程序性细胞死亡及其在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

崔亚楠 陈燕

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD),简称“慢阻肺”,是一种异质性肺部疾病,其特征为慢性呼吸道症状(呼吸困难、咳嗽、咳痰),这是由于气道(支气管炎、细支气管炎)和/或肺泡(肺气肿)异常所致,可引起持续的、进行性的气流阻塞[1]。慢阻肺在全球范围内构成了重大疾病负担。预计至2060年,每年将有540多万例死于慢阻肺及慢阻肺相关疾病[2]。我国流行病学调查数据显示,国内慢阻肺患者近1亿例,其中40岁及以上人群的患病率为13.7%[3]。慢阻肺发病的潜在细胞和分子生物学机制尚未完全阐明。研究细胞死亡的调控对慢阻肺不同表型的机制研究至关重要。

细胞死亡在维持多细胞生物的稳态和发育中起关键作用,迄今为止,细胞死亡可分为两类:意外性细胞死亡(accidental cell death,ACD)和程序性细胞死亡(programmed cell death,PCD)[4]。ACD是不受控制的细胞死亡过程,由意外的伤害刺激触发,包括暴露于严重的物理、化学或机械损伤等引起,这些伤害超出了细胞的可调控能力,从而导致细胞死亡的发生。PCD的发生涉及效应分子参与的信号级联反应,具有独特的生化特征、形态特征和免疫学后果。常见的PCD模式有细胞凋亡、自噬、坏死性凋亡和焦亡,以及近年发现的铁死亡[4]。越来越多的研究表明,PCD与慢阻肺的发生发展密切相关。笔者对常见的几种PCD调控机制及其在慢阻肺中的研究进展进行汇总及讨论,旨在为慢阻肺的预防、诊断和治疗提供一定的参考。

PCD的发生机制

一、细胞凋亡

细胞凋亡是最早被公认的PCD形式之一,也被称为Ⅰ型PCD[5]。细胞凋亡的形态学特征有细胞收缩、染色质凝结、DNA碎裂和凋亡小体的形成,这些改变最终导致细胞解体,随后由固有免疫系统中的吞噬性管家吞噬,而不将促炎细胞内容物释放到细胞外环境中[6-8]。凋亡的启动和执行由半胱天冬氨酸蛋白酶(caspases)承担,一种天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶[9]。负责凋亡调控的caspases在功能上分为启动者caspases(caspases-8/9/10)以及执行者caspases(caspases-3/6/7)[10-11]。上游信号触发启动者caspases裂解激活,随后激活下游的执行者caspases。

目前研究有2种特征明确的凋亡途径,即外源性途径(死亡受体介导的途径)和内源性途径(线粒体介导的通路)[12]。在外源性途径中,凋亡信号通过细胞外配体与细胞外死亡受体的跨膜结构域结合而启动[5]。细胞外配体包括肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)和TNF相关凋亡诱导配体[13]。因此,死亡受体三聚化并将衔接分子接合到其死亡结构域,导致caspase-8激活,进而激活执行者caspases,介导凋亡细胞中的蛋白质水解,最终导致细胞核和其他细胞内结构的破坏[14]。内源性途径由细胞应激触发,如DNA损伤和代谢应激[15]。这些应激诱导了B细胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2,Bcl-2)家族成员中如Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2-associated X protein,Bax)和抗凋亡成员Bcl-2之间失衡[16]。促凋亡Bcl-2家族成员聚集在线粒体的外膜上,导致线粒体外膜透化[17],致使细胞色素c从线粒体膜间空间释放到细胞质中。进入细胞质的细胞色素c与多聚体凋亡肽酶激活因子1结合形成复合物[18],招募并激活caspase-9,导致凋亡小体的产生,并随之分离活性caspase-9,其切割并激活下游执行者caspases-3/7[19-20]。

