鐵死亡的發(fā)生機(jī)制及其在纖維化疾病中作用的研究進(jìn)展

段 譽(yù),邰文琳

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 檢驗(yàn)科,云南 昆明,650101)

鐵死亡是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴性調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡(RCD),在細(xì)胞生長發(fā)育過程中受到鐵代謝相關(guān)機(jī)制調(diào)控，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)過多的鐵、活性氧(ROS)和脂質(zhì)過氧化物不能及時(shí)被清除，或機(jī)體抗氧化系統(tǒng)受到抑制或失活，細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡穩(wěn)態(tài)受到破壞，胞內(nèi)產(chǎn)生的有毒脂質(zhì)代謝產(chǎn)物便會(huì)攻擊生物大分子，從而導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[1]。正是這種可控的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式的存在，為人類疾病的治療提供了新的機(jī)會(huì)。在眾多疾病的發(fā)生發(fā)展過程中，均能觀察到細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生，在臨床常見的肝纖維化和肺纖維化疾病中亦是如此。隨著鐵死亡在纖維化疾病方面研究的不斷深入，其在纖維化中的調(diào)控機(jī)制也陸續(xù)被揭示。本文總結(jié)了鐵死亡在肝纖維化和肺纖維化疾病中的發(fā)生機(jī)制，揭示了纖維化疾病的潛在治療方式和靶點(diǎn)，對(duì)臨床纖維化疾病的治療具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 鐵死亡的定義和流行病學(xué)意義

鐵死亡是由鐵依賴性脂質(zhì)過氧化物積累引起的一種氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡方式，主要表現(xiàn)為細(xì)胞體積縮小、線粒體嵴減少或消失以及線粒體膜密度增大等，在形態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)和生物化學(xué)等方面與凋亡、壞死及自噬等細(xì)胞死亡類型有較大的差異[1-3]。細(xì)胞內(nèi)鐵和ROS積累、谷胱甘肽耗竭以及脂質(zhì)過氧化物代謝障礙是觸發(fā)鐵死亡的關(guān)鍵因素[4]。鐵過載和脂質(zhì)過氧化物積累是公認(rèn)的鐵死亡發(fā)生的中心環(huán)節(jié)[5]。鐵死亡參與了眾多疾病的病理變化過程，如腫瘤[6]、神經(jīng)系統(tǒng)疾病[7]、癌癥免疫治療[8]等，檢測鐵死亡發(fā)生過程中的關(guān)鍵標(biāo)志物，通過促進(jìn)或抑制細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生為這些疾病的治療提供了新的策略。纖維化疾病由細(xì)胞經(jīng)歷持續(xù)慢性損傷的復(fù)雜病理過程發(fā)展而來，鐵死亡相關(guān)機(jī)制在纖維化疾病進(jìn)展中發(fā)揮重要的調(diào)控作用，研究鐵死亡在纖維化疾病中的調(diào)控作用對(duì)臨床靶向治療纖維化疾病具有重要的指導(dǎo)意義。

2 鐵死亡和肝纖維化

在慢性肝病中，病毒、藥物毒性、物質(zhì)代謝或自身免疫性因素等引起的炎癥和代償性增生甚至細(xì)胞死亡，通常與肝纖維化、肝硬化和肝細(xì)胞癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[9]。鐵死亡與不同類型的慢性肝病之間存在關(guān)聯(lián)，包括血色素沉著癥、病毒性肝炎、酒精性肝病(ALD)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、藥物性肝損傷(DILI)、肝細(xì)胞癌(HCC)以及肝纖維化等，其中鐵代謝失衡以及活性氧引起的脂質(zhì)過氧化被認(rèn)為是肝損傷的重要因素[10-11]。

