综述：铁死亡与氧化应激在肺纤维化中的相互作用：从机制到治疗

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：The interplay of ferroptosis and oxidative stress in pulmonary fibrosis: from mechanisms to treatment

这篇综述系统阐述了铁死亡（一种铁依赖的、脂质过氧化驱动的程序性细胞死亡）在肺纤维化（PF）中的核心作用。文章聚焦于铁代谢紊乱、脂质过氧化和氧化应激之间的相互作用，详细分析了这些过程在肺泡上皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞和内皮细胞等关键细胞类型中驱动纤维化的特异性机制。综述强调了铁死亡作为连接代谢重编程与细胞命运的关键调控节点，并总结了靶向铁死亡通路（如GPX4、SLC7A11、FSP1等）的小分子抑制剂在临床前模型中的抗纤维化潜力，为开发PF精准治疗策略提供了新的理论框架和方向。

　　

肺纤维化（PF）是一种进行性、破坏性的间质性肺疾病，其特征是肺组织不可逆的瘢痕形成和结构重塑。尽管现有抗纤维化药物如吡非尼酮和尼达尼布有一定疗效，但治疗选择仍然有限，肺移植是唯一的治愈手段。因此，探索新的致病机制和治疗靶点至关重要。近年来，铁死亡（Ferroptosis）——一种由铁积累和脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡形式——因其在氧化应激、代谢失调和屏障完整性破坏中的核心作用，被认识到在肺纤维化进展中扮演着重要角色。

2 肺纤维化的病理机制：细胞代谢失调与氧化应激的相互作用

肺纤维化的发生通常由肺组织的慢性或反复损伤触发，其中肺泡上皮细胞，特别是II型肺泡上皮细胞（AT2细胞）的损伤被认为是关键的起始事件。在纤维化早期，受损的AT2细胞释放多种促炎和促纤维化介质，导致成纤维细胞的募集、激活和增殖。活化的成纤维细胞则分泌大量胶原等细胞外基质（ECM）成分。然而，当损伤持续或修复机制失调时，成纤维细胞会持续活化，导致ECM过度沉积，最终破坏肺泡结构，形成不可逆的纤维化病灶。巨噬细胞等免疫细胞通过分泌炎性细胞因子和趋化因子进一步加剧成纤维细胞活化和ECM积累。

这一过程的关键驱动因素是细胞代谢失衡，特别是脂质代谢重编程与氧化应激之间复杂的相互作用。AT2细胞表现出明显的线粒体功能障碍，这不仅损害细胞能量供应，还促进过量活性氧（ROS）生成，放大氧化应激。氧化应激失衡是AT2细胞屏障功能丧失的核心原因，也可能是肺纤维化持续进展的关键驱动因素。在损伤修复过程中，AT2细胞增强脂肪酸合成以支持膜重建，但过度的脂肪酸合成 coupled with 受损的脂肪酸氧化会破坏细胞膜的正常组成和流动性，进一步损害表面活性物质产生。这种代谢失衡不仅促进ROS生成，还加剧脂质代谢紊乱，形成一个自我放大的氧化应激循环。ROS可触发脂质过氧化，形成4-羟基壬烯醛（4-HNE）和丙二醛（MDA）等有毒产物，损害细胞膜完整性并最终导致细胞死亡。有趣的是，这些脂质过氧化产物还可作为信号分子，激活氧化应激相关通路，进一步诱导转化生长因子-β1（TGF-β1）的分泌，从而加强成纤维细胞活化和ECM合成。总体而言，脂质过氧化是肺纤维化发病和进展的核心驱动因素。

3 铁死亡的概念与调控机制

铁死亡的核心机制涉及铁积累、脂质过氧化和抗氧化系统失调。与凋亡、坏死或自噬不同，铁死亡的核心在于细胞内铁超载异常，其诱导膜脂质的氧化损伤，破坏膜完整性和功能。铁是参与多种细胞代谢过程的必需微量元素，主要以亚铁（Fe²⁺）和高铁（Fe³⁺）形式存在。生理条件下，铁稳态网络通过协调铁摄取、储存和输出确保动态平衡。这一调控网络被破坏，特别是Fe²⁺的过度积累，可通过芬顿反应产生大量ROS，触发氧化应激。由此产生的ROS不仅损伤细胞蛋白质和DNA，还靶向质膜中的多不饱和脂肪酸（PUFAs），启动脂质过氧化反应，最终导致铁死亡。

