缺血再灌注损伤中的细胞死亡：超越单一细胞死亡视角的多模态互作网络与时空调控机制

《Biomarker Research》：Cell death in ischemia-reperfusion injury: beyond a single-cell-death perspective

缺血再灌注损伤（IRI）是急性肾损伤、脑卒中和心肌梗死等重大疾病发病机制中的重要环节。多种形式的细胞死亡，包括凋亡（apoptosis）、坏死性凋亡（necroptosis）、焦亡（pyroptosis）、自噬（autophagy）及铁死亡（ferroptosis），均是IRI的关键促成因素。这些细胞死亡程序之间的相互作用增加了IRI景观的复杂性。细胞死亡模式在缺血期与再灌注期之间存在显著差异，且在不同器官间亦不相同，这反映了IRI的时空特异性与器官特异性特征。鉴于IRI背后复杂的分子机制，多靶点小分子药物、联合治疗方案以及纳米递送系统已被探索，尽管大多数仍处于临床前阶段。在本综述中，研究人员总结了参与IRI的主要细胞死亡方式、它们相互关联的分子靶点与信号通路，以及其相特异性和器官特异性的调控机制。研究人员进一步讨论了非编码RNA（non-coding RNAs）、代谢重编程（metabolic reprogramming）及表观遗传改变（epigenetic alterations）在调控细胞死亡中的协同作用及其治疗潜力。最后，研究人员提出了旨在调节细胞死亡方式之间交互作用的治疗策略，这对实现个体化的IRI治疗具有潜在意义。

缺血再灌注损伤中的细胞死亡

在IRI中讨论的主要细胞死亡机制包括凋亡（apoptosis）、坏死性凋亡（necroptosis）、焦亡（pyroptosis）、自噬（autophagy）和铁死亡（ferroptosis）。这些程序性细胞死亡（PCD）方式在IRI发病过程中扮演着不同的角色。凋亡贯穿IRI全程，导致持续的细胞丢失；其信号通路可被氧化应激、缺血再灌注期间的细胞内钙超载以及坏死细胞释放的促炎因子激活。坏死性凋亡也参与了IRI的损伤放大阶段，因为坏死性凋亡过程中释放的炎症介质会传播组织损伤。由NLRP3炎症小体介导的局部细胞焦亡通过形成质膜孔洞放大了局部炎症反应并扩展了组织损伤。相比之下，自噬发挥着双重作用：在缺血期间主要起细胞保护作用，而在再灌注期间其过度激活则可能导致组织损伤。铁死亡是一种由脂质过氧化驱动的铁依赖性PCD，与IRI期间的氧化应激密切相关。重要的是，这些细胞死亡途径并非独立运作，一条途径产生的分子可直接或间接地促进或抑制另一条细胞死亡途径。

凋亡

凋亡是一种特征明确的基因调控性细胞死亡形式。其典型的形态学特征包括核膜破裂、染色质浓缩、凋亡小体形成和有组织的细胞解体。与裂解性细胞死亡相比，凋亡通常保持质膜完整性，因此炎症反应较轻。在IRI过程中，凋亡由缺血期间细胞内稳态的丧失启动，并在再灌注期间因Ca²⁺超载和活性氧（ROS）积累等病理生理因素而加剧。凋亡主要通过内源性（线粒体）和外源性（死亡受体）两条途径介导。在内源性途径中，线粒体功能障碍促进细胞色素c（Cyt c）等促凋亡介质释放到胞浆，与凋亡蛋白酶激活因子1（Apaf-1）结合并组装成凋亡体，激活caspase-9，进而激活效应caspase执行凋亡。在外源性途径中，配体与死亡受体结合后募集Fas相关死亡结构域蛋白（FADD）等衔接蛋白形成死亡诱导信号复合物并激活caspase-8。活化的caspase-8既可直接切割下游效应caspase启动凋亡程序，也可切割Bid生成截短的Bid（tBid），后者靶向线粒体并激活内源性途径，从而放大凋亡信号。在IRI中，这种平衡被打破，过度的凋亡加剧了组织损伤和功能障碍。再灌注期间的ROS爆发和Ca²⁺超载是IRI常见的病理表现，而线粒体功能障碍作为这些病理生理因素的汇聚点，是凋亡的主要调控节点。