2.1 肝纖維化的發(fā)生機(jī)制

肝纖維化是由持續(xù)性慢性肝損傷引起的病理性過程，肝星狀細(xì)胞(HSC)活化為增殖性纖維化肌成纖維細(xì)胞是實(shí)驗(yàn)性和病理性肝損傷中肝纖維化的主要驅(qū)動(dòng)因素[12]。一項(xiàng)研究[13]闡明了在特異性敲除轉(zhuǎn)鐵蛋白基因的小鼠模型中，溶質(zhì)載體家族39成員14(SLC39A14)是在轉(zhuǎn)鐵蛋白缺失的情況下導(dǎo)致非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵在肝細(xì)胞內(nèi)積累的關(guān)鍵蛋白，敲除SLC39A14能夠完全逆轉(zhuǎn)非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵沉積導(dǎo)致的肝細(xì)胞鐵死亡和肝纖維化。WANG L等[14]研究結(jié)果表明，蒿甲醚可以抑制HSC活化，從而改善肝纖維化小鼠模型體內(nèi)和體外的肝纖維化程度，并通過P53依賴性機(jī)制誘導(dǎo)活化的HSC鐵死亡，回復(fù)實(shí)驗(yàn)表明使用鐵死亡抑制劑不僅能夠消除蒿甲醚誘導(dǎo)的鐵死亡效應(yīng)，而且會(huì)抑制其抗纖維化作用。此外，蒿甲醚還可以抑制鐵調(diào)節(jié)蛋白2(IRP2)泛素化，導(dǎo)致活化的HSC中鐵離子和ROS積累，從而促進(jìn)HSC細(xì)胞鐵死亡并抑制肝纖維化[15]。另一項(xiàng)體內(nèi)外研究[16]表明，青蒿素的衍生物青蒿琥酯能夠激活鐵蛋白自噬，進(jìn)一步誘導(dǎo)纖維化肝臟中活化的HSC發(fā)生鐵死亡，從而抑制肝纖維化。此外，異甘草酸鎂(MgIG)也可以通過誘導(dǎo)活化的HSC發(fā)生鐵死亡而發(fā)揮抗纖維化作用。進(jìn)一步研究[17]表明，特異性鐵死亡抑制劑ferrostatin-1不僅消除了MgIG誘導(dǎo)的鐵死亡效應(yīng)，而且會(huì)拮抗其抗纖維化作用。另一項(xiàng)研究[18]表明，RNA結(jié)合蛋白胚胎致死性異常視覺樣蛋白1(ELAVL1/HuR)在促進(jìn)肝纖維化細(xì)胞鐵死亡中起著至關(guān)重要的作用，鐵死亡誘導(dǎo)劑索拉非尼能夠誘導(dǎo)鐵蛋白自噬和上調(diào)ELAVL1,二者通過協(xié)同作用促進(jìn)HSC鐵死亡，進(jìn)而改善肝纖維化患者的肝功能。研究[19]發(fā)現(xiàn)，索拉非尼治療會(huì)導(dǎo)致活化的HSC中鋅指蛋白36(ZFP36)下調(diào)，激活鐵蛋白自噬和誘導(dǎo)鐵死亡，并且該藥物的作用會(huì)被HSC特異性ZFP36的過表達(dá)所抑制。

2.2 肝纖維化的潛在治療方式及靶點(diǎn)

誘導(dǎo)活化的HSC鐵死亡是抑制肝纖維化進(jìn)展的有效方式。在鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)方面，肝臟內(nèi)促進(jìn)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)的保護(hù)性轉(zhuǎn)鐵蛋白和促進(jìn)鐵積累的SLC39A14蛋白在維持肝細(xì)胞內(nèi)鐵的動(dòng)態(tài)平衡中起著重要作用，抑制肝細(xì)胞內(nèi)非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵的積累是防止HSC活化的重要因素[13]，可以成為抑制肝纖維化的治療靶標(biāo)。在藥物作用方面，蒿甲醚[14-15]、青蒿琥酯[16]、MgIG[17]、索拉非尼[18-19]等藥物在肝纖維化疾病中能夠靶向誘導(dǎo)活化的HSC鐵死亡而起到抗纖維化作用，預(yù)示鐵死亡與肝纖維化之間有著密切聯(lián)系，通過藥物等作用靶向誘導(dǎo)活化的HSC鐵死亡或可作為臨床治療肝纖維化的有效措施。在分子水平方面，促進(jìn)ELAVL1蛋白或抑制ZFP36蛋白表達(dá)能夠促進(jìn)活化的HSC發(fā)生自噬依賴性鐵死亡而抑制肝纖維化進(jìn)展[18-19],選擇性調(diào)控ELAVL1和ZFP36蛋白的表達(dá)可以作為治療肝纖維化的潛在靶標(biāo)?？傊?，在鐵死亡誘導(dǎo)劑類藥物的作用下，通常能夠促進(jìn)活化的HSC鐵死亡并抑制肝纖維化進(jìn)程，研究新型的特異性藥物誘導(dǎo)活化的HSC發(fā)生鐵死亡在治療肝纖維化疾病方面有巨大潛力。此外，通過干預(yù)鐵死亡發(fā)生機(jī)制中關(guān)鍵分子如SLC39A14、ELAVL1和ZFP36的表達(dá)水平來調(diào)控活化的HSC鐵死亡的發(fā)生也為研究新型靶向藥物指明了方向。

