周思江，寧宗

細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）指由基因決定的細胞主動的有序的死亡方式，普遍存在于生物體的生長、發(fā)育過程中，在維持生物體穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮了不可替代的作用。PCD包括凋亡（apoptosis）、自噬（autophagy）、壞死性凋亡（necroptosis）、焦亡（pyroptosis）和鐵死亡（ferroptosis）等數(shù)種方式［1］。鐵死亡有別于一般的PCD，其細胞受鐵離子影響，在細胞核完整的情況下，線粒體嵴減少，線粒體膜的雙側(cè)膜密度改變，線粒體外膜破裂，導致高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體被過氧化等［2］，并最終誘導細胞死亡。急性肺損傷（ALI）是由各種肺內(nèi)和肺外致病因素引發(fā)的肺部損傷的急性發(fā)作，可造成彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫并導致急性低氧性呼吸功能不全［3］。近年來，更多研究證實鐵死亡與ALI的發(fā)生密切相關。本文總結了既往有關鐵死亡的作用機制及其在ALI發(fā)病機制中的研究成果，認為鐵死亡可作為ALI的預防、診斷和治療的靶標，在ALI的治療中展現(xiàn)出巨大前景。

1 本文文獻檢索策略

以“Ferroptosis”“Acute Lung Injury”為英文關鍵詞檢索PubMed、Medline、Web of Science；以“鐵死亡”“急性肺損傷”為中文關鍵詞檢索中國知網(wǎng)、維普網(wǎng)、中國生物醫(yī)學文獻服務系統(tǒng)、萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺。檢索時間為建庫至2021年8月。文獻納入標準：（1）鐵死亡與ALI的臨床研究；（2）基礎研究及文獻研究。文獻排除標準：（1）與研究問題無關、重復發(fā)表、無法找到全文信息的文獻；（2）質(zhì)量差的文獻。根據(jù)納入標準與排除標準，最終納入相關文獻45篇。

2 概述

2.1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn) DOLMA等［4］于2003年首次發(fā)現(xiàn)了在DNA未斷裂、不改變細胞核的形態(tài)及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase3）未活化的情況下誘導細胞發(fā)生非凋亡性細胞死亡的鐵死亡激動劑（Erastin）。MOU等［5］于2008年進一步研究發(fā)現(xiàn)了激活非凋亡性細胞死亡的兩種化合物RSL3和RSL5，并發(fā)現(xiàn)了鐵螯合劑可以拮抗該非凋亡性細胞死亡的發(fā)生。DIXON等［2］2012年的研究表明，部分細胞的死亡原因與鐵離子濃度有關，并首次將這種新型非凋亡性細胞死亡方式命名為“鐵死亡”。此后，鐵死亡的概念逐漸被國內(nèi)外學者知曉。2018年，細胞死亡命名委員會將鐵死亡定義為PCD模式中的一種［6］。

2.2 鐵死亡的作用機制 在鐵離子的作用下，細胞內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化物堆積的現(xiàn)象是鐵死亡的特點之一，其可能與磷脂氫過氧化物（PLOOHs）有關。PLOOHs是脂質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物，細胞膜中存在過量的PLOOHs會損害細胞功能。有研究表明，PLOOHs是誘發(fā)細胞鐵死亡的關鍵因素，因此PLOOHs的前體多不飽和脂肪酸的合成和活化、代謝產(chǎn)物活性氧及調(diào)節(jié)細胞代謝的鐵離子成為影響鐵死亡進程的關鍵點［7］。鐵死亡的作用機制概括見圖1。

