铁死亡在急性呼吸窘迫综合征作用机制中的研究进展*

冯帮海，梅鸿，覃松，陈淼

（1.遵义市中医院重症医学科，贵州遵义 563000；2. 遵义医学院附属医院重症医学科二病区，贵州遵义 563000）

铁死亡由DIXON[1]于2012年首次命名，是一种程序性细胞死亡方式，其特征是铁依赖的脂质过氧化物蓄积。形态学上表现为线粒体缩小、线粒体嵴减少或消失，以及线粒体膜密度增加；生化方面表现为胱氨酸/谷氨酸反向转运体（cystine/glutamate antiporter system, system Xc-）功能障碍致谷胱甘肽（Glutataione, GSH）耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）失活[1-2]。现有研究表明，铁死亡受多种基因调控，影响铁稳态、脂质过氧化及氨基酸代谢，与急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）、慢性阻塞性肺疾病、肺纤维化等肺部疾病密切相关[3]。ARDS 是由肺泡毛细血管通透性改变引起肺水肿和肺不张，以顽固性低氧血症和肺炎细胞浸润为特征[4]。重症监护病房中ARDS 的患病率为10.4%，病死率高达35%～46%[5]。目前，ARDS 的治疗以保护性机械通气和液体管理为基础，仍缺乏有效的药物治疗[4，6]。近年来，铁死亡在ARDS 中的作用逐渐显现，本文就铁死亡及其在ARDS 中的研究进展进行综述，以引起研究者对铁死亡在ARDS 中作用的关注。

1 铁死亡的调控机制

铁死亡调控机制错综复杂，其发生发展主要涉及铁稳态、脂质过氧化代谢以及氨基酸抗氧化系统失衡等机制。当细胞内铁代谢失衡时，铁（Fe2+）可通过芬顿反应产生活性氧簇（reactive oxygen species, ROS），直接与多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid, PUFA）结合导致脂质过氧化物（lipid peroxide, LPO）大量蓄积，诱发铁死亡[7]。而位于细胞膜上的system Xc-参与GSH 的合成，GPX4 以GSH 为底物可将LPO 醇化，这一代谢过程可防止LPO 蓄积，阻止铁死亡的发生[8]。因此，铁死亡可以被认为是GPX4 清除LPO 能力不足和/或脂质过氧化反应过强导致LPO 致死性蓄积，诱发的细胞死亡。

1.1 铁稳态与铁死亡

铁作为重要微量元素之一，其吸收和释放被一系列铁调节蛋白（iron regulatory protein, IRP）调控。胞外的Fe3+与转铁蛋白（Transferrin, TF）结合并通过转体蛋白受体1（transferrin receptor 1, TFR1）进入胞质，以铁蛋白（Ferritin, FT）的形式储存，少数Fe2+储存在不稳定铁池（labile iron pool, LIP）中。Fe2+通过芬顿反应生羟自由基，与胞膜上PUFA 结合生成LPO，诱发细胞死亡。核受体共激活因子4 可将TF 转运至溶酶体通过自噬性降解释放Fe2+，该过程为铁自噬，在铁回收和释放的过程中尤为重要[9]。铁自噬可促进Fe2+的释放，加重LPO 的堆积，诱导细胞死亡。此外，IRP-1/2 可感知LIP 中Fe2+，并通过调控TF、FT 等蛋白的稳定性来调节细胞内铁的摄入、存储和释放，以维持细胞内铁代谢的稳定状态[10]。研究显示，核因子E2 相关因子2（nuclear erythroid 2-related factor 2, NRF2）、过氧化物还原酶-6、热休克蛋白β-1 等蛋白也参与了铁稳态的调节过程[3]。以上研究表明，铁稳态的调控过程可能是干预铁死亡的潜在切入点。

