辣椒素通过抑制铁死亡和通过 SIRT3 依赖性机制维持线粒体氧化还原稳态来减轻呼吸机诱导的肺损伤

呼吸机所致肺损伤（VILI）是临床上机械通气（MV）最严重的并发症之一。VILI 可以放大全身炎症反应，可能导致多器官衰竭甚至死亡，使急性呼吸窘迫能综合征（ARDS）患者死亡率升高。

铁死亡是依赖铁离子及活性氧诱导脂质过氧化导致的调节性细胞坏死。过量的 ROS 积累是导致铁死亡的关键因素。具有高潮气量（HTV）的 MV 可以促进 ROS 的产生，从而有助于大鼠的 VILI 。目前的研究已在铁死亡和 VILI 之间建立了直接联系，表明阻断肺上皮细胞中的铁死亡可显著减少小鼠 MV 相关的肺损伤。然而，两者之间详细的潜在机制仍需澄清。

Sirtuin 3（SIRT3）是线粒体中一种重要的组蛋白去乙酰化酶，在调节线粒体特性中起着至关重要的作用，特别是通过清除 ROS 和抑制脂氧合酶活性。此外，越来越多的研究开始强调 SIRT3 在抗铁死亡中的重要作用。

辣椒素（CAP）是辣椒的主要成分，具有镇痛、保心、抗炎、抗肥胖和抗癌等作用。CAP 还显示出对脂质过氧化和氧化应激诱导的损伤的保护作用，这两者都是抑制铁死亡的核心。最近的研究结果表明，CAP 预处理可以通过保留线粒体功能来阻止氧化应激和炎症，从而保护心肌细胞免受脂多糖诱导的损伤。然而，CAP 抵消 VILI 铁死亡的潜力及其确切机制仍未得到充分探索。

基于此，广西医科大学附属肿瘤医院麻醉科课题组的一项研究旨在体内和体外检测 CAP 对 VILI 的保护特性，并深入探索其潜在的分子机制，发现 CAP 通过提高 SITR3 的活性来抑制线粒体氧化损伤并维持线粒体氧化还原稳态，从而减轻了 VILI 中的铁死亡，说明了其作为 VILI 新治疗目标的可能性。研究成果发表在 Molecular Medicine 期刊题为“Capsaicin mitigates ventilator-induced lung injury by suppressing ferroptosis and maintaining mitochondrial redox homeostasis through SIRT3-dependent mechanisms”。

首先，研究人员证明了铁死亡存在，并加剧了 MV 与 HTV 引起的炎症损伤。与 HTV 组相比，CAP（1 ml/kg）+ HTV 组肺组织 W/D 比值，BALF 中的细胞计数、H&E 染色、肺损伤评分和血清细胞因子谱水平（IL-1β、IL-6 ）显著降低。这表明，CAP 可显著减轻 HTV 后的肺损伤和炎症。

然后，进一步确定体外 CAP 对 HTV 诱导的铁死亡的影响。与 HTV 组相比，在 HTV 条件下，CAP 预处理后肺组织中的铁过载（铁水平升高，图1 A）和脂质过氧化（MDA 水平增加，图1 K）均有所降低。同时，在 HTV 期间，SLC7A11 和 GPX4 的蛋白和 mRNA 水平被 CAP 上调（图1 B-F）。TEM 观察结果（图1 G）显示，HTV 组肺组织中线粒体表现出铁死亡的形态学特征，然而，这种现象在用 CAP 预处理的 HTV 小鼠中被逆转。这些发现表明，CAP 改善了 HTV 诱导的铁死亡。

更重要的是，通过确定 ATP、ROS、MDA、GSH 和 Mn-SOD 水平的变化来评估 CAP 对 VILI 线粒体氧化损伤的影响，发现 HTV 处理的小鼠的 ATP 降低，ROS 显著增强（图1 H-J），MDA 水平更高（图1 K）。值得注意的是，与对照组相比，HTV 组的 GSH 和 Mn-SOD 显著降低（图1 L、M）。正如预期，CAP 预处理阻止了这些影响，表明 CAP 减轻了 HTV 诱导的线粒体氧化损伤（图1）。这些发现表明，CAP 进一步减轻了 VILI 中的线粒体氧化损伤。

与 HTV 组相比，在 HTV 条件下，CAP 预处理降低了肺组织中 ATP 合成功能障碍和 ROS 的高含量。然而，CAP 的这些拮抗作用被 SIRT3 选择性抑制剂 3-TYP 处理所抑制。添加 3-TYP 显著阻断了 CAP 对 HTV 诱导的线粒体氧化损伤的保护作用。

此外，在 HTV 条件下肺组织中的铁水平被 CAP 预处理降低。然而，CAP 组引入 3-TYP 预处理后，总铁含量增加。此外，WB结果显示，HTV 组 SIRT3、SLC7A11、GPX4 蛋白的表达程度显著降低，而 CAP 预处理可以缓解此效应。然而，3-TYP 预处理降低了 SIRT3 蛋白活性，并显著降低了 CAP 对肺组织中 SLC7A11 和 GPX4 蛋白的有益影响。免疫荧光染色和定量分析显示，与对照组相比，HTV 组 SIRT3、SLC7A11 和 GPX4 蛋白显著降低，但他们在 CAP + HTV 组中得到了极大的升高。此外，与 CAP + HTV 组相比，CAP + 3-TYP + HTV 组这些蛋白质的表达水平显著降低。结果还显示，3-TYP 加剧了肺损伤，表现为炎性细胞因子增加和肺组织损伤。