圖1 鐵死亡的作用機制Figure 1 The mechanism of ferroptosis

2.3 鐵死亡的調(diào)控機制 近年來，學者們對鐵死亡調(diào)節(jié)機制的研究取得了快速的進展。目前已驗證了谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）、核因子E2相關因子2（Nrf2）、Xc-系統(tǒng)等是鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子。GPX4將細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化氫轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)醇，促進過氧化氫（H2O2）的分解，修復脂質(zhì)細胞的氧化損傷，保護細胞膜不受氧化損傷，其失活將導致細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物的堆積和鐵死亡［8］。Nrf2通過調(diào)節(jié)抗炎性、鐵穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)過氧化在鐵死亡中起著非常重要的作用［9］。Xc-系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)運細胞內(nèi)谷氨酸鹽與細胞外胱氨酸交換后合成谷胱甘肽（GSH），清除細胞內(nèi)的自由基，抑制系統(tǒng)Xc-可導致細胞內(nèi)GSH水平快速下降和鐵死亡［10］。學者們研究證實了多種化合物可以誘導和抑制鐵死亡，具體見表1［11-36］。以上研究揭示了鐵死亡的發(fā)生和發(fā)展受多種細胞組分和細胞內(nèi)信號通路的調(diào)節(jié)，豐富了對鐵死亡發(fā)生和發(fā)展的認識，并且驗證了調(diào)控鐵死亡發(fā)生發(fā)展的激動劑和拮抗劑，為臨床上通過應用藥物調(diào)控鐵死亡治療疾病提供了思路。

表1 鐵死亡的激動劑和拮抗劑及其調(diào)節(jié)機制Table 1 Agonists and Antagonists of Ferroptosis and their Regulatory Mechanisms

3 鐵死亡和ALI的關系

ALI指由于各種肺內(nèi)和肺外致病因素引起的肺泡上皮細胞及毛細血管內(nèi)皮細胞損傷，導致彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫，造成急性低氧性呼吸功能不全［3］。ALI的死亡率高達40%，是危害人類生命健康的一項重大疾病。隨著研究的深入，更多證據(jù)表明鐵死亡參與了ALI的發(fā)病。ALI的發(fā)病機制非常復雜，目前被認為與炎癥、氧化應激等細胞學機制相關，但尚無有效的靶向治療措施。近幾年，學者們通過動物及細胞模型實驗，確認了鐵死亡與缺血再灌注、膿毒血癥、放射線、淹溺以及油酸等引起的ALI有關。

3.1 肺缺血再灌注損傷與鐵死亡 近年研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是缺血性損傷的主要驅(qū)動因素。鐵死亡已被證實參與心肌、腎臟、肝臟、腸道和大腦的缺血再灌注損傷的動物模型或細胞模型。在腸道缺血再灌注誘導的ALI小鼠模型中，實驗發(fā)現(xiàn)鐵死亡依賴于Nrf2信號參與腸道缺血再灌注誘導的ALI的發(fā)生。進一步研究表明，p53凋亡刺激蛋白抑制劑（iASPP）可以通過Nrf2/缺氧誘導因子1（HIF-1α）/防止形成ROS的鐵轉(zhuǎn)運器（antitransferrin，TF）信號通路減輕腸道缺血再灌注誘導的ALI和鐵死亡［37］。另一項研究通過建立動物模型和細胞模型試驗，觀察鐵含量、丙二醛 （MDA）和GSH水平、線粒體形態(tài)和鐵死亡相關蛋白表達的變化情況，評估鐵死亡在不同再灌注持續(xù)時間中的參與程度［38］。該研究證實了通過抑制鐵死亡和?；o酶A合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）可以減少脂質(zhì)過氧化和增加GSH和 GPX4 水平來減輕缺血再灌注誘導的肺損傷中的鐵死亡損傷。

作為一種新發(fā)現(xiàn)的細胞死亡方式，鐵死亡被證明在ALI的發(fā)病機制中起到了越發(fā)重要的作用。肺缺血再灌注損傷是一種復雜的疾病過程，近年來學者們即使對肺缺血再灌注損傷進行了大量的研究，但對其認識仍處于早期階段，因此深入探討鐵死亡在肺缺血再灌注損傷的作用機制十分必要。鐵死亡抑制劑目前僅用于實驗，動物實驗已證實其具有一定的肺保護作用，但鐵死亡抑制劑尚未應用于臨床，具體調(diào)控機制還需進一步研究。因此未來研究的重點應是更好地了解肺缺血再灌注損傷的機制，以確定更精準的治療靶點，并將有效的治療方法應用推廣于臨床。

