PFAS暴露调控铁死亡（ferroptosis）：分子机制、器官毒性、因果证据强度与疾病相关性的批判性叙述性综述

《Molecular & Cellular Toxicology》：PFAS and ferroptosis: molecular mechanisms, organ toxicity, and disease relevance

　　

背景：全氟和多氟烷基物质（PFAS）是持久性环境污染物，可在人体组织中蓄积并可能导致长期细胞和器官损伤。铁死亡（ferroptosis）是一种铁依赖性调节性细胞死亡形式，由磷脂过氧化驱动，已作为连接PFAS暴露与毒性的潜在机制出现。目的：本批判性叙述性小型综述综合了直接研究PFAS调控铁死亡（ferroptosis）的原始研究，重点关注分子通路、受影响器官、因果强度、独立重复、疾病相关性及其对人体健康风险评估的意义。结果：最终证据集包含18项直接实证研究。肝脏具有最成熟的机制证据，但若干详细的全氟辛烷磺酸（PFOS）肝细胞通路的置信度被下调，因为多份报告来源于同一研究网络且缺乏独立重复。已报道机制包括谷胱甘肽耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）功能障碍、酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）依赖性脂质重塑、核受体共激活因子4（NCOA4）介导的铁蛋白自噬、线粒体钙和铁超载，以及细胞器间铁转运。铁死亡（ferroptosis）相关损伤也报道于肾小管、内皮、膀胱上皮、口腔黏膜、神经、卵母细胞和胚胎模型。肝脏之外的证据通常为中等、初步或假说生成性。全氟辛酸（PFOA）介导的肝细胞癌细胞铁死亡（ferroptosis）抑制进一步表明，PFAS效应随细胞和疾病背景而变化。结论：铁死亡（ferroptosis）是PFAS毒性的可信但背景依赖性贡献因素，但尚无详细PFAS–铁死亡（ferroptosis）通路可在缺乏更强外部重复的情况下被视为高确定性。未来研究需要经验证的内暴露PFAS剂量、环境相关混合物、多铁死亡（ferroptosis）判定标准、正交拯救实验、器官相关模型、将性别作为生物学变量明确考虑，以及前瞻性人体验证。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类化学结构多样的污染物，其富碳–氟结构导致环境持久性，部分遗留化合物可在人体长期滞留。纵向观察估计，全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）在高度暴露工人中具有多年血清消除半衰期。尸检组织分析显示，PFAS分布不限于血液，可在肝、肾、肺、脑和骨中检出，并存在明显化合物和组织差异。铁死亡（ferroptosis）是一种铁依赖性调节性细胞死亡，区别于凋亡，以氧化膜脂积累及对铁螯合或自由基捕获抗氧化剂敏感为特征。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）是抵御铁死亡性脂质损伤的核心防御；核受体共激活因子4（NCOA4）作为铁蛋白货物受体，可通过铁蛋白自噬（ferritinophagy）释放储存铁；铁死亡抑制蛋白1（FSP1）通过辅酶Q还原提供与GPX4平行的抗氧化防御。PFAS–铁死亡文献自2022—2023年直接肾脏和肝脏研究出现后快速扩展，但证据分布不均，且受细胞和疾病背景影响。该综述不将单一铁死亡相关蛋白表达改变视为证明，而更重视铁和脂质过氧化测量、通路特异性干预及功能拯救，并将同一研究网络来源不视为独立重复。

