《Redox Biology》：Ionizing radiation promotes lung injury by inducing ferroptosis-driven senescence in epithelial cells via NCOA4-mediated ferritinophagy
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为解决胸部放疗中常见且缺乏有效治疗手段的剂量限制性并发症——辐射诱导的肺损伤（RILI）的机制不清问题，研究人员针对铁死亡与细胞衰老在其中的关联及上游调控机制开展了研究。研究证实，电离辐射（IR）通过上调NCOA4激活铁蛋白自噬（ferritinophagy），导致细胞内铁过载，引发铁死亡，进而驱动线粒体功能障碍和肺上皮细胞衰老，最终促进RILI；而通过化合物9a抑制该通路则可有效缓解RILI。这项研究首次揭示了铁死亡是IR诱导肺上皮细胞衰老的关键调节因子，并明确了NCOA4介导的铁蛋白自噬在RILI发病机制中的核心作用，为开发新的治疗策略提供了重要靶点。
胸部放射治疗是多种胸部肿瘤的重要治疗手段，但其伴随的并发症——辐射诱导的肺损伤（Radiation-induced lung injury, RILI）却严重影响着患者的治疗效果和生活质量。RILI是一个包含早期放射性肺炎和晚期放射性肺纤维化的复杂过程，目前有效的防治手段依然有限。在肺组织受损的过程中，位于肺泡表面的上皮细胞扮演着关键角色，它们不仅是气体交换的场所，也是维持肺泡结构稳定的基石。研究表明，电离辐射（IR）会诱导这些上皮细胞发生衰老，使其失去正常的再生与修复能力，并分泌大量促炎和促纤维化的衰老相关分泌表型（SASP）因子，从而触发后续的炎症和纤维化级联反应。与此同时，另一种被称为铁死亡（Ferroptosis）的铁依赖性程序性细胞死亡形式，也在包括RILI在内的多种IR诱导的组织损伤中被观察到。铁死亡的核心特征是铁过载和脂质过氧化物的堆积。有趣的是，近年来的研究开始提示铁死亡与细胞衰老之间可能存在联系，铁代谢失衡与衰老相关疾病息息相关。然而，铁死亡是否直接参与并驱动了辐射诱导的肺上皮细胞衰老，其上游的精确调控机制又是什么？这一科学问题尚未得到解答。为解决这一难题，研究人员在《Redox Biology》上发表了一项研究，系统阐明了铁死亡与衰老在RILI中的关联及其背后的分子机制。
研究人员主要运用了体外细胞模型和体内动物模型相结合的实验策略。体外研究使用人正常肺上皮细胞（BEAS-2B），通过不同剂量的X射线照射模拟辐射损伤，并利用铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1）和自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤（3-MA）进行干预。体内研究则采用C57BL/6J小鼠，通过连续三天对胸部进行8 Gy的X射线照射构建RILI模型，并分别给予Fer-1和靶向NCOA4的化合物9a进行治疗。关键技术方法包括：通过HE染色、Masson染色和免疫组织化学评估肺组织病理学变化和纤维化程度；利用蛋白质印迹法、免疫荧光和免疫共沉淀检测目标蛋白（如GPX4、P16、P21、NCOA4、FTH、LC3等）的表达与互作；使用FerroOrange探针、铁含量检测试剂盒、MDA和GSH/GSSG测定评估细胞内铁水平和氧化应激状态；通过JC-1染色、线粒体膜电位及耗氧率检测、透射电镜观察线粒体形态与功能；以及采用SA-β-gal染色、RT-qPCR和流式细胞术等方法分析细胞衰老和活性氧水平。
RILI与肺上皮细胞的铁死亡和衰老相关
研究人员首先在动物模型和细胞模型中证实了IR确实能同时诱导铁死亡和细胞衰老。在RILI小鼠模型中，随着时间推移，肺组织中铁含量、脂质过氧化产物MDA水平升高，抗氧化标志物GPX4表达下降，GSH/GSSG比例降低，表明铁死亡发生。同时，衰老标志物P16、P21以及SASP因子（MMP9、CCL2等）的表达也呈时间依赖性上调，肺组织出现肺泡间隔增厚、胶原沉积等纤维化病理改变。在BEAS-2B细胞中，不同剂量的IR同样导致了剂量依赖性的Fe2+水平、ROS、MDA升高，GPX4下降以及GSH/GSSG比例下降，同时SA-β-gal活性增强，P16、P21和SASP因子表达上调。这些结果共同表明，在RILI的发生发展中，肺上皮细胞的铁死亡和衰老过程是同步增强且密切相关的。
抑制铁死亡可通过减轻肺上皮细胞衰老来缓解RILI
