Abstract Ferroptosis is a necrotic form of regulated cell death (RCD) mediated by phospholipid peroxidation in association with free iron-mediated Fenton reactions. Disrupted iron homeostasis resulting in excessive oxidative stress has been implicated in the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Here, we demonstrate the involvement of ferroptosis in COPD pathogenesis. Our in vivo and in vitro models show labile iron accumulation and enhanced lipid peroxidation with concomitant non-apoptotic cell death during cigarette smoke (CS) exposure, which are negatively regulated by GPx4 activity. Treatment with deferoxamine and ferrostatin-1, in addition to GPx4 knockdown, illuminate the role of ferroptosis in CS-treated lung epithelial cells. NCOA4-mediated ferritin selective autophagy (ferritinophagy) is initiated during ferritin degradation in response to CS treatment. CS exposure models, using both GPx4-deficient and overexpressing mice, clarify the pivotal role of GPx4-regulated cell death during COPD. These findings support a role for cigarette smoke-induced ferroptosis in the pathogenesis of COPD.

Autophagy, a process that helps maintain homeostatic balance between the synthesis, degradation, and recycling of organelles and proteins to meet metabolic demands, plays an important regulatory role in cellular senescence and differentiation. Here we examine the regulatory role of autophagy in idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) pathogenesis. We test the hypothesis that epithelial cell senescence and myofibroblast differentiation are consequences of insufficient autophagy. Using biochemical evaluation of in vitro models, we find that autophagy inhibition is sufficient to induce acceleration of epithelial cell senescence and myofibroblast differentiation in lung fibroblasts. Immunohistochemical evaluation of human IPF biospecimens reveals that epithelial cells show increased cellular senescence, and both overlaying epithelial cells and fibroblasts in fibroblastic foci (FF) express both ubiquitinated proteins and p62. These findings suggest that insufficient autophagy is an underlying mechanism of both accelerated cellular senescence and myofibroblast differentiation in a cell-type-specific manner and is a promising clue for understanding the pathogenesis of IPF.

Reepithelialization of remodeled air spaces with bronchial epithelial cells is a prominent pathological finding in idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and is implicated in IPF pathogenesis. Recent studies suggest that epithelial senescence is a risk factor for development of IPF, indicating such reepithelialization may be influenced by the acceleration of cellular senescence. Among the sirtuin (SIRT) family, SIRT6, a class III histone deacetylase, has been demonstrated to antagonize senescence. We evaluated the senescence of bronchiolization in association with SIRT6 expression in IPF lung. Senescence-associated β-galactosidase staining and immunohistochemical detection of p21 were performed to evaluate cellular senescence. As a model for transforming growth factor (TGF)-β-induced senescence of abnormal reepithelialization, we used primary human bronchial epithelial cells (HBEC). The changes of SIRT6, p21, and interleukin (IL)-1β expression levels in HBEC, as well as type I collagen expression levels in fibroblasts, were evaluated. In IPF lung samples, an increase in markers of senescence and SIRT6 expression was found in the bronchial epithelial cells lining cystically remodeled air spaces. We found that TGF-β induced senescence in primary HBEC by increasing p21 expression, and, whereas TGF-β also induced SIRT6, it was not sufficient to inhibit cellular senescence. However, overexpression of SIRT6 efficiently inhibited TGF-β-induced senescence via proteasomal degradation of p21. TGF-β-induced senescent HBEC secreted increased amounts of IL-1β, which was sufficient to induce myofibroblast differentiation in fibroblasts. These findings suggest that accelerated epithelial senescence plays a role in IPF pathogenesis through perpetuating abnormal epithelial-mesenchymal interactions, which can be antagonized by SIRT6.

Cigarette smoke (CS)-induced mitochondrial damage with increased reactive oxygen species (ROS) production has been implicated in COPD pathogenesis by accelerating senescence. Mitophagy may play a pivotal role for removal of CS-induced damaged mitochondria, and the PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1)-PARK2 pathway has been proposed as a crucial mechanism for mitophagic degradation. Therefore, we sought to investigate to determine if PINK1-PARK2-mediated mitophagy is involved in the regulation of CS extract (CSE)-induced cell senescence and in COPD pathogenesis. Mitochondrial damage, ROS production, and cell senescence were evaluated in primary human bronchial epithelial cells (HBEC). Mitophagy was assessed in BEAS-2B cells stably expressing EGFP-LC3B, using confocal microscopy to measure colocalization between TOMM20-stained mitochondria and EGFP-LC3B dots as a representation of autophagosome formation. To elucidate the involvement of PINK1 and PARK2 in mitophagy, knockdown and overexpression experiments were performed. PINK1 and PARK2 protein levels in lungs from patients were evaluated by means of lung homogenate and immunohistochemistry. We demonstrated that CSE-induced mitochondrial damage was accompanied by increased ROS production and HBEC senescence. CSE-induced mitophagy was inhibited by PINK1 and PARK2 knockdown, resulting in enhanced mitochondrial ROS production and cellular senescence in HBEC. Evaluation of protein levels demonstrated decreased PARK2 in COPD lungs compared with non-COPD lungs. These results suggest that PINK1-PARK2 pathway-mediated mitophagy plays a key regulatory role in CSE-induced mitochondrial ROS production and cellular senescence in HBEC. Reduced PARK2 expression levels in COPD lung suggest that insufficient mitophagy is a part of the pathogenic sequence of COPD.

