铁死亡与呼吸系统疾病相关性的研究进展

赵艺,黄浩,覃雪梅,黄霞,梁琼▲

(1.右江民族医学院附属医院呼吸与危重症医学科,广西百色533000;2.右江民族医学院研究生学院,广西百色533000)

细胞死亡如坏死、凋亡、自噬在哺乳动物发育、体内平衡和疾病的各种分子生理过程中具有重要意义。铁死亡(ferroptosis)是铁依赖性的新型细胞死亡,与细胞凋亡、坏死、自噬在形态、生物化学方面均有显著的差别[1]。其主要形态特征为线粒体密度降低,线粒体嵴减少或缺失以及线粒体外膜破裂。而在生化上则表现为活性氧(reactive oxygen species, ROS)积累、铁离子过量催化细胞内脂质过氧化(lipid peroxidation, LPO)增强、谷胱甘肽(glutathione, GSH)合成减少及谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)的失活。铁死亡的特征是复杂的代谢网络微环境。近年来,越来越多的研究表明,铁死亡与呼吸系统疾病的发生发展密切相关。对此,本文总结了铁死亡的定义、机制及其在呼吸系统疾病中的研究进展,以期为临床上防治呼吸系统疾病提供新策略。

1 铁死亡的定义

2003年,DOLMA等[2]在筛选选择性抗肿瘤药物时,发现erastin在杀死Ras突变肿瘤细胞时出现了一个非凋亡性细胞死亡过程。然而,由于当时的研究有限,作者未能确定由erastin诱导的特殊调节性细胞死亡模式。2008年,有研究[3]通过高通量方法鉴定了两种新致死化合物RSL3和RSL5,其选择性地诱导具有突变的致癌Ras亚型基因的癌细胞中的铁依赖性非凋亡细胞死亡,而这种非凋亡性细胞死亡可以通过抑制细胞铁摄取或铁螯合剂来预防。随着研究的进展,2012年,DIXON等[1]将erastin诱导的细胞死亡定义为脂质过氧化诱导的铁依赖性调节性细胞死亡,并以铁死亡命名。这伴随了第一个小分子铁死亡抑制剂的出现,即ferrostatin-1(Fer-1)。

2 铁死亡的机制

铁死亡的生化过程主要与铁代谢、脂质代谢、氨基酸代谢异常相关。

2.1 铁代谢异常铁稳态在各种生物过程中是必需的,对细胞活力至关重要。复杂而精确的铁稳态调节机制能确保细胞内铁浓度稳定。在生理条件下,细胞输出的三价铁与转铁蛋白结合,通过膜铁转运蛋白将铁转运至骨髓和其他组织。相反,如果血浆中的转铁蛋白减少,铁与白蛋白和阴离子结合形成非转铁蛋白结合铁,被组织细胞吸收后,导致铁过载。铁死亡的主要特征之一是铁离子的积累。当身体的铁代谢紊乱时,细胞内铁储存减少,二价铁参与芬顿反应催化大量ROS和羟基自由基的产生,导致铁死亡的发生[4]。参与铁结合、转运、储存的蛋白功能紊乱都会发生铁死亡。苏欣等人[5]以铁缺乏大鼠为实验对象,探讨了缺铁诱导的氧化应激与铁死亡的关系,结果表明,在大鼠幼龄时,通过有效地控制铁摄入,可导致成年期体内铁负荷增加,从而导致铁死亡。有文献表明,在大鼠急性脑出血模型病灶脑组织中,观察到铁沉积量及脑组织脂质活性氧(lipid-ROS)含量显著升高,而给予脑泰方后可通过调节铁代谢蛋白,抑制铁死亡发生进而达到保护脑作用[6]。