多个信号通路和调控因子参与铁死亡进程。其中一个关键组分是System X^c-逆向转运体，它在维持细胞内氧化还原稳态中起核心作用。System X^c-介导细胞外胱氨酸的输入，胱氨酸在细胞内被还原为半胱氨酸，这是合成谷胱甘肽（GSH）的限速前体。抑制System X^c-会减少胱氨酸摄取，损害GSH合成，从而削弱细胞解毒脂质过氧化物的能力，促进铁死亡发生。细胞的抗氧化防御系统对抑制铁死亡至关重要。其中，GSH-谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）轴是最具特征的保护机制。GPX4以GSH为底物，催化还原脂质氢过氧化物，从而保护膜完整性免受氧化损伤。铁死亡常与GSH耗竭和GPX4表达或酶活性降低相关。近年来，研究发现了不依赖于GPX4的补偿途径，特别是铁死亡抑制蛋白1（FSP1）和CoQ10/NADPH系统，它们通过不同机制消除脂质自由基，维持细胞氧化还原平衡。

铁死亡的发生还受到多种转录因子和细胞器功能的复杂精细网络调控。核因子E2相关因子2（Nrf2）是细胞抗氧化反应中最关键的转录因子之一。在氧化应激下，Nrf2易位至细胞核，激活包括SLC7A11、GPX4和血红素加氧酶-1（HO-1）在内的多种下游基因的转录，增强细胞清除ROS和脂质过氧化物的能力，从而抑制铁死亡。相反，某些应激相关转录因子是铁死亡的正向调节因子。例如，激活转录因子3（ATF3）可在应激条件下与SLC7A11启动子区域结合，抑制其转录，减少胱氨酸摄取，损害GSH合成，促进铁死亡。此外，线粒体在铁死亡中的作用日益受到关注。作为细胞能量代谢和氧化还原调节的中心，线粒体直接参与铁代谢、ROS产生和脂质过氧化。

4 铁代谢与铁稳态

铁作为维持生命的必需微量元素，广泛参与氧气运输、能量代谢、DNA合成、细胞周期调控和氧化还原反应等关键生理过程。人体通过一个精细调控的网络来维持细胞和组织铁稳态，协调铁的吸收、分布、储存、利用和排泄。值得注意的是，人体缺乏主动的铁排泄机制；铁的消除主要依赖非特异性途径。因此，铁输出蛋白（FPN）是目前已知唯一的细胞铁输出蛋白，在维持全身铁平衡中具有不可替代的作用。

5 铁稳态的调控机制

铁稳态的维持依赖于多层次的调控机制，共同协调铁的吸收、储存、运输和利用。转铁蛋白及其受体（TfR）是全身铁运输的关键调节因子。铁调节蛋白（IRP1和IRP2）通过与靶 mRNA 非翻译区中的铁反应元件（IREs）结合，在维持细胞内铁稳态中发挥核心作用。此外，当细胞内铁水平升高时，稳态铁调节因子（HFE）蛋白与TfR1结合，从而降低其与载铁转铁蛋白（Fe-Tf）的亲和力，限制进一步的细胞铁摄取。HFE也是铁调素表达的上游调节因子。铁调素是一种肝脏衍生的肽激素，是全身铁稳态的核心调节因子。它响应铁负荷增加或炎症刺激而上调表达。铁调素与FPN结合，诱导其泛素化和随后的降解，从而阻断铁从肠上皮细胞和巨噬细胞中流出，降低循环铁水平。然而，研究表明铁调素在肺组织中表达相对较低。相反，铁蛋白是主要的细胞内铁储存蛋白，在维持铁稳态中起关键的缓冲作用。

