鐵死亡在急性呼吸窘迫綜合征作用機(jī)制中的研究進(jìn)展*

馮幫海，梅鴻，覃松，陳淼

（1.遵義市中醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，貴州遵義 563000；2. 遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科二病區(qū)，貴州遵義 563000）

鐵死亡由DIXON[1]于2012年首次命名，是一種程序性細(xì)胞死亡方式，其特征是鐵依賴的脂質(zhì)過(guò)氧化物蓄積。形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為線粒體縮小、線粒體嵴減少或消失，以及線粒體膜密度增加；生化方面表現(xiàn)為胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（cystine/glutamate antiporter system, system Xc-）功能障礙致谷胱甘肽（Glutataione, GSH）耗竭、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）失活[1-2]?，F(xiàn)有研究表明，鐵死亡受多種基因調(diào)控，影響鐵穩(wěn)態(tài)、脂質(zhì)過(guò)氧化及氨基酸代謝，與急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）、慢性阻塞性肺疾病、肺纖維化等肺部疾病密切相關(guān)[3]。ARDS 是由肺泡毛細(xì)血管通透性改變引起肺水腫和肺不張，以頑固性低氧血癥和肺炎細(xì)胞浸潤(rùn)為特征[4]。重癥監(jiān)護(hù)病房中ARDS 的患病率為10.4%，病死率高達(dá)35%～46%[5]。目前，ARDS 的治療以保護(hù)性機(jī)械通氣和液體管理為基礎(chǔ)，仍缺乏有效的藥物治療[4，6]。近年來(lái)，鐵死亡在ARDS 中的作用逐漸顯現(xiàn)，本文就鐵死亡及其在ARDS 中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以引起研究者對(duì)鐵死亡在ARDS 中作用的關(guān)注。

1 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制

鐵死亡調(diào)控機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，其發(fā)生發(fā)展主要涉及鐵穩(wěn)態(tài)、脂質(zhì)過(guò)氧化代謝以及氨基酸抗氧化系統(tǒng)失衡等機(jī)制。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵代謝失衡時(shí)，鐵（Fe2+）可通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生活性氧簇（reactive oxygen species, ROS），直接與多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid, PUFA）結(jié)合導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物（lipid peroxide, LPO）大量蓄積，誘發(fā)鐵死亡[7]。而位于細(xì)胞膜上的system Xc-參與GSH 的合成，GPX4 以GSH 為底物可將LPO 醇化，這一代謝過(guò)程可防止LPO 蓄積，阻止鐵死亡的發(fā)生[8]。因此，鐵死亡可以被認(rèn)為是GPX4 清除LPO 能力不足和/或脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致LPO 致死性蓄積，誘發(fā)的細(xì)胞死亡。

1.1 鐵穩(wěn)態(tài)與鐵死亡

鐵作為重要微量元素之一，其吸收和釋放被一系列鐵調(diào)節(jié)蛋白（iron regulatory protein, IRP）調(diào)控。胞外的Fe3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白（Transferrin, TF）結(jié)合并通過(guò)轉(zhuǎn)體蛋白受體1（transferrin receptor 1, TFR1）進(jìn)入胞質(zhì)，以鐵蛋白（Ferritin, FT）的形式儲(chǔ)存，少數(shù)Fe2+儲(chǔ)存在不穩(wěn)定鐵池（labile iron pool, LIP）中。Fe2+通過(guò)芬頓反應(yīng)生羥自由基，與胞膜上PUFA 結(jié)合生成LPO，誘發(fā)細(xì)胞死亡。核受體共激活因子4 可將TF 轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體通過(guò)自噬性降解釋放Fe2+，該過(guò)程為鐵自噬，在鐵回收和釋放的過(guò)程中尤為重要[9]。鐵自噬可促進(jìn)Fe2+的釋放，加重LPO 的堆積，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。此外，IRP-1/2 可感知LIP 中Fe2+，并通過(guò)調(diào)控TF、FT 等蛋白的穩(wěn)定性來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鐵的攝入、存儲(chǔ)和釋放，以維持細(xì)胞內(nèi)鐵代謝的穩(wěn)定狀態(tài)[10]。研究顯示，核因子E2 相關(guān)因子2（nuclear erythroid 2-related factor 2, NRF2）、過(guò)氧化物還原酶-6、熱休克蛋白β-1 等蛋白也參與了鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過(guò)程[3]。以上研究表明，鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)控過(guò)程可能是干預(yù)鐵死亡的潛在切入點(diǎn)。

