放射性肺损伤中细胞死亡方式的研究进展.pdf

复旦学报（医学版）Fudan Univ J Med Sci2023 May，50（3）放射性肺损伤中细胞死亡方式的研究进展李轩 乔田奎（复旦大学附属金山医院肿瘤中心 上海 201508）【摘要】放射性肺损伤（radiation-induced lung injury，RILI）的发病率高，防治困难，细胞死亡是其发生过程中关键的病理过程。电离辐射直接损伤细胞 DNA 造成的细胞凋亡被认为是 RILI 中细胞死亡的主要方式，通过 P62-Keap1-NRF2信号通路调控细胞的铁死亡在 RILI的发生发展过程中发挥作用。射线可以诱导细胞形成经典炎性小体，引起细胞自身焦亡，导致 RILI。这些新发现都为 RILI新药开发提供了新的思路。【关键词】放射性肺损伤（RILI）；细胞凋亡；细胞铁死亡；细胞焦亡【中图分类号】R363.1+21，Q25 【文献标志码】B doi：10.3969/j.issn.1672-8467.2023.03.020Research progress of cell death in radiation-induced lung injuryLI Xuan，QIAO Tian-kui（Center for Tumor Diagnosis&Therapy，Jinshan Hospital，Fudan University，Shanghai 201508，China）【Abstract】Radiation-induced lung injury（RILI）is one of the common side effects of radiotherapy for lung cancer.Cell death is an important pathological process in RILI.Apoptosis induced by single or double strands breaks of DNA，which induced by ionizing radiation is the main mode of cell death in RILI.Through P62-Keap1-NRF2 signaling pathway，the ferroptosis of cells is regulated，which also plays a role in the occurrence and development of RILI.X-ray can also induce form classic inflammatory corpuscles to cells，which can induce their own cells to pyroptosis and cause RILI.All of these provide new ideas for the development of new drugs for RILI.【Key words】radiation-induced lung injury（RILI）；apoptosis；ferroptosis；pyroptosis*This work was supported by the Science and Technology Planning Project of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality（201409001100）.放 射 性 肺 损 伤（radiation-induced lung injury，RILI）是肺癌患者放射治疗后的常见并发症，文献报道其发生率为 16.7%50.3%1。目前临床尚无理想的针对 RILI的治疗策略和药物，通常于早期大量激素联合广谱抗生素治疗，但药物不良反应显著2。而对于晚期 RILI，放射性肺纤维化形成，纤维化一般不可逆转，严重损害患者肺功能，至今仍无有效的预防和治疗措施。研究 RILI 发病机制对于防治 RILI 新药的开发具有重要意义。细胞死亡是机体的一项基本生理过程，在 RILI中研究细胞死亡机制具有重要的意义。目前已证实电离辐射可诱导细胞凋亡、铁死亡、细胞焦亡等3-5，针对 RILI 中细胞死亡方式和机制的研究，可能为 RILI防治药物的开发提供新靶点和新视角。本文将对 RILI 中细胞死亡方式和相关机制进行综述。RILI的发生机制 RILI的发生是一个复杂的过 上海市科委科技计划项目（201409001100）Corresponding author E-mail： 网络首发时间：2023-05-18 11 00 54 网络首发地址：https：/ RILI的发生机制，研究较为广泛的是活性氧（reactive oxygen species，ROS）理论。