楊 霞寧 宗

(廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院急診科,南寧 530021)

作為細(xì)胞的一種基本生物學(xué)現(xiàn)象,細(xì)胞死亡在機(jī)體的生存、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。 隨著研究的進(jìn)展,壞死和凋亡并不能完全解釋細(xì)胞死亡所發(fā)生的全部現(xiàn)象。 鐵死亡(ferroptosis)是近年來被定義的一種新型的以鐵依賴性脂質(zhì)過氧化和脂質(zhì)活性氧(reactive oxygen species, ROS)堆積為特點(diǎn)的非細(xì)胞凋亡性的細(xì)胞死亡方式[1]。 與常見的細(xì)胞死亡形式,如自噬性細(xì)胞死亡和壞死性細(xì)胞凋亡等相比,鐵死亡在形態(tài)學(xué)特征、生物化學(xué)指標(biāo)及基因水平等方面均存在顯著差異。 細(xì)胞焦亡(pyroptosis)作為一種保守性的機(jī)體天然免疫機(jī)制,是一種依賴于caspase-1 介導(dǎo),并以伴有早期質(zhì)膜的破裂及大量促炎癥因子的釋放為特點(diǎn)的細(xì)胞程序性死亡方式[2]。 自噬性細(xì)胞死亡,簡稱自噬(autophag)是一種由溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡方式,其主要的形態(tài)學(xué)改變?yōu)榈鞍踪|(zhì)的降解和細(xì)胞器的隔離與分解[3]。 而鐵死亡的則主要表現(xiàn)為線粒體體積變小、密度增加、線粒體嵴消失、細(xì)胞質(zhì)和胞質(zhì)中脂質(zhì)活性氧增多等[4]。 作為一種新的程序性細(xì)胞死亡方式,鐵死亡被證實(shí)與腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、動(dòng)脈粥樣硬化等多種疾病密切相關(guān),最新研究亦顯示鐵死亡在呼吸系統(tǒng)疾病中亦發(fā)揮至關(guān)重要的作用。 本文就鐵死亡的作用機(jī)制及在呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展過程中的作用研究概況,以期為呼吸系統(tǒng)相關(guān)疾病的進(jìn)一步研究提供新思路。

1 概述

1.1 鐵死亡的定義

作為細(xì)胞生命的終結(jié),細(xì)胞死亡在哺乳動(dòng)物的生長發(fā)育及疾病的發(fā)生發(fā)展過程中、在維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的過程中均發(fā)揮重要的作用。 細(xì)胞意外死亡和調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡是細(xì)胞死亡命名委員會(huì)認(rèn)定的細(xì)胞死亡的兩種方式,其中,凋亡和壞死 是經(jīng)典的兩種細(xì)胞死亡形式[5]。 隨著研究的進(jìn)展,上述形式并不能囊括所有的細(xì)胞死亡模式。 由此,按照細(xì)胞死亡的特點(diǎn)細(xì)胞焦亡、自噬性細(xì)胞死亡、鐵死亡等新的死亡模式被接踵提出。 其中,作為一種新型的細(xì)胞死亡方式,鐵死亡被逐步認(rèn)識。 2003 年Dolma等[6]采用高通量篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)了鐵死亡的誘導(dǎo)劑,即erastin(愛拉斯汀),此化合物有別于凋亡的死亡方式而成為一種新的細(xì)胞死亡形式。 隨著研究的進(jìn)一步進(jìn)展,2008 年Yang 等[7]發(fā)現(xiàn)了與erastin 所致細(xì)胞死亡方式及其相似的兩種化合物,即ras 選擇性致死化合物(ras-selective-lethal compound,RSL3)和RSL5。 研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞焦亡、 自噬性細(xì)胞死亡等抑制劑并不能抑制上述化合物所誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡,但鐵螯合劑及抗氧化劑卻能抑制這種死亡方式,提示上述這種細(xì)胞死亡模式與鐵及ROS 密切相關(guān)。 2012 年 Dixon 等[8]研究發(fā)現(xiàn) erastin 可以抑制胱氨酸向胞內(nèi)轉(zhuǎn)入,引起細(xì)胞內(nèi)合成谷胱甘肽(glutathione,GSH)的原料減少以及磷脂過氧化物酶谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)失活,從而導(dǎo)致一種新的細(xì)胞死亡模式,并最終根據(jù)細(xì)胞死亡的特點(diǎn)將這種死亡模式命名為鐵死亡,即一種以鐵依賴性脂質(zhì)過氧化和脂質(zhì)活性氧堆積為特點(diǎn)的非細(xì)胞凋亡性的細(xì)胞死亡方式。2018 年,細(xì)胞死亡委員會(huì)建議將鐵死亡定義為調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡(regulated cell death,RCD)模式中的一種[9]。