1.2 脂质过氧化和铁死亡

铁死亡最显著的特征之一是脂质过氧化物蓄积介导的质膜损伤。脂质代谢组学显示，长链脂酰辅酶A 合成酶4（long chain acyl-coenzyme A syntheatase 4, ACSL4）和溶血磷脂胆碱酰基转移3（lysolecithin acetyl trans-ferase 3, LPCAT3）在调控脂质过氧化中发挥关键作用[11-12]。ACSL4 可催化乙酰辅酶A 和PUFAs 如花生四烯酸（Archidonoyl, AA）、肾上腺酸（Adrenoyl, AdA）结合生成AA-辅酶A 和AdA-辅酶A，在LPCAT3 作用下，被酯化为磷脂酰乙醇胺（Phosphatidylethanolamine, PE）形成AA-PE 和AdA-PE，在脂肪氧合酶的作用下生成LPO[12]。LPO最终被代谢成毒性醛类物质4-羟基壬烯醛和丙二醛（Malondialdehyde, MDA），造成细胞膜、质膜不可逆损伤，导致细胞死亡[12]。因此，ACSL4 和LPCAT3 的高表达被认为是铁死亡的重要标志之一。值得注意的是，DOLL[13]和BERSUKER[14]等命名了一种铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1,FSP1），FSP1 利用NAD（P）H 催化辅酶Q10 来促进亲脂性自由基的表达，在GPX4 含量不足的情况下抑制胞膜脂质过氧化级联反应，阻止铁死亡的发生。此外，新型铁死亡诱导剂FIN56 可通过甲羟戊酸途径失活GPX4 并抑制亲脂性抗氧化剂的合成，促进铁死亡[15]。有趣的是，脂滴的自噬性降解可促进铁死亡激活剂RSL3 诱导的肝细胞铁死亡，而通过促进脂质的存储或抑制脂滴的降解可防止RSL3 诱导的LPO 与铁死亡，这表明，脂滴可能在铁死亡过程中发挥抗氧化作用[16]。以上研究表明，铁死亡可以通过调节与PUFA 膜磷脂生物合成有关的酶来调控。

1.3 氨基酸代谢与铁死亡

铁死亡的另一个显著特征是GPX4 生成不足或失活导致LPO 不能有效降解。System Xc-被溶质载体家族7A11/3A2（solute carrier 7A11/3A2, SLC7A11/SLC3A2）调控。细胞利用system Xc-以1∶1 的比例将胱氨酸与谷氨酸转运至胞内，生成由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸氨基酸残基组成的GSH，并以还原型和氧化型的形式存在。GSH 作为体内重要的抗氧化剂，不仅可以清除H2O2等自由基，维持胞内自由基的平衡，还作为GPX4 的辅因子以维持GPX4的活性，协同GPX4 以拮抗LPO 的蓄积。当system Xc-活性被抑制时，GSH 合成不足抑制GPX4 活性，显著降低细胞的抗脂质过氧化能力，诱发铁死亡[17]。因此，GSH 耗竭或GPX4 失活认为是铁死亡的标志。现有研究表明，铁死亡激活剂Erastin 可直接抑制system Xc-活性导致GSH 合成不足，GPX4 失活[18]，而另一种铁死亡激活剂RSL3 则直接促使GPX4 失活[17]。以上结果表明，直接或间接抑制GPX4，均会导致LPO 蓄积，且不能被有效清除，促进铁死亡的发生。值得注意的是，在细胞内谷氨酰胺可转化为谷氨酸，高剂量的谷氨酰胺不能诱发铁死亡，但是谷氨酰胺与胱氨酸剥夺相结合时可显著诱导细胞铁死亡；而当谷氨酰胺不足或代谢障碍时，胱氨酸剥夺并不能有效触发铁死亡，推测其机制可能是谷氨酰胺代谢产物α-酮戊二酸参与了铁死亡的调节[19]。这表明谷氨酰胺在铁死亡中发挥作用。以上研究表明，system Xc-和GPX4 可以作为铁死亡重要的干预靶点。

