楚曉云，蔡 成

上海市兒童醫(yī)院 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院 新生兒科，上海 200062

新生兒急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是由多種因素引起的新生兒肺部彌漫性損傷,以進(jìn)行性低氧血癥和呼吸窘迫為主要臨床表現(xiàn),嚴(yán)重威脅新生兒生命安全。ALI的發(fā)病機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜,主要包括氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)、自噬及壞死性凋亡等[1-4],但確切機(jī)制尚未完全闡明,臨床上亦無(wú)有效的防治措施。鐵死亡是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種鐵離子依賴性的、以脂質(zhì)活性氧(reactive oxygen species, ROS)過(guò)量蓄積為特征的細(xì)胞調(diào)控性死亡形式?，F(xiàn)越來(lái)越多證據(jù)表明,鐵死亡在ALI的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用[5-7]。本文綜述了鐵死亡在ALI中作用機(jī)制的研究進(jìn)展,以進(jìn)一步闡明ALI的發(fā)病機(jī)制,并為其防治提供新靶點(diǎn)。

1 鐵死亡的概述

2003年發(fā)現(xiàn)小分子化合物erastin對(duì)RAS突變的腫瘤細(xì)胞具有選擇致死性,與經(jīng)典凋亡途徑不同,此過(guò)程無(wú)caspase酶的活化、caspase底物的裂解,也沒(méi)有細(xì)胞核形態(tài)的變化[8],且能被鐵螯合劑和親脂性抗氧化劑所抑制[9]。2012年首次將這種細(xì)胞調(diào)控性死亡形式命名為鐵死亡[10]。與凋亡,壞死和自噬均不同,鐵死亡的主要形態(tài)學(xué)表現(xiàn)為線粒體皺縮、膜密度增加及嵴減少[10];在生化水平上,鐵死亡主要表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)Fe2+過(guò)量蓄積、GSH耗竭、GPX4活性下降及膜脂質(zhì)的過(guò)氧化反應(yīng)[10-11];在遺傳學(xué)上,鐵死亡涉及多種基因的表達(dá)異常,尤其是鐵調(diào)節(jié)相關(guān)基因[10]。鐵死亡的調(diào)控機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜,主要包括鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)、氨基酸抗氧化系統(tǒng)失衡及脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)等。

2 鐵死亡在新生兒ALI發(fā)病學(xué)中的作用

新生兒ALI是臨床上常見(jiàn)的一種危急重癥,其主要病理改變?yōu)榉闻菝?xì)血管通透性增加、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)及肺泡上皮細(xì)胞損傷,常由非心源性的肺內(nèi)和肺外因素引起,但確切發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。目前已知鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)、胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(system Xc-)功能障礙和脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)是鐵死亡的主要特征[10-11],同時(shí)這些代謝異常在ALI的發(fā)病機(jī)制中也占據(jù)重要地位[6,12]。各種致病因素引起的肺泡上皮細(xì)胞中Fe2+蓄積,可通過(guò)Fenton反應(yīng)催化產(chǎn)生大量氧自由基,并進(jìn)一步將多不飽和脂肪酸等膜脂氧化成脂質(zhì)過(guò)氧化物,從而破壞細(xì)胞生物膜的結(jié)構(gòu)和功能,誘發(fā)鐵死亡并導(dǎo)致ALI[13]。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)為鐵死亡的核心調(diào)控蛋白,可通過(guò)降解H2O2及脂質(zhì)ROS阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng),避免細(xì)胞發(fā)生氧化性損傷。谷胱甘肽(glutathione,GSH)為體內(nèi)重要的抗氧化劑和自由基清除劑,同時(shí)也是GPX4活化過(guò)程中必需的輔助因子[14]。system Xc-功能障礙可引起半胱氨酸剝奪,GSH合成減少,進(jìn)一步導(dǎo)致依賴GSH的GPX4失活,最終引起脂質(zhì)過(guò)氧化水平的增加,誘導(dǎo)鐵死亡及ALI的發(fā)生[15]。

2.1 高氧肺損傷

氧氣吸入是危重新生兒救治過(guò)程中必不可少的組成部分,但持續(xù)高氧暴露可導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生大量高活性氧及自由基,從而干擾細(xì)胞代謝,抑制蛋白酶和DNA合成,造成廣泛的細(xì)胞和組織損傷。在新生大鼠高氧肺損傷模型中可以觀察到肺泡II型上皮細(xì)胞發(fā)生線粒體萎縮、膜結(jié)構(gòu)破裂和嵴的減少等形態(tài)異常。同時(shí),存在鐵超負(fù)荷、與維持鐵穩(wěn)態(tài)相關(guān)的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor,TFRC)、鐵蛋白重鏈(ferritin heavy chain,FHC)和鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain,FLC)的表達(dá)增加、鐵死亡核心調(diào)控蛋白GPX4及其輔助因子GSH的表達(dá)下降[5,16],表明鐵死亡可通過(guò)調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)和抑制GPX4及GSH的活性參與高氧肺損傷的進(jìn)程。而鐵死亡抑制劑去鐵胺可通過(guò)減少黃嘌呤氧化酶及增加谷胱甘肽還原酶的表達(dá)抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)從而減輕高氧肺損傷,更是印證了這一觀點(diǎn)。Nrf2作為機(jī)體抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的核心轉(zhuǎn)錄因子,可在高氧暴露下上調(diào)鐵死亡相關(guān)下游靶基因GSH、HO-1和NADPH的表達(dá)發(fā)揮肺保護(hù)作用,還可通過(guò)直接或間接調(diào)控GPX4和細(xì)胞內(nèi)游離鐵含量及線粒體功能從而調(diào)控鐵死亡。因此,可以此為切入點(diǎn)進(jìn)一步探索高氧肺損傷的防治策略。