Tobacco smoke-induced accelerated cell senescence has been implicated in the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Cell senescence is accompanied by the accumulation of damaged cellular components suggesting that in COPD, inhibition of autophagy may contribute to cell senescence. Here we look at whether autophagy contributes to cigarette smoke extract (CSE) - induced cell senescence of primary human bronchial epithelial cells (HBEC), and further evaluate p62 and ubiquitinated protein levels in lung homogenates from COPD patients. We demonstrate that CSE transiently induces activation of autophagy in HBEC, followed by accelerated cell senescence and concomitant accumulation of p62 and ubiquitinated proteins. Autophagy inhibition further enhanced accumulations of p62 and ubiquitinated proteins, resulting in increased senescence and senescence-associated secretory phenotype (SASP) with interleukin (IL)-8 secretion. Conversely, autophagy activation by Torin1, a mammalian target of rapamycin (mTOR inhibitor), suppressed accumulations of p62 and ubiquitinated proteins and inhibits cell senescence. Despite increased baseline activity, autophagy induction in response to CSE was significantly decreased in HBEC from COPD patients. Increased accumulations of p62 and ubiquitinated proteins were detected in lung homogenates from COPD patients. Insufficient autophagic clearance of damaged proteins, including ubiquitinated proteins, is involved in accelerated cell senescence in COPD, suggesting a novel protective role for autophagy in the tobacco smoke-induced senescence-associated lung disease, COPD.

Accumulation of profibrotic myofibroblasts in fibroblastic foci (FF) is a crucial process for development of fibrosis during idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) pathogenesis, and transforming growth factor (TGF)-β plays a key regulatory role in myofibroblast differentiation. Reactive oxygen species (ROS) has been proposed to be involved in the mechanism for TGF-β-induced myofibroblast differentiation. Metformin is a biguanide antidiabetic medication and its pharmacological action is mediated through the activation of AMP-activated protein kinase (AMPK), which regulates not only energy homeostasis but also stress responses, including ROS. Therefore, we sought to investigate the inhibitory role of metformin in lung fibrosis development via modulating TGF-β signaling. TGF-β-induced myofibroblast differentiation in lung fibroblasts (LF) was used for in vitro models. The anti-fibrotic role of metfromin was examined in a bleomycin (BLM)-induced lung fibrosis model. We found that TGF-β-induced myofibroblast differentiation was clearly inhibited by metformin treatment in LF. Metformin-mediated activation of AMPK was responsible for inhibiting TGF-β-induced NOX4 expression. NOX4 knockdown and N-acetylcysteine (NAC) treatment illustrated that NOX4-derived ROS generation was critical for TGF-β-induced SMAD phosphorylation and myofibroblast differentiation. BLM treatment induced development of lung fibrosis with concomitantly enhanced NOX4 expression and SMAD phosphorylation, which was efficiently inhibited by metformin. Increased NOX4 expression levels were also observed in FF of IPF lungs and LF isolated from IPF patients. These findings suggest that metformin can be a promising anti-fibrotic modality of treatment for IPF affected by TGF-β.

Abstract Background Distant metastases of ovarian cancer are rarely detected alone. The effectiveness of surgical intervention for pulmonary metastases from ovarian cancer remains uncertain. This study aimed to investigate the clinicopathologic characteristics and outcomes of patients undergoing resection for pulmonary metastasis from ovarian cancer. Case presentation The clinicopathologic characteristics and outcomes of radical surgery for pulmonary metastasis from ovarian cancer were investigated. Out of 537 patients who underwent pulmonary metastasis resection at two affiliated hospitals between 2010 and 2021, four (0.74%) patients who underwent radical surgery for pulmonary metastasis from ovarian cancer were included. The patients were aged 67, 47, 21, and 59 years; the intervals from primary surgery to detection of pulmonary metastasis from ovarian cancer were 94, 21, 36, and 50 months; and the overall survival times after pulmonary metastasectomy were 53, 50, 94, and 34 months, respectively. Three of the four patients experienced recurrence after pulmonary metastasectomy. Further, preoperative carbohydrate antigen (CA) 125 levels were normal in two surviving patients and elevated in the two deceased patients. Conclusion In this study, three of the four patients experienced recurrence after pulmonary metastasectomy, but all patients survived for > 30 months after surgery. Patients with ovarian cancer and elevated CA125 levels may not be optimal candidates for pulmonary metastasectomy. To establish appropriate criteria for pulmonary metastasectomy in patients with ovarian cancer, further research on a larger patient cohort is warranted.