铁死亡在肺移植缺血/再灌注损伤中的研究进展

李益行，范坤，赵轶龙，陈喆，王芝馀，陶润仪，刘博豪，王绩钊，张广健（西安交通大学第一附属医院胸外科，陕西 西安 710061）

自21 世纪以来，肺移植技术发展迅速，成为治疗各种终末期肺疾病患者的新策略。2020 年全球肺移植手术量已有2500 例［1］，我国接受肺移植手术的患者呈逐年增长趋势。截止2020 年，我国双肺移植患者围术期生存率为80.5%，1 年生存率为62.7%，仍低于其余器官移植水平［2］。影响肺移植围术期生存率的原因包括感染、手术并发症、免疫排斥反应等，其中移植物的急性损伤直接影响患者术后短期生存率。移植器官的缺血/再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury，IRI）是围术期移植物损伤的主要原因之一。导致和影响IRI 的因素众多。近年来铁死亡作为一种新的细胞死亡方式，参与及影响了多种生物学行为，铁死亡被认为在越来越多的器官IRI 过程中发挥作用［3-4］。本综述旨在描述铁死亡在肺移植IRI 中的研究进展，为提高肺移植术后患者短期生存率提供新思路。

1 肺移植围术期的临床困境

肺移植具有较高的技术难度，围术期病死率较高，且较其他器官移植相比，术后生存率相对较低。据ISHLT TTX 登记处的数据显示，在全球存活1 年的肺移植术后患者人群中，5 年存活率为60%～70%［5］。影响肺移植术后远期生存的关键在于患者术后1 年的存活状况，而后者与术后围术期状况密切相关。原发性移植物功能障碍（primary graft dysfunction，PGD）是导致肺移植患者围术期死亡最常见的原因，其发生率约为25%，且呈现逐年递增趋势［6-7］。

PGD是指肺移植术后72 h内发生的急性肺损伤，包括进行性低氧血症、炎性反应、肺泡弥漫性浸润等在内的一系列移植肺缺乏生物学功能的综合临床表现。围术期PGD 将增加术后机械通气时间、重症监护室时间和住院时间，增加治疗成本，降低术后生活质量［8］。此外，PGD 的发生使肺移植患者容易较早发生慢性排斥反应，从而严重影响患者长期生存［9］。PGD 发生严重影响术后患者远期肺功能恢复，术后肺不张发生率明显增高［10-11］。严重的PGD 与术后患者病死率明显相关。

PGD 发生发展的危险因素包括供肺基本情况、受体基础条件、肺移植技术等。供体的年龄、吸烟史、肺质量等均可能与PGD 的发生相关。据报道，供体年龄大于35 岁，每增加1 岁，PGD 的危险性增加3%［12］。供体吸烟史则明显降低供肺质量，增加了移植术后并发症发生的风险。接受心脏死亡后器官捐献（donation after circulatory death，DCD）的供肺与PGD 的发生长期以来存在争议，而最近的研究表明，DCD 供肺与脑死亡供肺短期和长期结果无明显差异［13］。值得注意的是，较大的供肺被认为与较低的PGD 发生风险有关，但在慢性阻塞性肺疾病患者人群中则无明显相关［14］。因此，供肺与受体胸腔大小相适应可能有利于降低围术期并发症发生。

受体的基础条件及围术期治疗，如肺部原发疾病、并发疾病、移植前状态等均可能引起PGD 的进一步发展。特发性肺纤维化、结节病和特发性肺动脉高压（idiopathic pulmonary artery hypertension，IPAH）患者比慢性阻塞性肺疾病或囊性纤维化患者更容易发生PGD［15-16］。多肌炎/皮肌炎相关的间质性肺疾病被认为与较高的PGD 发生相关［17］。此外，受体激素水平和BMI 也被认为与PGD 发生相关。受激素水平影响，女性可能具有更高的PGD 发生风险［18］，高水平肾上腺髓质素可能与3 级以上的PGD 发生相关［19］。Akimova 等［20］则认为受体肥胖相关的IL-18 可诱导调节性T 细胞（regulatory T cell，Treg）功能障碍，促进缺血/再灌注损伤的发生，导致PGD 的发生。