这些发现表明，CAP 通过激活 SIRT3 维持线粒体功能抑制铁死亡，从而减轻 VILI 的发展。

图1 辣椒素进一步减轻了 VILI 中 HTV 诱导的铁死亡和线粒体氧化损伤。

为了进一步分析 HTV 诱导的 VILI 与铁死亡之间的关系，对小鼠肺上皮细胞（MLE12）进行了体外实验。与未拉伸的细胞相比，在暴露于 20% 循环拉伸（CS）4 小时的细胞中观察到细胞活力显著降低（图2 A）。TEM 结果表明，20% CS 组细胞表现出明显的损伤，细胞膜和细胞器不完整，而对照组细胞表现出完整的细胞形态（图2 B）。

然后研究铁死亡是否在体外 VILI 中起作用。TEM 结果显示，与未拉伸组相比，20% CS 组在铁死亡细胞中表现出典型的线粒体（图2 C）。此外，与对照组相比，MLE12 细胞中 SLC7A11 和 GPX4 蛋白的表达在 20% CS 暴露 4 小时后显著降低（图2 D-F）。结果表明，当 MLE12 细胞暴露于 20% CS 4 小时时，会诱导铁死亡并促进细胞损伤。

图2 MLE12细胞过度拉伸可激活细胞损伤和铁死亡。

与未拉伸组相比，20% CS 组的细胞表现出增强的细胞内螯合铁（通过 PGSK 测定评估）和脂质过氧化（通过 C11-BODIPY581/591 评估）。令人惊讶的是，在 20% CS 暴露 4 小时后，CAP（10 μM）抑制了 MLE12 细胞中的铁死亡水平。WB结果显示，与对照组相比，20% CS 组的 SLC7A11 和 GPX4 蛋白显著降低，但在 CAP + 20% CS 组中，它们的水平显著增加。这些数据表明，CAP 增强了 CS 后 MLE12 细胞活力并减少了铁死亡。

为了研究 CAP 对 MLE12 细胞过度拉伸过程中线粒体氧化损伤的影响，检测了 ATP、ROS、MDA、GSH 和 Mn-SOD 水平的变化。与体内观察一样，与对照组相比，20% CS 组的 ATP 和 MMP 显著降低以及 ROS 度升高，MDA 更高，而 GSH 和 Mn-SOD 水平显著下降。值得注意的是，CAP 预处理减轻了这些影响，表明 CAP 减少了 HTV 诱导的线粒体氧化损伤。这些研究结果强调，将 MLE12 细胞暴露于 20% CS 4 小时时，铁死亡发生并促进了细胞损伤，而 CAP 进一步减少了 MLE12 细胞过度拉伸中的线粒体氧化损伤。

为了确定 SIRT3 在调节线粒体氧化还原稳态和抑制铁死亡中的主要功能，敲低了 MLE12 细胞中的 SIRT3 基因。与体内研究结果一样，体外结果，包括 ATP（图3 A）、GSH（图3 B）、Mn-SOD（图3 C） 和 MDA 水平（图3 D）显示 SIRT3 的敲低显著阻碍了 CAP 对 20% CS 诱导的线粒体功能障碍和氧化损伤的保护作用。结果还表明，SIRT3 敲低加剧了暴露于 20% CS 的细胞中的铁死亡，其特征是降低 SLC7A11 和 GPX4 蛋白水平（图3 E-H）。

图3 在体外实验中，敲低SIRT3会减弱辣椒素对线粒体氧化损伤和铁死亡的有益作用。

图4 图形概要体内模型研究表明铁死亡参与 VILI。CAP 抑制铁死亡并减轻 VILI 的肺损伤和炎症，CAP 的这种保护作用取决于通过 SITR3 信号维持线粒体氧化还原系统。在 CS 引起的肺上皮细胞损伤模型中，CAP 减少了病理性 CS 引起的铁死亡和细胞损伤。

总而言之，该研究阐明了 VILI、铁死亡之间的复杂相互关系以及 SIRT3 和 CAP 的潜在治疗作用，证明了CAP 通过提高 SITR3 活性来抑制线粒体氧化损伤并维持线粒体氧化还原稳态，从而减轻 VILI 中的铁死亡。因此，靶向铁死亡可能是 VILI 治疗的一条有前途的策略，这个方向的进一步研究可能会为处理这种多方面的疾病提供有价值的见解。

参考文献：Lin J, Ou H, Luo B, Ling M, Lin F, Cen L, Hu Z, Ye L, Pan L. Capsaicin mitigates ventilator-induced lung injury by suppressing ferroptosis and maintaining mitochondrial redox homeostasis through SIRT3-dependent mechanisms. Mol Med. 2024 Sep 12;30(1):148. doi: 10.1186/s10020-024-00910-y. PMID: 39266965; PMCID: PMC11391744.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39266965/

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