作者：胡松，皖南医学院；邓惠民，杨浩，吕欣，同济大学附属上海市肺科医院麻醉科

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是由多种致病因素导致的一种以进行性呼吸困难和难治性低氧血症为主要特征的急性呼吸衰竭。目前临床治疗ARDS仍以肺保护性通气和限制性液体管理为主，而ARDS患者的总体病死率仍高达40%左右。

铁是人体内所必需的一种微量元素，参与调节细胞能量代谢、促进DNA合成和修复、调控细胞生长和死亡等过程。但在特定条件下，铁可以通过Fenton反应产生有毒的羟基自由基，并伴随生物分子氧化产生活性氧（reactive oxygen species，ROS），进而产生细胞毒性及损伤效应。为维持适当的铁平衡，机体进化并发展出一套复杂的铁稳态维持和铁转运系统。

肺泡巨噬细胞广泛分布于肺泡腔内，在不同炎性微环境中可以极化为经典激活的M1型和替代激活的M2型，其中M1型细胞主要发挥促进炎症反应、产生氧自由基及细胞毒作用，而M2型细胞主要通过分泌抗炎细胞因子抑制炎症反应、促进组织修复。

细胞内代谢重编程在调控巨噬细胞极化和功能中发挥重要作用，而关于铁代谢调控巨噬细胞极化及功能的潜在机制也是研究热点之一。铁过载可促进细胞内ROS产生，增强巨噬细胞有氧糖酵解并诱导其M1极化，最终引发炎症反应，调控巨噬细胞极化可以影响ARDS的发生发展。本文对铁代谢、铁代谢调控巨噬细胞极化与ARDS的研究进展进行综述，为临床防治ARDS提供参考。

1.铁代谢概述

机体内铁的稳态：铁是人体内含量及需要量最多的一种金属微量元素。健康成人每天大约需要25mg的铁来维持全身的铁平衡，其中90%的铁需求可以从衰老红细胞中分解获得，再通过巨噬细胞将其回收，另外10%的铁则主要来源于膳食铁。机体内绝大多数铁主要用于血红蛋白的合成，当机体处于生长发育、怀孕或贫血状态时，应激红细胞快速生成，骨髓对铁的利用可提高10倍以适应血红蛋白合成的增加，消化道也相应增加对膳食铁的吸收来满足机体对铁的需求。

在被吸收的膳食铁中，以植物源性食物中存在的Fe3+为主，这些Fe3+需经胃酸的作用使其游离并通过肠黏膜中亚铁还原酶还原成Fe2+后被吸收。而少部分来自于动物源性食物的Fe2+，主要是与血红蛋白和肌红蛋白中的原卟啉结合的铁，其可直接被肠黏膜上皮吸收。

机体内大多数细胞可通过转铁蛋白受体1（transferrin receptor 1，TFR1）从循环中的转铁蛋白上获得铁离子，胞内体囊泡的酸化致使转铁蛋白释放Fe3+后传递至细胞，随后通过亚铁还原酶前列腺六跨膜上皮抗原3（six-transmembrane epithelial antigen of the prostate 3，STEAP3）将其还原为Fe2+，Fe2+可进一步通过锌铁调节蛋白家族8/14（zrt-and irt-like proteins 8 and 14，ZIP8/14）或二价金属离子转运体1（divalent metal transporter 1，DMT1）储存在细胞质的不稳定铁池中。

正常情况下，细胞内的铁通过吸收和代谢保持相对平衡，可以经铁转运蛋白（ferroportin，FPN）的形式输出到细胞外，随后进入全身循环成为血清铁，也可以铁蛋白（ferritin，Fn）的形式储存在细胞内。FPN是目前已知的唯一一种细胞内铁输出蛋白，其大量表达于参与调节血清铁水平的细胞中，允许十二指肠上皮细胞和巨噬细胞等释放铁，并参与维持全身的铁平衡。

此外，FPN在铁负荷过高的组织中含量也会升高，并输出多余的细胞铁，以防止氧化损伤。铁调素是全身铁稳态的关键调节因子，其高表达时可以与细胞表面的FPN结合降低铁的输出，导致血清铁减少。相反地，铁调素缺乏时则促进肠道铁的吸收，导致组织铁超载。生理条件下，铁调素－FPN轴可根据机体的需求来维持铁稳态。Fn则可以通过核受体共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）介导的Fn吞噬途径降解为铁。