2 铁死亡与ARDS

ARDS 的临床表现为肺水肿和/肺不张、顽固性低氧血症和呼吸窘迫，病理改变为肺泡毛细血管通透性改变、肺泡内皮及上皮细胞损伤和炎症细胞弥漫性浸润，常由肺内因素（肺炎、误吸、肺挫伤等）和肺外因素（脓毒症、胰腺炎、手术等）引起。目前，ARDS 发病机制尚未阐明，认为与炎症、凝血、氧化应激等有关，尚无有效的靶向干预措施。自铁死亡概念提出以来，其在肿瘤、神经退行性疾病、急性肾损伤等疾病中已被广泛研究。而越来越多的证据表明，铁死亡与ARDS 的发生、发展密切相关，已在ARDS 的动物模型或细胞模型中得到验证[20-21]。

2.1 铁死亡与脂多糖介导的ARDS

脓毒症所致ARDS 本质上是由于炎症反应失控引起的肺组织急性病理损伤，进展快，预后差。ARDS 通常发生在脓毒症的早期阶段，目前尚无有效的预防及治疗措施。脂多糖（Lipopolysaccharide,LPS）诱导的ARDS 动物或细胞模型以模拟脓毒症已被广泛采纳。研究发现，LPS 干预人支气管上皮细胞系BEAS-2B 后，铁死亡标志物SLC7A11、GPX4表达下调，MDA 和总铁水平呈剂量依赖性升高，而FSP1 可显著抑制上述改变，提示铁死亡在LPS诱导的ARDS 发病机制中起着关键作用[20]。多项研究[21-24]通过静脉注射或气管内滴入LPS 复制的ARDS 模型也得出了相似结论，表明铁死亡可能通过NRF2/ARE 信号通路调控LPS 诱导的ARDS。此外，NRF2 沉默可显著抑制GPX4 的表达，加重LPS诱导的ARDS 小鼠肺损伤[25]。另外，抑制MAPK/ERK 信号通路可通过调控铁代谢及PGX4 活力来减少铁死亡，防止LPS 诱导的ARDS 的进展减轻肺损伤[26]。以上结果表明，GPX4 是调控铁死亡的重要因素，NRF2 可能在LPS 诱导的ARDS 中发挥核心作用。

2.2 铁死亡与缺血再灌注介导的ARDS

肠缺血再灌注（schemia-reperfusion, I/R）损伤常由严重创伤、重度烧伤、脓毒症休克、肠梗阻、心脏手术等引起。当发生肠I/R 损伤时，肠黏膜屏障破坏，肠道细菌和毒素移位，致大量细胞因子和炎症介质释放入血，诱发炎症级联反应和远隔器官损伤，在多器官功能障碍综合征的发生发展中起着关键作用[27]。肺是最早受到影响和最脆弱的器官，被称为肠I/R 诱导的ARDS。到目前为止，肠I/R 所致ARDS 的发病机制尚未完全阐明。在各种缺血性损伤模型中，细胞凋亡被认为是主要的调控细胞死亡方式。然而，有研究[28]发现，铁死亡是缺血性损伤的主要驱动因素。在肠I/R 损伤诱导的ARDS 的体内外模型中，肺泡Ⅱ型上皮细胞发生了铁死亡，FSP1 可显著改善肠I/R 所致的肺损伤[27，29]。部分研究发现，NRF2 可通过促进血红素氧合酶1（HO−1）和SLC7A11 的表达抑制铁死亡，减轻肠I/R 诱导的ARDS[29-31]。进一步的研究表明，抑癌蛋白P53 可通过NRF2/HIF-1α/TF 信号通路调控铁死亡，抑制肠I/R 诱导的ARDS[27]。此外，NRF2可促进信号转导和转录激活因子3（STAT3）的磷酸化调控SLC7A11 的表达抑制铁死亡，减轻肠I/R 诱导的ARDS[32]。以上研究显示，NRF2 可能是肠I/R诱导ARDS 的关键调节因子，NRF2/HO-1/SLC7A11信号通路可能在肠I/R 诱导的ARDS 中起核心作用。此外，在肺I/R 损伤诱导的ARDS 模型中，铁死亡抑制剂LIP-1 和ACSL4 抑制剂罗格列酮可通过调控GPX4 的活力抑制铁死亡，阻止肺I/R 损伤的进一步加重。另外，H2S 可抑制mTOR 信号通路表达调控铁自噬及GPX4 活力减轻盲肠结肠诱导的ARDS[33]。

