铁死亡的发生机制及其在纤维化疾病中作用的研究进展

段 誉,邰文琳

(昆明医科大学第二附属医院 检验科,云南 昆明,650101)

铁死亡是近年来新发现的一种铁依赖性调节性细胞死亡(RCD),在细胞生长发育过程中受到铁代谢相关机制调控，当细胞内过多的铁、活性氧(ROS)和脂质过氧化物不能及时被清除，或机体抗氧化系统受到抑制或失活，细胞内的氧化还原平衡稳态受到破坏，胞内产生的有毒脂质代谢产物便会攻击生物大分子，从而导致细胞发生铁死亡[1]。正是这种可控的调节性细胞死亡方式的存在，为人类疾病的治疗提供了新的机会。在众多疾病的发生发展过程中，均能观察到细胞铁死亡的发生，在临床常见的肝纤维化和肺纤维化疾病中亦是如此。随着铁死亡在纤维化疾病方面研究的不断深入，其在纤维化中的调控机制也陆续被揭示。本文总结了铁死亡在肝纤维化和肺纤维化疾病中的发生机制，揭示了纤维化疾病的潜在治疗方式和靶点，对临床纤维化疾病的治疗具有一定的应用价值。

1 铁死亡的定义和流行病学意义

铁死亡是由铁依赖性脂质过氧化物积累引起的一种氧化应激诱导的细胞死亡方式，主要表现为细胞体积缩小、线粒体嵴减少或消失以及线粒体膜密度增大等，在形态学、遗传学和生物化学等方面与凋亡、坏死及自噬等细胞死亡类型有较大的差异[1-3]。细胞内铁和ROS积累、谷胱甘肽耗竭以及脂质过氧化物代谢障碍是触发铁死亡的关键因素[4]。铁过载和脂质过氧化物积累是公认的铁死亡发生的中心环节[5]。铁死亡参与了众多疾病的病理变化过程，如肿瘤[6]、神经系统疾病[7]、癌症免疫治疗[8]等，检测铁死亡发生过程中的关键标志物，通过促进或抑制细胞铁死亡的发生为这些疾病的治疗提供了新的策略。纤维化疾病由细胞经历持续慢性损伤的复杂病理过程发展而来，铁死亡相关机制在纤维化疾病进展中发挥重要的调控作用，研究铁死亡在纤维化疾病中的调控作用对临床靶向治疗纤维化疾病具有重要的指导意义。

2 铁死亡和肝纤维化

在慢性肝病中，病毒、药物毒性、物质代谢或自身免疫性因素等引起的炎症和代偿性增生甚至细胞死亡，通常与肝纤维化、肝硬化和肝细胞癌的发生发展密切相关[9]。铁死亡与不同类型的慢性肝病之间存在关联，包括血色素沉着症、病毒性肝炎、酒精性肝病(ALD)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、药物性肝损伤(DILI)、肝细胞癌(HCC)以及肝纤维化等，其中铁代谢失衡以及活性氧引起的脂质过氧化被认为是肝损伤的重要因素[10-11]。

2.1 肝纤维化的发生机制

肝纤维化是由持续性慢性肝损伤引起的病理性过程，肝星状细胞(HSC)活化为增殖性纤维化肌成纤维细胞是实验性和病理性肝损伤中肝纤维化的主要驱动因素[12]。一项研究[13]阐明了在特异性敲除转铁蛋白基因的小鼠模型中，溶质载体家族39成员14(SLC39A14)是在转铁蛋白缺失的情况下导致非转铁蛋白结合铁在肝细胞内积累的关键蛋白，敲除SLC39A14能够完全逆转非转铁蛋白结合铁沉积导致的肝细胞铁死亡和肝纤维化。WANG L等[14]研究结果表明，蒿甲醚可以抑制HSC活化，从而改善肝纤维化小鼠模型体内和体外的肝纤维化程度，并通过P53依赖性机制诱导活化的HSC铁死亡，回复实验表明使用铁死亡抑制剂不仅能够消除蒿甲醚诱导的铁死亡效应，而且会抑制其抗纤维化作用。此外，蒿甲醚还可以抑制铁调节蛋白2(IRP2)泛素化，导致活化的HSC中铁离子和ROS积累，从而促进HSC细胞铁死亡并抑制肝纤维化[15]。另一项体内外研究[16]表明，青蒿素的衍生物青蒿琥酯能够激活铁蛋白自噬，进一步诱导纤维化肝脏中活化的HSC发生铁死亡，从而抑制肝纤维化。此外，异甘草酸镁(MgIG)也可以通过诱导活化的HSC发生铁死亡而发挥抗纤维化作用。进一步研究[17]表明，特异性铁死亡抑制剂ferrostatin-1不仅消除了MgIG诱导的铁死亡效应，而且会拮抗其抗纤维化作用。另一项研究[18]表明，RNA结合蛋白胚胎致死性异常视觉样蛋白1(ELAVL1/HuR)在促进肝纤维化细胞铁死亡中起着至关重要的作用，铁死亡诱导剂索拉非尼能够诱导铁蛋白自噬和上调ELAVL1,二者通过协同作用促进HSC铁死亡，进而改善肝纤维化患者的肝功能。研究[19]发现，索拉非尼治疗会导致活化的HSC中锌指蛋白36(ZFP36)下调，激活铁蛋白自噬和诱导铁死亡，并且该药物的作用会被HSC特异性ZFP36的过表达所抑制。

