《ACS Pharmacology & Translational Science》：Ferroptosis: A Key Mechanism in Alcohol-Induced Mitochondrial Dysfunction and Oxidative Stress
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本文综述深入探讨了铁死亡（Ferroptosis）在酒精性肝病（ALD）中的核心作用，阐释了其作为一种由铁依赖性脂质过氧化驱动的细胞死亡方式，如何与线粒体功能障碍、活性氧（ROS）积聚及缺氧诱导因子（HIFs）调控网络相互关联，共同推动肝损伤、炎症和纤维化进程，为开发靶向治疗策略提供了新视角。
酒精性肝病（ALD）是全球最常见的慢性肝病之一，其病理过程涉及线粒体功能紊乱、氧化应激和肝细胞死亡等多种机制。在这些复杂的机制中，铁死亡（Ferroptosis）作为一种由铁依赖性脂质过氧化驱动的、受调控的细胞死亡形式，已成为一个关键参与者。本文旨在揭示铁死亡、线粒体功能障碍及其在ALD中的相互作用机制。
Mitochondrial Dysfunction Is a Hallmark of ALD and Essential in the Onset of Ferroptosis (线粒体功能障碍是ALD的标志，对铁死亡的发生至关重要)
线粒体损伤是ALD的核心机制，在肝损伤的发生和进展中起关键作用。酒精代谢的主要毒性产物乙醛，能与线粒体脂质和蛋白质形成加合物，破坏线粒体完整性。这种损伤介导了脂质过氧化、蛋白加合物形成和线粒体膜流动性改变，导致能量产生受损和活性氧（ROS）生成过多。线粒体损伤还会破坏铁硫簇和血红素合成，导致具有氧化还原活性的铁释放。过量的线粒体铁通过芬顿（Fenton）反应增强ROS生成和脂质过氧化，这种铁驱动的氧化应激将线粒体功能障碍与铁死亡联系起来。乙醛诱导的线粒体损伤会破坏电子传递链活性，并促进线粒体通透性转换孔（mPTP）开放，从而加剧ROS的产生。慢性酒精摄入还会增加NADPH氧化酶活性，进一步增加ROS。为了对抗ROS积聚，细胞拥有多种抗氧化防御机制。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等酶类抗氧化剂，以及谷胱甘肽、维生素C、维生素E等非酶类抗氧化剂共同维持氧化还原平衡。在ALD中，SOD的表达和活性会发生紊乱，其功能受损最终会促进线粒体功能障碍和肝损伤。硫氧还蛋白（Trx）系统是另一个关键的抗氧化防御机制，能还原被氧化的蛋白质并清除ROS。在ALD中，Trx的表达和活性也会改变。过氧化物氧还蛋白（Prxs）家族是能够还原过氧化氢和其他ROS的抗氧化酶，在限制ROS介导的损伤中起关键作用。哺乳动物细胞表达六种Prx亚型（Prx1–Prx6），具有不同的亚细胞定位。慢性饮酒会通过增加脂肪组织脂解和促进肝脏脂肪沉积来破坏脂质代谢，从而导致酒精性脂肪肝。总的来说，线粒体ROS积累是铁死亡的关键启动因素，对ALD的发病机制有重要贡献。
Expression of HIF-1α and HIF-2α (HIF-1α和HIF-2α的表达)
在ALD中，缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和缺氧诱导因子-2α（HIF-2α）在疾病进展中扮演重要角色。证据表明，HIF-1α可能对乙醇诱导的脂肪肝发挥保护作用，而HIF-2α似乎会促进肝纤维化和损伤。
Association of BNIP3 with HIFs (BNIP3与HIFs的关联)
Bcl-2/腺病毒E1B 19 kDa相互作用蛋白3（BNIP3）是Bcl-2家族的一个促凋亡成员，受HIF-1α的转录调控。在缺氧条件下，HIF-1α与BNIP3启动子中的缺氧反应元件结合，导致BNIP3表达增加。BNIP3主要定位于线粒体外膜，通过与抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL相互作用损害线粒体稳定性。除了其凋亡功能，BNIP3还在线粒体自噬中起核心作用。然而，BNIP3及其与HIFs在ALD中的作用仍不清楚。
Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-1α (缺氧诱导因子-1α)
HIF-1α在调节肝脏脂质代谢方面至关重要，特别是在乙醇诱导的脂肪肝中。通过抑制依赖于固醇调节元件结合蛋白-1c（SREBP-1c）的脂肪生成通路，HIF-1α减少了肝细胞内的脂质积累。SREBP-1c是管理脂肪生成基因（如乙酰辅酶A羧化酶（ACC）和脂肪酸合酶（FAS））表达的关键转录因子。抑制SREBP-1c会降低这些基因的表达，从而减少肝细胞内的脂质合成和储存。这种机制有助于对抗乙醇诱导的脂肪变性，表明HIF-1α可能是治疗ALD和其他以脂质积累为特征的疾病的一个有前景的靶点。HIF-1α的缺失会导致脂质异常积聚并加重肝脏脂肪变性。研究显示，删除HIF-1α会上调SREBP-1c、ACC和FAS等脂肪生成基因的表达，进一步促进脂肪变性。失去HIF-1α的保护功能也会增加对肝损伤的易感性，并加速向更严重疾病（如脂肪性肝炎、纤维化和肝硬化）的进展。一些研究表明，HIF-1α的诱导可以通过激活其下游靶点分化胚胎软骨细胞1（DEC1）来减轻肝损伤。DEC1的激活可能通过减少氧化应激、抑制炎症反应和调节细胞代谢来保护肝脏免受乙醇相关及其他形式的损伤。
Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-2α (缺氧诱导因子-2α)
HIF-2α介导的细胞凋亡会激活肝星状细胞并刺激细胞外基质蛋白的积累。通过影响纤维化通路和加剧肝细胞损伤，HIF-2α导致肝损伤恶化，表明其可能成为纤维化相关肝病的治疗靶点。调节HIF-2α活性可能为减少肝损伤和预防疾病进展提供一种新策略。消除肝细胞中的HIF-2α已被证明可以减少肝纤维化并降低损伤诱导的肝细胞凋亡。观察到的纤维化减少可能归因于肝星状细胞（纤维化的主要驱动细胞）激活减少。在缺乏HIF-2α的情况下，肝细胞凋亡的减少可能进一步保护肝功能并限制进行性损伤。HIF-2α通过刺激脂肪生成同时抑制脂肪酸氧化来促进肝损伤。增强的脂质合成和减少的脂质分解促进了肝脏脂肪变性，导致脂毒性、线粒体功能障碍和氧化应激增加。这些紊乱推动了肝损伤、炎症和纤维化。
Lipid Peroxidation (脂质过氧化)
脂质过氧化发生在ROS与膜磷脂相互作用时。在这个过程中，自由基氧化不饱和脂质链，产生烷基自由基和脂质氢过氧化物，破坏膜流动性并损害膜完整性。氧化应激过程中产生的活性物质可以被蛋白质清除，蛋白质约占细胞总清除能力的50-75%。高反应性物种会损伤蛋白质骨架和侧链，而反应性较低的物种则选择性靶向特定的氨基酸残基。这些相互作用会产生各种翻译后修饰，改变蛋白质的电荷、组成、折叠和亲水性，最终影响酶、受体、结构蛋白和转运蛋白的功能。可逆修饰对于包括基于氧化还原的信号传导在内的正常生理过程至关重要。相比之下，不可逆修饰通常与病理状况和多种疾病相关。
Ferroptosis (铁死亡)
铁死亡（Ferroptosis）一词由拉丁语“ferrum”（铁）和希腊语“ptosis”（坠落或崩溃）组成。在生物学术语中，“ptosis”表示一种受调控的细胞衰退或死亡过程，如细胞凋亡和坏死性凋亡。铁死亡是2012年首次发现的一种受调控的细胞死亡形式，与其他程序性细胞死亡途径不同，因为脂质过氧化是其核心标志。脂质过氧化导致ALD中的肝细胞损伤。铁超载是ALD的一个主要病理特征，会加剧肝损伤。慢性饮酒会增加肠道铁吸收，导致肝脏铁积聚。过量的铁会促进氧化应激、炎症和肝细胞损伤，加速纤维化和肝硬化的进展，并增加ALD患者患肝细胞癌的风险。ALD中的铁超载源于铁调节紊乱、铁输入蛋白表达升高和铁输出蛋白表达降低。铁死亡是一种以多不饱和脂肪酸-磷脂氧化、氧化还原活性铁和解毒脂质氢过氧化物失败为特征的受调控细胞死亡。