制p53介導鐵死亡減輕LPS誘導的肺上皮細胞損傷。在盲腸結扎穿刺引起膿毒癥建立ALI的動物模型中，發現Gpx4表達下降，MDA、Fe2+含量升高，線粒體醛脫氫酶2通過抑制鐵死亡減輕ALI的損傷程度[16-17]。Peng等[18]驗證UTX/UTY?JmjC結構域蛋白亞家族的Jumonji結構域3缺乏可通過Nrf2依賴性阻斷肺泡上皮鐵死亡緩解LPS誘導的ALI。以上膿毒癥引起的ALI實驗中均出現肺組織的脂質過氧化反應，MDA增加，Fe2+增加，SLC7A11和Gpx4降低。提示鐵死亡參與膿毒癥導致的ALI形成，但具體機制尚不清楚。

2.2??與微生物有關的ALI與鐵死亡

在微生物感染肺組織后均發現鐵死亡的蹤跡。在感染結核分枝桿菌的模型中檢測到肺組織Gpx4表達降低，脂質ROS增加。在感染銅綠假單胞菌的模型中發現，銅綠假單胞菌可增強LOX將花生四烯酸–磷脂酰乙醇胺氧化為15-氫過氧–花生四烯酸–磷脂酰乙醇胺從而誘導鐵死亡[19]。感染病毒會引起鐵穩態的失衡[20]。在病毒性肺炎中，尤其是新型冠狀病毒感染的相關報道中發現新型冠狀病毒可通過影響鐵調素誘發鐵死亡，導致急性肺部炎癥[21]。

2.3??腸缺血再灌注型ALI與鐵死亡

嚴重創傷、大面積燒傷、嚴重感染可導致腸道缺血再灌注損傷，之后繼發大量細胞因子與炎癥介質入血，導致全身炎癥反應。而肺作為最脆弱的器官之一，會出現腸缺血再灌注損傷誘導的ALI（intestinal?ischemia?reperfusion-acute?lung?injury，IIR-ALI）。體內實驗發現，肺組織中出現Fe2+、脂質ROS增加和Gpx4、ACSL4下降[22]。其他研究也發現，p53抑制劑iASPP能通過Nrf2/HIF-1/TF通路發揮抗鐵死亡作用，Nrf2可通過調節SLC7A11、HO-1、端粒酶逆轉錄酶抑制鐵死亡[23]。目前，IIR-ALI的發病機制尚未明確。

2.4??放射性肺損傷與鐵死亡

放射性肺損傷（radiation-induced?lung?injury，RILI）是胸部放射治療惡性腫瘤的常見并發癥，輻射產生大量的脂質ROS，引起肺組織氧化損傷[24]。在RILI模型中，發現Gpx4降低，電子顯微鏡證實肺組織中的線粒體發展為鐵死亡表型。在該研究中，鐵死亡抑制劑ferrostatin-1和liproxstatin-1可降低肺中ROS表達，增加Gpx4表達。與鐵死亡抑制劑不同的是，鐵死亡誘導劑erastin則表現相反，它增加肺中脂質ROS的表達，減少Gpx4的表達[25]。Guo等[26]發現，RILI的鈣離子通道PIEZO1表達增加，使用其特異性抑制劑GSMTX4后，鐵死亡標志物Gpx4、SLC7A11表達下降，PIEZO1通過Ca2+/calpain/?VE-CADHERIN途徑調節鐵死亡，但具體機制還需進一步研究。因此，PIEZO1有望成為治療RILI的新靶點。

2.5??其他因素導致的ALI與鐵死亡

在溺水所致的動物模型中發現，Nrf2激活劑富馬酸二甲酯可降低ALI肺上皮細胞中的ROS和脂質ROS水平、防止GSH消耗和脂質過氧化物積累、增加Gpx4表達，并維持線粒體膜電位[27]。溺水后，Nrf2基因敲除小鼠的肺損傷比野生型小鼠更嚴重。因此，Nrf2有可能成為治療溺水型ALI的靶點。在靜脈注射油酸誘導的肺損傷模型中，肺組織中GSH含量降低、MDA水平升高、Gpx4和鐵蛋白的表達降低[28]。另外，褪黑素能夠通過調控Nrf2抑制上皮細胞鐵死亡并減輕PM2.5相關的肺損傷[29]。這些報道均提示鐵死亡在各類ALI的發生發展中發揮作用，但具體機制還需深入研究。