材料与方法

该批判性叙述性小型综述进行研究识别和证据评价。2026年6月检索PubMed、Google Scholar和出版商数据库，检索词组合PFAS、PFOS、PFOA、ferroptosis、GPX4、SLC7A11、ACSL4、NCOA4、ferritinophagy、iron、lipid peroxidation及器官特异性术语。纳入直接研究PFAS调控铁死亡的原始实证研究；排除综述、社论、方案及仅生物信息学富集报告。最终18项原始实证研究符合范围。由于检索未前瞻性登记，未能可靠重建阶段检索、去重、筛选及排除计数，因此未生成PRISMA流程图，并将该局限纳入证据完整性和可重复性解释。机制综合考虑模型相关性、暴露真实性、暴露分析确认、铁死亡标准数量和特异性、药理拯救、遗传或铁定向干预、器官水平验证、分子与功能一致性及独立重复。重叠研究网络被视为网内佐证，因此无外部重复的详细机制不评为高于中等证据；单模型或部分因果发现视为初步；关联/组学发现及仅限单一恶性细胞系的观察视为假说生成性。人体观察关联与实验因果证据分开解释。毒理学数据可靠性评估工具（ToxRTool）用于6项机制中心研究，涵盖肝、肾、膀胱上皮、口腔黏膜、生殖和发育证据。体外研究采用18项二分标准，体内研究采用21项标准，涵盖受试物识别、试验系统或生物体表征、研究设计描述、结果记录及设计/结果合理性。强制标准失败则不得归为类别1或2。体外总分15–18、11–14和<11分别对应类别1、2、3；体内总分18–21、13–17和<13对应类别1、2、3。类别1为无限制可靠，类别2为有限制可靠，类别3为不可靠。ToxRTool评级仅解释为单项实验研究的内在可靠性和报告质量，不作为机制确定性、人体背景暴露相关性或独立重复的直接指标。

结果

机制

铁死亡（ferroptosis）发生需要可氧化磷脂、催化性铁及抗氧化防御不足共同汇聚。经典防御为胱氨酸–谷胱甘肽–GPX4轴；FSP1可独立抑制脂质自由基传播，因此GPX4稳定表达并不自动排除铁死亡，若另一脂质防御臂受损仍可发生。PFAS研究涉及四个相互作用分子模块：其一，氧化和内质网应激可耗竭谷胱甘肽或削弱GPX4相关防御，口腔角质形成细胞中PFOS激活ATF4–CHAC1通路，增加谷胱甘肽降解和脂质过氧化，CHAC1敲低或内质网应激抑制可减轻；PFOA暴露肝细胞中氧化应激及AKT/GSK3β/β-catenin信号破坏伴随铁死亡损伤。其二，PFAS增加可氧化膜脂池，ACSL4激活多不饱和脂肪酸掺入磷脂；PFOS诱导脂肪性肝炎涉及线粒体钙单向转运体（MCU）与ACSL4相互作用；人膀胱上皮细胞中PFOA和PFOS增加ACSL4蛋白而不增加转录，机制涉及ACSL4泛素化减少，ferrostatin-1减轻脂质过氧化和损伤。其三，PFAS动员储存铁并在细胞器间重定向；PFOS通过去酪氨酸化α-微管蛋白/TRIM21/HERC2机制减少NCOA4降解并激活铁蛋白自噬；另一肝细胞模型中自噬增加溶酶体铁，TRPML1和VDAC3介导溶酶体到线粒体铁转运；内质网到线粒体铁转运与ZIP7–VDAC3相互作用及ACSL4相关；鸡胚PFOA暴露在肾铁死亡中参与NCOA4依赖性铁蛋白自噬。其四，线粒体功能障碍放大铁死亡应激；PFOS使ATP5B和转铁蛋白受体2重分布至线粒体，导致线粒体铁超载先于肝胰岛素抵抗；PFOS脂肪性肝炎涉及自噬依赖性线粒体钙负荷和MCU–ACSL4相互作用；猪卵母细胞中，线粒体去极化和脂质过氧化积累先于成熟和胚胎发育受损。总体证据支持模块化、背景依赖性阈值模型，而非单一线性级联。恶性肝细胞中适应性SLC7A11相关防御可能转向铁死亡抵抗。