3 鐵死亡和肺纖維化

鐵死亡與肺纖維化的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，與促鐵死亡過程相關(guān)的鐵、ROS、脂質(zhì)過氧化物積累及谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)活性受抑制是成纖維細(xì)胞向成肌纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化(FMT)和鐵死亡的主要誘因，在肺纖維化的發(fā)病機(jī)制中也起著關(guān)鍵作用[20]。

3.1 肺纖維化的發(fā)生機(jī)制

在肺纖維化進(jìn)展中，常伴隨鐵和脂質(zhì)過氧化物代謝失衡現(xiàn)象，抑制細(xì)胞內(nèi)鐵和脂質(zhì)過氧化物積累是抑制肺泡細(xì)胞鐵死亡和肺纖維化進(jìn)展的有效措施。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵過量時(shí)，細(xì)胞代謝過程中生成的過氧化氫和超氧自由基陰離子會(huì)與胞內(nèi)過量的鐵發(fā)生Fenton反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為對(duì)大分子物質(zhì)具有高反應(yīng)性的羥自由基，介導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，促使細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化而導(dǎo)致細(xì)胞損傷，并最終引發(fā)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[21]。有研究[22]表明在肺纖維化患者的肺組織和博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中均觀察到大量鐵沉積，而去鐵胺通過減少Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞中的鐵沉積并抑制鐵死亡阻止了博萊霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化進(jìn)程。在脂質(zhì)過氧化物清除方面，由溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)基因編碼的一條輕鏈xCT和溶質(zhì)載體家族3成員2(SLC3A2)基因編碼的一條重鏈4F2hct通過二硫鍵連接組成的異二聚體，即胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(System Xc-)發(fā)揮主導(dǎo)作用[23]。System Xc-攝入細(xì)胞外胱氨酸的同時(shí)會(huì)以1∶1的比例將谷氨酸排出，轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸被還原成半胱氨酸用于合成谷胱甘肽(GSH)[24]。GSH作為谷胱甘肽過氧化物酶4的必需輔助因子，其產(chǎn)生和維持對(duì)于保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激反應(yīng)造成的損害至關(guān)重要，可以用于消除胞內(nèi)產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化物，維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡狀態(tài)。GPX4能夠利用GSH清除由脂質(zhì)膜破壞、線粒體電子傳輸鏈破壞以及由含鐵酶釋放鐵產(chǎn)生的活性氧和脂質(zhì)反應(yīng)性物質(zhì)[25]。相關(guān)研究[26]表明，百草枯(PQ)的毒性與ROS的過量產(chǎn)生和通過脂質(zhì)過氧化引起的細(xì)胞氧化損傷密切相關(guān)，而鐵死亡抑制劑是緩解PQ中毒的有效療法。此外，多不飽和脂肪酸(PUFA)的產(chǎn)生是誘發(fā)鐵死亡的主要因素，脂氧合酶(LOX)對(duì)PUFA的氧化則會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的積累[27]。實(shí)際上,GPX4受到抑制、GSH減少和LOX活性水平升高均會(huì)導(dǎo)致脂肪酸如丙二醛(MDA)、4-羥基壬烯醛(4-HNE)的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化物增加，并最終引發(fā)病理狀態(tài)下的鐵死亡[28]。

LIU T T等[29]研究表明，上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)也是肺纖維化發(fā)生的重要病理過程之一，在肺纖維化發(fā)展過程中,EMT所致的E-鈣黏蛋白表達(dá)量降低會(huì)誘導(dǎo)鐵死亡相關(guān)脂質(zhì)活性氧和亞鐵離子增加，從而誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶 SETDB1(SETDB1)能通過抑制EMT進(jìn)程及鐵死亡來抑制肺纖維化進(jìn)展。在臨床常見的放射性肺纖維化(RILF)疾病中，鐵死亡參與了輻射誘導(dǎo)的炎癥、肺損傷及RILF。在此過程中，輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS積累是細(xì)胞鐵死亡的主要誘因，使用鐵死亡抑制劑liproxstatin-1處理后，能夠檢測到ROS水平、膠原蛋白沉積、羥脯氨酸含量等顯著下降;進(jìn)一步研究證實(shí)，鐵死亡抑制劑通過下調(diào)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-10(IL-10)和腫瘤壞死因子-β1(TGF-β1)的表達(dá)減輕了RILF,liproxstatin-1也被認(rèn)為是治療RILF患者的有效療法[30-31]。此外，最近一項(xiàng)研究[32]表明，使用生物工程納米反應(yīng)器(SOD@ARA290-HBc)能通過防止輻射誘導(dǎo)的肺泡上皮細(xì)胞凋亡和鐵死亡、抑制氧化應(yīng)激和炎癥來發(fā)揮抗輻射作用。