1.2 脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵死亡

鐵死亡最顯著的特征之一是脂質(zhì)過(guò)氧化物蓄積介導(dǎo)的質(zhì)膜損傷。脂質(zhì)代謝組學(xué)顯示，長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A 合成酶4（long chain acyl-coenzyme A syntheatase 4, ACSL4）和溶血磷脂膽堿酰基轉(zhuǎn)移3（lysolecithin acetyl trans-ferase 3, LPCAT3）在調(diào)控脂質(zhì)過(guò)氧化中發(fā)揮關(guān)鍵作用[11-12]。ACSL4 可催化乙酰輔酶A 和PUFAs 如花生四烯酸（Archidonoyl, AA）、腎上腺酸（Adrenoyl, AdA）結(jié)合生成AA-輔酶A 和AdA-輔酶A，在LPCAT3 作用下，被酯化為磷脂酰乙醇胺（Phosphatidylethanolamine, PE）形成AA-PE 和AdA-PE，在脂肪氧合酶的作用下生成LPO[12]。LPO最終被代謝成毒性醛類物質(zhì)4-羥基壬烯醛和丙二醛（Malondialdehyde, MDA），造成細(xì)胞膜、質(zhì)膜不可逆損傷，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[12]。因此，ACSL4 和LPCAT3 的高表達(dá)被認(rèn)為是鐵死亡的重要標(biāo)志之一。值得注意的是，DOLL[13]和BERSUKER[14]等命名了一種鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1,FSP1），F(xiàn)SP1 利用NAD（P）H 催化輔酶Q10 來(lái)促進(jìn)親脂性自由基的表達(dá)，在GPX4 含量不足的情況下抑制胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，阻止鐵死亡的發(fā)生。此外，新型鐵死亡誘導(dǎo)劑FIN56 可通過(guò)甲羥戊酸途徑失活GPX4 并抑制親脂性抗氧化劑的合成，促進(jìn)鐵死亡[15]。有趣的是，脂滴的自噬性降解可促進(jìn)鐵死亡激活劑RSL3 誘導(dǎo)的肝細(xì)胞鐵死亡，而通過(guò)促進(jìn)脂質(zhì)的存儲(chǔ)或抑制脂滴的降解可防止RSL3 誘導(dǎo)的LPO 與鐵死亡，這表明，脂滴可能在鐵死亡過(guò)程中發(fā)揮抗氧化作用[16]。以上研究表明，鐵死亡可以通過(guò)調(diào)節(jié)與PUFA 膜磷脂生物合成有關(guān)的酶來(lái)調(diào)控。