器官特异性证据

肝脏

肝脏证据最成熟。原代小鼠肝细胞和暴露小鼠中，PFOS增加活性氧、Fe²⁺、脂质过氧化指标和肝损伤，铁死亡抑制剂或活性氧导向干预减少铁死亡相关变化和组织损伤。PFOA可在体外通过氧化应激及AKT/GSK3β/β-catenin通路破坏诱导肝细胞铁死亡，但缺乏体内成分限制器官水平推断。后续PFOS研究映射细胞器机制：自噬介导的线粒体钙超载和MCU–ACSL4相互作用位于脂肪性肝炎样损伤上游；溶酶体铁积累和TRPML1–VDAC3转移与线粒体铁负荷相关；ACSL4介导的ZIP7–VDAC3相互作用参与内质网到线粒体铁转运；ATP5B/TFR2重分布和线粒体铁超载以及NCOA4稳定化均有报道。然而，这些详细机制多集中于重叠研究网络，缺乏外部重复，其单项实验可靠性不能等同于独立确认。铁蛋白周转是另一铁源，PFOS激活小鼠肝和人肝细胞NCOA4介导铁蛋白自噬，机制涉及去酪氨酸化α-微管蛋白、TRIM21和HERC2依赖性NCOA4降解。铁死亡肝细胞还可释放SAP130，经Mincle相关信号促进M1巨噬细胞极化，干预该串扰可减少炎症损伤。肝证据支持铁死亡为PFAS诱导细胞死亡的贡献机制之一，但细胞死亡、巨噬细胞激活、脂肪变和胰岛素抵抗可能相互强化，尚不能确立其介导背景暴露下慢性代谢病，也不排除核受体、胆汁酸、免疫信号、凋亡或线粒体生物能学并行作用。

肾脏与上皮证据

肾脏证据始于人近端小管HK-2细胞。PFOS降低细胞活力、减少GPX4、增加ACSL4和铁相关改变，铁死亡抑制可减轻损伤；后续HK-2研究将铁死亡与内质网应激联系，并通过通路抑制减少损伤。体外浓度和急性暴露设计限制其与慢性人体内剂量直接比较，但近端小管在滤过和重吸收中暴露，具有毒理学合理性。鸡胚PFOA激活NCOA4依赖性铁蛋白自噬和肾铁死亡，提供发育体内支持，同时引入物种毒代动力学不确定性。内皮和尿路上皮研究显示PFAS调控铁死亡不限于代谢特化器官：PFOS诱导人脐静脉内皮细胞功能障碍，伴氧化应激、铁失调、脂质过氧化和铁死亡相关蛋白改变，ferrostatin-1改善活力和功能；SV-HUC-1膀胱上皮细胞中，50 μmol/L PFOA或PFOS增加脂质过氧化和活性氧，ferrostatin-1减轻反应，ACSL4积累源于泛素化减少而非转录增加，GPX4和FSP1未显著改变。口腔角质形成细胞中，PFOS增加活性氧、脂质过氧化、Fe²⁺和CHAC1，降低谷胱甘肽和GPX4；铁死亡抑制剂、CHAC1敲低和牛磺熊去氧胆酸减少细胞和黏膜损伤，支持内质网应激/ATF4/CHAC1通路。

神经与生殖证据

神经证据正在出现。小鼠和神经元系统中，PFOS暴露与空间学习和记忆受损、谷胱甘肽和氧化还原平衡改变、铁死亡相关变化及ATF4信号降低相关，实验操作支持ATF4调节铁死亡反应。但ATF4在口腔细胞中位于CHAC1上游并激活，而在神经毒性模型中降低，提示组织、剂量、时间或下游靶差异，不支持将ATF4视为统一方向性PFAS生物标志物。猪卵母细胞中，PFOS损害成熟和后续胚胎发育，伴线粒体去极化、Fe²⁺和丙二醛增加、自噬相关信号改变及线粒体依赖性铁死亡证据。产前PFAS混合物与神经管缺陷研究结合人病例对照、小鼠和人多能干细胞实验，涉及PFOS、全氟癸酸和全氟己烷磺酸盐共暴露模式，实验涉及自噬介导NCOA4铁蛋白自噬和铁死亡，药理干预减少发育表型。该三角互证提供人体关联与实验机制之间的转化桥，但仍是单一整合研究且无独立重复，不能确立铁死亡介导所有PFAS相关发育风险。