近年来大量研究表明，ROS 在 RILI 中发挥重要作用。放射线作用于肺组织后，电离肺组织中的水分子可导致ROS 爆发性生成10。瞬间生成的大量 ROS 不仅直接损伤肺组织实质细胞，还同时激活机体炎性细胞系统。当肺组织中生成的 ROS 超过机体抗氧化体系的清除能力时，最终会引起 RILI11。ROS增加是肺损伤病因学中非常重要的一环12。RILI 中的细胞死亡方式 细胞死亡对发育和调节体内稳态具有重要作用，是一种基础性细胞应答。早在 20 世纪 60 年代中期就有学者开始对细胞死亡机制进行研究13-14，曾经认为细胞死亡的发生是两种不同细胞进程（程序性细胞死亡-细胞凋亡和不受控制的细胞死亡-坏死）的结果之一。近年来越来越多的细胞死亡方式被发现，提示细胞可以通过多种不同的途径发生死亡15。肺泡上皮细胞死亡是 RILI发生过程中的重要病理过程，然而目前的研究 主 要 集 中 在 细 胞 因 子 及 ROS 损 伤 学 说，对 于RILI中细胞死亡方式及其机制的研究尚不多见。细胞凋亡 传统观点认为，电离辐射的主要靶点在细胞核内的 DNA 分子，由 DNA 损伤产生的单链断裂和双链断裂所诱发的细胞凋亡是辐射诱导细胞死亡的主要途径16-17。细胞凋亡是最早被发现的程序性细胞死亡，其发生受机体遗传物质所控制，是机体调节自身细胞稳态的一种基本机制18。通过动物实验进一步证明，细胞凋亡在 RILI中起重要作用，细胞凋亡与放射剂量呈正相关19。机体主要通过外源性和内源性方式引发细胞凋亡20。细胞表面死亡受体属于肿瘤坏死因子受体家族，当机体激活外源性死亡形式时，外源性死亡配体与细胞表面的死亡受体相结合，从而激活死亡受体表达，促进细胞内衔接蛋白聚集，随后衔接蛋白与 Procaspase-8 相互作用增强，自身水解酶剪切 Procaspase-8为 Caspase-8，激活后的 Caspase-8介导细胞发生凋亡。内源性细胞凋亡在机体受到应激刺激、生存信号及激素消退引起的 DNA 损伤时发生。内源性细胞凋亡可调节线粒体膜的活性，释放出细胞色素 C 和多种细胞凋亡因子，继而促进半胱氨酸蛋白酶衔接分子-凋亡蛋白酶激活因子-1 和凋亡起始酶 Procaspase-9的聚集，形成凋亡复合物，同 时 Procaspase-9 通 过 自 身 蛋 白 水 解 剪 切 成Caspase-9，最终引起细胞凋亡21。外源性和内源性方式相互作用，紧密连接。在 RILI 中，放射线直接损伤细胞 DNA，从而激活内源性细胞凋亡，随着炎性细胞和细胞因子的大量聚集，外源性细胞凋亡同样被激活，在 RILI 发生过程中两种基本凋亡形式都被激活，并引起肺泡上皮细胞凋亡16-17。电 离 辐 射 直 接 破 坏 细 胞 的 DNA 结 构，导 致DNA 双链断裂，发生细胞凋亡，诱发 RILI。研究表明，骨髓间充质干细胞通过高效修复放射线导致的DNA 双 链 损 伤，抑 制 细 胞 凋 亡 发 生，从 而 改 善RILI22。HMG-CoA 还原酶抑制剂（他汀类药物）可以通过抑制 Rho/ROCK 通路抑制放射性肺纤维化的进展，Ziegler等23研究认为洛伐他汀可保护肺组织免受放疗诱导的凋亡。细胞铁死亡 铁死亡是一种新发现的以细胞内铁依赖性 ROS 异常增高导致氧化还原稳态失衡为特征的细胞死亡方式24。铁死亡是一种细胞过氧化性死亡，细胞内脂质 ROS 大量生成，严重破坏细胞结构，引发铁死亡。铁死亡与恶性肿瘤、肾损伤、阿尔兹海默病等多种疾病的发生关系密切25-27。铁死亡在不同疾病中受调控的信号通路不尽相同，但都是通过直接或间 接 作 用 于 谷 胱 甘 肽 过 氧 化 物 酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4），导致细胞内脂质 ROS 增加，损伤细胞结构，最终引起铁死亡28-29。脂质 ROS 造成的细胞损伤是铁死亡发生所必需的环节。GPXs 家族涉及 GPX1GPX830，GPX4 被认为是调节铁死亡的重要关键酶，其表达水平下降，通常被认为是检测铁死亡发生的标志31。电离辐射作用于小鼠肺组织后，血清中 ROS 升高明显，细463复旦学报（医学版）2023年 5月，50（3）胞氧化还原稳态失衡32。研究发现，RILI小鼠肺组织中铁死亡的重要标志蛋白 GPX4 的表达下降明显，同时受损肺泡上皮细胞内线粒体呈明显皱缩，膜密度增加，这与发生铁死亡特异性线粒体变化特征相同，铁死亡特异性抑制剂可以降低小鼠血清中TGF-1水平，改善放射性肺纤维化，提示铁死亡在急性放射性肺炎和慢性肺纤维化中都发挥重要作用33-34。