铁死亡可以由铁死亡诱导化合物（FINs）诱导。首个被鉴定的FIN——Erastin，通过抑制胱氨酸/谷氨酸逆向转运体（系统 xc–）来消耗谷胱甘肽（GSH）并损害谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的活性。Erastin、索拉非尼和柳氮磺胺吡啶被归类为I类FIN。II类FINs，包括ML162、RSL3和ML210，直接结合并抑制GPX4，从而诱导铁死亡。谷胱甘肽抗氧化系统——包括GSH、谷胱甘肽过氧化物酶和谷氧还蛋白——调节ROS水平并限制脂质过氧化。GPX4是核心酶，通过将磷脂氢过氧化物（PLOOH）还原为相应的无毒脂醇（PLOH）来防止铁死亡。铁死亡的负调节因子包括HSPB1、GPX4和NRF2，它们抑制ROS积累。正调节因子包括p53（乙酰化缺陷突变体）、NADPH氧化酶（NOX）和SLC7A11抑制，它们都促进ROS生成和铁死亡。磷脂过氧化会损伤膜脂质，如果链式反应因底物耗尽而终止，细胞要么发生铁死亡，要么存活。GPX4对于还原PLOOH至关重要；抑制其活性（无论是通过靶向活性位点硒代半胱氨酸还是通过阻断系统 xc–）都会导致PLOOH积累和铁死亡。研究表明，敲除小鼠的GPX4会导致胚胎致死，并诱发由铁死亡驱动的急性肾衰竭等疾病。因此，铁死亡是一种由脂质过氧化驱动的、铁依赖性的受调控细胞死亡形式。通过系统 xc–摄取胱氨酸支持GSH合成和GPX4活性，GPX4通常能使磷脂氢过氧化物解毒。铁死亡诱导剂抑制系统 xc–或GPX4会耗尽抗氧化防御，使脂质过氧化物积累。同时，氧化还原活性铁通过芬顿反应和酶促途径放大脂质氧化，最终触发铁死亡性细胞死亡。
在血色素沉着症中，过量的肝脏铁积聚创造了促氧化环境，通过铁催化的芬顿反应促进ROS生成，使肝细胞易受氧化损伤。慢性饮酒通过诱导微粒体乙醇氧化系统（MEOS）（通过上调CYP2E1）进一步加重这种情况，导致乙醇向乙醛的转化增强和过量ROS产生。酒精还会抑制铁调素（hepcidin）表达，从而增加肠道铁吸收，加重血色素沉着症患者的铁超载。铁超载和酒精诱导的ROS的共同作用驱动了脂质过氧化、线粒体功能障碍和肝细胞损伤。这种氧化环境强烈有利于铁死亡。越来越多的证据表明，铁死亡在与铁超载疾病相关的肝损伤中起核心作用，而酒精诱导的MEOS激活通过放大ROS介导的脂质损伤加速了这一过程。
Role of the NAD(P)H/FSP1/COQ10 Axis (NAD(P)H/FSP1/COQ10轴的作用)
NAD(P)H/FSP1/CoQ10通路是一种关键的抗氧化机制，独立于谷胱甘肽，可防止铁死亡。FSP1（也称为AIFM2）作为一种NAD(P)H依赖性氧化还原酶，将泛醌（CoQ10）转化为其还原形式的抗氧化剂泛醇，从而中断脂质过氧化的链式反应。在ALD中，乙醇通过ADH和CYP2E1的慢性代谢增加了ROS产生，破坏了线粒体功能，扰乱了细胞氧化还原平衡。FSP1表达降低、CoQ10可用性降低或NAD(P)H水平改变会损害这一保护通路，导致肝细胞中脂质过氧化物积累和铁死亡。由于铁死亡会导致肝细胞损伤、炎症和纤维化，保护NAD(P)H/FSP1/CoQ10轴可能是ALD一个有前景的治疗策略。
Role of Ferroptosis in the Pathogenesis of ALD (铁死亡在ALD发病机制中的作用)
