急性肺损伤中铁死亡的研究进展

孔维轩 杨鹏杰 朱贲贲 魏起友

[摘要] 铁死亡是近年新发现的一种与细胞凋亡、坏死和自噬不同的细胞死亡类型，其特征是铁依赖性的脂质过氧化。急性肺损伤严重危害患者的生命健康，其发病机制与多种因素有关。随着对其探究的深入，发现铁死亡对急性肺损伤的发生发展有着重要作用。本文对铁死亡的机制及有望治疗铁死亡的药物进行综述，以供临床研究参考。

[关键词] 铁死亡；谷胱甘肽过氧化物酶4；脂质过氧化；急性肺损伤

[中图分类号] R563      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.16.033

急性肺损伤（acute lung injury，ALI）可由多种原因引起。ALI表现为急性全身性炎症，以弥漫性肺浸润、低氧血症和呼吸窘迫为特征。炎症会引起机体分泌大量促炎因子、活性氧（reactive oxygen species，ROS）和蛋白酶。这些物质可损伤肺泡屏障，使肺泡上皮细胞通透性升高，导致富含蛋白质的液体渗入肺泡腔内。调节性细胞死亡（regulatory cell death，RCD）既能维持机体的正常发育，又能清除衰老、突变、坏死的细胞，使机体细胞处于一种健康的动态平衡状态[1]。RCD类型众多，铁死亡便是其中之一。Dixon等[2]将小分子化合物erastin和RSL3诱导的细胞死亡表型命名为“铁死亡”。铁死亡不同于细胞凋亡、坏死和自噬的死亡方式，它是一种具有脂质氧化性、铁依赖性、非凋亡性，同时会引起膜氧化损伤的细胞死亡形式。在近年研究中证实铁死亡参与多个疾病的发生发展。在呼吸系统中，铁死亡也成为引起或加重ALI的因素之一。因此探究铁死亡的机制及二者的关系，对治疗ALI有较大意义。现将铁死亡的机制及其在ALI中的研究进展综述如下。

1  铁死亡的机制

1.1  氨基酸与铁死亡

胱氨酸/谷氨酸逆转运体（cystine/glutamate antiporter system，system Xc-）是一种反转运蛋白，它可通过调节谷氨酸、半胱氨酸和谷胱甘肽（glutathione，GSH）之间的代谢，参与抗氧化反应。它由溶质载体超家族7成员11（olute carrier superfamily 7 member11，SLC7A11）通过二硫键连接SLC3A2L组成[3]。谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，Gpx4）是一种GSH依赖酶。它能还原脂质ROS中的脂质过氧化物，是体内重要的细胞内自由基清除剂[4]。正常情况下，system Xc-1∶1地将胱氨酸移入细胞的同时排出谷氨酸，进入细胞的胱氨酸被还原为半胱氨酸，半胱氨酸继而参与GSH的合成。GSH在Gpx4的作用下，将磷脂氢过氧化物还原为磷脂氢氧化物的同时生成氧化性谷胱甘肽[glutathione（oxidized），GSSG]。随后，谷胱甘肽-二硫化物还原酶利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸提供的电子，将GSSG还原为GSH。所以能够影响这条通路的物质可引起铁死亡的发生，如小分子化合物erastin能抑制system Xc-间接促进铁死亡、RSL3能使Gpx4失活促进铁死亡、FIN56使Gpx4降解促进铁死亡。