二、坏死性凋亡

与细胞坏死不同,坏死性凋亡属于PCD。坏死性凋亡与凋亡的区别在于其调控过程中不涉及Caspases的激活。其形态学特征与坏死相似,包括细胞器肿胀和核膜碎裂[21]。此外,质膜的完整性受损,导致其破裂和随后的细胞内物质外漏,最终可导致炎症的发生[22]。值得注意的是,坏死性凋亡涉及溶酶体膜的透化及随后的线粒体损伤,最终在形态学和生物化学上以坏死样死亡告终。

坏死性凋亡可由白细胞介素-1β(IL-1β)、TNF、某些病毒感染和其他因素触发[23]。坏死性凋亡依赖于受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1(Receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 1,RIPK1)和RIPK3,其形成RIPK1/RIPK3复合物,称为坏死小体,在缺少caspase-8的情况下激活坏死性凋亡途径[23]。RIPK3活化后,介导混合谱系激酶结构域样(mixed-lineage kinase domain-like,MLKL)假激酶结构域不同位点的磷酸化,导致MLKL构象变化,并与带正电荷的六磷酸肌醇结合,随后募集到磷脂酰肌醇中,并在质膜中插入和多聚化,从而导致质膜透化,质膜完整性受损并破裂,损伤相关分子模式释放,刺激炎症小体,激活炎症,并引发免疫反应[22]。RIPK3激活MLKL是坏死性凋亡的关键调节通路。RIPK3依赖性坏死性凋亡受泛素-蛋白酶体系统调控,RIPK1和RIPK3可被去泛素化酶激活,诱导坏死性凋亡的发生[22]。

三、自噬

自噬被称为Ⅱ型PCD,对维持细胞稳态至关重要[24]。自噬是真核细胞在营养应激条件下采用的一种生存机制。自噬途径始于自噬体的形成,这是一种双层膜结构,含有ATG蛋白和细胞器等自噬成分。随后,自噬体与溶酶体融合降解,提供额外的能量来源。这一途径有助于回收细胞营养物质和细胞器,以防止营养应激导致的细胞过早死亡[25-26]。尽管自噬通常被认为是细胞采取的一种促进生存的策略,但也被认为是包括恶性细胞在内的细胞通过自我消化而实施的“自杀”机制[27]。过度的自噬可导致细胞死亡,即自噬依赖性细胞死亡[28-29]。

自噬中的双层膜被认为来源于内质网膜,它们延长并融合,形成自噬体[30]。自噬体吞噬细胞质的一部分[31]。因此,自噬过程包含5个阶段,即启动、成核、伸长/闭合、融合和分解[32]。在自噬的发生过程中,有多种自噬相关蛋白可调节和控制自噬形成的不同阶段。苄氯素1(beclin 1)是自噬关键调控蛋白之一,参与自噬体膜形成。微管相关蛋白轻链3(microtubule-associated protein light chain 3,LC3)对自噬体的延伸/闭合至关重要[33]。LC3结合在自噬体表面,并持续存在于自噬体膜上[34]。蛋白质p62在通过与LC3相互作用募集到自噬体后,被自噬溶酶体系统持续水解,因此,在自噬缺陷细胞中可以检测到p62的蓄积[35]。自噬可被能量传感器腺苷单磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)激活,AMPK受低葡萄糖条件刺激,诱导ATP水平降低和自噬激活[36-37]。此外,雷帕霉素复合物1的哺乳动物靶标(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)可以根据细胞营养状况控制包括自噬在内的各种细胞过程[38]。研究显示,胰岛素信号通过激活细胞中的mTORC1减少自噬的发生[39]。自噬也可由活性氧(reactive oxygen species,ROS)触发[40],外源性过氧化氢可以激活自噬相关蛋白酶,导致LC3的上调和mTORC1活性的抑制[41]。