1.2 鐵死亡的結(jié)構(gòu)與功能

研究發(fā)現(xiàn)與目前已知的其他的細(xì)胞死亡模式相比,鐵死亡在形態(tài)學(xué)特征、生物化學(xué)指標(biāo)及遺傳學(xué)等方面均存在顯著不同。 首先,形態(tài)學(xué)特征方面,與凋亡、壞死、自噬等不同,鐵死亡時(shí)細(xì)胞膜是完整的,細(xì)胞核的形態(tài)不發(fā)生任何改變,但胞內(nèi)線粒體功能明顯受損,主要表現(xiàn)為線粒體皺縮,體積變小、膜密度增加、線粒體嵴消失、線粒體外膜破裂等[1,10];其次,生物化學(xué)方面,細(xì)胞內(nèi)合成GSH 原料減少、GPX4 失活、細(xì)胞質(zhì)及胞質(zhì)中脂質(zhì) ROS 增多等[11];再者,遺傳學(xué)方面,鐵死亡的具體作用機(jī)制尚不明確,涉及鐵代謝、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)代謝異常等方面,與多基因的異常表達(dá)密切相關(guān)。 其中抑制鐵死亡的基因常見的有SLC7A11,即溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白第7家族11 成員基因(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11,簡稱 xCT)、GPX4 基因、CISD1 基因,即CDGSH 鐵硫域 1(CDGSH, iron sulfur domain 1)、NFS1 基因, 即半胱氨酸脫硫酶( cysteine desulfurase)、NRF2 基因,即核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor erythroid 2-related factor)、HSPB1 基因,即熱休克蛋白(heat shock protein 1)等;促進(jìn)鐵死亡的基因有p53 基因、VDACs 基因,即電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel)、ACSL4 基因,即長鏈脂酰輔酶A 合成酶4(Acyl-CoA synthetase 4)、NCOA4 基因,即核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4)等,在鐵死亡過程中發(fā)揮重要的作用。

2 鐵死亡的作用機(jī)制

鐵死亡的作用機(jī)制目前尚未明確,仍在不斷探索中,最新的研究證據(jù)提示鐵代謝紊亂、脂質(zhì)代謝異常等因素與鐵死亡的發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)。

2.1 鐵代謝紊亂

相關(guān)研究顯示,鐵代謝紊亂是鐵死亡的中心環(huán)節(jié)[12]。 作為機(jī)體必需的微量元素之一,鐵主要以二價(jià)和三價(jià)鐵離子的形式存在于機(jī)體內(nèi)參與細(xì)胞的運(yùn)輸、機(jī)體的代謝等活動(dòng)。 正常情況下借助于銅藍(lán)蛋白,體內(nèi)二價(jià)鐵離子(Fe2+)被氧化為三價(jià)鐵離子(Fe3+),Fe3+與細(xì)胞外轉(zhuǎn)鐵蛋白形成復(fù)合物被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi),繼而在鐵還原酶前列腺六次跨膜蛋白3 作用下還原為Fe2+,而后存儲于胞質(zhì)內(nèi)鐵蛋白中或借助于膜上鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白泵出,參與機(jī)體內(nèi)鐵再循環(huán),維持鐵穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)機(jī)體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)被打破時(shí),細(xì)胞內(nèi)鐵儲存減少,過量Fe2+則通過芬頓化學(xué)反應(yīng)及Haber-Weiss 反應(yīng)催化ROS 生成,引起胞質(zhì)內(nèi)ROS 聚集,從而誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[13]。 蘇欣等[14]通過制備鐵缺乏的大鼠動(dòng)物模型來研究鐵缺乏所致氧化應(yīng)激與鐵死亡的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在生命早期有效控制鐵的攝入量造成鐵缺乏,從而引起大鼠成年期鐵負(fù)荷,導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生。