3.2 膿毒血癥相關肺損傷與鐵死亡 膿毒血癥是由病原體感染誘發(fā)的全身炎癥反應綜合征，其可造成機體的多臟器機能障礙，臨床上最常見為呼吸系統(tǒng)障礙，易發(fā)展為ALI。在通過盲腸結扎術誘導膿毒血癥引起的ALI小鼠模型中，鐵死亡標志物GPX4的表達降低，而MDA和鐵離子水平升高［39］。利用脂多糖建立的膿毒血癥ALI模型發(fā)現(xiàn)，鐵死亡可能通過 Nrf2/ARE 信號通路參與誘發(fā)ALI［40］；另有實驗證明Kelch 樣環(huán)氧丙氯烷 關聯(lián)蛋白-1（Keap1）- Nrf2/血紅素氧合酶1（HO-1）通路在膿毒血癥ALI的發(fā)病機制中起保護作用，西洋參酚可通過激活Nrf2促進HO-1表達來改善膿毒癥ALI［9］。膿毒血癥相關的ALI中，肺組織表現(xiàn)出脂質(zhì)體過氧化反應，并且MDA活性增加，鐵含量增加，并且抗氧化物成分中的GPX4和GSH活性降低。以上實驗均提示鐵死亡參與了膿毒血癥相關肺損傷的形成，但具體的機制還有待更進一步的研究。

3.3 放射性肺損傷與鐵死亡 放射線治療是惡性腫瘤綜合治療的重要手段之一，放射線損傷通常由惡性腫瘤放射治療、骨髓移植預處理及輻射事故導致，放射線引起的ALI是肺癌、食管癌等胸部腫瘤放射線治療后常見的并發(fā)癥。目前已確認鐵死亡在放射線引起的ALI中發(fā)揮了重要作用。在射線誘導ALI的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)GPX4表達水平下降，活性氧（ROS）的含量增加，給予鐵死亡抑制劑Lip-1處理后GPX4的表達水平明顯增加，ROS表達明顯下調(diào)［41］。另有研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制劑Fer-1可通過抑制脂質(zhì)過氧化和增強GPX4的表達來抑制射線引起ALI和鐵死亡，而鐵死亡誘導劑Erastin則通過增加脂質(zhì)過氧化和抑制GPX4的表達，促進成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化［42］。此外，多種細胞因子的級聯(lián)效應也在射線引起的ALI的鐵死亡中發(fā)揮了重要作用。研究表明，轉(zhuǎn)錄生長因子β1（TGF-β1）在射線引起的ALI起到了促進作用，并和活性氧相互激發(fā)形成類似協(xié)同作用的循環(huán)，造成損傷加重，而Nrf2可以通過降低TGF-β1的表達和抑制鐵離子的吸收減輕射線引起的ALI和鐵死亡的發(fā)展［43］。在放射性肺損傷的鐵死亡中，關鍵分子GPX4表達下調(diào)，放射線輻射誘導的ROS可能是放射性肺損傷中鐵死亡的原始觸發(fā)因素。研究已表明鐵死亡在放射性肺損傷中起著至關重要的作用，鐵死亡抑制劑可能是治療放射性ALI的一種有效方法，為未來減輕ROS損傷、預防及治療放射性肺損傷開辟了新途徑。