6 肺铁稳态破坏与铁死亡

铁在维持正常肺生理功能中起着关键作用。在正常生理条件下，肺组织主要通过血液获取铁。然而，由于肺直接暴露于外部环境，肺泡上皮细胞长期受到含铁颗粒物和病原微生物等外源性因素的挑战，这可能破坏铁代谢的动态平衡。在各种病理条件下，这些调节机制常被破坏，导致铁摄取增强、储存能力受损和铁输出受阻，最终导致肺内铁异常积聚。在肺纤维化的发生和进展过程中，铁负荷增加已被 increasingly recognized 为参与病理重塑的一个重要因素。过量的游离铁可通过芬顿反应持续产生ROS，诱导脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质变性，从而导致肺组织结构和功能受损。铁介导的氧化应激不仅损伤肺泡上皮细胞，还会触发成纤维细胞和巨噬细胞的铁死亡，进一步加剧炎症、细胞死亡和细胞外基质沉积，最终促进纤维化的持续进展。

7 铁死亡对肺纤维化的影响

铁死亡的特征是铁依赖的脂质过氧化。其核心机制涉及亚铁离子（Fe²⁺）或脂氧合酶（LOXs）对膜磷脂中PUFAs的催化作用，导致脂质过氧化物形成、膜完整性破坏，最终导致细胞死亡。在特发性肺纤维化（IPF）等疾病中，铁死亡 increasingly recognized 为参与疾病进展的重要病理机制。研究表明，在IPF患者和肺纤维化动物模型中，肺组织中细胞外游离铁水平以及铁蛋白和转铁蛋白受体等多种铁代谢相关蛋白的表达显著上调，表明铁稳态破坏可能是纤维化重塑的主要驱动因素。

7.1 铁死亡诱导上皮细胞死亡

研究表明，肺泡上皮细胞（AECs）铁稳态失调在肺纤维化的发生和进展中起关键作用。在纤维化过程中，AECs遭受持续损伤，导致包括凋亡、坏死和铁死亡在内的多种程序性细胞死亡形式的异常激活。在IPF患者和博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，观察到AECs内存在异常的铁积聚，表明铁超载诱导的铁死亡可能是导致纤维发生的重要机制。使用铁螯合剂去铁胺治疗可显著减少II型肺泡上皮细胞中的铁积聚和铁死亡，从而减轻小鼠博来霉素诱导的肺纤维化。此外，GPX4和FSP1协同调节AT2细胞中的铁死亡。研究发现，甲基化调节因子UHRF1在纤维化肺中显著上调，并通过表观遗传抑制GPX4和FSP1的表达促进AT2细胞铁死亡。靶向抑制UHRF1可有效中断这一病理过程。

线粒体损伤直接损害肺泡上皮细胞功能，从而触发局部炎症反应并促进TGF-β驱动的成纤维细胞活化。AECs损伤不仅损害肺泡屏障，还导致线粒体功能障碍，从而破坏氧化磷酸化，同时增强糖酵解通量。糖酵解的上调导致细胞内乳酸水平增加，进而诱导铁死亡的关键调节因子ACSL4的表达，促进AECs铁死亡并加剧肺损伤。此外，线粒体铁积聚破坏线粒体功能，导致细胞代谢异常。这种损伤还会增加ROS产生并损伤线粒体DNA，加重细胞损伤。因此，AT2细胞中的线粒体铁积聚可能是驱动上皮损伤和肺纤维化的关键因素。恢复线粒体功能已被证明可以减轻博来霉素诱导的小鼠模型中AT2细胞的线粒体铁超载和细胞损伤，从而有效抑制纤维化进展。

铁死亡的核心机制涉及铁依赖性脂质过氧化，其中内质网（ER）——脂质生物合成和蛋白质折叠的关键细胞器——起着关键作用。在铁死亡过程中，脂质过氧化产物的积累破坏了内质网膜的结构完整性，从而诱导内质网应激。内质网应激已被广泛认为是肺纤维化发生和发展的重要因素。研究表明，内质网应激的关键调节因子，如C/EBP同源蛋白（CHOP）和激活转录因子家族的成员，在铁死亡期间异常表达，进一步强调了内质网应激与铁死亡之间的密切关系。此外，ROS诱导的内质网应激显著促进上皮细胞铁死亡，导致肺泡结构损伤、炎症细胞浸润和肺功能下降。

