新冠病毒感染会诱发铁死亡吗？

本期小编和大家分享一篇于2021年10月发表的一篇题名为“铁死亡是导致COVID-19多器官损伤过程的关键组成部分吗?”^【1】的综述，一起学习铁死亡这一研究热点在当前新冠这一重要临床问题中有哪些表现以及可以获得哪些启发。

本综述就铁死亡的分子机制及其与SARS-CoV-2感染和多器官损伤的可能关系进行综述，最后分析了对抗铁死亡的潜在干预措施，从而减少COVID19多器官损伤的发生。

首先我们需要明确3个概念：

铁死亡：铁死亡（ferroptosis）是一种依赖于细胞内铁离子的积累而导致细胞出现脂质超氧化（ROS的聚集和多不饱和脂肪酸的消耗）、非凋亡性细胞程序性死亡方式之一。

SARS-CoV-2：Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2，简称SARS-CoV-2，是新型冠状病毒（2019-nCoV）的正式分类名称。

COVID-19：世界卫生组织总干事谭德塞在日内瓦宣布，由SARS-CoV-2病毒导致的疾病称为COVID-19。

铁死亡发生的3大机制大体可总结为如图1所示：

图1.铁死亡分子机制示意图

ACSL4:酰基辅酶A合成酶长链家族成员4；DMT1:二价金属转运体1；ETC:电子传递链；GPX4:谷胱甘肽过氧化物酶4；GSSG:氧化谷胱甘肽； LPCAT3:溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3；NCOA4:核受体共激活因子4；NOX:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶；PUFA-CoA:多不饱和脂肪酸辅酶A；RSL3: 一种铁死亡激活剂；TFR1:转铁蛋白受体1。

System Xc-可以促进细胞对胱氨酸（cystine）的摄取以及谷氨酸（glutamate）的排出，胱氨酸还原酶将其还原为半胱氨酸（cysteine），其是合成还原型谷胱甘肽(GSH)的关键前体。GSH是GPX4重要的还原辅助因子(催化脂质过氧化物还原为相应的醇)，同时也形成氧化型谷胱甘肽（GSSG）。Erastin抑制细胞对胱氨酸的摄取，从而损害细胞内GSH的合成。GSH的消耗可引起GPX4的间接失活，引起脂质过氧化物的积累，从而破坏膜的完整性，导致铁死亡。

循环铁(Fe³⁺)结合转铁蛋白（TFR1）进入细胞内的核内体被还原成Fe²⁺，经由二价金属离子转运体DMT1将Fe²⁺释放到细胞质的铁池中，过剩的铁储存在铁蛋白（Ferritin）中。在某些情况下，铁蛋白会通过 “铁蛋白吞噬”释放其中的Fe²⁺，进而发生“芬顿反应”（较广泛引用的化学反应方程式：Fe²⁺ + H₂O₂→Fe³⁺ +（OH）^- + OH·）引起活性氧的增加，此过程需要激活NOX或者线体的电子传递链（ETC）产生H₂O₂。

在ACSL4和LPCAT3作用下所产生的PL-PUFAs主要促进脂质过氧化的发生，在铁死亡的最后阶段，脂质过氧化直接或间接诱导细胞膜孔隙的形成，从而触发细胞死亡。

COVID-19主要影响的是呼吸系统，同时也可导致多种肺外的多器官损伤。如2020年9月首次报道的一例SARS-CoV-2心肌炎伴心源性休克患者，其心肌和肾脏组织通过免疫组织化学显色发现其铁死亡指标呈阳性，说明铁死亡对COVID-19心脏损伤和多器官衰竭具有不利影响^【2】。如下图2和图3，其中oxPAPC(E06):E06抗体可以识别并结合氧化磷脂酰胆碱，可反映铁死亡过程中的脂质过氧化程度；4‐HNE是脂质过氧化物的一种高反应性分解产物，可执行铁死亡的发生。

图2.免疫组化检测肾组织中铁死亡标记物

(A) 患有心肌炎和多器官功能障碍综合征的COVID-19患者肾组织表现为急性肾小管坏死、肾小管内草酸晶体以及肾小管近端EO6阳性；(B) 其他病因的心肌炎导致猝死的病例中，肾组织中EO6阴性；(C) COVID-19患者4‐HNE(脂质过氧化物的分解产物之一)也呈阳性；(D) 在其他病因的心肌炎导致猝死的病例中，肾组织中4-HNE呈阴性。

图3.免疫组化检测心脏组织中铁死亡标记物

(A) E06抗体免疫反应性在严重SARS-CoV-2心肌炎的区域、近动脉和整个心肌呈梯度状阳性反应；(B) 16岁男性，因其他原因导致的非COVID-19心肌炎突然死亡，E06染色未检测到信号；(C) 33岁男性COVID-19患者，死于严重急性呼吸窘迫综合征和多器官衰竭，但没有心肌炎，在心室壁和血管周围区域均有E06阳性灶；(D) 48岁男性，无心肌炎，创伤后住院，血管周围结缔组织仅部分E06阳性。

由图2和图3可知，一些新冠患者的临床样本特定组织如心脏、肾脏中铁死亡标志物呈明显阳性，那么新冠病毒是如何引起细胞发生铁死亡的呢？以及对于现有的研究发现可以获得哪些治疗启发呢？为此，作者根据已有研究报导综述了三大作用机制，其一：SARS-CoV-2感染引起铁代谢失调，如图4。

