Capsaicin mitigates ventilator-induced lung injury by suppressing ferroptosis and maintaining mitochondrial redox homeostasis through SIRT3-dependent mechanisms

Keywords: Capsaicin; Ferroptosis; Mitochondrial redox; Ventilation-induced lung injury.

呼吸機(jī)所致肺損傷（VILI）是臨床上機(jī)械通氣（MV）最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一。VILI 可以放大全身炎癥反應(yīng)，可能導(dǎo)致多器官衰竭甚至死亡，使急性呼吸窘迫能綜合征（ARDS）患者死亡率升高。

鐵死亡是依賴鐵離子及活性氧誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致的調(diào)節(jié)性細(xì)胞壞死。過量的 ROS 積累是導(dǎo)致鐵死亡的關(guān)鍵因素。具有高潮氣量（HTV）的 MV 可以促進(jìn) ROS 的產(chǎn)生，從而有助于大鼠的 VILI 。目前的研究已在鐵死亡和 VILI 之間建立了直接聯(lián)系，表明阻斷肺上皮細(xì)胞中的鐵死亡可顯著減少小鼠 MV 相關(guān)的肺損傷。然而，兩者之間詳細(xì)的潛在機(jī)制仍需澄清。

Sirtuin 3（SIRT3）是線粒體中一種重要的組蛋白去乙?；?，在調(diào)節(jié)線粒體特性中起著至關(guān)重要的作用，特別是通過清除ROS和抑制脂氧合酶活性。此外，越來越多的研究開始強(qiáng)調(diào) SIRT3 在抗鐵死亡中的重要作用。

辣椒素（CAP）是辣椒的主要成分，具有鎮(zhèn)痛、保心、抗炎、抗肥胖和抗癌等作用。CAP 還顯示出對脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的損傷的保護(hù)作用，這兩者都是抑制鐵死亡的核心。最近的研究結(jié)果表明，CAP 預(yù)處理可以通過保留線粒體功能來阻止氧化應(yīng)激和炎癥，從而保護(hù)心肌細(xì)胞免受脂多糖誘導(dǎo)的損傷。然而，CAP 抵消 VILI 鐵死亡的潛力及其確切機(jī)制仍未得到充分探索。

基于此，廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院麻醉科課題組的一項研究旨在體內(nèi)和體外檢測 CAP 對 VILI 的保護(hù)特性，并深入探索其潛在的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)CAP 通過提高 SITR3 的活性來抑制線粒體氧化損傷并維持線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)，從而減輕了 VILI 中的鐵死亡，說明了其作為 VILI 新治療目標(biāo)的可能性。研究成果發(fā)表在 Molecular Medicine 期刊題為“Capsaicin mitigates ventilator-induced lung injury by suppressing ferroptosis and maintaining mitochondrial redox homeostasis through SIRT3-dependent mechanisms"。

首先，研究人員證明了鐵死亡存在，并加劇了 MV 與 HTV 引起的炎癥損傷。與 HTV 組相比，CAP（1 ml/kg）+ HTV 組肺組織 W/D 比值，BALF 中的細(xì)胞計數(shù)、H&E 染色、肺損傷評分和血清細(xì)胞因子譜水平（IL-1β、IL-6 ）顯著降低。這表明，CAP可顯著減輕 HTV 后的肺損傷和炎癥。

然后，進(jìn)一步確定體外 CAP 對 HTV 誘導(dǎo)的鐵死亡的影響。與 HTV 組相比，在 HTV 條件下，CAP預(yù)處理后肺組織中的鐵過載（鐵水平升高，圖1 A）和脂質(zhì)過氧化（MDA 水平增加，圖1 K）均有所降低。同時，在 HTV 期間，SLC7A11 和 GPX4 的蛋白和 mRNA 水平被 CAP 上調(diào)（圖1 B-F）。TEM 觀察結(jié)果（圖1 G）顯示，HTV 組肺組織中線粒體表現(xiàn)出鐵死亡的形態(tài)學(xué)特征，然而，這種現(xiàn)象在用 CAP 預(yù)處理的 HTV 小鼠中被逆轉(zhuǎn)。這些發(fā)現(xiàn)表明，CAP 改善了 HTV 誘導(dǎo)的鐵死亡。