3??鐵死亡在ALI中的治療進展

3.1??通過降低細胞中的鐵含量減少鐵死亡

去鐵胺：去鐵胺可通過內吞作用進入細胞，與Fe3+反應，形成穩定的鐵氧胺后被腎臟排出。但去鐵胺吸收差，清除速度快，導致口服無效。去鐵胺可抑制血紅素誘導的人單核細胞中鐵死亡和ROS產生[30]。除治療鐵超負荷外，由于去鐵胺能與鋁結合，還可治療鋁中毒。

地拉羅司：地拉羅司對鐵有選擇性，不與鋅、銅發生反應，可選擇性與Fe3+結合，生成穩定化合物，由腎臟排出。與去鐵胺相同，地拉羅司也能抑制血紅素誘導的人單核細胞鐵死亡和ROS產生。

去鐵酮：去鐵酮是口服鐵螯合劑，以3∶1的比例與鐵結合，形成穩定的化合物由腎臟排出，它與地拉羅司相同，也具有鐵選擇性，不與鋅、銅、鋁結合。

黃芩素：黃芩素是從黃芩中提取的黃酮類化合物，可與鐵結合發揮螯合作用；可通過逆轉erastin誘導的細胞中的GSH消耗、Gpx4降解、鐵積累而發揮細胞保護作用[31]。

3.2??通過捕獲自由基抑制鐵死亡

ferrostatin-1：ferrostatin-1能夠清除脂質氫過氧化物中Fe2+產生的烷氧基自由基[16]。動物實驗證實ferrostatin-1可降低ROS水平和激活Nrf2/HO-1信號通路，在LPS誘導的ALI模型中，通過對比鐵死亡相關的指標證實ferrostatin-1確實能有效治療ALI。但由于ferrostatin-1代謝穩定性較差，所以不適用于體內實驗。

liproxstatin-1：liproxstatin-1多用于體內實驗，目前已用于多種實驗動物模型中抑制鐵死亡，可有效增加Gpx4含量，降低MDA含量[32]。

3.3??其他能夠治療鐵死亡的藥物或方法

GYY4137：GYY4137是水溶性的硫化氫緩釋供體，具有舒張血管、抗高血壓活性、抗炎等作用，既能上調Gpx4和SLC7A11，還可阻斷哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號傳導，抑制膿毒癥誘導的ALI自噬激活[33]。

人參酚：人參酚是一種從人參根部分離的人參環氧炔醇，能夠通過上調Keap1/Nrf2/HO-1通路減輕LPS誘導的ALI鐵死亡[34]。

針灸：針灸通過刺激穴位調理生理狀況，Zhang等[35]通過使用電針刺激足三里，激活肺組織中的α7煙堿型乙酰膽堿受體，從而發揮抗鐵死亡和肺保護作用。

4??總結與展望

鐵死亡具有脂質氧化性、鐵依賴性、非凋亡性等特點，能夠引起細胞膜氧化損傷而導致細胞死亡，已被證實與多種疾病有關。鐵死亡的機制涉及氨基酸、脂質、鐵離子和Nrf2等多方面。鐵死亡參與各型ALI的發生發展，但鐵死亡是如何導致或促進ALI的具體機制尚不清楚，需要更加深入的研究。鐵死亡抑制劑可通過捕獲自由基抑制鐵死亡，鐵螯合劑也能夠有效抑制鐵死亡。相信未來能開發出更多針對鐵死亡治療ALI的藥物，為臨床治療ALI提供更多選擇。

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（收稿日期：2022–08–24）

（修回日期：2023–04–24）

（上接第137頁）[33] CVETANOVA?B，?LI?M?Y，?YANG?C?C，?et?al.?Sesquiterpene?lactone?deoxyelephantopin?isolated?from?Elephantopus?scaber?and?its?derivative?DETD-35?suppress?BRAFV600E?mutant?melanoma?lung?metastasis?in?mice[J].?Int?J?Mol?Sci，?2021，?22（6）：?3226.

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