1.2  脂质与铁死亡

脂质过氧化是导致铁死亡的核心步骤[5]。长链脂酰辅酶A合成酶4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）活化后，游离的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）在ACSL4的作用下形成PUFA-CoA，在溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3的作用下被酯化，与细胞膜的磷脂结合形成PUFA-PL[6]。PUFA易受到脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）催化作用的影响，使PUFA-PL在LOX介导的酶促反应形成磷脂氢过氧化物。磷脂氢过氧化物累积超过阈值引起质膜损伤，最终导致铁死亡[7]。在铁存在的情况下，磷脂氢过氧化物形成的脂质自由基能够从相邻的PUFA提取质子，启动新一轮的脂质氧化，这就是为什么铁死亡能从一个细胞“传染”到另一个细胞[1]。通过使用KBM7細胞的大规模插入诱变，敲除ACSL4和LPCAT3，能够防止Gpx4抑制剂RSL3和ML162诱导铁死亡[5]。这可佐证ACSL4和PUFA一样也可作为铁死亡的调节因素。除上述PUFA-PL在LOX作用下引起铁死亡外，Zou等[8]发现细胞色素P450氧化还原酶通过与PUFA-PL作用参与脂质过氧化的过程。据报道，只有在Gpx4失活且膜中存在高度可氧化的PUFA时，才能导致铁死亡[9]。

1.3  铁与铁死亡

铁对于铁死亡的发生至关重要。机体中的铁处于动态平衡时，Fe3+与血清中的转铁蛋白结合，被细胞膜上的转铁蛋白受体识别后摄入到内体。在内体中，Fe3+被还原为Fe2+，由二价金属转运蛋白1转运至不稳定的铁池中。铁调节蛋白（iron regulatory protein，IRP）能直接感受到细胞中Fe2+的浓度[10]。通过信使RNA（messenger RNA，mRNA）翻译调控细胞中的Fe2+浓度。正常情况下，Fe-S簇可调节控制IRP1活性，当细胞内Fe2+浓度低时，Fe-S簇不与IRP1结合，IRP1与mRNA调控相应的蛋白增加Fe2+浓度。当细胞中的Fe2+浓度高时，Fe-S簇与IRP1结合，抑制IRP1与mRNA结合，降低铁浓度。但Fe-S簇易受过氧化物的影响，所以在铁死亡的细胞中，大量的脂质过氧化物与Fe-S簇结合，使细胞在铁含量不低时出现IRP1促进细胞内增加铁的现象[11]。正常情况下，铁蛋白重链1通过催化Fe2+转化为Fe3+，再将Fe3+与铁蛋白壳结合，降低细胞内Fe2+的浓度。由于Fe2+的增加导致Fe2+通过芬顿反应产生大量的脂质ROS并与磷脂反应生成磷脂氢过氧化物，因此Gpx4无法完全抑制，导致氧化损伤，造成铁死亡。此外，过量的铁也会增加LOX和细胞色素P450氧化还原酶的活性，间接促进铁死亡发生[11-12]。

1.4  核转录因子红系2相关因子2与铁死亡

核转录因子红系2相关因子2（nuclear factor- erythroid 2-related factor 2，Nrf2）是調节细胞内氧化应激反应的重要因子，能通过p62-Keap1-Nrf2途径负性调节铁死亡。Nrf2通过增加参与铁和脂质ROS代谢的靶基因表达，如醌氧化还原酶1和血红素加氧酶-1（heme oxygenase 1，HO-1），抑制铁死亡[13]。Nrf2也可通过调节SLC7A11抑制铁死亡[14]。

2  铁死亡与急性肺损伤

正常情况下，肺通过巨噬细胞、转铁蛋白、肺上皮细胞维持铁代谢稳态并防止肺受到氧化应激的损伤。内源性或外源性因素使肺部铁稳态失衡出现过量的铁，进而通过芬顿反应生成脂质ROS引发铁死亡损伤细胞，进一步加重肺损伤。