更重要的是，通過確定 ATP、ROS、MDA、GSH 和 Mn-SOD 水平的變化來評估 CAP 對 VILI 線粒體氧化損傷的影響，發(fā)現(xiàn)HTV 處理的小鼠的 ATP 降低，ROS 顯著增強(qiáng)（圖1 H-J），MDA 水平更高（圖1 K）。值得注意的是，與對照組相比，HTV 組的 GSH 和 Mn-SOD 顯著降低（圖1 L、M）。正如預(yù)期，CAP 預(yù)處理阻止了這些影響，表明 CAP 減輕了 HTV 誘導(dǎo)的線粒體氧化損傷（圖1）。這些發(fā)現(xiàn)表明，CAP 進(jìn)一步減輕了 VILI 中的線粒體氧化損傷。

與 HTV 組相比，在 HTV 條件下，CAP 預(yù)處理降低了肺組織中 ATP 合成功能障礙和 ROS 的高含量。然而，CAP 的這些拮抗作用被 SIRT3 選擇性抑制劑 3-TYP 處理所抑制。添加 3-TYP 顯著阻斷了 CAP 對 HTV 誘導(dǎo)的線粒體氧化損傷的保護(hù)作用。

此外，在 HTV 條件下肺組織中的鐵水平被CAP 預(yù)處理降低。然而，CAP 組引入 3-TYP 預(yù)處理后，總鐵含量增加。此外，WB結(jié)果顯示，HTV 組 SIRT3、SLC7A11、GPX4 蛋白的表達(dá)程度顯著降低，而CAP 預(yù)處理可以緩解此效應(yīng)。然而，3-TYP 預(yù)處理降低了 SIRT3 蛋白活性，并顯著降低了 CAP 對肺組織中 SLC7A11 和 GPX4 蛋白的有益影響。免疫熒光染色和定量分析顯示，與對照組相比，HTV 組 SIRT3、SLC7A11 和 GPX4 蛋白顯著降低，但他們在 CAP + HTV 組中得到了極大的升高。此外，與 CAP + HTV 組相比，CAP + 3-TYP + HTV 組這些蛋白質(zhì)的表達(dá)水平顯著降低。結(jié)果還顯示，3-TYP 加劇了肺損傷，表現(xiàn)為炎性細(xì)胞因子增加和肺組織損傷。

這些發(fā)現(xiàn)表明，CAP 通過激活 SIRT3 維持線粒體功能抑制鐵死亡，從而減輕 VILI 的發(fā)展。

圖1    辣椒素進(jìn)一步減輕了 VILI 中 HTV 誘導(dǎo)的鐵死亡和線粒體氧化損傷。

為了進(jìn)一步分析 HTV 誘導(dǎo)的 VILI 與鐵死亡之間的關(guān)系，對小鼠肺上皮細(xì)胞（MLE12）進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)。與未拉伸的細(xì)胞相比，在暴露于 20% 循環(huán)拉伸（CS）4 小時的細(xì)胞中觀察到細(xì)胞活力顯著降低（圖2 A）。TEM 結(jié)果表明，20% CS 組細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的損傷，細(xì)胞膜和細(xì)胞器不完整，而對照組細(xì)胞表現(xiàn)出完整的細(xì)胞形態(tài)（圖2 B）。

然后研究鐵死亡是否在體外 VILI 中起作用。TEM 結(jié)果顯示，與未拉伸組相比，20% CS 組在鐵死亡細(xì)胞中表現(xiàn)出典型的線粒體（圖2 C）。此外，與對照組相比，MLE12 細(xì)胞中 SLC7A11 和 GPX4 蛋白的表達(dá)在 20% CS 暴露 4 小時后顯著降低（圖2 D-F）。結(jié)果表明，當(dāng) MLE12 細(xì)胞暴露于 20% CS 4 小時時，會誘導(dǎo)鐵死亡并促進(jìn)細(xì)胞損傷。