四、焦亡

焦亡是由炎性小体激活的一种PCD形式,可以导致质膜穿孔,随后释放促炎细胞成分,在炎症和免疫中起着重要的作用[42-43]。炎性小体途径可以分为典型的caspase-1依赖性炎症小体途径和非典型的caspase-4/5/11依赖性炎症小体途径。典型的caspase-1依赖性炎症小体可以被病原体相关分子模式、损伤相关分子模式或其他免疫反应选择性激活[42-44]。非典型的caspase-4/5/11依赖性炎症小体由巨噬细胞、单核细胞或其他细胞细胞质中的脂多糖激活[45-46]。焦孔素(gasdermin D,GSDMD)是焦亡的关键效应分子,GSDMD被caspase-1或caspase-11切割产生22 kDa C-末端片段(GSDMD-C)和31 kDa N-末端片段(GSDMD-N),GSDMD-N产生后立即移位到质膜的内部小叶与磷脂结合,诱导孔的形成,最终导致细胞膜裂解。而GSDMD-C可以抑制GSDMD-N的这一活性。同时,caspase-1切割pro-IL-1β/IL-18,并通过GSDMD孔释放高度免疫原性的IL-1β/IL-18,引起剧烈炎症反应[44, 47-49]。

五、铁死亡

细胞铁死亡是由铁积累和脂质过氧化驱动的一种新兴PCD形式,其特征在于线粒体变小、线粒体嵴减少、线粒体膜密度增加和线粒体膜破裂增加。铁死亡是通过非酶促(芬顿反应)和酶促机制(脂氧合酶)引发的铁催化的脂质过氧化过程。多不饱和脂肪酸是膜脂质过氧化的主要靶点[50]。铁死亡可以经由失活谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPx4;生物膜抵抗过氧化损伤的主要保护性分子)的常规方式诱导或通过增加不稳定铁池的非常规方式诱导[4]。胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白(系统Xc)是抑制铁死亡脂质过氧化过程的关键抗氧化系统,其核心组件为溶质承载家族7成员11(Solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)。该系统促进胞外胱氨酸和胞内谷氨酸在质膜上的交换,助力后续GPx4发挥抗氧化作用。系统Xc-抑制剂被认为是Ⅰ类铁死亡诱导剂,而靶向GPx4的抑制剂被认为是Ⅱ类铁死亡诱导剂[51]。

值得注意的是,细胞GPx4耗竭也显示出对凋亡[52]、坏死性凋亡[53]和焦亡[54]的敏感性,提示脂质过氧化可能加速一系列不同的PCD模式。细胞死亡可能在不同方式之间进行转换。Zheng等[55]发现细胞凋亡可以转变为铁死亡。铁死亡诱导剂erastin激活p53依赖性CHOP/PUMA轴,并增加对TNF相关凋亡诱导配体诱导的凋亡的敏感性[56]。研究显示,铁死亡经常伴随着坏死性凋亡的发生。脑出血后,铁死亡和坏死性凋亡的分子标记物均增加而且脑出血后的神经元超微结构以铁死亡和坏死性凋亡为特征[57-58]。在肾缺血再灌注损伤的小鼠模型中,敲除坏死性凋亡相关蛋白MLKL的细胞更容易发生铁死亡[59]。铁死亡中线粒体损伤导致线粒体通透性转换孔开放,RIPK1/3磷酸化加剧,最终导致坏死性凋亡[60]。而RIPK3的上调导致过量ROS的产生并通过内质网应激/钙超载/ROS途径诱导线粒体通透性转换孔开放,进一步增加了细胞对铁死亡的敏感性[60-64]。越来越多的研究表明,铁死亡的发生需要自噬机制参与,是一种自噬依赖性细胞死亡[65-66]。在蛛网膜下腔出血的小鼠模型中,自噬降解神经元中的铁蛋白,增加细胞内游离铁水平,从而促进铁死亡[67]。还有研究发现,自噬相关基因的敲除抑制了erastin诱导的铁死亡,降低了细胞内的Fe2+和脂质过氧化水平[68-69]。有学者发现,细胞内铁和ROS异常蓄积可以同时诱导焦亡和铁死亡两种细胞死亡形式[70]。此外,Kang等[54]发现髓系细胞中GPx4的缺乏增加了caspase-1/11介导的GSDMD产生,促进了焦亡。这些研究表明,铁死亡与多种PCD模式之间存在交叉互作,但其具体分子机制有待进一步探讨。

