铁死亡在新生儿急性肺损伤中作用机制的研究进展

楚晓云，蔡 成

上海市儿童医院 上海交通大学医学院附属儿童医院 新生儿科，上海 200062

新生儿急性肺损伤(acute lung injury,ALI)是由多种因素引起的新生儿肺部弥漫性损伤,以进行性低氧血症和呼吸窘迫为主要临床表现,严重威胁新生儿生命安全。ALI的发病机制错综复杂,主要包括氧化应激、炎性反应、自噬及坏死性凋亡等[1-4],但确切机制尚未完全阐明,临床上亦无有效的防治措施。铁死亡是近年来发现的一种铁离子依赖性的、以脂质活性氧(reactive oxygen species, ROS)过量蓄积为特征的细胞调控性死亡形式。现越来越多证据表明,铁死亡在ALI的进程中发挥重要作用[5-7]。本文综述了铁死亡在ALI中作用机制的研究进展,以进一步阐明ALI的发病机制,并为其防治提供新靶点。

1 铁死亡的概述

2003年发现小分子化合物erastin对RAS突变的肿瘤细胞具有选择致死性,与经典凋亡途径不同,此过程无caspase酶的活化、caspase底物的裂解,也没有细胞核形态的变化[8],且能被铁螯合剂和亲脂性抗氧化剂所抑制[9]。2012年首次将这种细胞调控性死亡形式命名为铁死亡[10]。与凋亡,坏死和自噬均不同,铁死亡的主要形态学表现为线粒体皱缩、膜密度增加及嵴减少[10];在生化水平上,铁死亡主要表现为细胞内Fe2+过量蓄积、GSH耗竭、GPX4活性下降及膜脂质的过氧化反应[10-11];在遗传学上,铁死亡涉及多种基因的表达异常,尤其是铁调节相关基因[10]。铁死亡的调控机制错综复杂,主要包括铁稳态失调、氨基酸抗氧化系统失衡及脂质过氧化反应等。

2 铁死亡在新生儿ALI发病学中的作用

新生儿ALI是临床上常见的一种危急重症,其主要病理改变为肺泡毛细血管通透性增加、炎性细胞浸润及肺泡上皮细胞损伤,常由非心源性的肺内和肺外因素引起,但确切发病机制尚未完全阐明。目前已知铁稳态失调、胱氨酸/谷氨酸反向转运体(system Xc-)功能障碍和脂质过氧化反应是铁死亡的主要特征[10-11],同时这些代谢异常在ALI的发病机制中也占据重要地位[6,12]。各种致病因素引起的肺泡上皮细胞中Fe2+蓄积,可通过Fenton反应催化产生大量氧自由基,并进一步将多不饱和脂肪酸等膜脂氧化成脂质过氧化物,从而破坏细胞生物膜的结构和功能,诱发铁死亡并导致ALI[13]。谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)为铁死亡的核心调控蛋白,可通过降解H2O2及脂质ROS阻断脂质过氧化链式反应,避免细胞发生氧化性损伤。谷胱甘肽(glutathione,GSH)为体内重要的抗氧化剂和自由基清除剂,同时也是GPX4活化过程中必需的辅助因子[14]。system Xc-功能障碍可引起半胱氨酸剥夺,GSH合成减少,进一步导致依赖GSH的GPX4失活,最终引起脂质过氧化水平的增加,诱导铁死亡及ALI的发生[15]。

2.1 高氧肺损伤

氧气吸入是危重新生儿救治过程中必不可少的组成部分,但持续高氧暴露可导致机体产生大量高活性氧及自由基,从而干扰细胞代谢,抑制蛋白酶和DNA合成,造成广泛的细胞和组织损伤。在新生大鼠高氧肺损伤模型中可以观察到肺泡II型上皮细胞发生线粒体萎缩、膜结构破裂和嵴的减少等形态异常。同时,存在铁超负荷、与维持铁稳态相关的转铁蛋白受体(transferrin receptor,TFRC)、铁蛋白重链(ferritin heavy chain,FHC)和铁蛋白轻链(ferritin light chain,FLC)的表达增加、铁死亡核心调控蛋白GPX4及其辅助因子GSH的表达下降[5,16],表明铁死亡可通过调节铁稳态和抑制GPX4及GSH的活性参与高氧肺损伤的进程。而铁死亡抑制剂去铁胺可通过减少黄嘌呤氧化酶及增加谷胱甘肽还原酶的表达抑制氧化应激反应从而减轻高氧肺损伤,更是印证了这一观点。Nrf2作为机体抗氧化应激反应的核心转录因子,可在高氧暴露下上调铁死亡相关下游靶基因GSH、HO-1和NADPH的表达发挥肺保护作用,还可通过直接或间接调控GPX4和细胞内游离铁含量及线粒体功能从而调控铁死亡。因此,可以此为切入点进一步探索高氧肺损伤的防治策略。