2 IRI 与PGD

经典的IRI 过程分为两个阶段，首先是组织缺血期间细胞缺氧，各种细胞毒性物质导致的细胞损伤、组织水肿。随后在再灌注阶段，活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量产生、内皮细胞损伤、血管通透性增加以及血小板、补体系统、细胞因子、中性粒细胞等的激活使组织损伤进一步加重［21］。其中，氧化应激反应及炎症反应增强是IRI 过程中重要的病理生理过程。在肺移植患者PGD 的风险因素分析中发现，供肺冷缺血时间是PGD 的显著危险因素［22］。供体在受体内吻合时间的延长是严重的PGD 的独立危险因素［23］。因此，通过各种方法减少供肺的缺血时间，缩短IRI 过程带来的损伤有利于降低PGD 的发生。此外，几乎所有肺移植动物模型中，均可以观察到明显的IRI 相关指标，例如氧化应激水平的明显增高和炎症因子的高度表达等。肺移植后的IRI 会迅速激活先天性免疫系统，促进炎症和损伤，介导对微生物感染反应的受体，特别是模式识别受体toll 样受体（toll-like receptor，TLR）与肺部IRI 明显相关［24］。肺实质细胞产生的TLR4 被认为是肺部IRI 的关键调节因子，在IRI 早期促进肺水肿形成［25］。在临床实践中，体外肺灌注（ex vivo lung perfusion，EVLP）使肺组织保存在非缺血、灌注的状态中，降低移植后IRI 的程度以缓解供体肺炎症［26］。这些都表明，IRI 在肺移植过程中严重影响了供体肺的在受体内的功能状况，是术后PGD 发生的重要原因。

现有研究通过多种抗炎或抗氧化应激水平的途径以降低IRI，这些体外实验为降低肺移植术后PGD 的发生提供了治疗策略。直接影响氧化应激水平必然导致IRI 程度的改善，而抗促炎相关因子水平也具有降低IRI 的效果。Lu 等［27］在大鼠肺移植早期动物模型中抑制miRNA 的表达显著降低了肺损伤程度，降低肺部炎症反应。Ying 等［28］认为NaB通过抑制NF-κB 和JAK2/STAT3 信号通路来缓解LIRI，降低IRI 后小鼠肺组织炎症和氧化应激水平。Moskowitzova 等［29］利用线粒体移植技术将载药的线粒体通过血管输送或雾化吸入的方式载药的减少了肺组织损伤以外，补充肌酸等营养物质也有利于IRI 的减轻。Almeida 等［30］认为肌酸可以降低炎症细胞浸润，对IRI 起到保护作用。总之，肺移植术后IRI 与PGD 的发生密切相关，通过改善IRI 程度是降低肺移植术后PGD 发生的有效途径。

3 铁死亡过程是IRI 的重要原因

铁死亡（ferroptosis）由Dixon 等［31］2012 年发现并命名，是一种全新的调节性细胞死亡方式，以铁依赖性脂质过氧化物致死性积累为主要特征。在某些病理因素或药物诱导下，细胞内线粒体依赖阴离子通道和丝裂原活化蛋白激酶被激活、内质网应激性、胱氨酸/谷氨酸反向转运体（cystine/glutamate antiporter，system xc-）的抑制，细胞内铁摄取增多，铁依赖的芬顿反应（fenton reaction）加剧，产生致死性的过氧化物积累，最终导致细胞死亡。