圖2    MLE12細(xì)胞過度拉伸可激活細(xì)胞損傷和鐵死亡。

與未拉伸組相比，20% CS 組的細(xì)胞表現(xiàn)出增強(qiáng)的細(xì)胞內(nèi)螯合鐵（通過 PGSK 測定評估）和脂質(zhì)過氧化（通過 C11-BODIPY581/591 評估）。令人驚訝的是，在 20% CS 暴露 4 小時后，CAP（10 μM）抑制了 MLE12 細(xì)胞中的鐵死亡水平。WB結(jié)果顯示，與對照組相比，20% CS 組的 SLC7A11 和 GPX4 蛋白顯著降低，但在 CAP + 20% CS 組中，它們的水平顯著增加。這些數(shù)據(jù)表明，CAP 增強(qiáng)了 CS 后 MLE12 細(xì)胞活力并減少了鐵死亡。

為了研究 CAP 對 MLE12 細(xì)胞過度拉伸過程中線粒體氧化損傷的影響，檢測了 ATP、ROS、MDA、GSH 和 Mn-SOD 水平的變化。與體內(nèi)觀察一樣，與對照組相比，20% CS 組的 ATP 和 MMP 顯著降低以及 ROS 度升高，MDA 更高，而 GSH 和 Mn-SOD 水平顯著下降。值得注意的是，CAP 預(yù)處理減輕了這些影響，表明 CAP 減少了 HTV 誘導(dǎo)的線粒體氧化損傷。這些研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)，將 MLE12 細(xì)胞暴露于 20% CS 4 小時時，鐵死亡發(fā)生并促進(jìn)了細(xì)胞損傷，而CAP 進(jìn)一步減少了 MLE12 細(xì)胞過度拉伸中的線粒體氧化損傷。

最后，為了確定 SIRT3 在調(diào)節(jié)線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)和抑制鐵死亡中的主要功能，敲低了 MLE12 細(xì)胞中的 SIRT3 基因。與體內(nèi)研究結(jié)果一樣，體外結(jié)果，包括 ATP（圖3 A）、GSH（圖3 B）、Mn-SOD（圖3 C） 和 MDA 水平（圖3 D）顯示 SIRT3 的敲低顯著阻礙了 CAP 對 20% CS 誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和氧化損傷的保護(hù)作用。結(jié)果還表明，SIRT3 敲低加劇了暴露于 20% CS 的細(xì)胞中的鐵死亡，其特征是降低 SLC7A11 和 GPX4 蛋白水平（圖3 E-H）。

圖3    在體外實(shí)驗(yàn)中，敲低SIRT3會減弱辣椒素對線粒體氧化損傷和鐵死亡的有益作用。

圖4    圖形概要

體內(nèi)模型研究表明鐵死亡參與 VILI。CAP 抑制鐵死亡并減輕 VILI 的肺損傷和炎癥，CAP 的這種保護(hù)作用取決于通過 SITR3 信號維持線粒體氧化還原系統(tǒng)。在 CS 引起的肺上皮細(xì)胞損傷模型中，CAP 減少了病理性 CS 引起的鐵死亡和細(xì)胞損傷。敲低 SIRT3 逆轉(zhuǎn)了 CAP 在病理 CS 下維持線粒體功能障礙的作用，并消除了其隨后對鐵死亡對過度拉伸細(xì)胞的有利影響。

總而言之，該研究闡明了 VILI、鐵死亡之間的復(fù)雜相互關(guān)系以及 SIRT3 和 CAP 的潛在治療作用，證明了CAP 通過提高 SITR3 活性來抑制線粒體氧化損傷并維持線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)，從而減輕 VILI 中的鐵死亡。因此，靶向鐵死亡可能是 VILI 治療的一條有前途的策略，這個方向的進(jìn)一步研究可能會為處理這種多方面的疾病提供有價值的見解。

參考文獻(xiàn)：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.

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