铁死亡与哮喘的研究进展

曾天星 田婵婵 夏伟 赵明栋

细胞铁死亡是铁依赖的,脂质过氧化驱动的,一种独特的、受调节的细胞死亡形式。铁死亡过程产生大量活性氧自由基,使细胞生物膜穿孔、断裂而死亡。不受限制的脂质过氧化是铁死亡的核心标志,使其不同于凋亡、坏死等死亡形式。铁死亡主要涉及氧化还原的稳态、脂质过氧化、铁稳态等[1]。铁死亡与多种疾病相关,如肿瘤、缺血性心脑血管疾病、多种呼吸系统疾病[2]。铁死亡与哮喘密切相关,本文将铁死亡及其与哮喘的相关研究进展作一综述。

一、铁死亡的机制

1. 脂质过氧化

酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(Acyl-CoA synthetase long chain family member 4,ACSL4)是铁死亡重要的驱动因素。ACSL4催化多不饱和脂肪酸合成为脂肪酸酰基辅酶A,随后嵌入到磷脂生物膜[3]。多不饱和脂肪酸和活性氧反应产生磷脂氢过氧化物[4],氧化的过程需要脂肪氧合酶(lipoxygenases,LOXs)的催化[5]。如果产生的磷脂氢过氧化物不能被谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)还原为相应的醇[6],铁依赖的芬顿反应扩增形成大量磷脂氢过氧化物,再和铁反应形成活性氧自由基,它和多不饱和脂肪酸反应进一步产生大量磷脂氢过氧化物。活性氧自由基是铁死亡的最终执行者,其损害生物膜的完整性,最终导致细胞器和细胞膜的破裂而死亡[4]。铁在细胞铁死亡的多个关键过程中具有重要作用。脂肪氧合酶需要铁的催化[5],产生活性氧的一系列代谢酶必需铁,快速扩增磷脂氢过氧化物的芬顿反应也依赖铁[1]。

2. 铁死亡的调节

胱氨酸-System Xc-谷胱甘肽-GPX4轴是调节和抑制铁死亡的主要机制[7]。System Xc是一种跨膜蛋白,包含亚单位SLC7A11和SLC3A2。抑制GPX4的活性是启动铁死亡的重要因素。GPX4是一种含硒蛋白酶,在谷胱甘肽参与下,将磷脂氢过氧化物还原为相应的醇,抑制脂质过氧化和铁死亡[6,8]。抑制GPX4的活性和敲除GPX4基因均可导致脂质过氧化和铁死亡[7,9]。谷胱甘肽是丰富的还原剂,半胱氨酸是合成谷胱甘肽的底物,也是重要的还原剂[10]。胱氨酸通过细胞膜上的SystemXc-胱氨酸/谷氨酸转运体转变为半胱氨酸并输入细胞内。剥夺谷胱甘肽或抑制胱氨酸的输入,减少细胞内的半胱氨酸,均可导致脂质过氧化和铁死亡[11]。ACSL4表达上调可促进多不饱和脂肪酸的合成和铁死亡[12,13]。抑制ACSL4可降低细胞铁死亡敏感性[14]。药物抑制脂肪氧合酶(如黄芩素)或敲除12/15-LOX基因均可抑制细胞铁死亡[15,16]。

二、哮喘与铁死亡

哮喘是一种气道慢性炎症性疾病,许多细胞和细胞成分参与,包括肥大细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞、T淋巴细胞和上皮细胞[17]。哮喘的气道炎症分为T2型和非T2型[18]。T2型气道以嗜酸性粒细胞炎症为主 ,其炎症标记物有白介素4(Interleukin,IL-4)、IL-5和IL-13。非T2型气道以中性粒细胞炎症为主,或缺少粒细胞,其炎症标记物有IL-8、IL-17和IL-22等。

1. 哮喘与氧化应激

氧化应激指体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态,倾向于氧化。氧化应激状态下,体内产生活性氧和活性氮。增多的活性氧是有害的,引发氧化应激反应[19]。哮喘越严重,氧化应激产生的活性氧和活性氮越多[20]。活性氧和活性氮启动气道炎症反应,激活NF-κB等转录因子[21]。这些转录因子促进大量促炎因子表达,如肿瘤坏死因子-α、IL-6和IL-8,诱发气道炎症细胞激活,包括巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞[22]。气道某些神经元细胞、上皮细胞、巨噬细胞都可合成活性氮,引起支气管收缩、气道炎症、上皮细胞损伤[23]。哮喘患者的髓过氧化物酶和嗜酸性粒细胞过氧化物酶升高(血液、痰、肺泡灌洗液中)。这两种过氧化物酶分别和增多的中性粒细胞、嗜酸性粒细胞相关[24]。通过检测哮喘患者呼出气乙烷含量,发现患者哮喘越严重,脂质过氧化越严重[25]。哮喘患者肺功能越差,呼出气乙烷含量越高。以上表明,哮喘氧化应激水平与病情严重程度呈正相关,氧化应激参与哮喘的炎症反应、气道高反应性。