细胞内铁的获取和分布由铁调节蛋白/铁反应元件（iron regulatory protein/iron responsive elements，IRP/IRE）根据细胞内游离铁水平的变化进行调节。铁调节蛋白分为IRP1和IRP2，铁反应元件是一种高度保守的RNA茎环结构，位于多种铁相关转运蛋白mRNA非编码区的5’端或3’端。铁调节蛋白结合5’端铁反应元件阻止翻译的起始，结合3’端铁反应元件则稳定mRNA防止其被降解，基因含有5’端铁反应元件的有Fn和FPN，含有3’端铁反应元件的有铁吸收相关蛋白，如TFR1和DMT1。

IRP1/IRP2复合体与IREs结合可根据细胞内铁含量调节多个铁转运蛋白的翻译过程。在细胞缺铁条件下，IRP1/IRP2可与IREs结合，阻止含5’端IREs的mRNA翻译，稳定含3’端IREs的mRNA的翻译，进而导致铁吸收蛋白的含量升高，铁储存和铁转运蛋白的含量降低。但在细胞铁过载条件下，IRP1被转化为顺乌头酶且IRP2被降解，IRP与IREs的结合减少，铁储存和铁转运蛋白的含量升高，而铁吸收蛋白含量降低，以此来降低细胞内游离铁的水平。

肺组织细胞内铁的稳态：肺组织由多种不同类型的细胞构成，他们共同工作以确保外界大气和机体血液之间有效的气体交换。与其他细胞一样，肺组织细胞也必须获得足够的铁以维持其代谢需求，从而确保正常生存和发挥气体交换的生理功能。

肺泡直接暴露于氧含量较高的空气中，肺部氧化应激的风险增加，且肺内的细胞会直接接触外来吸入颗粒中的铁，如风侵蚀土壤产生的矿物气溶胶或富含铁的空气污染颗粒等；同时，肺组织细胞也暴露于血液循环系统中，在病理状态下，肺泡受损出血后红细胞裂解会释放大量血红素，这些均对肺内铁稳态的维持造成巨大影响。因此，机体进化出一套肺保护机制以防止铁超载、氧化应激和由此造成的肺组织损伤。

呼吸道上皮表面被一层液体所覆盖，其中富含大量抗坏血酸、还原型谷胱甘肽和粘蛋白等高表达的抗氧化分子。呼吸道分泌物中含有的转铁蛋白、乳铁蛋白和糖蛋白能够结合铁，使铁被隔离或者保持惰性态。同时，上皮细胞和巨噬细胞可通过转铁蛋白受体1和乳铁蛋白受体摄取与转铁蛋白或乳铁蛋白结合的铁，并储存于细胞内的Fn中。

另外，肺内巨噬细胞吞噬降解血红素铁以及呼吸道纤毛系统对肺内铁离子的排出作用，都在维持肺内铁稳态中发挥重要作用。肺铁调节是抵抗呼吸道病原体入侵的一种强有力的内在防御策略，其中通过细胞内隔离来限制细胞外病原体对铁的获得是最主要的宿主防御方式。促炎细胞因子如IL-6等可诱导铁调素的表达，从而降解位于巨噬细胞和十二指肠上皮细胞中的转铁蛋白FPN，减少铁向循环系统的输出。

此外，巨噬细胞可通过TLR4或TLR2/TLR6信号通路减少FPN的转录，进而引发炎症相关的低铁血症。Arezes等研究表明，在感染时未能降低机体铁水平会明显增加铁调素敲除小鼠对某些病原体的易感性，如创伤弧菌、肺炎克雷伯菌等。通过使用去铁铵可增加高氧机械通气大鼠肺表面活性蛋白D含量，增强肺组织抗氧化酶活性，从而减轻肺损伤。由于铁在多种疾病的发展中起着至关重要的作用，因此维持肺内低铁水平不仅有利于预防氧化应激，而且对于抵御外来病原体入侵肺部也至关重要。

2.铁代谢调控巨噬细胞极化与ARDS

巨噬细胞极化表型：巨噬细胞作为机体重要的固有免疫细胞，在调节机体免疫反应、抵御病原体入侵、维持内环境稳态中发挥着不可或缺的作用。肺内主要存在两种巨噬细胞，一种是位于肺泡腔内的肺泡巨噬细胞（alveolar macrophages，AMs），约占90%以上，其主要功能是吞噬病原体及异物、分解表面活性物质等；另一种是肺间质巨噬细胞，其功能被认为与组织重塑、抗原呈递和树突状细胞功能的调节有关。