2.2 脂質(zhì)代謝異常

氧化應(yīng)激是指各種有害因素所致機(jī)體處于過氧化狀態(tài),出現(xiàn)氧化與抗氧化系統(tǒng)的失衡。 研究發(fā)現(xiàn)誘發(fā)鐵死亡的直接原因之一是脂質(zhì)ROS 形成與堆積[15]。 首先,脂質(zhì)膜上的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)在酶促或非酶促的氧化反應(yīng)作用下形成脂質(zhì)ROS。 當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)鐵負(fù)荷過多,此時(shí)過剩的游離Fe2+可以作為機(jī)體有效的催化劑引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致線粒體、DNA 等損傷[16]。 其次,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)依賴的脂質(zhì)過氧化及谷胱甘肽(GSH)耗竭所致ROS 在鐵死亡發(fā)生發(fā)展過程中同樣起著至關(guān)重要的作用[17]。 研究發(fā)現(xiàn)作為發(fā)現(xiàn)最早的鐵死亡抑制劑,Ferrostain-1 借助于特異性抑制脂質(zhì)ROS的聚集而特異性阻斷鐵死亡的發(fā)生[8]。 陳芳等[18]采用線粒體細(xì)胞色素bcl 抑制劑阿霉素A 來干預(yù)腎小管上皮細(xì)胞的氧化磷酸化過程,發(fā)現(xiàn)鐵死亡參與急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)的過程,予以鐵死亡抑制劑Ferrostain-1 等干預(yù)后,細(xì)胞內(nèi)ROS 水平顯著下降,線粒體損傷明顯減輕,結(jié)果提示抑制鐵死亡可以有效緩解AKI 的進(jìn)程,為AKI 的治療提供新的靶點(diǎn)與方向。 再者,細(xì)胞膜谷氨酸/胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(glutamate/cystine antiporter),即system Xc-系統(tǒng)與鐵死亡過程中脂質(zhì)代謝作用密切相關(guān)。 作為Xc-系統(tǒng)抑制劑,柳氮磺吡啶(Sulfalsalazine,SAS)不僅可以抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體,而且還會(huì)影響胱氨酸依賴的GSH 的合成,從而導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生,這與高瑋男等[19]研究報(bào)道相一致。 細(xì)胞模型中,宣文婷等采用凋亡誘導(dǎo)因子p53 干預(yù)小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞來探討鐵死亡過程中谷氨酸興奮性毒性作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)Xc-系統(tǒng)的表達(dá),p53 可以顯著抑制鐵死亡的過程[20]。

3 鐵死亡的調(diào)控

鐵死亡主要是細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)活性氧生成與降解的平衡失調(diào)所致,研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡可以被多種化合物所誘導(dǎo)和抑制,具體見表1。

表1 鐵死亡誘導(dǎo)劑及抑制劑分類Table 1 Classification of inducer and inhibitor of ferroptosis

4 鐵死亡在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用

最新研究顯示鐵代謝紊亂、脂質(zhì)代謝異常等因素與鐵死亡的發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān),而脂質(zhì)ROS形成與堆積在肺部疾病發(fā)病機(jī)制中占據(jù)重要地位,提示鐵死亡可能參與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展過程。 因此,調(diào)控鐵死亡過程將有可能為呼吸系統(tǒng)疾病的臨床防治提供新的作用靶點(diǎn)。

4.1 鐵死亡與支氣管哮喘(Asthma)

ROS 是氧化應(yīng)激的主要參與者,而氧化應(yīng)激是形成哮喘的大多數(shù)分子途徑和機(jī)制的最終結(jié)果。Frossi 等[35]研究發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激上調(diào)Th2 介導(dǎo)炎癥反應(yīng),增加哮喘嚴(yán)重程度;此外,哮喘患者外周血嗜酸性粒細(xì)胞中ROS 產(chǎn)生顯著高于健康人,且激發(fā)后ROS 生成進(jìn)一步明顯增多。 因此,氧化應(yīng)激與哮喘的發(fā)病密切相關(guān)。 另一方面,誘發(fā)鐵死亡的直接原因之一是脂質(zhì)ROS 形成與堆積,這可能與經(jīng)典損傷相關(guān)分子模式(DAMP)有關(guān)。 Shah 等[36]研究發(fā)現(xiàn)在鐵死亡組織中,借助于F4/80 免疫熒光染色提示可以顯著激活巨噬細(xì)胞,從而釋放促炎物質(zhì),引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)。 此外,鐵死亡組織中存在過氧化物及花生四烯酸代謝所產(chǎn)生的炎性介質(zhì)。 作為花生四烯酸代謝中關(guān)鍵的脂質(zhì)過氧化物酶,脂氧合酶(LOX)不僅參與機(jī)體的炎癥和免疫反應(yīng),而且還是鐵死亡的必備條件,主要是因?yàn)長OX 不僅可以催化PUFAs 氧化成脂質(zhì)氫過氧化物,脂質(zhì)氫過氧化物再形成有毒的脂質(zhì)自由基,繼而引起細(xì)胞損傷,而且脂質(zhì)自由基能還可以轉(zhuǎn)移PUFAs 附近的質(zhì)子,引發(fā)新一輪的脂質(zhì)氧化反應(yīng)并導(dǎo)致更嚴(yán)重的氧化性損害[37]。 而LOX 亦與哮喘氣道炎癥和氣道重塑密切相關(guān)。 鑒于此,提示鐵死亡可能在哮喘的發(fā)病機(jī)制中占據(jù)重要地位。

