鐵死亡與哮喘的研究進展

曾天星 田嬋嬋 夏偉 趙明棟

細胞鐵死亡是鐵依賴的,脂質過氧化驅動的,一種獨特的、受調節的細胞死亡形式。鐵死亡過程產生大量活性氧自由基,使細胞生物膜穿孔、斷裂而死亡。不受限制的脂質過氧化是鐵死亡的核心標志,使其不同于凋亡、壞死等死亡形式。鐵死亡主要涉及氧化還原的穩態、脂質過氧化、鐵穩態等[1]。鐵死亡與多種疾病相關,如腫瘤、缺血性心腦血管疾病、多種呼吸系統疾病[2]。鐵死亡與哮喘密切相關,本文將鐵死亡及其與哮喘的相關研究進展作一綜述。

一、鐵死亡的機制

1. 脂質過氧化

酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(Acyl-CoA synthetase long chain family member 4,ACSL4)是鐵死亡重要的驅動因素。ACSL4催化多不飽和脂肪酸合成為脂肪酸酰基輔酶A,隨后嵌入到磷脂生物膜[3]。多不飽和脂肪酸和活性氧反應產生磷脂氫過氧化物[4],氧化的過程需要脂肪氧合酶(lipoxygenases,LOXs)的催化[5]。如果產生的磷脂氫過氧化物不能被谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)還原為相應的醇[6],鐵依賴的芬頓反應擴增形成大量磷脂氫過氧化物,再和鐵反應形成活性氧自由基,它和多不飽和脂肪酸反應進一步產生大量磷脂氫過氧化物。活性氧自由基是鐵死亡的最終執行者,其損害生物膜的完整性,最終導致細胞器和細胞膜的破裂而死亡[4]。鐵在細胞鐵死亡的多個關鍵過程中具有重要作用。脂肪氧合酶需要鐵的催化[5],產生活性氧的一系列代謝酶必需鐵,快速擴增磷脂氫過氧化物的芬頓反應也依賴鐵[1]。

2. 鐵死亡的調節

胱氨酸-System Xc-谷胱甘肽-GPX4軸是調節和抑制鐵死亡的主要機制[7]。System Xc是一種跨膜蛋白,包含亞單位SLC7A11和SLC3A2。抑制GPX4的活性是啟動鐵死亡的重要因素。GPX4是一種含硒蛋白酶,在谷胱甘肽參與下,將磷脂氫過氧化物還原為相應的醇,抑制脂質過氧化和鐵死亡[6,8]。抑制GPX4的活性和敲除GPX4基因均可導致脂質過氧化和鐵死亡[7,9]。谷胱甘肽是豐富的還原劑,半胱氨酸是合成谷胱甘肽的底物,也是重要的還原劑[10]。胱氨酸通過細胞膜上的SystemXc-胱氨酸/谷氨酸轉運體轉變為半胱氨酸并輸入細胞內。剝奪谷胱甘肽或抑制胱氨酸的輸入,減少細胞內的半胱氨酸,均可導致脂質過氧化和鐵死亡[11]。ACSL4表達上調可促進多不飽和脂肪酸的合成和鐵死亡[12,13]。抑制ACSL4可降低細胞鐵死亡敏感性[14]。藥物抑制脂肪氧合酶(如黃芩素)或敲除12/15-LOX基因均可抑制細胞鐵死亡[15,16]。

二、哮喘與鐵死亡

哮喘是一種氣道慢性炎癥性疾病,許多細胞和細胞成分參與,包括肥大細胞、嗜酸性粒細胞、中性粒細胞、T淋巴細胞和上皮細胞[17]。哮喘的氣道炎癥分為T2型和非T2型[18]。T2型氣道以嗜酸性粒細胞炎癥為主 ,其炎癥標記物有白介素4(Interleukin,IL-4)、IL-5和IL-13。非T2型氣道以中性粒細胞炎癥為主,或缺少粒細胞,其炎癥標記物有IL-8、IL-17和IL-22等。

1. 哮喘與氧化應激

氧化應激指體內氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態,傾向于氧化。氧化應激狀態下,體內產生活性氧和活性氮。增多的活性氧是有害的,引發氧化應激反應[19]。哮喘越嚴重,氧化應激產生的活性氧和活性氮越多[20]。活性氧和活性氮啟動氣道炎癥反應,激活NF-κB等轉錄因子[21]。這些轉錄因子促進大量促炎因子表達,如腫瘤壞死因子-α、IL-6和IL-8,誘發氣道炎癥細胞激活,包括巨噬細胞、嗜酸性粒細胞、中性粒細胞[22]。氣道某些神經元細胞、上皮細胞、巨噬細胞都可合成活性氮,引起支氣管收縮、氣道炎癥、上皮細胞損傷[23]。哮喘患者的髓過氧化物酶和嗜酸性粒細胞過氧化物酶升高(血液、痰、肺泡灌洗液中)。這兩種過氧化物酶分別和增多的中性粒細胞、嗜酸性粒細胞相關[24]。通過檢測哮喘患者呼出氣乙烷含量,發現患者哮喘越嚴重,脂質過氧化越嚴重[25]。哮喘患者肺功能越差,呼出氣乙烷含量越高。以上表明,哮喘氧化應激水平與病情嚴重程度呈正相關,氧化應激參與哮喘的炎癥反應、氣道高反應性。