图4.SARS-CoV-2感染引起铁代谢失调

所示的SARS-CoV-2感染引起铁代谢失调的模式图可知：SARS-CoV-2病毒的复制，诱导免疫激活，引起相关细胞因子风暴的发生尤其是IL-6的大量增加，刺激了Hepcidin（铁稳态的主要调节因子），进而阻断FPN（铁蛋白运输），导致细胞内铁和铁蛋白的增加，进而引起铁蛋白的吞噬，并触发不稳定铁池的增加，通过芬顿反应诱导OH，最终通过PL-PUFA过氧化促进铁死亡的发生。

其二：SARS-CoV-2感染引起GSH-GPX4轴异常和其三：引起ROS的生成，如图5。

图5.SARS-CoV-2感染过程中ROS生成示意图

GSH谷胱甘肽是一种三肽(由甘氨酸、半胱氨酸和谷氨酸组成)，可以结合自由基保护细胞免受氧化损伤。GPX4属于硒蛋白家族的抗氧化酶，可将GSH转化为GSSG，并将细胞毒性LOOH转化为相应的醇类。如上所述，在铁死亡过程中，氧化还原活性铁的积累会消耗GSH池，进而抑制GPX4的活性，导致抗氧化反应失败。一项小规模研究的结果表明，减少谷胱甘肽可引起ROS升高和更严重的症状，而拥有更高水平的谷胱甘肽的COVID-19患者中，ROS减少并且可以快速恢复^【4】。

此外，还有研究发现SARS-CoV-2显著抑制了铁蛋白相关的GPX4、DNA合成相关的硫氧还蛋白还原酶和内质网相关蛋白的mRNA表达^【3】。总之，现有的研究数据表明SARS-CoV-2感染可降低GSH池和下调GPX4基因表达从而促进细胞的铁死亡。

ROS（reactive oxygen species）是铁死亡的关键信号，主要来源于细胞线粒体（mitochondria）内膜的呼吸链及细胞膜上的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)。研究发现SARS-CoV-2病毒中的Orf9b蛋白可与线粒体膜表面的蛋白TOM70结合，抑制I型IFN反应（I型IFN素是参与抗病毒免疫的重要效应分子），而通过减少钙向线粒体的转移修饰TOM70的活性，可减少线粒体呼吸诱导ROS的产生 (图5)。研究表明，呼吸道病毒引起的ROS过量产生部分是由NOX的活性介导的。血管紧张素II (Ang II)与血管紧张素1受体(AT1R)结合控制NOX的激活。因此SARS-CoV-2诱导的ACE2R下调增加了Ang II及其与AT1R的结合，从而触发NOX，进而引起氧化应激和炎症。

综上，SARS-CoV-2感染可引起细胞内铁离子捕获、GSH-GPX4轴损耗和ROS过量产生，这些因素均可促进芬顿反应生成过量LOOH和羟基自由基，最终促进铁死亡。基于这些研究证据以及严重SARS-CoV-2感染者在临床中表现的多系统疾病，作者试图推测铁死亡可能是COVID-19器官损伤的一个重要原因,可能作为一种新的辅助治疗靶标。

综上所述，SARS-Cov-2感染可加重多器官损害。几项研究强调，铁死亡可能作为COVID-19防止器官损伤新的治疗靶点，尽管此方法目前仍未被证实，但细胞内铁的累积GSH的消耗、GPX4失活以及PUFA过氧化上调是SARS-CoV-2感染和死亡的组成成分之一，从而提示铁死亡的抑制剂可能是临床验证的首选辅助治疗。基于此，需要更多的科学探索以确认铁死亡在COVID-19器官损伤发病机制中的作用，为预防此疾病寻求正确的治疗方法。

关于铁死亡研究思路可参考往期>>

【参考文献】

【1】Fratta Pasini AM, Stranieri C, Girelli D, Busti F, Cominacini L. Is Ferroptosis a Key Component of the Process Leading to Multiorgan Damage in COVID-19? Antioxidants (Basel). 2021 Oct 25；10(11):1677. doi: 10.3390/antiox10111677. PMID: 34829548；PMCID: PMC8615234.

【2】Jacobs W, Lammens M, Kerckhofs A, Voets E, Van San E, Van Coillie S, Peleman C, Mergeay M, Sirimsi S, Matheeussen V, Jansens H, Baar I, Vanden Berghe T, Jorens PG. Fatal lymphocytic cardiac damage in coronavirus disease 2019 (COVID-19): autopsy reveals a ferroptosis signature. ESC Heart Fail. 2020 Sep 22；7(6):3772–81. doi: 10.1002/ehf2.12958. Epub ahead of print. PMID: 32959998；PMCID: PMC7607145.

【3】Wang Y, Huang J, Sun Y, Stubbs D, He J, Li W, Wang F, Liu Z, Ruzicka JA, Taylor EW, Rayman MP, Wan X, Zhang J. SARS-CoV-2 suppresses mRNA expression of selenoproteins associated with ferroptosis, endoplasmic reticulum stress and DNA synthesis. Food Chem Toxicol. 2021 Jul；153:112286. doi: 10.1016/j.fct.2021.112286. Epub 2021 May 21. PMID: 34023458；PMCID: PMC8139185.

【4】Horowitz RI, Freeman PR, Bruzzese J. Efficacy of glutathione therapy in relieving dyspnea associated with COVID-19 pneumonia: A report of 2 cases. Respir Med Case Rep. 2020 Apr 21；30:101063. doi: 10.1016/j.rmcr.2020.101063. PMID: 32322478；PMCID: PMC7172740.