PCD参与慢阻肺发生发展

一、细胞凋亡与慢阻肺

作为最早被研究的PCD方式,细胞凋亡与慢阻肺发生发展的关系较为明确。肺结构细胞的凋亡可能是慢阻肺发病机制中的重要上游事件,慢阻肺患者肺部凋亡的气道上皮细胞和肺血管内皮细胞均显著增加,这些病理变化不能被结构细胞的增殖所改善,最终导致肺组织的破坏和肺气肿的发展[71]。肺血管重塑是慢阻肺继发肺动脉高压的重要病理改变,研究显示慢阻肺大鼠模型的肺血管中存在凋亡/增殖的严重失衡,肺血管内皮细胞凋亡增加,平滑肌细胞过度增殖是肺血管重塑的关键机制[72]。此外,支气管上皮细胞及肺泡上皮细胞的凋亡同样与慢阻肺发病密切相关。Chen等[73]针对非吸烟者、吸烟非慢阻肺患者和吸烟慢阻肺患者的研究证实,与对照组相比,慢阻肺患者肺组织中存在显著增加的支气管上皮细胞凋亡。在香烟烟雾暴露或CSE腹腔注射建立的肺气肿小鼠模型中同样可检测到支气管上皮细胞和肺泡上皮细胞凋亡增加,而抑制支气管上皮细胞或肺泡上皮细胞的凋亡可减缓或部分逆转慢阻肺动物模型肺气肿的严重程度[73-74]。大量CSE干预的体外细胞实验也显示,在支气管上皮细胞及肺泡上皮细胞中,CSE能明显抑制抗凋亡因子BCL2的表达,诱导凋亡效应分子caspase-3的激活,促进细胞凋亡[73, 75-76]。这些体内及体外研究均表明吸烟可通过诱导肺结构细胞凋亡和功能障碍,启动慢阻肺的发病过程。

二、坏死性凋亡与慢阻肺

慢阻肺患者肺部的坏死性凋亡显著增加,抑制坏死性凋亡的发生可以减轻香烟烟雾暴露导致的慢阻肺小鼠模型中的气道炎症、气道重塑和肺气肿[77]。颗粒物干预人类支气管上皮细胞以模拟体外病理过程的研究也表明,坏死性凋亡抑制剂可以减轻炎性细胞因子以及黏蛋白的释放[78]。此外,抑制暴露于CSE的巨噬细胞坏死性凋亡也可以减少炎性细胞因子的产生[79]。Mao等[80]研究表明,褪黑素通过抑制坏死性凋亡,减轻炎症细胞向气道的浸润,减少气道重塑,增加支气管上皮细胞纤毛数量。在急性和慢性香烟烟雾暴露下,与正常小鼠相比,RIPK3缺陷和MLKL缺陷小鼠中炎症细胞、趋化因子、气道基底膜厚度和肺组织胶原沉积水平均显著减少,证实坏死性凋亡是导致气道炎症和气道重塑的上游机制[81]。最近的一项研究发现,尽管毒性颗粒物可诱导细胞凋亡和坏死性凋亡,但是细胞应激的增加导致了细胞死亡模式的转换,从早期向晚期凋亡转变,最终发展为坏死性凋亡[82]。研究者同时在香烟烟雾暴露前使用坏死性凋亡或凋亡抑制剂干预小鼠,发现肺气肿的恶化程度可以被坏死性凋亡抑制剂减缓而非凋亡抑制剂的作用[83]。该研究强调了坏死性凋亡在慢阻肺发生发展中的独立作用。