2.2 肝纤维化的潜在治疗方式及靶点

诱导活化的HSC铁死亡是抑制肝纤维化进展的有效方式。在铁离子转运方面，肝脏内促进铁转运的保护性转铁蛋白和促进铁积累的SLC39A14蛋白在维持肝细胞内铁的动态平衡中起着重要作用，抑制肝细胞内非转铁蛋白结合铁的积累是防止HSC活化的重要因素[13]，可以成为抑制肝纤维化的治疗靶标。在药物作用方面，蒿甲醚[14-15]、青蒿琥酯[16]、MgIG[17]、索拉非尼[18-19]等药物在肝纤维化疾病中能够靶向诱导活化的HSC铁死亡而起到抗纤维化作用，预示铁死亡与肝纤维化之间有着密切联系，通过药物等作用靶向诱导活化的HSC铁死亡或可作为临床治疗肝纤维化的有效措施。在分子水平方面，促进ELAVL1蛋白或抑制ZFP36蛋白表达能够促进活化的HSC发生自噬依赖性铁死亡而抑制肝纤维化进展[18-19],选择性调控ELAVL1和ZFP36蛋白的表达可以作为治疗肝纤维化的潜在靶标。总之，在铁死亡诱导剂类药物的作用下，通常能够促进活化的HSC铁死亡并抑制肝纤维化进程，研究新型的特异性药物诱导活化的HSC发生铁死亡在治疗肝纤维化疾病方面有巨大潜力。此外，通过干预铁死亡发生机制中关键分子如SLC39A14、ELAVL1和ZFP36的表达水平来调控活化的HSC铁死亡的发生也为研究新型靶向药物指明了方向。

3 铁死亡和肺纤维化

铁死亡与肺纤维化的发生发展密切相关，与促铁死亡过程相关的铁、ROS、脂质过氧化物积累及谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性受抑制是成纤维细胞向成肌纤维细胞转化(FMT)和铁死亡的主要诱因，在肺纤维化的发病机制中也起着关键作用[20]。

3.1 肺纤维化的发生机制

在肺纤维化进展中，常伴随铁和脂质过氧化物代谢失衡现象，抑制细胞内铁和脂质过氧化物积累是抑制肺泡细胞铁死亡和肺纤维化进展的有效措施。当细胞内铁过量时，细胞代谢过程中生成的过氧化氢和超氧自由基阴离子会与胞内过量的铁发生Fenton反应并转化为对大分子物质具有高反应性的羟自由基，介导氧化应激反应，促使细胞膜脂质过氧化而导致细胞损伤，并最终引发细胞发生铁死亡[21]。有研究[22]表明在肺纤维化患者的肺组织和博莱霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中均观察到大量铁沉积，而去铁胺通过减少Ⅱ型肺泡上皮细胞中的铁沉积并抑制铁死亡阻止了博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化进程。在脂质过氧化物清除方面，由溶质载体家族7成员11(SLC7A11)基因编码的一条轻链xCT和溶质载体家族3成员2(SLC3A2)基因编码的一条重链4F2hct通过二硫键连接组成的异二聚体，即胱氨酸/谷氨酸反向转运体(System Xc-)发挥主导作用[23]。System Xc-摄入细胞外胱氨酸的同时会以1∶1的比例将谷氨酸排出，转运到细胞内的胱氨酸被还原成半胱氨酸用于合成谷胱甘肽(GSH)[24]。GSH作为谷胱甘肽过氧化物酶4的必需辅助因子，其产生和维持对于保护细胞免受氧化应激反应造成的损害至关重要，可以用于消除胞内产生的脂质过氧化物，维持细胞内的氧化还原平衡状态。GPX4能够利用GSH清除由脂质膜破坏、线粒体电子传输链破坏以及由含铁酶释放铁产生的活性氧和脂质反应性物质[25]。相关研究[26]表明，百草枯(PQ)的毒性与ROS的过量产生和通过脂质过氧化引起的细胞氧化损伤密切相关，而铁死亡抑制剂是缓解PQ中毒的有效疗法。此外，多不饱和脂肪酸(PUFA)的产生是诱发铁死亡的主要因素，脂氧合酶(LOX)对PUFA的氧化则会导致脂质过氧化产物的积累[27]。实际上,GPX4受到抑制、GSH减少和LOX活性水平升高均会导致脂肪酸如丙二醛(MDA)、4-羟基壬烯醛(4-HNE)的产生和脂质过氧化物增加，并最终引发病理状态下的铁死亡[28]。