为了明确铁死亡与衰老之间的因果关系，研究团队在体内外使用了铁死亡抑制剂Fer-1。在RILI小鼠模型中，Fer-1治疗不仅显著改善了肺泡结构破坏和肺纤维化，恢复了GPX4表达，降低了铁含量和MDA水平，提高了GSH/GSSG比例，还显著降低了肺上皮细胞中P16的表达以及衰老相关基因和SASP因子的水平。在BEAS-2B细胞中，Fer-1预处理同样有效抑制了IR诱导的铁过载、ROS升高、脂质过氧化以及GPX4的下调，并同时减轻了细胞衰老表型。这些发现强有力地证明，抑制铁死亡可以显著缓解IR诱导的肺上皮细胞衰老和RILI，表明铁死亡是驱动细胞衰老的上游事件。
铁蛋白自噬参与IR诱导的细胞内铁死亡和衰老
铁过载是铁死亡的关键诱因，而铁蛋白（Ferritin）是细胞内主要的储铁蛋白。研究发现，IR诱导了铁蛋白重链（FTH）的降解。由于铁蛋白的自噬性降解（即铁蛋白自噬，ferritinophagy）是释放游离铁的重要途径，研究人员使用自噬抑制剂3-MA进行干预。结果显示，3-MA预处理有效阻止了IR诱导的FTH降解，同时减少了细胞内Fe2+水平、ROS、脂质过氧化产物MDA，并提高了GSH/GSSG比例，表明抑制自噬/铁蛋白自噬可以缓解铁死亡。更重要的是，3-MA处理也显著降低了IR诱导的细胞衰老标志物表达和SA-β-gal活性。这证实了铁蛋白自噬介导的铁释放是连接IR、铁死亡和细胞衰老的关键环节。
NCOA4介导的铁蛋白自噬导致细胞内铁过载和铁死亡，从而触发肺上皮细胞衰老
核受体共激活因子4（NCOA4）已被鉴定为铁蛋白自噬的关键选择性受体。本研究证实，IR能剂量依赖性地上调BEAS-2B细胞和小鼠肺上皮细胞中的NCOA4蛋白水平，并伴随FTH的下调。免疫共沉淀实验验证了NCOA4与FTH之间存在相互作用。在BEAS-2B细胞中敲低NCOA4后，IR诱导的FTH降解被抑制，同时自噬标志物LC3II的积累减少，P62降解被逆转。更重要的是，NCOA4敲低有效减轻了IR引起的铁过载、ROS累积、脂质过氧化以及铁死亡的其他生化改变，并显著降低了细胞衰老标志物的表达。这些结果表明，NCOA4介导的铁蛋白自噬是IR诱导细胞内铁过载、铁死亡及后续细胞衰老的核心机制。
NCOA4介导的铁蛋白自噬诱导细胞内铁过载，导致线粒体功能障碍
线粒体功能障碍既是铁死亡的标志，也与细胞衰老密切相关。研究发现，IR会导致BEAS-2B细胞线粒体膜电位（MMP）下降、线粒体通透性转换孔（MPTP）开放增加、线粒体ROS累积、ATP生成减少以及基础呼吸和最大呼吸能力下降，透射电镜下可见线粒体皱缩、嵴减少或消失等典型铁死亡相关形态改变。而使用Fer-1抑制铁死亡或敲低NCOA4抑制铁蛋白自噬，都能显著改善这些线粒体功能损伤和形态异常。这说明，NCOA4介导的铁蛋白自噬通过引发铁死亡，进而导致了线粒体功能障碍，而后者可能是推动细胞衰老的重要下游环节。
化合物9a通过抑制铁蛋白自噬、铁死亡、线粒体功能障碍和肺上皮细胞衰老来缓解RILI
基于上述机制，研究人员在动物模型中测试了靶向NCOA4-FTH相互作用的小分子化合物9a的治疗效果。结果显示，9a处理能有效减轻IR诱导的肺组织损伤和纤维化。在机制上，9a抑制了NCOA4的表达和FTH的降解，降低了组织和血清中的铁含量及MDA水平，提高了GSH/GSSG比例，表明其抑制了铁蛋白自噬和铁死亡。同时，9a改善了肺上皮细胞的线粒体超微结构，并降低了衰老标志物P16、P21及SASP因子的表达。这些结果证实，通过药理学手段破坏NCOA4-FTH相互作用，抑制铁蛋白自噬，能够有效阻断铁死亡-线粒体功能障碍-细胞衰老这一轴，从而缓解RILI。
研究结论与讨论
该研究首次系统地揭示了电离辐射诱导肺损伤的一条新颖信号轴：IR通过上调NCOA4，激活铁蛋白自噬，导致细胞内铁过载，进而触发铁死亡和线粒体功能障碍，最终驱动肺上皮细胞衰老及RILI的发生发展。研究不仅明确了铁死亡是辐射诱导细胞衰老的关键调节因子，还鉴定出NCOA4介导的铁蛋白自噬是这一过程的上游核心机制。
讨论部分指出，该研究将 ferroptosis 与 senescence 这两个在RILI中已知但此前未被联系的重要病理过程联系起来，提供了新的机制见解。虽然 mTOR 等通路也被报道参与衰老和铁死亡的调控，但本研究聚焦于NCOA4-铁蛋白自噬-铁死亡轴，并首次在RILI背景下阐述了其作用。研究还观察到线粒体功能障碍作为铁死亡的下游事件，可能是连接铁死亡与衰老的桥梁，但其具体分子机制有待未来深入探索。此外，衰老细胞分泌的SASP是否会反哺并加剧铁死亡，也是一个有趣的、值得后续研究的方向。
在转化医学意义上，该研究证实了靶向NCOA4的小分子化合物9a在动物模型中的治疗潜力，为开发针对RILI的新型疗法提供了直接依据和候选药物。尽管化合物9a等小分子抑制剂在向临床转化时仍面临稳定性、靶向性、药代动力学等挑战，但结合纳米递送、前药设计等新兴技术，靶向NCOA4-铁蛋白自噬通路有望成为缓解辐射性肺损伤乃至其他与铁死亡、衰老相关疾病的有前景的策略。
总之，这项研究深化了对辐射诱导肺损伤机制的理解，揭示了铁死亡驱动衰老的新途径，并提出了以NCOA4为靶点的治疗新思路，具有重要的理论价值和潜在的临床转化前景。
