臭氧暴露与铁死亡：机制关联与现有证据

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Ozone exposure and ferroptosis: Mechanistic links and current evidence

　　

研究人员指出，臭氧暴露可能影响铁代谢、脂质过氧化、抗氧化防御和线粒体通路。铁死亡（ferroptosis）在臭氧毒性中具有生物学合理性，但尚未被确证。臭氧-铁死亡响应在不同暴露情境和模型系统之间存在差异。靶向脂质组学、饮食干预研究及人体验证是当前的关键优先方向。

臭氧（O₃）是一种高活性二次空气污染物，流行病学证据将其暴露与呼吸系统疾病、心血管事件、代谢紊乱及死亡率升高相关联。然而，O₃暴露如何转化为组织损伤和疾病的生物学机制尚未完全阐明。传统的机制解释集中于氧化应激和炎症，但这些宽泛过程不足以解释O₃毒性中特定的脂质氧化、代谢重塑和线粒体功能障碍。铁死亡（ferroptosis，一种由铁依赖性磷脂过氧化驱动的调节性细胞死亡）的调控特征，包括铁稳态失衡、含多不饱和脂肪酸（PUFA）的磷脂过氧化、系统Xc^––谷胱甘肽（GSH）–谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）抗氧化防御受损以及线粒体氧化还原代谢调控，与O₃暴露后反复观察到的分子变化高度重叠。因此，研究人员认为铁死亡可能是整合O₃相关毒性机制的一个合理候选途径。本综述聚焦于O₃，系统整合现有证据，评估O₃暴露与铁死亡相关过程之间的联系。

研究人员采用叙述性、机制导向的综述方法，检索PubMed、Web of Science核心合集和Scopus数据库（自建库至2026年5月31日），纳入原始实验或观察性研究，定性综合了O₃暴露对铁稳态、脂质过氧化、抗氧化防御和线粒体功能的影响。结果发现，O₃暴露可扰动多个铁死亡相关过程，尤其是脂质过氧化和抗氧化防御破坏，但直接验证铁死亡的证据仍然有限且主要来自实验模型。综述认为，铁死亡在O₃相关毒性中具有生物学合理性，但尚未被确证；其响应存在暴露情境和模型系统的依赖性。重要意义在于，将铁死亡纳入O₃毒理学机制框架，为理解O₃相关健康损害提供了新视角，并为未来研究确定了优先方向。

关键技术方法方面，本综述为叙述性机制综合，未进行定量合并。检索策略由暴露块（ozone OR O₃ OR ozonat*）与铁死亡相关过程块（含ferroptosis、GPX4、SLC7A11、脂质过氧化、铁稳态、线粒体功能等术语）以AND连接。纳入标准要求O₃作为明确特征化暴露，并报告至少一种铁死亡相关终点或过程。证据来源包括体外细胞模型、动物模型、控制人体暴露研究和人群观察研究；人群样本涵盖健康成人（如89名成人的面板研究）、儿童、哮喘患者和老年人。研究按机制领域定性综合，并区分铁死亡相容性变化与直接铁死亡干预证据。

**臭氧与铁稳态**：多项研究支持O₃可促进倾向氧化的铁环境。动物模型中，铁螯合剂去铁胺预处理可减轻O₃诱导的气道高反应性和肺损伤，并降低支气管肺泡灌洗液（BALF）中铁、过氧化氢（H₂O₂）和脂质氢过氧化物。马暴露于O₃后，血液和BALF中游离铁和总铁升高，同时氧化型谷胱甘肽（GSSG）增加。控制人体暴露研究显示，O₃暴露（0.4 ppm，2小时）使BALF铁及转铁蛋白、乳铁蛋白、铁蛋白浓度依赖性升高。但O₃相关的铁变化并非一致地指向促铁死亡铁蓄积。例如，在O₃氧化脂多糖模型中，血清铁降低而铁蛋白、转铁蛋白和铁调素（hepcidin）升高，更符合炎症相关的铁重分布。因此，O₃能否选择性改变铁死亡相关的不稳定铁池，以及这些铁扰动是否因果驱动铁死亡，仍需铁死亡特异性干预和读出验证。

**臭氧与脂质过氧化**：实验和人体证据均显示O₃暴露与脂质氧化和脂质重塑相关。体外和动物研究显示O₃激活花生四烯酸（AA）氧化通路，包括环氧化酶（COX）、脂氧合酶（LOX）和细胞色素P450（CYP）途径，并增加氧化性类花生酸如血栓素B₂（TXB₂）、羟基二十碳四烯酸（HETE）等。小鼠肺组织多组学分析发现AA代谢扰动和氧化应激增强。控制人体暴露研究中，O₃暴露增加8-异前列腺素F₂α（8-iso-PGF₂α）、硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）、白三烯B₄（LTB₄）等标志物。这些发现支持O₃创造了一个脂质过氧化环境，可能增加铁死亡易感性，但现有证据多依赖宽泛的脂质氧化标志物，对铁死亡相关的磷脂氢过氧化物（如PE-AA-OOH、PE-AdA-OOH）直接测量仍有限。