LIU T T等[29]研究表明，上皮间质转化(EMT)也是肺纤维化发生的重要病理过程之一，在肺纤维化发展过程中,EMT所致的E-钙黏蛋白表达量降低会诱导铁死亡相关脂质活性氧和亚铁离子增加，从而诱导铁死亡发生，组蛋白甲基转移酶 SETDB1(SETDB1)能通过抑制EMT进程及铁死亡来抑制肺纤维化进展。在临床常见的放射性肺纤维化(RILF)疾病中，铁死亡参与了辐射诱导的炎症、肺损伤及RILF。在此过程中，辐射诱导产生的ROS积累是细胞铁死亡的主要诱因，使用铁死亡抑制剂liproxstatin-1处理后，能够检测到ROS水平、胶原蛋白沉积、羟脯氨酸含量等显著下降;进一步研究证实，铁死亡抑制剂通过下调肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-10(IL-10)和肿瘤坏死因子-β1(TGF-β1)的表达减轻了RILF,liproxstatin-1也被认为是治疗RILF患者的有效疗法[30-31]。此外，最近一项研究[32]表明，使用生物工程纳米反应器(SOD@ARA290-HBc)能通过防止辐射诱导的肺泡上皮细胞凋亡和铁死亡、抑制氧化应激和炎症来发挥抗辐射作用。

3.2 肺纤维化的潜在治疗方式及靶点

抑制肺泡上皮细胞铁死亡在抑制肺纤维化疾病的发生发展过程中占据重要地位。肺泡上皮细胞中铁离子的积累是肺纤维化发生的主要因素之一，防止铁离子沉积是抑制细胞铁死亡所致肺纤维化的有效措施[22]。通过调控铁死亡相关基因SETDB1表达可以抑制EMT进程[29],这为肺纤维化的治疗提供了一个崭新的视角。铁死亡抑制剂类药物的使用在抑制肺泡细胞铁死亡的发生和治疗肺纤维化疾病中具有重要的应用价值,ferrostatin、liproxstatin-1和Zileuton是被证实的铁死亡抑制剂[33],有潜力作为肺纤维化的治疗药物。此外，放射疗法是临床上常见的治疗肺部肿瘤的有效方式之一，但往往会造成不同程度的肺部损伤，尤其是导致RILF的发生。有研究[34]证实铁死亡在RILF的发病机制中发挥重要作用，抑制放疗过程中铁死亡的发生是治疗该疾病的有效方式。由此可见，使用铁死亡抑制剂或调控诱发铁死亡的关键基因，能够通过抑制铁死亡的发生而减轻肺纤维化，为临床有效治疗肺纤维化疾病提供了理论指导。

4 展 望

细胞铁死亡作为细胞死亡的一种新方式，在肝纤维化及肺纤维化疾病进程中起着重要的调控作用，研究铁死亡在肝纤维化和肺纤维化疾病中的作用，能够为临床纤维化疾病的治疗提供一个崭新的视角，在不同纤维化疾病中选择性抑制或促进细胞铁死亡的发生是治疗纤维化疾病的新途径。在肝纤维化发展过程中，异甘草酸镁、青蒿素、青蒿琥酯、索拉非尼类药物是促进活化的HSC铁死亡的有效药物;在分子水平，抑制SLC39A14蛋白能够抑制铁在肝细胞内积累;促进ELAVL1蛋白或抑制ZFP36蛋白表达能够促进活化的HSC铁死亡而抑制肝纤维化。在肺纤维化疾病中，使用去铁胺、liproxstatin-1类药物能够抑制肺泡细胞铁死亡;促进SETDB1表达能抑制EMT和铁死亡;SOD@ARA290-HBc抗辐射生物工程纳米反应器在降低肺纤维化程度上具有良好的应用前景。在未来的研究中，深入剖析细胞铁死亡发生的分子机制和关键信号通路可能会为纤维化疾病和其他疾病的诊断和治疗提供新的方法，并找到有效的诊断指标和治疗靶标。在不同疾病状态下诱导铁死亡可能具有损伤和治疗双重作用，需要根据疾病背景制订相关的治疗方案以限制副作用的发生，针对铁死亡的发生机制研发新型靶向药物来调控不同疾病类型中细胞铁死亡的发生有望成为未来疾病治疗的新趋势。