坏死性凋亡参与慢阻肺发病的具体机制可能包括诱导促炎介质异常增多、死亡细胞吞噬不足及促进氧化应激的发生。坏死性凋亡是慢阻肺中肺上皮细胞死亡的重要模式,可导致细胞内容物释放到细胞外环境中,释放大量包括高迁移率族蛋白1 (high mobility group box-1 protein,HMGB1)在内的损伤相关分子模式。HMGB1可作为坏死标志物,在慢阻肺患者的上皮细胞和肺泡巨噬细胞中高度表达,并与用力呼气量呈负相关,且HMGB1可与晚期糖基化终产物受体相互作用促进中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞的活化,释放炎症介质[84]。此外,巨噬细胞对坏死性凋亡的细胞及大量释放的损伤相关分子模式清除减慢,死亡细胞吞噬不足,可诱导促炎因子表达的增高和病理性炎症的发生[82]。坏死性凋亡和氧化应激相互作用,可能是慢阻肺气流受限难以控制持续进展的关键因素。有研究表明,坏死性凋亡途径中的关键蛋白RIPK3可促进氧化应激的发生[85]。相反,氧化抗氧化的失衡可能进一步诱导细胞坏死性凋亡。线粒体ROS可调节慢阻肺中坏死性凋亡的发生,从而导致气流受限。Wang等[79]通过使用线粒体靶向抗氧化剂特异性抑制巨噬细胞中的线粒体ROS,证实线粒体ROS介导CSE诱导的坏死性凋亡和炎症反应。RIPK1/RIPK3的敲除和RIPK1的药理学抑制可以阻断ROS的产生和细胞死亡,而ROS清除剂可以阻断RIPK1和RIPK3之间的相互作用,表明ROS可以促进RIPK1/RIPK3坏死小体复合物的稳定,进而激活坏死性凋亡信号[86]。因此,抑制坏死性凋亡的发生对于防止慢阻肺患者气流受限的进行性加重至关重要。

三、自噬与慢阻肺

越来越多的证据表明,慢阻肺患者存在自噬功能失调[87-88]。自噬的缺陷会导致氧化应激损伤的蛋白质和细胞器的清除失败,进而加速慢阻肺的发生发展[89]。相反,过度活跃的自噬会导致细胞死亡或凋亡增加及纤毛丧失,最终导致肺气肿[90]。吸烟、环境损伤、衰老或其他因素导致的自噬失调可诱导更多的ROS形成,参与慢阻肺发病[91]。与年龄匹配的非吸烟者相比,重度慢阻肺患者的外周肺组织中p62和LC3显著增加,表明慢阻肺患者的自噬受损[89]。CSE可诱导人原代支气管上皮细胞中自噬体成熟缺陷标志物p62、p62寡聚体和LC3的积累,自噬体无法与溶酶体融合[92]。自噬相关基因缺乏抑制自噬的发生,可进一步抑制颗粒气溶胶在小鼠体内诱导的肺部炎症,而自噬增加会导致肺部炎症[93]。香烟烟雾暴露会损害黏膜纤毛功能,导致小鼠体内气道和体外气管支气管细胞中纤毛缩短和功能失调,Beclin-1的缺乏阻止了吸烟所致黏膜纤毛清除的减少,证实了自噬在这一过程中的重要作用。香烟烟雾还会导致气道上皮细胞线粒体功能障碍,并诱导线粒体自噬[94]。

香烟烟雾诱导的过度自噬和线粒体自噬可分别导致支气管细胞凋亡和坏死性凋亡,从而参与肺气肿的发展[95]。线粒体自噬的激活,与其他PCD形式相联系,构成慢阻肺表型的驱动因素,在正常肺部稳态和发病过程中发挥重要作用。研究表明,氧化应激可以通过消耗干细胞加速衰老,导致功能失调的线粒体聚集,并减少自噬,促进氧化应激的加重[96]。线粒体自噬通过去除受损的线粒体减少ROS的产生,对人支气管上皮细胞发挥显著的保护作用[97]。抑制线粒体吞噬作用的激活,可以导致慢阻肺患者小气道上皮细胞中ROS的产生增加和炎症小体的激活[97]。Parkin是线粒体自噬的关键调节因子,已显示在慢阻肺患者组织中显著下调,同时在慢阻肺小鼠模型中,Parkin基因的缺失可以导致气道重塑和肺气肿的恶化[97]。这表明Parkin水平的增加可增强线粒体吞噬作用,减缓慢阻肺的进展。因此,自噬是通过清除和降解受损的线粒体和氧化蛋白来调节细胞中ROS和氧化应激水平的最重要的生物学反应之一,研究自噬的准确调控机制可能有利于寻找涉及氧化应激的慢阻肺治疗新策略。

