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.

呼吸機所致肺損傷（VILI）是臨床上機械通氣（MV）最嚴重的并發癥之一。VILI 可以放大全身炎癥反應，可能導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脂質過氧化導致的調節性細胞壞死。過量的 ROS 積累是導致鐵死亡的關鍵因素。具有高潮氣量（HTV）的 MV 可以促進 ROS 的產生，從而有助于大鼠的 VILI 。目前的研究已在鐵死亡和 VILI 之間建立了直接聯系，表明阻斷肺上皮細胞中的鐵死亡可顯著減少小鼠 MV 相關的肺損傷。然而，兩者之間詳細的潛在機制仍需澄清。

Sirtuin 3（SIRT3）是線粒體中一種重要的組蛋白去乙酰化酶，在調節線粒體特性中起著至關重要的作用，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調 SIRT3 在抗鐵死亡中的重要作用。

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

基于此，廣西醫科大學附屬腫瘤醫院麻醉科課題組的一項研究旨在體內和體外檢測 CAP 對 VILI 的保護特性，并深入探索其潛在的分子機制，發現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態，從而減輕了 VILI 中的鐵死亡，說明了其作為 VILI 新治療目標的可能性。研究成果發表在 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 中的細胞計數、H&E 染色、肺損傷評分和血清細胞因子譜水平（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，進一步確定體外 CAP 對 HTV 誘導的鐵死亡的影響。與 HTV 組相比，在 HTV 條件下，CAP預處理后肺組織中的鐵過載（鐵水平升高，圖1 A）和脂質過氧化（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（圖1 B-F）。TEM 觀察結果（圖1 G）顯示，HTV 組肺組織中線粒體表現出鐵死亡的形態學特征，然而，這種現象在用 CAP 預處理的 HTV 小鼠中被逆轉。這些發現表明，CAP 改善了 HTV 誘導的鐵死亡。

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，發現HTV 處理的小鼠的 ATP 降低，ROS 顯著增強（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）。正如預期，CAP 預處理阻止了這些影響，表明 CAP 減輕了 HTV 誘導的線粒體氧化損傷（圖1）。這些發現表明，CAP 進一步減輕了 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 誘導的線粒體氧化損傷的保護作用。

此外，在 HTV 條件下肺組織中的鐵水平被CAP 預處理降低。然而，CAP 組引入 3-TYP 預處理后，總鐵含量增加。此外，WB結果顯示，HTV 組 SIRT3、SLC7A11、GPX4 蛋白的表達程度顯著降低，而CAP 預處理可以緩解此效應。然而，3-TYP 預處理降低了 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 組這些蛋白質的表達水平顯著降低。結果還顯示，3-TYP 加劇了肺損傷，表現為炎性細胞因子增加和肺組織損傷。

這些發現表明，CAP 通過激活 SIRT3 維持線粒體功能抑制鐵死亡，從而減輕 VILI 的發展。

圖1    辣椒素進一步減輕了 VILI 中 HTV 誘導的鐵死亡和線粒體氧化損傷。

為了進一步分析 HTV 誘導的 VILI 與鐵死亡之間的關系，對小鼠肺上皮細胞（MLE12）進行了體外實驗。與未拉伸的細胞相比，在暴露于 20% 循環拉伸（CS）4 小時的細胞中觀察到細胞活力顯著降低（圖2 A）。TEM 結果表明，20% CS 組細胞表現出明顯的損傷，細胞膜和細胞器不完整，而對照組細胞表現出完整的細胞形態（圖2 B）。

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

圖2    MLE12細胞過度拉伸可激活細胞損傷和鐵死亡。

與未拉伸組相比，20% CS 組的細胞表現出增強的細胞內螯合鐵（通過 PGSK 測定評估）和脂質過氧化（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 細胞中的鐵死亡水平。WB結果顯示，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。這些數據表明，CAP 增強了 CS 后 MLE12 細胞活力并減少了鐵死亡。

為了研究 CAP 對 MLE12 細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 預處理減輕了這些影響，表明 CAP 減少了 HTV 誘導的線粒體氧化損傷。這些研究結果強調，將 MLE12 細胞暴露于 20% CS 4 小時時，鐵死亡發生并促進了細胞損傷，而CAP 進一步減少了 MLE12 細胞過度拉伸中的線粒體氧化損傷。

最后，為了確定 SIRT3 在調節線粒體氧化還原穩態和抑制鐵死亡中的主要功能，敲低了 MLE12 細胞中的 SIRT3 基因。與體內研究結果一樣，體外結果，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 誘導的線粒體功能障礙和氧化損傷的保護作用。結果還表明，SIRT3 敲低加劇了暴露于 20% CS 的細胞中的鐵死亡，其特征是降低 SLC7A11 和 GPX4 蛋白水平（圖3 E-H）。

圖3    在體外實驗中，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 的這種保護作用取決于通過 SITR3 信號維持線粒體氧化還原系統。在 CS 引起的肺上皮細胞損傷模型中，CAP 減少了病理性 CS 引起的鐵死亡和細胞損傷。敲低 SIRT3 逆轉了 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胞的有利影響。

總而言之，該研究闡明了 VILI、鐵死亡之間的復雜相互關系以及 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態，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：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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