2. 氧化應激與炎癥反應

氧化應激促進炎癥反應。哮喘的氧化應激導致脂質過氧化,消耗細胞內的谷胱甘肽。細胞內降低的谷胱甘肽,促進15LO1(一種脂肪氧合酶)上調[26]。哮喘患者氣道上皮細胞含有豐富的15LO1。15LO1可持續上調氣道上皮細胞T2型炎癥標記基因和蛋白的表達(如黏蛋白MUC5AC、骨膜蛋白等),促進T2型炎癥反應,同時使其易于鐵死亡[27]。

炎癥反應也可加重氧化應激。T2型炎癥的細胞因子IL-13可提高氣道上皮細胞15LO1的表達和活性[26],催化多不飽和脂肪酸氧化為磷脂氫過氧化物[28],促進脂質過氧化。非T2型炎癥的細胞因子IL-6也可促進氣道上皮細胞脂質過氧化、干擾細胞內鐵穩態,誘發其鐵死亡[29]。

3. 炎癥反應與鐵死亡

氧化應激是誘發鐵死亡的重要因素,其作用在前文鐵死亡的機制中已有論述。炎癥反應與鐵死亡也密切相關,炎癥誘發鐵死亡,鐵死亡的細胞也可激活固有免疫和適應性免疫反應。

炎癥反應誘發鐵死亡。炎癥反應過程活性氧產生增多,誘發脂質過氧化和鐵死亡。中性粒細胞可釋放髓過氧化物酶,引起脂質過氧化和其他細胞的鐵死亡[30]。活化的CD8+T淋巴細胞分泌干擾素,下調組織細胞SLC7A11和SLC3A2的表達,抑制胱氨酸輸入,促進組織細胞鐵死亡[31]。

鐵死亡激活免疫炎癥反應。鐵死亡的細胞表達或釋放具有免疫原性的分子,被模式識別受體(如Toll樣受體-4)識別,激活NF-κB等轉錄因子,產生炎癥因子,引起固有免疫反應[32]。相比于凋亡,鐵死亡更易引起炎癥反應[33]。鐵死亡的細胞表達氧化應激產物于細胞膜上,被巨噬細胞的Toll樣受體-2識別,吞噬死亡的細胞[34]。這是鐵死亡引起巨噬細胞的免疫反應。鐵死亡的細胞也可釋放干擾素、腫瘤壞死因子,使巨噬細胞極化為M1表型,誘導分泌IL-1、IL-12和IL-18等細胞因子,促進炎癥反應[35]。

三、調節鐵死亡在哮喘治療中的價值

屋塵螨和卵清蛋白可誘發小鼠T2型哮喘,脂多糖等可誘發小鼠非T2型哮喘。無論哪一種氣道炎癥類型,都存在GPX4和 SLC7A11表達的下調,ACSL4和15LO1表達的上調,細胞內游離鐵增多等促進細胞鐵死亡的改變[36-39]。這些證據表明,哮喘的病理機制存在細胞鐵死亡。

抑制鐵死亡可緩解哮喘氣道炎癥。鐵抑素-1(鐵死亡抑制劑)可上調氣道上皮細胞GPX4和SLC7A11的表達,抑制脂質過氧化,抑制上皮細胞鐵死亡,最終抑制T2或非T2型炎癥反應[39,40]。針灸治療T2型哮喘小鼠,可下調ACSL4和15LO1的表達,降低細胞內游離鐵含量,顯著降低肺泡灌洗液炎性標記物含量(IgE、血清IL-4 、IL-5和IL-13)[38,39]。利普他汀-1可上調氣道上皮細胞SLC7A11和GPX4的表達,抑制上皮細胞鐵死亡,抑制IL-6和IL-8等炎癥因子表達,減輕氣道粘液分泌和炎癥反應。利普他汀-1通過抑制鐵死亡,緩解脂多糖誘發的小鼠中性粒細胞性哮喘[41]。槲皮素也能上調氣道上皮細胞SLC7A11和GPX4的表達,通過抑制鐵死亡,緩解氣道中性粒細胞性炎癥[40]。乙酰半胱氨酸能部分逆轉IL-6導致的氣道上皮細胞脂質過氧化和鐵死亡[42]。以上表明,抑制鐵死亡能緩解哮喘的氣道炎癥,調節鐵死亡可能成為哮喘治療的靶點。

四、總結

鐵死亡的核心標志為不受限制的脂質過氧化,其與體內氧化還原穩態、鐵穩態、GPX4系統的調節等密切相關。鐵死亡參與免疫炎癥反應、氧化應激等多種病理機制。哮喘存在惡化的氧化應激和免疫炎癥反應。鐵死亡與哮喘存在密切的關聯。目前的體外和體內試驗表明,抑制鐵死亡可緩解哮喘的氣道炎癥。針對鐵死亡環節中的關鍵點,調節鐵死亡可能是治療哮喘的新靶點。目前探索調節鐵死亡治療哮喘的試驗,主要為體外試驗(體外支氣管上皮細胞)和哮喘動物模型,研究還是初步的。這些研究主要探索了抑制鐵死亡對哮喘氣道炎癥的作用。而臨床關注的重點是,調節鐵死亡能否降低哮喘急性發作的頻率。目前這方面的研究還很少,未來需要深入探究。