铁死亡在ALD的肝细胞损伤和死亡中起重要作用。该过程由铁超载引发，其中过量的肝脏铁积聚成为铁死亡的核心驱动因素。铁超载可能源于影响铁调节的基因突变、高膳食铁摄入或慢性饮酒，所有这些都会增加肠道铁吸收并促进肝脏铁沉积。随着细胞内铁的增加，它催化脂质过氧化反应，产生ROS，破坏细胞膜，扰乱细胞稳态，并导致细胞功能障碍。这些反应损伤细胞膜，破坏细胞稳态，并损害代谢功能。脂质过氧化是铁死亡的一个决定性特征，因为它损害膜的完整性并干扰必需的细胞过程。与此同时，铁死亡的特征是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽是保护肝细胞免受氧化损伤的关键抗氧化剂。低谷胱甘肽水平会降低抗氧化防御能力，增加对氧化应激的敏感性，进一步使细胞对铁死亡敏感。通过铁死亡发生的肝细胞死亡也会促进炎症。垂死的细胞释放促炎介质，加剧肝脏炎症，并有助于肝星状细胞的激活，导致细胞外基质沉积和纤维化。肝细胞损伤和炎症的反复循环加速了疾病进展并恶化了肝脏病理。阐明铁死亡导致肝细胞损伤的机制，为ALD确定了潜在的治疗靶点。旨在减少铁超载、限制脂质过氧化或恢复抗氧化防御的干预措施可能有助于减轻肝损伤并减缓疾病进展。
Liver Fibrosis (肝纤维化)
铁死亡通过激活肝星状细胞在促进肝纤维化中发挥重要作用，肝星状细胞是纤维化过程的核心。在铁死亡过程中，垂死肝细胞释放的信号刺激肝星状细胞，并驱动其转化为能够产生大量细胞外基质蛋白（包括I型和III型胶原）的肌成纤维细胞样细胞。这些蛋白质的过度积累导致瘢痕组织形成，从而导致肝纤维化。肝星状细胞的激活和随后的细胞外基质沉积是肝病进展的关键步骤，导致肝脏结构扭曲和功能丧失。此外，促炎和促纤维化细胞因子及生长因子（如TGF-β）的释放进一步加剧了纤维化反应。铁死亡参与这些过程凸显了其作为肝纤维化治疗靶点的潜力。抑制铁死亡可能会减少肝星状细胞激活和细胞外基质积累，从而减缓或阻止纤维化进展并保护肝功能。
Modulating Ferroptosis and Mitochondria in ALD (调节ALD中的铁死亡和线粒体)
Ferroptosis Inhibitors (铁死亡抑制剂)
靶向铁死亡和线粒体功能障碍是ALD一个有前景的治疗策略。几种合成化合物通过作为抗氧化剂或调节酶促途径来抑制脂质过氧化。值得注意的抑制剂包括Ferrostatin-1，它是一种小分子，通过抑制铁依赖性脂质过氧化和抑制铁死亡来防止酒精相关的肝损伤。作为一种亲脂性抗氧化剂，它能清除脂质反应性ROS，防止肝细胞中多不饱和脂肪酸（PUFA）氧化和膜损伤。通过保护线粒体完整性和减少氧化应激，Ferrostatin-1限制了ALD中的肝细胞损伤、炎症和纤维化。另一方面，Liproxstatin-1是一种强效的铁死亡抑制剂，通过阻断铁依赖性脂质过氧化来防止ALD。它能清除脂质自由基并防止多不饱和脂肪酸-磷脂氧化，从而抑制铁死亡性肝细胞死亡。通过减少线粒体ROS和保护膜完整性，Liproxstatin-1减轻了与酒精诱导的氧化应激相关的肝损伤、炎症和纤维化。Ebselen是一种含硒的合成抗氧化剂，在氧化应激下抑制NADPH氧化酶（NOX）活性并减少脂质过氧化，而异丙嗪则作为自由基清除剂。合成的氨基甲酸酯衍生物，如1,3-二([1,1'-联苯]-3-基)脲，表现出与槲皮素等天然抗氧化剂相当的抗氧化活性。其他合成药物，包括NOX抑制剂S17834和GKT137831，正在研究其预防脂质过氧化的能力。多西环素已被证明在实验系统中能阻断脂质过氧化物并抑制基质金属蛋白酶。这些药物的作用机制包括清除脂质自由基、抑制促进过氧化的酶或增强细胞抗氧化防御以保护肝细胞膜。具有线粒体保护特性的天然化合物——如类黄酮、酚类化合物、生物碱、萜类、皂苷、糖苷、类固醇、香豆素、单宁和多酚——也可能减轻氧化应激并改善线粒体功能。此外，铁螯合剂可以减少铁超载，从而减少铁死亡和氧化应激。这些治疗方法可能减缓或阻止ALD进展并改善临床结果。
Mitochondrial Protectants (线粒体保护剂)
能够保护线粒体功能的药物，包括靶向线粒体的抗氧化剂，可能有助于预防线粒体功能障碍和铁死亡。线粒体保护剂专门保护线粒体活性，是预防ALD中线粒体损伤的一种有前景的治疗策略。设计用于定位于线粒体内的抗氧化剂，如MitoQ和MitoTEMPO，在线粒体基质中积累，在那里中和ROS，从而减少对线粒体成分的氧化损伤。通过保护线粒体膜和支持必需的线粒体过程，这些药物有助于维持细胞能量平衡，降低对细胞死亡通路的易感性，并支持整体细胞存活。