根据AMs的功能状态和来源的不同，可进一步将其分为两类:一类是胚胎发育而来的常驻肺泡巨噬细胞，另一类是从外周血单核细胞趋化至肺泡的招募型巨噬细胞。巨噬细胞极化是巨噬细胞对不同病理生理条件和周围微环境做出特定表型和功能反应的过程。

巨噬细胞极化表型分为两种:经典活化或炎性巨噬细胞（M1）和替代活化或抗炎巨噬细胞（M2）。M1型巨噬细胞通常是在干扰素（interferon，IFN-γ），脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF-α）等刺激下极化而成，可产生较高浓度的炎症介质和促炎细胞因子，如TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IL-23、CCL8、MCP-1、MIP-2，并高表达iNOS、CD16和CD32等分子。

M1型巨噬细胞主要发挥促进炎症反应、趋化外周中性粒细胞、产生自由基以及降解细胞外基质等作用。M2型巨噬细胞可由IL-4、IL-10、IL-13和转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）等诱导产生，其特征是高表达Arg-1、Ym1、CD206等分子，这类细胞可分泌IL-4、IL-10等抗炎细胞因子，负性调节TNF-α、IL-1β等促炎细胞因子和iNOS、NO的产生，从而起到抑制炎症反应、促进组织修复的作用。

铁代谢调控巨噬细胞极化：巨噬细胞可根据环境的刺激极化为不同的功能表型，在机体铁稳态和免疫中发挥重要作用。活化的M1型和M2型巨噬细胞中铁代谢状态表现出明显不同，M1型巨噬细胞表现为高表达Fn，而低表达TFR1、FPN和血红素加氧酶1（hemeoxygenase-1，HO-1），故其富含铁蛋白并有利于铁蓄积，而M2型巨噬细胞则通过上调TfR1、FPN以及下调Fn表达从而降低细胞内的铁浓度。

近年来，Handa等研究采用柠檬酸铁铵处理小鼠骨髓来源的巨噬细胞后发现，M1极化标志物CCL2、CD14、iNOS、IL-1β、IL-6和TNF-α表达升高，并且这种效应可以被去铁胺逆转。此外，在IL-4刺激下的巨噬细胞内铁过载可导致M2极化标志物Arg-1、MGL-1和M2特异性转录调节因子KLF4等表达下调，STAT6的磷酸化减少，巨噬细胞M2极化受抑制。该研究表明，小鼠膳食中铁含量增高可导致肝巨噬细胞M1极化，促进非酒精性脂肪性肝病小鼠肝内炎症反应、加重肝损伤。

Kroner等研究表明，在脊髓损伤小鼠的体内和体外实验中，TNF可以阻止吞噬作用介导的M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞的转化，巨噬细胞中蓄积的铁又进一步提高细胞内TNF的表达并促进具有促炎作用的混合M1/M2表型的巨噬细胞群的出现。此外，增加M2型巨噬细胞的铁负荷可以诱导M2型巨噬细胞向M1型巨噬细胞的快速转换，这种作用加快M1型巨噬细胞的极化，不利于脊髓损伤后的组织恢复。

Zhou等研究表明，铁超载诱导的高ROS水平通过增强p300/CBP乙酰基转移酶活性和促进p53乙酰化，使巨噬细胞极化为M1亚型。然而也有研究发现铁离子可降低IFN-γ诱导的M1型巨噬细胞内IL-6、IL-1、TNF-α和iNOS的mRNA水平，并且在铁存在的情况下，STAT1抑制了iNOS和M1相关细胞因子的产生。

Pereira等研究表明，急性铁剥夺可促进巨噬细胞中衣康酸的产生，增加衣康酸与琥珀酸的比率，减少IL-1β和TNF-α的分泌，促进TGF-β信号通路的早期激活，通过衣康酸的免疫调节特性从而限制了巨噬细胞M1极化。细胞内铁浓度的变化可以调节巨噬细胞的表型和功能，通过干预细胞铁代谢来调控巨噬细胞极化及其代谢过程进而减轻肺内炎症反应、促进肺组织修复可能是治疗ARDS的一种新方案，有待进一步深入研究。