目前，已有相当多的研究指出铁死亡与各类器官中的缺血/再灌注损伤（ischemia/reperfusion injury，IRI）的病理生理过程密切相关［32-33］。例如，在心脏移植、心肺复苏、心肌梗死等疾病引起的心肌IRI 中均存在铁死亡，细胞和动物模型实验结果也显示，铁死亡抑制剂或铁螯合剂能显著降低再灌注后心肌细胞铁死亡相关通路蛋白的表达，增强心肌细胞抗氧化能力，从而有效改善心肌IRI［34-36］。此外，在高铁饮食增加机体铁负荷的小鼠模型中，肝脏IRI 明显加重，铁死亡标志物环加氧酶和脂质过氧化水平显著上升，而铁死亡特异性抑制剂α-生育酚、Liproxstatin-1 和铁抑制素-1 等以及利用去铁胺的铁螯合作用，均可明显减轻肝脏IRI［37］。此外，Friedmann 等［38］在肝损伤中发现铁死亡的抑制剂liproxstatin－1 可以明显缓解肝脏IRI。Tonnus 等［39］证实缺失铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis-suppressorprotein 1，Fsp1）或对硒蛋白谷胱甘肽过氧化物酶4（selenoprotein glutathione peroxidase 4，Gpx4cys/-）活性中心进行靶向调控均可以使肾小管对铁死亡敏感，导致肾IRI 后肾小管性坏死，而利用特异性的小分子抑制剂则明天提高小鼠肾IRI 后的存活率。黄酮类中草药如槲皮素等，可以下调活化转录因子3 （activation transcription factor 3，ATF3），以显著提高SLC7A11、GPX4 的表达水平，从而抑制铁死亡诱导的肾脏IRI［40］。ACYL－CoA 合成酶长链家族成员4（Acyl－CoA synthetase long－chain family member 4，ACSL4）是脂质合成的关键酶，在铁死亡环节中发挥重要作用。Li 等［41］证实了铁死亡存在于肠道IRI 损伤，再灌注前抑制ACSL4 可防止铁下垂和细胞死亡，并且特殊蛋白1（special protein 1，Sp1）是ACSL4 关键转录因子，可以通过与ACSL4启动区结合增加其转录表达。在脑缺血相关研究中，在缺血坏死的脑组织周围半暗带区可以发现铁富集，而使用铁螯合剂降低铁富集可以改善脑缺血，并且ACSL4 可以形成凝血酶-ACSL4 轴促进缺血性卒中后铁性细胞死亡，体外和体内实验发现均发现通过抑制凝血酶-ACSL4 轴中的多个靶点可有效改善脑缺血［42-43］。

铁死亡在肺IRI 损伤中的研究报道较少。Xu 等［44］在肺IRI 动物模型中发现再灌注1 h 铁死亡水平升高，存在Fe2+和ROS 的富集，铁死亡保护蛋白GPX4 表达减少，负性调节蛋白ACSL4 表达增加，这些现象随灌注时间增加而逐渐明显。此外，铁死亡通路的抑制剂Liproxstatin-1、罗格列酮等可以预防这些变化的发生。Wang 等［45］研究发用鸢尾素可以调控肺IRI 过程中Fe2+和ROS 水平，提高GPX4和谷胱甘肽表达，最终诱导Nrf2/HO-1 信号轴抑制铁下垂减轻肺缺血/再灌注损伤。Wu 等［46］也认为醛脱氢酶2 激活剂Alda-1 通过影响铁死亡对肺IRI具有保护作用。总而言之，肺IRI 中存在Fe2+和ROS 的富集，铁死亡过程的部分蛋白表达改变，但其具体过程仍需要进一步明确。

4 讨 论

肺移植术后PGD 严重影响了围术期患者生存率，如何调控和避免IRI 引起的PGD 是围术期治疗的有效策略。尽管目前已经有多种药物抑制肺IRI 过程，但大多仍处于动物实验阶段，其临床疗效有待进一步明确。铁死亡作为诱导细胞死亡的一种重要机制，参与多种器官的IRI 过程，然而，铁死亡在肺缺血/再灌注中的相关研究较少。我们认为铁死亡很可能在肺移植缺血/再灌注损伤中发挥重要作用，通过抑制细胞内铁死亡是预防和治疗IRI 器官损伤的新靶点和新思路。通过抑制铁死亡对肺脏保护作用还未见研究报道，这值得进一步研究。其次，铁死亡体外循环过程中是如何诱导和调控肺IRI 的尚不明确，是否存在有效的作用靶点从而形成新治疗策略，仍有待进一步研究。