1.3 氨基酸代謝與鐵死亡

鐵死亡的另一個(gè)顯著特征是GPX4 生成不足或失活導(dǎo)致LPO 不能有效降解。System Xc-被溶質(zhì)載體家族7A11/3A2（solute carrier 7A11/3A2, SLC7A11/SLC3A2）調(diào)控。細(xì)胞利用system Xc-以1∶1 的比例將胱氨酸與谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)，生成由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸氨基酸殘基組成的GSH，并以還原型和氧化型的形式存在。GSH 作為體內(nèi)重要的抗氧化劑，不僅可以清除H2O2等自由基，維持胞內(nèi)自由基的平衡，還作為GPX4 的輔因子以維持GPX4的活性，協(xié)同GPX4 以拮抗LPO 的蓄積。當(dāng)system Xc-活性被抑制時(shí)，GSH 合成不足抑制GPX4 活性，顯著降低細(xì)胞的抗脂質(zhì)過(guò)氧化能力，誘發(fā)鐵死亡[17]。因此，GSH 耗竭或GPX4 失活認(rèn)為是鐵死亡的標(biāo)志?，F(xiàn)有研究表明，鐵死亡激活劑Erastin 可直接抑制system Xc-活性導(dǎo)致GSH 合成不足，GPX4 失活[18]，而另一種鐵死亡激活劑RSL3 則直接促使GPX4 失活[17]。以上結(jié)果表明，直接或間接抑制GPX4，均會(huì)導(dǎo)致LPO 蓄積，且不能被有效清除，促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生。值得注意的是，在細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺可轉(zhuǎn)化為谷氨酸，高劑量的谷氨酰胺不能誘發(fā)鐵死亡，但是谷氨酰胺與胱氨酸剝奪相結(jié)合時(shí)可顯著誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡；而當(dāng)谷氨酰胺不足或代謝障礙時(shí)，胱氨酸剝奪并不能有效觸發(fā)鐵死亡，推測(cè)其機(jī)制可能是谷氨酰胺代謝產(chǎn)物α-酮戊二酸參與了鐵死亡的調(diào)節(jié)[19]。這表明谷氨酰胺在鐵死亡中發(fā)揮作用。以上研究表明，system Xc-和GPX4 可以作為鐵死亡重要的干預(yù)靶點(diǎn)。

2 鐵死亡與ARDS

ARDS 的臨床表現(xiàn)為肺水腫和/肺不張、頑固性低氧血癥和呼吸窘迫，病理改變?yōu)榉闻菝?xì)血管通透性改變、肺泡內(nèi)皮及上皮細(xì)胞損傷和炎癥細(xì)胞彌漫性浸潤(rùn)，常由肺內(nèi)因素（肺炎、誤吸、肺挫傷等）和肺外因素（膿毒癥、胰腺炎、手術(shù)等）引起。目前，ARDS 發(fā)病機(jī)制尚未闡明，認(rèn)為與炎癥、凝血、氧化應(yīng)激等有關(guān)，尚無(wú)有效的靶向干預(yù)措施。自鐵死亡概念提出以來(lái)，其在腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、急性腎損傷等疾病中已被廣泛研究。而越來(lái)越多的證據(jù)表明，鐵死亡與ARDS 的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，已在ARDS 的動(dòng)物模型或細(xì)胞模型中得到驗(yàn)證[20-21]。

2.1 鐵死亡與脂多糖介導(dǎo)的ARDS

膿毒癥所致ARDS 本質(zhì)上是由于炎癥反應(yīng)失控引起的肺組織急性病理?yè)p傷，進(jìn)展快，預(yù)后差。ARDS 通常發(fā)生在膿毒癥的早期階段，目前尚無(wú)有效的預(yù)防及治療措施。脂多糖（Lipopolysaccharide,LPS）誘導(dǎo)的ARDS 動(dòng)物或細(xì)胞模型以模擬膿毒癥已被廣泛采納。研究發(fā)現(xiàn)，LPS 干預(yù)人支氣管上皮細(xì)胞系BEAS-2B 后，鐵死亡標(biāo)志物SLC7A11、GPX4表達(dá)下調(diào)，MDA 和總鐵水平呈劑量依賴性升高，而FSP1 可顯著抑制上述改變，提示鐵死亡在LPS誘導(dǎo)的ARDS 發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用[20]。多項(xiàng)研究[21-24]通過(guò)靜脈注射或氣管內(nèi)滴入LPS 復(fù)制的ARDS 模型也得出了相似結(jié)論，表明鐵死亡可能通過(guò)NRF2/ARE 信號(hào)通路調(diào)控LPS 誘導(dǎo)的ARDS。此外，NRF2 沉默可顯著抑制GPX4 的表達(dá)，加重LPS誘導(dǎo)的ARDS 小鼠肺損傷[25]。另外，抑制MAPK/ERK 信號(hào)通路可通過(guò)調(diào)控鐵代謝及PGX4 活力來(lái)減少鐵死亡，防止LPS 誘導(dǎo)的ARDS 的進(jìn)展減輕肺損傷[26]。以上結(jié)果表明，GPX4 是調(diào)控鐵死亡的重要因素，NRF2 可能在LPS 誘導(dǎo)的ARDS 中發(fā)揮核心作用。