4.2 鐵死亡與急性肺損傷(acute lung injury,ALI)

作為一種臨床常見的呼吸系統(tǒng)危重癥,ALI 的主要臨床特點(diǎn)為呼吸窘迫和進(jìn)行性低氧血癥,其嚴(yán)重階段表現(xiàn)為急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)。 主要作用機(jī)制為肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡以及肺泡巨噬細(xì)胞極化,從而產(chǎn)生大量的活性氧,引發(fā)氧化與抗氧化系統(tǒng)的失衡,釋放大量炎癥因子,致使肺局部的炎癥微環(huán)境失衡,誘導(dǎo)“炎癥因子風(fēng)暴”,產(chǎn)生一系列炎癥反應(yīng)[38]。 最新研究發(fā)現(xiàn)[39]采用小鼠尾靜脈注射油酸的方法制備ALI 動(dòng)物模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ALI 組小鼠肺細(xì)胞出現(xiàn)線粒體皺縮、變小,線粒體外膜破裂等病理變化,肺組織可見明顯的鐵過載、GSH 含量減少、鐵蛋白表達(dá)水平顯著降低等改變,上述結(jié)果提示鐵死亡參與肺損傷的致病過程,這將為ALI 的臨床治療提供新的理論依據(jù)。

4.3 鐵死亡與肺癌

肺癌是最常見的惡性腫瘤之一,嚴(yán)重影響人類的健康與生命。 研究發(fā)現(xiàn)與正常細(xì)胞相比,肺癌細(xì)胞內(nèi)ROS 水平和脂質(zhì)氧化標(biāo)志物水平普遍較高,且與機(jī)體的免疫功能有關(guān)。 如前所述,誘發(fā)鐵死亡的直接原因之一是脂質(zhì) ROS 形成與堆積,NADPH 依賴的脂質(zhì)過氧化及GSH 耗竭所致ROS與鐵死亡發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)。 此外,T 淋巴細(xì)胞作為一種獲得性免疫細(xì)胞在腫瘤相關(guān)免疫中起著至關(guān)重要的作用,谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathioneperoxidase 4,GPX4)可以通過防止過氧化及細(xì)胞鐵死亡在活化T 淋巴細(xì)胞生存和擴(kuò)張中扮演重要角色。 因此,ROS 代謝通路中相關(guān)基因的檢測在鐵死亡作用機(jī)制研究中尤為重要。 相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道指出隱丹參酮可以不同程度抑制腫瘤細(xì)胞的增殖,影響腫瘤細(xì)胞ROS 代謝通路,但具體作用機(jī)制不詳。 譚國耀等[40]以體外培養(yǎng)人肺癌A549 細(xì)胞和順鉑耐藥株A549/DDP 細(xì)胞為研究對象,給予不同濃度隱丹參酮進(jìn)行干預(yù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)隱丹參酮可以抑制上述兩種細(xì)胞的增值,其作用機(jī)制與影響細(xì)胞鐵死亡相關(guān)基因的表達(dá)密切相關(guān)。

5 結(jié)語

綜上所述,作為一把“雙刃劍”,鐵死亡在不同的疾病狀態(tài)下發(fā)揮不同的作用。 鐵死亡在肺部疾病中的作用機(jī)制目前仍未闡明,深入研究其發(fā)生機(jī)制及相關(guān)信號通路,努力尋找有效的阻斷劑,為肺部疾病的治療提供新的靶點(diǎn)和方向。