3.4 淹溺致ALI與鐵死亡 溺水是意外傷害和死亡的主要原因之一，據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有超過36萬人死于溺水。而ALI是溺水常見的并發(fā)癥之一。在溺水引起的ALI小鼠動物模型中，使用Nrf2特異性激動劑和抑制劑及鐵死亡抑制劑進行干預的研究結果表明，Nrf2激活劑增加了細胞的活性，降低了細胞內(nèi)活性氧和脂質(zhì)活性氧的水平，并且阻止了GSH耗竭和脂質(zhì)過氧化物積累，增加了鐵蛋白和GPX4的表達。研究結果證實了Nrf2通過維持細胞內(nèi)氧化還原平衡抑制鐵死亡［44］。目前Nrf2已被公認是抗氧化反應的關鍵調(diào)節(jié)因子。該研究首次在體內(nèi)和體外的實驗中證明Nrf2可以抑制鐵死亡以減輕淹溺導致的ALI。研究結果闡明了淹溺致肺損傷的新機制，并確認Nrf2是治療ALI的潛在治療靶點，為ALI的治療提供新的思路。

3.5 油酸致ALI與鐵死亡 鐵死亡具有明顯的形態(tài)特征，不同于其他的細胞死亡類型?，F(xiàn)有研究已明確鐵死亡的形態(tài)特征是線粒體縮小，線粒體膜破裂，線粒體脊減少，線粒體大小減小。在油酸致小鼠ALI的模型中，通過觀察發(fā)現(xiàn)肺組織中脂質(zhì)過氧化、鐵超載、GSH耗竭和MDA積累等變化，肺組織中GPX4和鐵蛋白的蛋白表達水平下調(diào)，并發(fā)現(xiàn)肺細胞線粒體萎縮，線粒體膜破裂［45］。油酸致ALI小鼠模型中鐵死亡的發(fā)生提示鐵死亡在ALI的發(fā)病機制中起著潛在的作用。以上研究嘗試探究由油酸誘導的ALI模型中鐵死亡的作用機制，闡述了ALI模型中鐵死亡的典型改變，為ALI的病理生理學研究提供了新的可能機制，加深了臨床對ALI發(fā)病機制的認識。然而ALI模型中導致鐵死亡的分子信號通路有待闡明，仍需進一步研究。

4 總結與展望

作為新的PCD，鐵死亡已被證實在多種系統(tǒng)疾病中發(fā)揮重要作用。近年來學者們從肺缺血再灌注損傷、膿毒癥相關肺損傷、放射性肺損傷、淹溺及油酸致ALI等細胞或動物模型研究中，證明鐵死亡在ALI的發(fā)病機制中發(fā)揮了不可或缺的作用，GPX4、Nrf2等是ALI中鐵死亡發(fā)生發(fā)展的關鍵點。鐵死亡有望成為治療ALI的重要靶點，其關鍵是抑制鐵代謝和脂質(zhì)過氧化。ALI模型與鐵死亡的關系見表2。

表2 ALI模型與鐵死亡的關系Table 2 Relationship between ALI model and ferroptosis

鐵死亡相關研究仍存在諸多局限性。關于ALI中鐵死亡的具體機制尚未完全闡明，更多詳細信號轉(zhuǎn)導途徑仍在進一步探索中，并且諸多研究尚停留在細胞、動物水平實驗階段，仍缺少大樣本、多中心的臨床隨機對照研究和證據(jù)，還需進行更加全面和深入的研究，進一步探討鐵死亡與ALI的關系，針對不同信號轉(zhuǎn)導途徑進行干預治療ALI是將來探索的方向。

綜上所述，鐵死亡是誘導ALI發(fā)生發(fā)展的有效機制，在ALI中起到了至關重要的作用。鐵死亡可能成為臨床上ALI藥物治療的靶標，為藥物在ALI的優(yōu)化應用開辟新的途徑。依托最新技術開展大量的基礎和臨床研究有助于進一步了解ALI的發(fā)生發(fā)展，為防治ALI提供更多可靠手段，為臨床工作提供更合理、有效的診療思路。

作者貢獻：周思江提出研究命題，負責論文設計、起草、論文撰寫；寧宗對文章整體負責，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。