2.2 脂质代谢异常脂质ROS积累是铁死亡的标志性特征。当ROS含量过高而完全破坏氧化还原动态平衡时,会通过非酶途径和酶途径诱导脂质过氧化[7]。游离多不饱和脂肪酸含有易于提取的双烯丙基氢原子,容易受到脂质过氧化的影响。在细胞质中存在大量铁离子的情况下,脂氧合酶通过催化游离多不饱和脂肪酸氧化为脂质氢过氧化物并生成毒性的自由基,参与了铁依赖型ROS的生成,最终导致细胞膜的稳定性被破坏,导致铁死亡[8]。此外FINO2是一种含有内部过氧化物的有机物质,它通过直接诱导氧化铁和间接抑制GPX4促进广泛的脂质过氧化,并优先引发铁死亡[9]。而细胞质ROS消除剂N-乙酰半胱氨酸和线粒体靶向抗氧化剂均可通过阻断ROS产生来减轻erastin及其类似物诱导的铁死亡[10]。

2.3 氨基酸代谢异常氨基酸代谢异常引起的铁死亡与GSH、GPX4、谷氨酸/胱氨酸转运体(System Xc-)有关,并且与GSH生物合成和降解相关的一系列基因及调控因子都可参与铁死亡的调控。GPX4处于GSH代谢和脂质过氧化的交叉点,两者都与铁死亡有关。GPX4是清除脂质氧自由基的重要酶,一旦被激活,GSH催化脂质过氧化氢还原为无毒的脂质醇和水,清除因铁聚集产生的脂质氧化物,从而抵抗细胞膜脂质双层过氧化,抑制铁死亡[11]。GSH是GPX4的必需底物,具有抗铁死亡活性。GSH/GPX4抗氧化系统被认为是细胞对抗铁死亡的最关键的内源性因素之一。研究表明多种疾病的产生与GPX4敲除有关,如前脑神经元中条件性缺失GPX4的小鼠模型易出现铁死亡,促进认知障碍和神经退行性变[12]。 此外,GPX4失活可引发急性肾功能衰竭[13]。

System Xc-是位于细胞膜上的抗氧化系统,广泛分布在磷脂双层中。其由两个亚基 SLC7A11和SLC3A2组成的二聚体[14]。System Xc-以1∶1的比例将细胞中的谷氨酸盐和胞外胱氨酸进行交换。在细胞中,胱氨酸能转变成GSH合成的关键物质半胱氨酸。当抑制Xc-系统的活性时会降低半胱氨酸的摄取,从而影响GSH的合成,降低GPX4的活性和细胞的抗氧化能力,最终导致氧化损伤和铁死亡[15]。宣文婷等[16]通过构建细胞模型以探讨小鼠海马神经元细胞谷氨酸毒性作用,结果表明凋亡诱导因子p53可通过调节Xc-系统的表达而明显抑制铁死亡。

3 铁死亡与呼吸系统疾病

3.1 铁死亡和COVID-19由严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)引起的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的暴发在世界范围内引发了一场巨大的卫生危机。细胞铁死亡被认为在COVID-19中发挥重要作用。在针对COVID-19患者的临床研究中非幸存者表现为高铁蛋白血症和低血清铁[17]。高铁蛋白血症会增加高氧化应激和脂质过氧化,最终增加线粒体自噬,导致铁死亡[18]。研究表明铁调素过度表达可诱导铁死亡,铁调素的上调和铁转运蛋白的下调都会显著阻碍铁的输出,导致细胞中的铁过载和铁死亡[19]。COVID-19感染导致炎症状态,而在炎症状态下可通过IL-6刺激铁代谢调节激素铁调素的合成[20]。SARS-CoV-2感染细胞后,发现GSH和GPX4的表达水平明显降低,引起的炎症反应与ROS产生的细胞损伤有关[21]。进一步的研究表明,脂质过氧化物在COVID-19患者的心肌及肾脏大量蓄积,并经免疫组织化学染色显示铁死亡标志物阳性[22]。

COVID-19中铁死亡的危害性显而易见,我们可以合理通过缓解铁过载、抑制脂质过氧化方面保护细胞免受铁死亡。铁对于病毒的复制是必不可少的,在COVID-19的治疗中可使用去铁酮、去铁胺以降低细胞内的铁[23]。另外,高铁还原酶、抗坏血酸等还原剂的应用可恢复血红蛋白与氧结合的能力,缓解患者缺氧症状[24]。