恶性细胞铁死亡

多数正常细胞研究显示PFAS促进铁死亡损伤。相反，HepG2肝细胞癌细胞暴露于PFOA、GenX或其混合物，名义总浓度0.02 mg/L时，PFOA增强存活和转移特征，并通过ATF4/SLC7A11/PDK4轴抑制铁死亡。该结果提示PFAS可在恶性代谢背景中促进铁死亡抵抗，但不应泛化至所有癌症，因为其来自单一细胞系，缺乏荷瘤动物验证，且比较的PFAS化学性质不同、细胞内浓度不相等。正常肝细胞可能因抗氧化能力丧失、细胞器铁积累而发生铁死亡，而癌细胞可重编程胱氨酸摄取、谷胱甘肽代谢、脂质组成和应激转录以逃避该命运。因此，“更多铁死亡”并非普遍有害，“更少铁死亡”也并非普遍保护，结局取决于被保留或清除的细胞类型。

讨论

在18项直接实证研究中，铁依赖性脂质损伤这一终末信号比上游调节因子更一致。具体机制通常由单一研究或研究网络支持，证据质量受急性高浓度设计、PFAS覆盖有限、慢性或类器官模型少、外部重复不足及人体数据稀疏限制。终点汇聚不等于独立重复，无正交拯救或时间证据的标志物丰富研究权重低于通路扰动研究。ToxRTool评估强化了研究可靠性与机制推断强度之间的区别：六项锚定研究虽可结构化评估，但良好可靠性不消除主要局限；ToxRTool不建立外部重复、人体暴露相关性或通路普遍性。暴露真实性是主要限制，名义培养浓度不等于游离细胞内剂量，蛋白结合、培养基组成、链长、转运体和细胞器分配均可改变靶暴露。铁死亡识别需更严格标准，应结合铁依赖性脂质过氧化、ferrostatin-1或liproxstatin-1、铁螯合剂或验证性遗传操作拯救、排除凋亡和坏死性凋亡、功能器官结局及时间证据。化学覆盖仍窄，主要集中于PFOS和PFOA，短链替代物、醚PFAS、前体及环境相关混合物机制比较有限。PFOS和PFOA不应视为可互换原型；直接并排实验应采用等摩尔和内剂量匹配条件。人类转化仍处早期，外周生物标志物非器官特异，前瞻研究应配对重复PFAS测量、器官特异性临床表型和机制生物标志物，并区分中介与相关。性别作为生物学变量需明确处理，因为PFAS毒代动力学和铁死亡易感性均可能受性别和生殖生理影响。未来优先事项包括统一因果标准并报告阴性和阳性拯救、测量细胞和细胞器内PFAS、测试混合物和替代PFAS、时间分辨确定起始事件、设计预设暴露–中介–结局路径的人体研究。治疗上应保持克制，铁死亡抑制剂可拯救实验性组织损伤，但慢性系统抑制可能保留损伤或恶性细胞，诱导癌细胞铁死亡而不保护正常PFAS暴露组织也可能加重器官毒性。独立重复尤其重要，因为若干详细肝细胞机制来自同一关联研究网络；复制应测试原代人肝细胞、类器官、不同遗传背景和慢性低剂量设计，阴性结果同样可界定机制边界。

结论

原始研究支持铁死亡是PFAS毒性的可信分子组分。肝脏证据最成熟，但若干详细PFOS肝细胞通路置信度仍为中等，因为关键机制报告集中于同一研究网络且缺乏外部重复。肾、内皮、膀胱、口腔黏膜、神经、卵母细胞和胚胎证据正在增长，但仍具模型和背景依赖性。跨组织最可辩护的共同终点是铁依赖性磷脂损伤，其由抗氧化失败、ACSL4相关脂质易感、铁蛋白/铁动员、细胞器铁转移及线粒体或内质网应激的不同组合实现。恶性细胞中PFOA介导的铁死亡抑制进一步反对存在普遍PFAS–铁死亡级联。进展需要验证内剂量、混合物研究、多因果标准、独立重复、将性别作为生物学变量明确分析、器官相关模型及前瞻性人体设计。铁死亡应被视为PFAS毒性的一个机制贡献者，而非已立即验证的治疗靶点。