2.2 膿毒癥相關(guān)ALI

膿毒癥是由感染引起的全身性炎性反應(yīng),發(fā)病率高且預(yù)后差,可引起機(jī)體免疫系統(tǒng)的過(guò)度激活,促炎細(xì)胞因子、集落刺激因子及趨化因子的過(guò)度釋放,引發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴,從而導(dǎo)致肺微血管通透性增加、肺水腫和肺不張等病理改變。在脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS) 誘導(dǎo)的ALI小鼠支氣管上皮細(xì)胞中存在鐵超負(fù)荷、脂質(zhì)過(guò)氧化的主要終產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde,MDA)表達(dá)增加、GPX4和SLC7A11的表達(dá)下降,ferrostatin-1可通過(guò)抑制上述改變有效緩解LPS誘導(dǎo)的ALI[6],提示鐵死亡參與了膿毒癥相關(guān)ALI的進(jìn)程。多項(xiàng)研究表明Nrf2可通過(guò)調(diào)節(jié)鐵代謝、氨基酸代謝及脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄,在LPS誘導(dǎo)的ALI中發(fā)揮保護(hù)作用[14,17-18]。此外,鐵死亡也通過(guò)鐵超載及氨基酸抗氧化系統(tǒng)的失衡參與了SARS-CoV-2導(dǎo)致的COVID-19[19],鐵死亡抑制劑ferrostatin-1和liproxstatin-1已被證實(shí)可有效緩解冠狀病毒感染導(dǎo)致的鼠ALI[20]。

2.3 缺血/再灌注肺損傷

缺血/再灌注肺損傷是由于嚴(yán)重創(chuàng)傷、心肺復(fù)蘇、休克及重大手術(shù)等引起的肺臟缺血后重新恢復(fù)血流時(shí)引起的損傷。除損傷肺微血管床外,還可導(dǎo)致肺泡血管內(nèi)皮通透性增加,肺血管內(nèi)炎性介質(zhì)和炎性細(xì)胞的外滲,最終導(dǎo)致呼吸衰竭。在大鼠腸道缺血/再灌注肺損傷模型中存在MDA表達(dá)增加和GSH表達(dá)下降。Ferrostatin-1可通過(guò)增加GPX4和GSH的表達(dá),抑制脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)減輕腸缺血再灌注相關(guān)ALI[7]。Nrf2可通過(guò)上調(diào)GPX4和HO-1的表達(dá)以及穩(wěn)定線粒體功能有效緩解肺缺血/再灌注損傷[21]。p53凋亡刺激蛋白抑制劑 (inhibitor of apoptosis stimulating protein of p53,iASPP) 是p53家族中唯一凋亡刺激蛋白抑制劑,可通過(guò)激活Nrf2/HIF-1/TF信號(hào)通路調(diào)節(jié)鐵代謝和脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)有效抑制腸缺血/再灌注誘導(dǎo)的鐵死亡并減輕其肺損傷作用[22]。以上研究表明,鐵死亡可通過(guò)鐵超載及脂質(zhì)過(guò)氧化參與缺血/再灌注肺損傷的進(jìn)程,而Nrf2和p53可能為其潛在的治療靶點(diǎn)。

2.4 其他因素導(dǎo)致的ALI

放射性治療是一種用于治療胸部惡性腫瘤的常規(guī)療法,但放療可損傷肺上皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞,同時(shí)可刺激炎性因子大量釋放產(chǎn)生炎性反應(yīng),最終導(dǎo)致ALI的發(fā)生。在大鼠放射性肺損傷模型中存在GPX4表達(dá)下降,Liproxstatin-1可通過(guò)上調(diào)GPX4的表達(dá),降低ROS及炎性因子的水平減輕輻射誘導(dǎo)的ALI[23]。油酸可引起肺泡毛細(xì)血管通透性增加和肺間質(zhì)水腫,引發(fā)ALI。在油酸誘導(dǎo)的ALI小鼠模型中存在鐵超負(fù)荷,MDA表達(dá)升高,鐵蛋白、GPX4及GSH表達(dá)下降[15]。溺水會(huì)損傷肺泡上皮細(xì)胞,進(jìn)而導(dǎo)致缺氧、出血以及炎性反應(yīng)。在海水淹溺性小鼠ALI模型中存在脂質(zhì)ROS和MDA表達(dá)增加,GSH和SOD活性下降,ferrostatin-1可減少胞內(nèi)ROS產(chǎn)生和脂質(zhì)ROS積累,增加GSH表達(dá)和SOD活性緩解肺損傷。Nrf2可促進(jìn)FHC和GPX4表達(dá)并穩(wěn)定線粒體膜電位,從而緩解海水淹溺所致的ALI[24]。

3 問(wèn)題與展望

綜上所述,鐵死亡作為一種新型細(xì)胞死亡形式參與了上述ALI的進(jìn)程,但確切機(jī)制尚未闡明。雖然目前研究大多集中在動(dòng)物和細(xì)胞水平,對(duì)于臨床療效的評(píng)價(jià)少之又少,但目前基于鐵死亡為靶點(diǎn)對(duì)動(dòng)物模型ALI的干預(yù)是確切有效的。通過(guò)對(duì)鐵死亡信號(hào)通路及其調(diào)控因子的進(jìn)一步探索,鐵死亡調(diào)節(jié)劑有望成為ALI治療的新靶向藥物。