2.2 鐵死亡與缺血再灌注介導(dǎo)的ARDS

腸缺血再灌注（schemia-reperfusion, I/R）損傷常由嚴(yán)重創(chuàng)傷、重度燒傷、膿毒癥休克、腸梗阻、心臟手術(shù)等引起。當(dāng)發(fā)生腸I/R 損傷時(shí)，腸黏膜屏障破壞，腸道細(xì)菌和毒素移位，致大量細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)釋放入血，誘發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)和遠(yuǎn)隔器官損傷，在多器官功能障礙綜合征的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用[27]。肺是最早受到影響和最脆弱的器官，被稱為腸I/R 誘導(dǎo)的ARDS。到目前為止，腸I/R 所致ARDS 的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。在各種缺血性損傷模型中，細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是主要的調(diào)控細(xì)胞死亡方式。然而，有研究[28]發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是缺血性損傷的主要驅(qū)動(dòng)因素。在腸I/R 損傷誘導(dǎo)的ARDS 的體內(nèi)外模型中，肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞發(fā)生了鐵死亡，F(xiàn)SP1 可顯著改善腸I/R 所致的肺損傷[27，29]。部分研究發(fā)現(xiàn)，NRF2 可通過(guò)促進(jìn)血紅素氧合酶1（HO?1）和SLC7A11 的表達(dá)抑制鐵死亡，減輕腸I/R 誘導(dǎo)的ARDS[29-31]。進(jìn)一步的研究表明，抑癌蛋白P53 可通過(guò)NRF2/HIF-1α/TF 信號(hào)通路調(diào)控鐵死亡，抑制腸I/R 誘導(dǎo)的ARDS[27]。此外，NRF2可促進(jìn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）的磷酸化調(diào)控SLC7A11 的表達(dá)抑制鐵死亡，減輕腸I/R 誘導(dǎo)的ARDS[32]。以上研究顯示，NRF2 可能是腸I/R誘導(dǎo)ARDS 的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，NRF2/HO-1/SLC7A11信號(hào)通路可能在腸I/R 誘導(dǎo)的ARDS 中起核心作用。此外，在肺I/R 損傷誘導(dǎo)的ARDS 模型中，鐵死亡抑制劑LIP-1 和ACSL4 抑制劑羅格列酮可通過(guò)調(diào)控GPX4 的活力抑制鐵死亡，阻止肺I/R 損傷的進(jìn)一步加重。另外，H2S 可抑制mTOR 信號(hào)通路表達(dá)調(diào)控鐵自噬及GPX4 活力減輕盲腸結(jié)腸誘導(dǎo)的ARDS[33]。

2.3 鐵死亡與高氧性急性肺損傷

氧療作為搶救低氧血癥和呼吸衰竭、維持組織氧合的重要手段，在臨床上不可或缺。但長(zhǎng)時(shí)間吸入高氧（> 95%的氧氣）可導(dǎo)致高氧性急性肺損傷。高氧性急性肺損傷既是ARDS 的原因之一，又是高氧性機(jī)械通氣治療ARDS 的結(jié)果[34]。目前研究認(rèn)為，高氧促進(jìn)ROS 產(chǎn)生并放大氧化應(yīng)激級(jí)聯(lián)反應(yīng)，是引起高氧性急性肺損傷或ARDS 的核心因素[35]。在高氧性急性肺損傷的新生大鼠動(dòng)物模型中[36]，可發(fā)現(xiàn)明顯的鐵蓄積，且GPX4、GSH、SLC7A11 等活性被顯著抑制，說(shuō)明鐵死亡在高氧性急性肺損傷的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，預(yù)防鐵死亡，可能阻止高氧性急性肺損傷或ARDS 的進(jìn)展。