3.2 铁死亡和慢性阻塞性肺疾病慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)可引起不可逆的肺损伤,且无法治愈。气道重塑是气道阻塞的重要病理生理组成部分,主要是由长期吸烟或过敏原暴露引起的。慢性吸烟引起的异常炎症已被认为是COPD发病机制的一部分。吸烟和有害微粒会诱发机体产生ROS、活性氮等高反应性分子,导致机体发生氧化应激。已有研究证实了经香烟烟雾提取物处理改变了支气管肺泡上皮细胞的基因表达谱,并且差异表达的基因富集了铁死亡的途径,而Fer-1抑制了支气管肺泡上皮细胞中ROS的积累和炎症介质的表达[25]。

GPX4作为铁死亡的关键调节因子,研究中观察到COPD小鼠的GPX4表达下调[26]。PM2.5是诱发COPD的危险因素之一,吸入PM2.5颗粒后,人内皮细胞中铁含量和ROS浓度升高,而GSH水平降低[27]。最近的报告显示,抗氧化剂姜黄素可以改善GSH的降低并减少脂质过氧化抑制肺上皮细胞中的铁死亡[28]。

3.3 铁死亡与急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征急性肺损伤(acute lung injury, ALI)是严重感染、外伤和吸入有害气体后的急性致死性疾病。急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是ALI的严重阶段,以呼吸窘迫和顽固性低氧血症为主要临床表现。遗传关联研究表明铁代谢与肺部疾病表型之间存在联系[29]。在输注的血液成分中的铁提高了受者体内的铁水平,从而破坏了体内铁的稳态而导致输血相关急性肺损伤[30]。在ALI模型中,炎性细胞因子的释放会导致氧化损伤和不受控制的炎症,使细胞内脂质ROS和丙二醛累积,GSH含量减少及GPX4失活,最终导致严重的线粒体损伤,引发铁死亡[31]。在ARDS患者的肺泡灌洗液样本中的铁含量明显高于健康志愿者的样本[32]。这支持了铁稳态被破坏会导致ARDS患者氧化应激和组织损伤增加的假设。而铁死亡诱导剂可加剧肺水肿和肺泡炎症,并伴有高水平的炎症细胞因子,而这些影响可以被铁死亡抑制剂所逆转[33]。

3.4 铁死亡与肺癌肺癌是世界上第二大恶性肿瘤,其致死率居世界首位,威胁着人类健康和生活质量,迫切需要新的药物和治疗方法。肺癌常见治疗方法以手术和化疗为主,但以上方法对患者总体生存的益处是有限的。肺癌细胞通过上调Xc-系统,改善了下游途径的抗氧化作用,增加细胞的抗氧化能力,抑制铁死亡的发生[34]。

长链非编码 RNA (long non-coding RNA, lncRNA)网络LINC00336在肺癌发展中具有重要作用,通过敲低LINC00336可减少肺癌细胞中脂质ROS和线粒体超氧化物的浓度,从而减弱了癌细胞的生长[35]。研究表明双氢青蒿素可使PRIM2/SLC7A11轴失活来抑制肺癌细胞的增殖、集落形成,并诱导肺癌细胞的铁死亡。可见PRIM2的抑制性表达可能会发展成为肺癌治疗中的一种新的治疗方法[36]。同时,在小鼠模型中,辐射可以促进脂质过氧化并与铁死亡诱导剂协同增强抗肿瘤作用[37]。耐药性已成为肺癌化疗治疗中的一个难点。在顺铂耐药的非小细胞癌细胞中,索拉非尼和erastin对Nrf2/SLC7A11信号转导途径有明显的抑制作用,进而诱导了癌细胞的铁死亡[38]。铁死亡诱导剂与化疗药物联合使用或开发相关诱导铁死亡的药物可成为肺癌治疗的新策略。

4 总结与展望

随着研究的进展,发现了越来越多的影响铁死亡的途径和调控因素,形成了一个复杂网络,目前已经确定了许多诱导和抑制铁死亡的精确靶点,但呼吸系统疾病铁死亡的靶向调控仍有待进一步探索。因此,有必要对铁死亡进行更深入的研究,以便于更高效、特异地调控细胞铁死亡,使其在呼吸系统疾病的临床治疗上取得历史性突破。