四、焦亡与慢阻肺

焦亡是由炎性小体激活的细胞死亡方式,而NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)参与构成研究最为广泛的炎性小体,在香烟烟雾诱导的支气管上皮细胞焦亡中发挥重要作用[98]。Zhang等[99]报道暴露于CSE的支气管上皮细胞中,乳酸脱氢酶释放增加、NLRP3转录和翻译上调、caspase-1活性升高,以及IL-1β和IL-18释放增多,提出CSE通过ROS/NLRP3/caspase-1通路诱导支气管上皮细胞中的炎症和焦亡。尼古丁是香烟中的主要成分之一,近期有学者利用尼古丁处理正常人支气管上皮细胞系,发现尼古丁处理可以显著诱导细胞死亡并抑制细胞的增殖。此外,尼古丁暴露同样显著增加了支气管上皮细胞中caspase-1、IL-1β、IL-18、NLRP3、凋亡相关蛋白和GSDMD的表达水平,诱导支气管上皮细胞焦亡[100]。还有研究者通过香烟烟雾和脂多糖气管滴注建立慢阻肺大鼠模型,探讨盐疗法的抗炎抗氧化作用。他们发现盐疗法抑制了慢阻肺大鼠的肺部炎性细胞浸润,减轻了慢阻肺大鼠肺组织中的氧化应激,减少了肺组织中CD4和CD8 T淋巴细胞的聚积及血清中炎性因子的产生。同时,盐疗法可通过抑制NLRP3炎性小体途径减少慢阻肺大鼠的炎症和焦亡,从而改善其肺功能[101]。炎性小体激活剂,包括细胞外ATP、ROS和损伤相关分子模式在慢阻肺患者的气道中显著增加[102]。Mo等[103]利用脂多糖处理人肺成纤维细胞系MRC-5构建慢阻肺细胞模型,结果发现脂多糖处理的MRC-5细胞中caspase-1、IL-1β、IL-18和裂解的GSDMD的表达水平均明显升高,表明焦亡与慢阻肺发病有关。lncRNA GAS5表达的增加显著促进了caspase-1、IL-1β、IL-18、裂解的GSDMD和NLRP3的产生。进一步双荧光素酶测定表明,lncRNA GAS5可以直接与microRNA-223-3p结合,而NLRP3是microRNA-223-3p的直接靶点。因此,提出lncRNA GAS5通过靶向microRNA-223-3p/NLRP3轴促进慢阻肺中焦亡的发生[103]。TRPV4是一种钙渗透性阳离子选择性通道,通过释放ATP和IL-1β参与慢阻肺发病。慢阻肺患者和长期香烟烟雾暴露小鼠的气道上皮细胞中焦亡和TRPV4水平均上调。抑制TRPV4可以通过抑制NLRP3炎性小体/激活的caspase-1/GSDMD 通路、减少PI阳性细胞数量及乳酸脱氢酶释放、减少促炎因子IL-1β和IL-8及IL-18的表达和增加抗炎因子的表达来减弱香烟烟雾诱导的气道上皮细胞焦亡[104]。Wang等[105]发现髓系细胞1上表达的触发受体(TREM-1)在慢阻肺中高表达,抑制TREM-1,显著减轻了NLRP3炎症小体的激活和焦亡。他们进行的回复实验证明,TREM-1通过调节NLRP3炎症小体激活焦亡,进而提出TREM-1通过激活NLRP3炎症小体介导的焦亡促进慢阻肺小鼠的肺损伤和炎症。慢阻肺中焦亡的研究多数仅局限于近两年的文献报道中,其具体调控机制及焦亡如何与其他PCD模式相互作用参与慢阻肺发病仍需进一步探索。