2.1  脓毒症导致的ALI与铁死亡

脓毒症是由病原体感染引起的全身炎症反应综合征，易发展为ALI。Liu等[15]在使用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的ALI模型中，发现支气管上皮细胞中Fe2+浓度增加，而铁死亡标志物SLC7A11和Gpx4的表达降低，总铁水平和能反映脂质氧化的代谢物丙二醇（malondialdehyde，MDA）增加。此外，Nrf2/抗氧化响应元件可能在LPS导致ALI中发挥作用。混合谱系激酶3的沉默通过抑制p53介导铁死亡减轻LPS诱导的肺上皮细胞损伤。在盲肠结扎穿刺引起脓毒症建立ALI的动物模型中，发现Gpx4表达下降，MDA、Fe2+含量升高，线粒体醛脱氢酶2通过抑制铁死亡减轻ALI的损伤程度[16-17]。Peng等[18]验证UTX/UTY JmjC结构域蛋白亚家族的Jumonji结构域3缺乏可通过Nrf2依赖性阻断肺泡上皮铁死亡缓解LPS诱导的ALI。以上脓毒症引起的ALI实验中均出现肺组织的脂质过氧化反应，MDA增加，Fe2+增加，SLC7A11和Gpx4降低。提示铁死亡参与脓毒症导致的ALI形成，但具体机制尚不清楚。

2.2  与微生物有关的ALI与铁死亡

在微生物感染肺组织后均发现铁死亡的踪迹。在感染结核分枝杆菌的模型中检测到肺组织Gpx4表达降低，脂质ROS增加。在感染铜绿假单胞菌的模型中发现，铜绿假单胞菌可增强LOX将花生四烯酸–磷脂酰乙醇胺氧化为15-氢过氧–花生四烯酸–磷脂酰乙醇胺从而诱导铁死亡[19]。感染病毒会引起铁稳态的失衡[20]。在病毒性肺炎中，尤其是新型冠状病毒感染的相关报道中发现新型冠状病毒可通过影响铁调素诱发铁死亡，导致急性肺部炎症[21]。

2.3  肠缺血再灌注型ALI与铁死亡

严重创伤、大面积烧伤、严重感染可导致肠道缺血再灌注损伤，之后继发大量细胞因子与炎症介质入血，导致全身炎症反应。而肺作为最脆弱的器官之一，会出现肠缺血再灌注损伤诱导的ALI（intestinal ischemia reperfusion-acute lung injury，IIR-ALI）。体内实验发现，肺组织中出现Fe2+、脂质ROS增加和Gpx4、ACSL4下降[22]。其他研究也发现，p53抑制剂iASPP能通过Nrf2/HIF-1/TF通路发挥抗铁死亡作用，Nrf2可通过调节SLC7A11、HO-1、端粒酶逆转录酶抑制铁死亡[23]。目前，IIR-ALI的发病机制尚未明确。

2.4  放射性肺损伤与铁死亡

放射性肺损伤（radiation-induced lung injury，RILI）是胸部放射治疗恶性肿瘤的常见并发症，辐射产生大量的脂质ROS，引起肺组织氧化损伤[24]。在RILI模型中，发现Gpx4降低，电子显微镜证实肺组织中的线粒体发展为铁死亡表型。在该研究中，铁死亡抑制剂ferrostatin-1和liproxstatin-1可降低肺中ROS表达，增加Gpx4表达。与铁死亡抑制剂不同的是，铁死亡诱导剂erastin则表现相反，它增加肺中脂质ROS的表达，减少Gpx4的表达[25]。Guo等[26]发现，RILI的钙离子通道PIEZO1表达增加，使用其特异性抑制剂GSMTX4后，铁死亡标志物Gpx4、SLC7A11表达下降，PIEZO1通过Ca2+/calpain/ VE-CADHERIN途径调节铁死亡，但具体机制还需进一步研究。因此，PIEZO1有望成为治疗RILI的新靶点。