**臭氧与抗氧化防御**：O₃暴露可损害抗氧化防御。从铁死亡角度看，谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）通路抑制尤为突出。过敏性致敏期间间歇性O₃吸入与GPX1-4家族基因下调相关；O₃还降低气道上皮表面细胞外GPX活性。细胞研究显示O₃诱导胞内GSH/GSSG氧化还原状态时程性改变，并增加IL-8和IL-6。动物和人研究也显示O₃暴露后GSH降低、GPX活性下降，并伴随氧化损伤标志物升高。此外，O₃可激活核因子E2相关因子2（Nrf2）相关抗氧化程序。然而，现有研究多依赖宽泛的氧化还原生物标志物，O₃是否直接损害GPX4依赖的磷脂氢过氧化物解毒尚不明确。

**臭氧与线粒体功能障碍**：O₃暴露可致线粒体结构损伤、功能障碍和遗传物质损伤。超微结构分析显示线粒体肿胀、嵴消失。大鼠子代中，O₃暴露改变线粒体分裂融合相关因子（如DRP1、FIS1、MFN2、OPA1）水平。功能上，O₃影响线粒体膜电位、电子传递链复合物表达，促进线粒体ROS生成。代谢组学揭示三羧酸循环相关代谢扰动。此外，O₃可致mtDNA氧化损伤和泄漏，激活cGAS-STING炎症信号。人体研究也关联O₃暴露与外周血线粒体DNA拷贝数改变及血小板mtDNA甲基化变化。这些证据表明线粒体可能作为O₃毒性的放大枢纽，通过ROS产生和代谢重塑与铁死亡过程相互作用。

**臭氧扰动向铁死亡易感性的汇聚**：综合来看，O₃暴露可同时扰动铁稳态、脂质氧化、抗氧化防御和线粒体功能。这些扰动可能相互连接：铁可用性增加促进自由基生成和脂质过氧化；抗氧化防御受损降低磷脂氢过氧化物解毒能力；线粒体功能障碍放大ROS和代谢应激。因此，O₃暴露可能创造有利于铁死亡的细胞环境。但支持各途径的证据强度不同：脂质过氧化和氧化还原破坏证据较强，线粒体应激证据中等，铁稳态失衡证据较初步。

**臭氧暴露下铁死亡的直接证据**：一些实验研究直接探讨了O₃相关模型中的铁死亡。在癌细胞中，O₃基干预上调ACSL4、下调GPX4并激活p53信号。在气道相关模型中，急性O₃吸入通过激活TRPA1触发线粒体功能障碍，并由PI3K/Akt/OPA1轴介导铁死亡；另有研究报道肺组织铁死亡相关转录组富集，以及ACSL6和SLC7A11表达下降。还有研究提出急性O₃吸入破坏肺铁稳态，导致铁沉积、铁死亡相关基因改变，铁死亡抑制剂可减轻损伤，并认为铁蛋白吞噬（ferritinophagy）可能驱动O₃相关铁蓄积。值得注意的是，低剂量O₃预处理在缺血再灌注模型中激活Nrf2并上调SLC7A11和GPX4，反而减轻铁死亡。这表明O₃对铁死亡的调控是背景和剂量依赖的。总体而言，目前研究提供初步但不完整的证据，需更多铁死亡特异性干预和读出验证。

**与其他调节性细胞死亡的串扰**：O₃暴露还与凋亡、焦亡、自噬和坏死性凋亡等通路相关。这些通路虽与铁死亡在生物学上不同，但共享上游应激信号，如线粒体功能障碍、p53信号、半胱氨酸/GSH代谢、GPX4相关氧化还原失衡及自噬过程。例如，自噬可通过铁蛋白吞噬促进铁死亡。铁死亡在O₃相关细胞死亡网络中的地位尚不明确，未来需结合铁死亡特异性干预和比较性细胞死亡分析加以区分。

**讨论与结论**：当前证据支持铁死亡可能是O₃相关毒性的生物学合理机制。现有证据链条显示O₃暴露与铁死亡核心调控通路（系统Xc^––SLC7A11–GPX4轴破坏、PUFA驱动的脂质过氧化、不稳定铁增加及线粒体损伤）存在机制关联，但直接证据有限，主要来自实验模型。研究局限性包括：暴露条件高度异质，无法推导定量暴露-反应关系；大多数实验浓度超过环境水平1-2个数量级；缺乏铁死亡特异性磷脂氢过氧化物直接测量；人体证据稀缺；组织特异性和与其他细胞死亡的串扰不清；饮食因素（如多不饱和脂肪酸摄入）与O₃相关铁死亡的关系尚未探索。未来研究应使用至少三个覆盖环境相关至高剂量的暴露浓度，结合铁死亡特异性读出，定量测定PE-AA-OOH和PE-AdA-OOH等特征磷脂氢过氧化物，并在控制人体暴露和队列研究中评估外周铁死亡生物标志物（如血浆氧化磷脂、4-羟基壬烯醛蛋白加合物、循环FTH1/NCOA4相关信号），同时开展膳食干预研究，以明确铁死亡在O₃健康风险评估中的角色。研究结论：将铁死亡纳入O₃毒理学机制框架，为理解O₃相关健康损害提供了一个生物学上合理的新视角；但铁死亡是否以及在何种暴露条件下真正驱动O₃诱导的损伤，仍需进一步确证。