2.2 脓毒症相关ALI

脓毒症是由感染引起的全身性炎性反应,发病率高且预后差,可引起机体免疫系统的过度激活,促炎细胞因子、集落刺激因子及趋化因子的过度释放,引发细胞因子风暴,从而导致肺微血管通透性增加、肺水肿和肺不张等病理改变。在脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS) 诱导的ALI小鼠支气管上皮细胞中存在铁超负荷、脂质过氧化的主要终产物丙二醛(malondialdehyde,MDA)表达增加、GPX4和SLC7A11的表达下降,ferrostatin-1可通过抑制上述改变有效缓解LPS诱导的ALI[6],提示铁死亡参与了脓毒症相关ALI的进程。多项研究表明Nrf2可通过调节铁代谢、氨基酸代谢及脂质过氧化反应相关靶基因的转录,在LPS诱导的ALI中发挥保护作用[14,17-18]。此外,铁死亡也通过铁超载及氨基酸抗氧化系统的失衡参与了SARS-CoV-2导致的COVID-19[19],铁死亡抑制剂ferrostatin-1和liproxstatin-1已被证实可有效缓解冠状病毒感染导致的鼠ALI[20]。

2.3 缺血/再灌注肺损伤

缺血/再灌注肺损伤是由于严重创伤、心肺复苏、休克及重大手术等引起的肺脏缺血后重新恢复血流时引起的损伤。除损伤肺微血管床外,还可导致肺泡血管内皮通透性增加,肺血管内炎性介质和炎性细胞的外渗,最终导致呼吸衰竭。在大鼠肠道缺血/再灌注肺损伤模型中存在MDA表达增加和GSH表达下降。Ferrostatin-1可通过增加GPX4和GSH的表达,抑制脂质过氧化反应减轻肠缺血再灌注相关ALI[7]。Nrf2可通过上调GPX4和HO-1的表达以及稳定线粒体功能有效缓解肺缺血/再灌注损伤[21]。p53凋亡刺激蛋白抑制剂 (inhibitor of apoptosis stimulating protein of p53,iASPP) 是p53家族中唯一凋亡刺激蛋白抑制剂,可通过激活Nrf2/HIF-1/TF信号通路调节铁代谢和脂质过氧化反应有效抑制肠缺血/再灌注诱导的铁死亡并减轻其肺损伤作用[22]。以上研究表明,铁死亡可通过铁超载及脂质过氧化参与缺血/再灌注肺损伤的进程,而Nrf2和p53可能为其潜在的治疗靶点。

2.4 其他因素导致的ALI

放射性治疗是一种用于治疗胸部恶性肿瘤的常规疗法,但放疗可损伤肺上皮细胞和血管内皮细胞,同时可刺激炎性因子大量释放产生炎性反应,最终导致ALI的发生。在大鼠放射性肺损伤模型中存在GPX4表达下降,Liproxstatin-1可通过上调GPX4的表达,降低ROS及炎性因子的水平减轻辐射诱导的ALI[23]。油酸可引起肺泡毛细血管通透性增加和肺间质水肿,引发ALI。在油酸诱导的ALI小鼠模型中存在铁超负荷,MDA表达升高,铁蛋白、GPX4及GSH表达下降[15]。溺水会损伤肺泡上皮细胞,进而导致缺氧、出血以及炎性反应。在海水淹溺性小鼠ALI模型中存在脂质ROS和MDA表达增加,GSH和SOD活性下降,ferrostatin-1可减少胞内ROS产生和脂质ROS积累,增加GSH表达和SOD活性缓解肺损伤。Nrf2可促进FHC和GPX4表达并稳定线粒体膜电位,从而缓解海水淹溺所致的ALI[24]。

3 问题与展望

综上所述,铁死亡作为一种新型细胞死亡形式参与了上述ALI的进程,但确切机制尚未阐明。虽然目前研究大多集中在动物和细胞水平,对于临床疗效的评价少之又少,但目前基于铁死亡为靶点对动物模型ALI的干预是确切有效的。通过对铁死亡信号通路及其调控因子的进一步探索,铁死亡调节剂有望成为ALI治疗的新靶向药物。