2. 氧化应激与炎症反应

氧化应激促进炎症反应。哮喘的氧化应激导致脂质过氧化,消耗细胞内的谷胱甘肽。细胞内降低的谷胱甘肽,促进15LO1(一种脂肪氧合酶)上调[26]。哮喘患者气道上皮细胞含有丰富的15LO1。15LO1可持续上调气道上皮细胞T2型炎症标记基因和蛋白的表达(如黏蛋白MUC5AC、骨膜蛋白等),促进T2型炎症反应,同时使其易于铁死亡[27]。

炎症反应也可加重氧化应激。T2型炎症的细胞因子IL-13可提高气道上皮细胞15LO1的表达和活性[26],催化多不饱和脂肪酸氧化为磷脂氢过氧化物[28],促进脂质过氧化。非T2型炎症的细胞因子IL-6也可促进气道上皮细胞脂质过氧化、干扰细胞内铁稳态,诱发其铁死亡[29]。

3. 炎症反应与铁死亡

氧化应激是诱发铁死亡的重要因素,其作用在前文铁死亡的机制中已有论述。炎症反应与铁死亡也密切相关,炎症诱发铁死亡,铁死亡的细胞也可激活固有免疫和适应性免疫反应。

炎症反应诱发铁死亡。炎症反应过程活性氧产生增多,诱发脂质过氧化和铁死亡。中性粒细胞可释放髓过氧化物酶,引起脂质过氧化和其他细胞的铁死亡[30]。活化的CD8+T淋巴细胞分泌干扰素,下调组织细胞SLC7A11和SLC3A2的表达,抑制胱氨酸输入,促进组织细胞铁死亡[31]。

铁死亡激活免疫炎症反应。铁死亡的细胞表达或释放具有免疫原性的分子,被模式识别受体(如Toll样受体-4)识别,激活NF-κB等转录因子,产生炎症因子,引起固有免疫反应[32]。相比于凋亡,铁死亡更易引起炎症反应[33]。铁死亡的细胞表达氧化应激产物于细胞膜上,被巨噬细胞的Toll样受体-2识别,吞噬死亡的细胞[34]。这是铁死亡引起巨噬细胞的免疫反应。铁死亡的细胞也可释放干扰素、肿瘤坏死因子,使巨噬细胞极化为M1表型,诱导分泌IL-1、IL-12和IL-18等细胞因子,促进炎症反应[35]。

三、调节铁死亡在哮喘治疗中的价值

屋尘螨和卵清蛋白可诱发小鼠T2型哮喘,脂多糖等可诱发小鼠非T2型哮喘。无论哪一种气道炎症类型,都存在GPX4和 SLC7A11表达的下调,ACSL4和15LO1表达的上调,细胞内游离铁增多等促进细胞铁死亡的改变[36-39]。这些证据表明,哮喘的病理机制存在细胞铁死亡。

抑制铁死亡可缓解哮喘气道炎症。铁抑素-1(铁死亡抑制剂)可上调气道上皮细胞GPX4和SLC7A11的表达,抑制脂质过氧化,抑制上皮细胞铁死亡,最终抑制T2或非T2型炎症反应[39,40]。针灸治疗T2型哮喘小鼠,可下调ACSL4和15LO1的表达,降低细胞内游离铁含量,显著降低肺泡灌洗液炎性标记物含量(IgE、血清IL-4 、IL-5和IL-13)[38,39]。利普他汀-1可上调气道上皮细胞SLC7A11和GPX4的表达,抑制上皮细胞铁死亡,抑制IL-6和IL-8等炎症因子表达,减轻气道粘液分泌和炎症反应。利普他汀-1通过抑制铁死亡,缓解脂多糖诱发的小鼠中性粒细胞性哮喘[41]。槲皮素也能上调气道上皮细胞SLC7A11和GPX4的表达,通过抑制铁死亡,缓解气道中性粒细胞性炎症[40]。乙酰半胱氨酸能部分逆转IL-6导致的气道上皮细胞脂质过氧化和铁死亡[42]。以上表明,抑制铁死亡能缓解哮喘的气道炎症,调节铁死亡可能成为哮喘治疗的靶点。

四、总结

铁死亡的核心标志为不受限制的脂质过氧化,其与体内氧化还原稳态、铁稳态、GPX4系统的调节等密切相关。铁死亡参与免疫炎症反应、氧化应激等多种病理机制。哮喘存在恶化的氧化应激和免疫炎症反应。铁死亡与哮喘存在密切的关联。目前的体外和体内试验表明,抑制铁死亡可缓解哮喘的气道炎症。针对铁死亡环节中的关键点,调节铁死亡可能是治疗哮喘的新靶点。目前探索调节铁死亡治疗哮喘的试验,主要为体外试验(体外支气管上皮细胞)和哮喘动物模型,研究还是初步的。这些研究主要探索了抑制铁死亡对哮喘气道炎症的作用。而临床关注的重点是,调节铁死亡能否降低哮喘急性发作的频率。目前这方面的研究还很少,未来需要深入探究。