2.4 鐵死亡與其他模型介導(dǎo)的ARDS

靜脈注射油酸可導(dǎo)致肺泡毛細(xì)血管水腫、通透性增加和肺間質(zhì)水腫，是復(fù)制ARDS 動(dòng)物模型的有效方法之一。在油酸介導(dǎo)的ARDS 小鼠模型中，線粒體縮小并線粒體膜破裂、鐵超載、GSH 及GPX4 活力下降[37]。這與LPS、I/R 損傷及高氧介導(dǎo)ARDS 結(jié)論相似，然而，具體機(jī)制仍不清楚。我國(guó)惡性腫瘤的發(fā)病率逐年上升，這也導(dǎo)致了輻射誘發(fā)放射性肺損傷（radiation-induced lung injury, RILI）的發(fā)生。RILI 作為ARDS 的誘因之一已經(jīng)引起臨床醫(yī)生的關(guān)注。在RILI 的小鼠模型中，鐵死亡抑制劑LIP-1 可促進(jìn)GPX4 表達(dá)并抑制ROS 的產(chǎn)生從而抑制鐵死亡，減輕炎癥反應(yīng)，改善RILI[38]。而抑制肺泡上皮細(xì)胞的鐵死亡可明顯減輕RILI[39]。此外，抑制肺泡上皮細(xì)胞鐵死亡可有效緩解氧化鎳納米顆粒介導(dǎo)的ARDS[40]。在溺水介導(dǎo)的ARDS 小鼠模型中， NRF2 激活劑富馬酸二甲酯（dimethyl fumarate, DMF）可顯著抑制LPO 聚集及GSH 耗竭，維持GPX4 活力，抑制鐵死亡，發(fā)揮肺保護(hù)作用[41]。ARDS 的發(fā)生率在胰腺炎所致多器官功能障礙綜合征中高居首位，是重癥急性胰腺炎患者早期病死的首要原因[42]。在急性胰腺炎相關(guān)性肺損傷的小鼠ARDS 模型中，F(xiàn)SP1 在抑制炎癥介質(zhì)的同時(shí)通過(guò)調(diào)控氧化應(yīng)激的水平及LPO 的蓄積，防止鐵死亡的發(fā)生從而減輕肺組織損傷[43]。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵死亡主要涉及鐵穩(wěn)態(tài)、脂質(zhì)過(guò)氧化及氨基酸代謝等過(guò)程，其本質(zhì)是上述三方面代謝紊亂及氧化還原穩(wěn)態(tài)的破壞，以鐵超載、LPO 蓄積、GPX4 失活、GSH 耗竭為表現(xiàn)，線粒體縮小、線粒體嵴減少或消失為特征。鐵死亡已在各種ARDS 動(dòng)物模型或細(xì)胞模型中得到證實(shí)，但其具體機(jī)制尚未完全闡明。GPX4、GSH、system Xc-、PUAs 可能是治療ARDS 的直接干預(yù)靶點(diǎn)。抑癌基因P53、STAT3、SLC7A11、ACSL4及NRF2等基因可能是干預(yù)ARDS 的潛在靶標(biāo)，NRF2/HO-1/SLC7A11 信號(hào)通路可能是治療ARDS 的核心環(huán)節(jié)。雖然當(dāng)前的研究大多基于動(dòng)物或細(xì)胞模型，缺乏臨床的強(qiáng)力證據(jù)，但這些研究已初步展示了基于鐵死亡的治療方案在ARDS 中的潛在價(jià)值，并為后續(xù)繼續(xù)深入發(fā)掘ARDS 潛在有效治療策略提供了新的視角。因此，闡明鐵死亡在ARDS 進(jìn)展過(guò)程中的作用機(jī)制尤為重要。臨床研究中，鐵死亡的關(guān)鍵分子能否作為預(yù)測(cè)ARDS 嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物更待進(jìn)一步研究。針對(duì)性更強(qiáng)的特異性鐵死亡抑制劑可能成為未來(lái)治療ARDS 的重點(diǎn)研究方向。