3.2 肺纖維化的潛在治療方式及靶點(diǎn)

抑制肺泡上皮細(xì)胞鐵死亡在抑制肺纖維化疾病的發(fā)生發(fā)展過程中占據(jù)重要地位。肺泡上皮細(xì)胞中鐵離子的積累是肺纖維化發(fā)生的主要因素之一，防止鐵離子沉積是抑制細(xì)胞鐵死亡所致肺纖維化的有效措施[22]。通過調(diào)控鐵死亡相關(guān)基因SETDB1表達(dá)可以抑制EMT進(jìn)程[29],這為肺纖維化的治療提供了一個(gè)嶄新的視角。鐵死亡抑制劑類藥物的使用在抑制肺泡細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生和治療肺纖維化疾病中具有重要的應(yīng)用價(jià)值,ferrostatin、liproxstatin-1和Zileuton是被證實(shí)的鐵死亡抑制劑[33],有潛力作為肺纖維化的治療藥物。此外，放射療法是臨床上常見的治療肺部腫瘤的有效方式之一，但往往會(huì)造成不同程度的肺部損傷，尤其是導(dǎo)致RILF的發(fā)生。有研究[34]證實(shí)鐵死亡在RILF的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用，抑制放療過程中鐵死亡的發(fā)生是治療該疾病的有效方式。由此可見，使用鐵死亡抑制劑或調(diào)控誘發(fā)鐵死亡的關(guān)鍵基因，能夠通過抑制鐵死亡的發(fā)生而減輕肺纖維化，為臨床有效治療肺纖維化疾病提供了理論指導(dǎo)。

4 展 望

細(xì)胞鐵死亡作為細(xì)胞死亡的一種新方式，在肝纖維化及肺纖維化疾病進(jìn)程中起著重要的調(diào)控作用，研究鐵死亡在肝纖維化和肺纖維化疾病中的作用，能夠?yàn)榕R床纖維化疾病的治療提供一個(gè)嶄新的視角，在不同纖維化疾病中選擇性抑制或促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生是治療纖維化疾病的新途徑。在肝纖維化發(fā)展過程中，異甘草酸鎂、青蒿素、青蒿琥酯、索拉非尼類藥物是促進(jìn)活化的HSC鐵死亡的有效藥物;在分子水平，抑制SLC39A14蛋白能夠抑制鐵在肝細(xì)胞內(nèi)積累;促進(jìn)ELAVL1蛋白或抑制ZFP36蛋白表達(dá)能夠促進(jìn)活化的HSC鐵死亡而抑制肝纖維化。在肺纖維化疾病中，使用去鐵胺、liproxstatin-1類藥物能夠抑制肺泡細(xì)胞鐵死亡;促進(jìn)SETDB1表達(dá)能抑制EMT和鐵死亡;SOD@ARA290-HBc抗輻射生物工程納米反應(yīng)器在降低肺纖維化程度上具有良好的應(yīng)用前景。在未來的研究中，深入剖析細(xì)胞鐵死亡發(fā)生的分子機(jī)制和關(guān)鍵信號(hào)通路可能會(huì)為纖維化疾病和其他疾病的診斷和治療提供新的方法，并找到有效的診斷指標(biāo)和治療靶標(biāo)。在不同疾病狀態(tài)下誘導(dǎo)鐵死亡可能具有損傷和治療雙重作用，需要根據(jù)疾病背景制訂相關(guān)的治療方案以限制副作用的發(fā)生，針對(duì)鐵死亡的發(fā)生機(jī)制研發(fā)新型靶向藥物來調(diào)控不同疾病類型中細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生有望成為未來疾病治療的新趨勢。