衰老的II型肺泡上皮细胞因其独特的衰老相关分泌表型（SASP）已成为肺纤维化的重要驱动因素。据报道，在各种纤维化疾病中，衰老细胞表现出明显的细胞内铁积累。值得注意的是，在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中，气管中观察到明显的铁沉积，并且气管内给予铁会加剧上皮细胞衰老并加速纤维化进展。重要的是，由纤维化损伤导致的衰老细胞即使在细胞外铁水平恢复正常后仍继续积累铁，主要将铁以铁蛋白结合铁的形式储存在溶酶体中。这些细胞维持高水平的游离铁，从而增强ROS产生并放大SASP介导的炎症和促纤维化反应，最终加重组织损伤并促进纤维化进展。

7.2 铁死亡调节成纤维细胞分化

在肺纤维化的发展过程中，成纤维细胞在各种细胞因子的驱动下发生异常活化和过度增殖，导致大量ECM积累，进而导致肺组织瘢痕形成和硬化。同时，成纤维细胞与局部免疫微环境之间的相互作用形成了促纤维化的正反馈循环。此外，持续活化的成纤维细胞经常表现出代谢重编程，这进一步稳定和加强了它们的病理表型，从而加速纤维化进展。

TGF-β/Smad信号通路是调节肺纤维化的经典通路之一，在成纤维细胞向肌成纤维细胞分化中起关键作用。研究表明，与铁死亡相关的脂质过氧化产物和ROS对这一过程具有关键的调节作用。具体来说，细胞内脂质过氧化水平升高增强了TGF-β介导的Smad2/3信号激活，从而促进成纤维细胞向肌成纤维细胞表型的转分化。进一步研究发现，铁死亡诱导剂Erastin通过增加脂质过氧化和抑制GPX4表达来加剧肺纤维化，从而放大TGF-β1诱导的成纤维细胞活化。相比之下，铁死亡抑制剂通过抑制脂质过氧化、恢复GPX4表达和下调TGF-β1信号来显著减轻这一过程，最终减轻实验性肺纤维化的进展。这些发现表明，GPX4作为连接铁死亡和TGF-β信号的关键调节节点，可能是肺纤维化一个有前途的治疗靶点。值得注意的是，TGF-β1的持续激活也通过TAZ-TEAD信号轴增强成纤维细胞中TFRC的表达，导致细胞内Fe²⁺水平增加，进而促进成纤维细胞活化和分化。动物研究进一步证实，小鼠TFRC缺失显著抑制了TGF-β1诱导的Fe²⁺积累和成纤维细胞活化，并有效减轻了博来霉素诱导的肺纤维化改变。

有趣的是，铁蛋白作为主要的细胞内铁储存蛋白，通过螯合游离铁发挥保护作用，从而限制芬顿反应产生的羟基自由基，防止铁死亡。这种机制可以解释为什么纤维化过程中的铁积累不会诱导成纤维细胞死亡，反而有助于其活化。此外，研究表明，中等水平的脂质过氧化不一定会引发细胞死亡；相反，它们可以启动保护性应激反应，如热休克蛋白（HSPs）和抗凋亡蛋白的上调，从而增强成纤维细胞的存活和对外部损伤的抵抗。这些发现表明，在纤维化肺微环境中，铁代谢和脂质过氧化的适应性变化可能协同促进成纤维细胞的病理活化而非死亡。

此外，铁死亡过程中产生的脂质过氧化产物并不总是直接诱导细胞死亡；其中一些代谢物在特定病理条件下甚至可能发挥促纤维化作用。例如，4-HNE是脂质过氧化的典型终产物，已被证明可介导TGF-β1诱导的成纤维细胞向肌成纤维细胞分化。此外，4-HNE可激活核因子κB（NF-κB）信号通路，促进多种促纤维化因子的表达，增强细胞迁移能力，并在体外调节基质