2.5  其他因素导致的ALI与铁死亡

在溺水所致的动物模型中发现，Nrf2激活剂富马酸二甲酯可降低ALI肺上皮细胞中的ROS和脂质ROS水平、防止GSH消耗和脂质过氧化物积累、增加Gpx4表达，并维持线粒体膜电位[27]。溺水后，Nrf2基因敲除小鼠的肺损伤比野生型小鼠更严重。因此，Nrf2有可能成为治疗溺水型ALI的靶点。在静脉注射油酸诱导的肺损伤模型中，肺组织中GSH含量降低、MDA水平升高、Gpx4和铁蛋白的表达降低[28]。另外，褪黑素能够通过调控Nrf2抑制上皮细胞铁死亡并减轻PM2.5相关的肺损伤[29]。这些报道均提示铁死亡在各类ALI的发生发展中发挥作用，但具体机制还需深入研究。

3  铁死亡在ALI中的治疗进展

3.1  通过降低细胞中的铁含量减少铁死亡

去铁胺：去铁胺可通过内吞作用进入细胞，与Fe3+反应，形成稳定的铁氧胺后被肾脏排出。但去铁胺吸收差，清除速度快，导致口服无效。去铁胺可抑制血红素诱导的人单核细胞中铁死亡和ROS产生[30]。除治疗铁超负荷外，由于去铁胺能与铝结合，还可治疗铝中毒。

地拉罗司：地拉罗司对铁有选择性，不与锌、铜发生反应，可选择性与Fe3+结合，生成稳定化合物，由肾脏排出。与去铁胺相同，地拉罗司也能抑制血红素诱导的人单核细胞铁死亡和ROS产生。

去铁酮：去铁酮是口服铁螯合剂，以3∶1的比例与铁结合，形成稳定的化合物由肾脏排出，它与地拉罗司相同，也具有鐵选择性，不与锌、铜、铝结合。

黄芩素：黄芩素是从黄芩中提取的黄酮类化合物，可与铁结合发挥螯合作用；可通过逆转erastin诱导的细胞中的GSH消耗、Gpx4降解、铁积累而发挥细胞保护作用[31]。

3.2  通过捕获自由基抑制铁死亡

ferrostatin-1：ferrostatin-1能够清除脂质氢过氧化物中Fe2+产生的烷氧基自由基[16]。动物实验证实ferrostatin-1可降低ROS水平和激活Nrf2/HO-1信号通路，在LPS诱导的ALI模型中，通过对比铁死亡相关的指标证实ferrostatin-1确实能有效治疗ALI。但由于ferrostatin-1代谢稳定性较差，所以不适用于体内实验。

liproxstatin-1：liproxstatin-1多用于体内实验，目前已用于多种实验动物模型中抑制铁死亡，可有效增加Gpx4含量，降低MDA含量[32]。

3.3  其他能够治疗铁死亡的药物或方法

GYY4137：GYY4137是水溶性的硫化氢缓释供体，具有舒张血管、抗高血压活性、抗炎等作用，既能上调Gpx4和SLC7A11，还可阻断哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号传导，抑制脓毒症诱导的ALI自噬激活[33]。

人参酚：人参酚是一种从人参根部分离的人参环氧炔醇，能够通过上调Keap1/Nrf2/HO-1通路减轻LPS诱导的ALI铁死亡[34]。

针灸：针灸通过刺激穴位调理生理状况，Zhang等[35]通过使用电针刺激足三里，激活肺组织中的α7烟碱型乙酰胆碱受体，从而发挥抗铁死亡和肺保护作用。

4  总结与展望

铁死亡具有脂质氧化性、铁依赖性、非凋亡性等特点，能够引起细胞膜氧化损伤而导致细胞死亡，已被证实与多种疾病有关。铁死亡的机制涉及氨基酸、脂质、铁离子和Nrf2等多方面。铁死亡参与各型ALI的发生发展，但铁死亡是如何导致或促进ALI的具体机制尚不清楚，需要更加深入的研究。铁死亡抑制剂可通过捕获自由基抑制铁死亡，铁螯合剂也能够有效抑制铁死亡。相信未来能开发出更多针对铁死亡治疗ALI的药物，为临床治疗ALI提供更多选择。

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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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