巨噬细胞极化在ARDS中的作用：ARDS是一种进行性加重的肺组织损伤性疾病，具有不同的病理阶段，包括渗出期、修复期和纤维增生期。越来越多的证据表明巨噬细胞极化是ARDS发病的关键因素。在ARDS渗出期，驻留的AMs在外来病原体的刺激下极化为M1型巨噬细胞，随后M1型巨噬细胞在病原体入侵部位释放多种促炎细胞因子及趋化因子，然后从外周循环中招募中性粒细胞进入肺泡腔，过度积聚的促炎细胞因子和中性粒细胞最终引发肺组织损伤。

一些天然衍生或合成的材料可以通过抑制肺泡巨噬细胞M1极化来改善ARDS动物的预后，Wang等研究表明，GTS-21通过调节M1极化和肺泡巨噬细胞功能减轻ARDS小鼠肺内炎症反应。Zhuo等研究表明，3，4－二羟基苯乙醇苷可通过抑制M1型巨噬细胞极化，减轻脓毒症所致的小鼠ARDS。由此可见，M1型巨噬细胞在肺组织损伤过程中起着促进作用。去除致病因素后，巨噬细胞则可由M1表型转变为M2表型，从而使ARDS进入修复期。在铜绿假单胞菌感染诱导的ARDS小鼠模型中，肺内M2型巨噬细胞的数量在损伤缓解阶段达到最高峰。

Tu等研究表明，甲基强的松龙可通过增加M2型巨噬细胞数量和诱导M2极化来减轻LPS诱导的ARDS。Aerbajinai等研究表明，胶质细胞成熟因子-γ（gliamaturation factor-γ，GMFG）基因敲除可改变小鼠巨噬细胞中铁代谢相关蛋白的含量，提高细胞内铁离子水平，同时还可促进巨噬细胞向抗炎的M2表型极化。

本课题组前期研究结果显示，α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）可通过增加过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPAR-γ）转录和脂肪酸代谢基因的表达量来促进IL-4诱导的小鼠肺泡巨噬细胞M2极化，减轻腹腔注射LPS小鼠肺内炎症反应和肺组织病理损伤。此外，课题组还发现活化Nrf2通路可以促进M2型巨噬细胞极化从而缓解脓毒症肺损伤。

上述研究结果提示，M2型巨噬细胞是ARDS修复期抑制肺损伤和促进组织修复的关键细胞。M2型巨噬细胞一方面可通过释放抗炎因子而产生肺保护作用，另一方面还可有效清除凋亡的中性粒细胞从而及时终止炎症反应、促进组织修复。在ARDS纤维增生期，M1型巨噬细胞释放大量MMPs和CXCL10等，从而促进细胞外基质降解，减轻肺组织纤维化。M2型巨噬细胞的持续存在通过增强TIMP、Arg-1、IL-13和IL-4的表达促进纤维增生和细胞外基质沉积。M1/M2型巨噬细胞极化平衡将肺损伤转向肺修复过程。由此可见，有效调控巨噬细胞极化、维持M1/M2型巨噬细胞的动态平衡对ARDS的发生、发展及修复过程意义重大，是治疗ARDS的关键靶点。

3.小结

铁作为人体必需的微量元素，对人体的生存发展和各种生物过程起着至关重要的作用。巨噬细胞是机体内重要的固有免疫防御细胞，具有明显的表型可塑性和功能异质性，可在不同环境下分化为不同的表型，调控机体的炎症反应进程。巨噬细胞参与ARDS发生、发展和修复的全过程，并在机体内铁稳态平衡中发挥核心作用。

机体铁代谢和巨噬细胞极化之间存在着复杂的调控关系，巨噬细胞极化可调控铁相关蛋白的含量，维持细胞铁稳态将有助于巨噬细胞发挥免疫防御作用。目前关于铁代谢调控巨噬细胞极化治疗各种疾病的研究很多，但具体的信号通路及相关通路之间的关系尚不明确，以及是否可将其运用到ARDS的临床治疗中仍需进一步的深入研究。除此之外，有关铁稳态调控巨噬细胞免疫代谢过程的研究也成为近年来的热点，虽取得了一定的进展，但仍需要更多的研究来揭示其中的作用机制。

来源：胡松,邓惠民,杨浩,吕欣.铁代谢调控肺泡巨噬细胞极化在急性呼吸窘迫综合征中的研究进展[J].临床麻醉学杂志,2021,37(09):982-986.

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