坏死性凋亡

坏死性凋亡是一种通过受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）-RIPK3-混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）信号轴执行的调节性坏死细胞死亡形式。它在分子水平上受到调控，但兼具坏死的膜破坏性和促炎特征，其促炎效应主要反映在质膜破裂后细胞内容物的释放。坏死性凋亡信号可在IRI的缺血和再灌注两个阶段发挥作用。缺血期的能量衰竭损害了细胞凋亡抑制蛋白（cIAP）的功能，降低了对RIPK1的抑制性控制，导致坏死体的形成。再灌注时，ROS爆发可通过氧化其半胱氨酸残基增强RIPK1激酶活性，并上调RIPK3的表达。RIPK3还可直接磷酸化丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）的E3亚基，增强有氧呼吸和线粒体ROS产生，形成一个正反馈环路，强化坏死体形成和坏死性凋亡。

焦亡

焦亡是由gasdermin蛋白家族（GSDMs）介导的一种PCD方式。其激活依赖于caspase介导的GSDMD切割，通常通过由起始caspase定义的经典和非经典途径来描述。经典途径主要通过炎症小体激活和随后的GSDMD切割诱导焦亡。NLRP3炎症小体是该途径的主要信号平台，它募集凋亡相关斑点样蛋白（ASC），促进procaspase-1的活化。活化的caspase-1随后切割GSDMD生成N端片段GSDMD-N，其在质膜上寡聚形成孔洞，释放细胞内损伤相关分子模式（DAMPs），放大局部炎症反应。在非经典途径中，caspase-4/5/11直接感应胞浆中的革兰氏阴性菌脂多糖（LPS），并通过类似的GSDMD切割启动焦亡程序。在IRI进展过程中，焦亡受缺血和再灌注期间多种病理生理因素的调节：缺血期间钙超载激活蛋白激酶C（PKC），通过磷酸化NLRP3增强其与ASC的结合，从而诱导焦亡；再灌注后的ROS产生可通过促进NLRP3炎症小体组装和离子通道激活来诱导焦亡。

自噬

自噬是一种进化上保守的细胞降解过程。它形成自噬体包裹胞质物质进行溶酶体降解，从而回收营养物质并清除异常蛋白质和受损细胞器，维持细胞内稳态并支持细胞存活。在IRI等病理条件下，适度调控的自噬可限制炎症反应并维持组织结构与功能。相反，再灌注晚期持续或失调的自噬与过度的线粒体清除有关，氧化损伤可诱导溶酶体膜通透化和组织蛋白酶释放，触发多种死亡途径。在IRI早期，自噬主要起细胞保护作用：缺血期间AMPK/mTOR信号轴的激活诱导自噬体形成增加。此外，由PTEN诱导激酶1-Parkin（PINK1-Parkin）途径介导的线粒体自噬通过选择性清除功能失调的线粒体来限制ROS产生。然而，再灌注晚期持续的自噬激活可能导致细胞器和功能蛋白的过度清除，造成组织损伤。

铁死亡

铁死亡是一种铁依赖性的PCD形式，其特征是铁依赖性磷脂过氧化，常伴有谷胱甘肽（GSH）耗竭和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失活。磷脂氢过氧化物的积累最终损害膜完整性并驱动铁死亡。铁死亡的诱导依赖于铁和脂质代谢的协调，二者共同控制铁死亡性细胞死亡的启动和执行。在铁代谢途径中，细胞内铁的积累主要由转铁蛋白（Tf）介导：Tf与质膜上的转铁蛋白受体1（TfR1）结合，介导Tf结合的Fe³⁺内吞，随后被还原为Fe²⁺并释放到不稳定铁池（LIP）中。在脂质代谢网络中，铁依赖性脂质过氧化在铁死亡中起核心作用：膜磷脂上的多不饱和脂肪酸（PUFAs）被酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）代谢为生物活性磷脂过氧化产物。铁死亡是IRI发病机制中的关键贡献者，其激活受缺血和再灌注期间多种病理生理因素的调节。缺血期能量剥夺抑制谷氨酸-半胱氨酸连接酶（GCS）和脂质代谢酶，减少GSH生物合成并增加脂质底物，使细胞更容易发生铁死亡。再灌注期间，升高的ROS水平可促进铁蛋白自噬介导的储存铁动员并扩大LIP。