五、铁死亡与慢阻肺

作为一种新近提出的PCD方式,铁死亡在慢阻肺中的作用越来越受到学者的关注[106]。Zhang等[107]研究发现慢阻肺患者存在铁死亡及GPx4表达的下调。CSE干预的支气管上皮细胞中,ROS、脂质过氧化物和丙二醛(malonaldehyde,MDA)水平升高,但伴随GPx4和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的耗竭。铁死亡抑制剂可以逆转CSE诱导的支气管上皮细胞中IL-1β和IL-8的产生。与非吸烟者和吸烟非慢阻肺患者相比,慢阻肺患者的核转录因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2,Nrf2)水平显著降低。增加的Nrf2表达可以促进GPx4和SOD水平升高,抑制铁死亡和促炎细胞因子的释放,抑制GPx4逆转了Nrf2过表达的影响,并促进了铁死亡。他们还发现慢阻肺患者及CSE干预的支气管上皮细胞中Nrf2启动子中特定位点被甲基化修饰,从而提出慢阻肺患者中Nrf2启动子区高甲基化诱导其表达下调,抑制GPx4介导铁死亡发生[107]。在香烟烟雾暴露期间,不稳定的铁积累和增强的脂质过氧化伴随非凋亡性细胞死亡,受到GPx4活性的负调节[108]。通过引入GPx4基因敲除鼠,研究者发现GPx4敲除后暴露于香烟烟雾的小鼠会出现脂质过氧化产物的堆积,铁死亡诱导剂的干预可加重上述改变[108]。使用全烟冷凝物处理支气管上皮细胞,发现细胞活力呈剂量依赖性下降,并且细胞中线粒体分裂和融合、内质网结构受损和自噬体样空泡形成,内质网附近铁蛋白及p62蛋白的表达显著增强[109]。在慢阻肺患者、颗粒物暴露的野生型和Nrf2敲除小鼠模型及颗粒物干预的支气管上皮细胞模型中,ROS、MDA和其他氧化因子的表达显著增加,而GPx4表达降低,活性铁蓄积[110]。利用CSE干预的支气管肺泡上皮细胞进行的转录组测序结果提示,差异表达基因与氧化应激和铁死亡有关,使用铁死亡抑制剂减弱了CSE诱导的ROS聚集和炎性介质表达[111]。有学者采用基因表达综合(gene expression omnibus,GEO)数据库分析鉴定了包括SLC7A11在内的7种铁死亡相关基因作为诊断和治疗慢阻肺的潜在生物标志物,并提出这些铁死亡相关基因的分子功能主要涉及氧化应激相关的生物过程,Nrf2通路可能是香烟烟雾所致慢阻肺中调节铁死亡的关键途径[112]。有研究表明,铁死亡与香烟烟雾诱导的肺上皮细胞损伤和炎症有关,而姜黄素可有效减轻香烟烟雾诱导的肺上皮细胞损伤、炎症和铁死亡[113]。

Liu等[114]和Cui等[115]最新研究成果证实,在慢阻肺患者肺组织、CSE干预的慢阻肺小鼠模型肺组织和CSE干预的支气管上皮细胞中均出现脂质过氧化物蓄积、GPx4和SLC7a11的表达水平下降及铁死亡典型的形态学改变,如线粒体固缩、嵴膜消失等。使用二氢槲皮素治疗可通过调控Nrf2通路有效减轻香烟烟雾诱导的支气管上皮细胞铁死亡[114]。

总结与展望

PCD是由细胞内特定基因调控的分子程序介导的细胞死亡过程,对维持细胞稳态至关重要。PCD的多种模式间可发生相互作用,共同参与疾病的发生发展。氧化应激参与各种形式的细胞死亡,可能是介导不同死亡模式相互调节的关键因素。PCD与慢阻肺发病密切相关。虽然大量研究已表明细胞凋亡及自噬参与慢阻肺发生发展,但慢阻肺中焦亡及铁死亡相关的研究较少,且慢阻肺中各种PCD间相互作用的模式仍有待进一步阐明。在未来的研究中,应深入识别和探讨香烟烟雾暴露后的肺组织中铁死亡与其他细胞死亡方式之间的联系,并将基础实验研究结果转化至临床应用中,通过实现多靶点综合干预,为慢阻肺患者的防治提供新的选择。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献崔亚楠:收集文献、撰写论文;陈燕:指导和修改论文