核因子 E2 相关因子 2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NRF2）是调节细胞内源性抗氧化防御体系中最关键的因子35。大量 ROS生成时，细胞 质 内 Kelch 样 环 氧 氯 丙 烷 相 关 蛋 白-1（kelch sample related protein-1，Keap1）表 达 抑 制，NRF2-Keap1 解离，NRF2 进入核内表达上调，抗氧化蛋白生成增多，最终降低 ROS 水平，减少氧化应激损伤36-37。NRF2通路在 RILI中具有重要的抗氧化作用，研究显示 NRF2缺乏会明显减少 RILI中肺泡上皮细胞数量，降低 RILI 小鼠寿命38-39。NRF2 信号通路也有调控铁死亡发生的作用，激活 P62-Keap1-NRF2通路能够抑制肝癌细胞中铁死亡的发生40-41。我们研究发现射线导致细胞内 ROS水平升高，介导肺泡上皮细胞发生铁死亡，从而引起 RILI。在 RILI中，通过激活 P62 表达上调，下调了 Keap1 表达水平，可降低 Keap1 对 NRF2 的持续降解，NRF2 转入核内表达，抗氧化蛋白生成增多，ROS水平下降，最终抑制铁死亡发生42。体内研究发现，敲除 NRF2基因可加重 RILI炎症及氧化损伤，过表达 NRF2则阻碍肺纤维化进展，对 RILI 有 一 定 保 护 作 用43。因 此，通 过 NRF2/GPX4 调控铁死亡、缓解氧化应激是防护 RILI的新靶点。细胞焦亡 细胞焦亡是一种新发现的通过炎性反应介导的特异性细胞死亡方式44-45。外界因素损伤细胞 DNA 后，细胞核固缩，细胞膜溶解，细胞的内容物及 IL 进一步释放，炎症反应加重，导致细胞焦亡。在细胞焦亡的发生过程中，通过释放炎性因子，促进炎性细胞进一步聚集，进而产生更多因子，最终引发机体炎性瀑布反应46。射线可以导致体内的 ROS水平升高，激活机体应激状态，促进硫氧还原蛋白-硫氧还原相互作用蛋白复合物解离，硫氧还原相互作用蛋白的生成增多，激活 NLRP3 炎性小体，从而引起细胞焦亡47。多项研究表明 NLRP3 炎性小体在辐射引起的肝脏损伤及肌肉损伤中发挥着重要作用48-49。活化的NLRP3 经过一系列的病理生理途径使细胞膜形成裂 孔，释 放 IL-1 和 IL-18 到 细 胞 外，完 成 焦 亡过程44-50。经典炎症小体形式是细胞诱导自身发生焦亡的主要形式。在机体细胞受到炎性刺激时，细胞自身激活细胞内半胱氨酸蛋白酶-1 前体（Procaspase-1），Procaspase-1通过自身水解酶水解形成 Caspase-1，Caspase-1 的形成促进区域蛋白及热蛋白结构域聚集，从而链接凋亡相关斑点样蛋白和模式识别受体、黑色素瘤缺乏因子 2 等组合成一个高分子复合物，这个复合物就是依赖 Caspase-1 的炎症小体51。Caspase-1的炎症小体可以反过来促进 Procaspase-1的水解，再次形成激活态的 Caspase-1，从而切割GSDMD 底物使细胞膜穿孔并促进 IL-1 和 IL-18前体成熟，引起细胞膜溶解分裂，最终导致细胞焦亡，这种途径是细胞焦亡发生的主要形式。经典炎症小体是导致细胞焦亡发生的关键，细胞焦亡可能通过经典炎性小体形式参与了 RILI的发生52。Pyroptosis 的特征是外来病原体刺激机体产生炎 性 体，激 活 NLRP3 并 进 一 步 刺 激 Caspase-1 和Caspase-4/5/11 的激活，释放大量炎性细胞因子和炎性细胞内容物53，产生促炎信号，快速启动机体天然免疫引起炎性反应，最终使细胞发生渗透性崩解。体 内 研 究 发 现，细 胞 焦 亡 相 关 的 NLRP3 和Caspase-1 在 RILI 小鼠的肺组织中表达明显升高，IL-1、IL-18和炎性因子也升高明显，提示细胞焦亡在 RILI 过程中的作用54。通过研究抑制细胞焦亡的作用或可为防治 RILI的药物研制提供参考。结语 随着新的细胞死亡方式不断被发现，也启发了对 RILI 新的认识。放射线导致细胞死亡的经典方式是细胞凋亡，铁死亡和细胞焦亡也参与了RILI 中的细胞死亡。未来有望在细胞死亡方面找到针对 RILI 的突破口，为临床 RILI 新的治疗策略和新药的开发提供依据。作者贡献声明李轩资料收集，论文构思和撰写。乔田奎论文构思和修订。利益冲突声明所有作者均声明不存在利益冲突。464李轩，等.放射性肺损伤中细胞死亡方式的研究进展参 考 文 献1 BERMAN AT，TUROWSKI J，MICK R.Dietary flaxseed in non-small cell lung cancer patients receiving 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