2.3 铁死亡与高氧性急性肺损伤

氧疗作为抢救低氧血症和呼吸衰竭、维持组织氧合的重要手段，在临床上不可或缺。但长时间吸入高氧（> 95%的氧气）可导致高氧性急性肺损伤。高氧性急性肺损伤既是ARDS 的原因之一，又是高氧性机械通气治疗ARDS 的结果[34]。目前研究认为，高氧促进ROS 产生并放大氧化应激级联反应，是引起高氧性急性肺损伤或ARDS 的核心因素[35]。在高氧性急性肺损伤的新生大鼠动物模型中[36]，可发现明显的铁蓄积，且GPX4、GSH、SLC7A11 等活性被显著抑制，说明铁死亡在高氧性急性肺损伤的发生发展中起重要作用，预防铁死亡，可能阻止高氧性急性肺损伤或ARDS 的进展。

2.4 铁死亡与其他模型介导的ARDS

静脉注射油酸可导致肺泡毛细血管水肿、通透性增加和肺间质水肿，是复制ARDS 动物模型的有效方法之一。在油酸介导的ARDS 小鼠模型中，线粒体缩小并线粒体膜破裂、铁超载、GSH 及GPX4 活力下降[37]。这与LPS、I/R 损伤及高氧介导ARDS 结论相似，然而，具体机制仍不清楚。我国恶性肿瘤的发病率逐年上升，这也导致了辐射诱发放射性肺损伤（radiation-induced lung injury, RILI）的发生。RILI 作为ARDS 的诱因之一已经引起临床医生的关注。在RILI 的小鼠模型中，铁死亡抑制剂LIP-1 可促进GPX4 表达并抑制ROS 的产生从而抑制铁死亡，减轻炎症反应，改善RILI[38]。而抑制肺泡上皮细胞的铁死亡可明显减轻RILI[39]。此外，抑制肺泡上皮细胞铁死亡可有效缓解氧化镍纳米颗粒介导的ARDS[40]。在溺水介导的ARDS 小鼠模型中， NRF2 激活剂富马酸二甲酯（dimethyl fumarate, DMF）可显著抑制LPO 聚集及GSH 耗竭，维持GPX4 活力，抑制铁死亡，发挥肺保护作用[41]。ARDS 的发生率在胰腺炎所致多器官功能障碍综合征中高居首位，是重症急性胰腺炎患者早期病死的首要原因[42]。在急性胰腺炎相关性肺损伤的小鼠ARDS 模型中，FSP1 在抑制炎症介质的同时通过调控氧化应激的水平及LPO 的蓄积，防止铁死亡的发生从而减轻肺组织损伤[43]。

3 结语

铁死亡主要涉及铁稳态、脂质过氧化及氨基酸代谢等过程，其本质是上述三方面代谢紊乱及氧化还原稳态的破坏，以铁超载、LPO 蓄积、GPX4 失活、GSH 耗竭为表现，线粒体缩小、线粒体嵴减少或消失为特征。铁死亡已在各种ARDS 动物模型或细胞模型中得到证实，但其具体机制尚未完全阐明。GPX4、GSH、system Xc-、PUAs 可能是治疗ARDS 的直接干预靶点。抑癌基因P53、STAT3、SLC7A11、ACSL4及NRF2等基因可能是干预ARDS 的潜在靶标，NRF2/HO-1/SLC7A11 信号通路可能是治疗ARDS 的核心环节。虽然当前的研究大多基于动物或细胞模型，缺乏临床的强力证据，但这些研究已初步展示了基于铁死亡的治疗方案在ARDS 中的潜在价值，并为后续继续深入发掘ARDS 潜在有效治疗策略提供了新的视角。因此，阐明铁死亡在ARDS 进展过程中的作用机制尤为重要。临床研究中，铁死亡的关键分子能否作为预测ARDS 严重程度的生物标志物更待进一步研究。针对性更强的特异性铁死亡抑制剂可能成为未来治疗ARDS 的重点研究方向。