鐵死亡的調(diào)控機(jī)制及其在肝疾病中的作用研究進(jìn)展

李余佳，王 玲，金 春，高儷原，梁寶瑜，王桭屹，張 峰，2，3，鄭仕中，2，3

〔南京中醫(yī)藥大學(xué)1.江蘇省中藥藥效與安全性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.江蘇省中藥功效物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，3.中藥品質(zhì)與效能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（培育），江蘇 南京210023〕

鐵死亡是近年來提出的新型細(xì)胞死亡方式，與疾病密切相關(guān)，在多種疾病進(jìn)程中都扮演著重要作用。目前發(fā)現(xiàn)，鐵死亡在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、纖維化、腫瘤、缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷、糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化等疾病中發(fā)揮重要作用[1]。雖然鐵死亡參與了諸多疾病進(jìn)程，但深入機(jī)制還有待探究。作為困擾全球健康問題的肝疾病一直是研究的熱點(diǎn)，而鐵死亡的發(fā)現(xiàn)無疑為解決這一問題開辟了一條新的道路。

1鐵死亡概述

1.1 鐵死亡概念的提出

在鐵死亡的概念提出之前，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鐵死亡的誘導(dǎo)劑。2003年，Dolma等[2]在使用高通量篩選化合物時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種新的化合物——愛拉斯汀（erastin），該化合物能夠以一種非凋亡的形式選擇性地殺死表達(dá)小T 癌蛋白和致癌ras 基因的細(xì)胞。接著，Yang等[3]又發(fā)現(xiàn)了含ras基因的癌細(xì)胞對(duì)ras選擇性致死化合物（ras-selective-lethal compound，RSL3）和RSL5敏感性更高，并且凋亡、壞死和自噬抑制劑均不能抑制RSL3 和RSL5 誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，而抗氧化劑和鐵螯合劑可以抑制這一過程。直到2012 年，Dixon 等[4]將這種依賴于鐵的脂質(zhì)過氧化和活性氧（reactive oxygen species，ROS）堆積而導(dǎo)致的細(xì)胞死亡命名為鐵死亡。從此，鐵死亡這一概念逐漸進(jìn)入公眾的視野，并發(fā)現(xiàn)鐵死亡參與了多種病理進(jìn)程。

1.2 鐵死亡的機(jī)制

2018年，細(xì)胞死亡命名委員會(huì)建議將鐵死亡定義為一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulated cell death，RCD）[5]。在形態(tài)、生化特征和調(diào)控機(jī)制上，鐵死亡都與其他死亡方式不同。鐵死亡在形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為細(xì)胞膜不破裂但膜上起泡、線粒體變小、線粒體膜密度增加且外膜破裂、線粒體嵴減少或消失、細(xì)胞核大小正常但缺乏染色質(zhì)凝聚[6]。在生化特征上，鐵死亡表現(xiàn)為鐵和ROS的增加和半胱氨酸攝取減少、花生四烯酸介導(dǎo)因子釋放增多、線粒體膜電位降低等[7]。正是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式不同，鐵死亡得到了越來越多的關(guān)注，通過深入了解鐵死亡的調(diào)控機(jī)制，有望為疾病的治療提供新的策略。

從鐵死亡提出至今，對(duì)鐵死亡機(jī)制探究的腳步從未停下。從目前的研究來看，鐵代謝紊亂尤其是鐵超載和脂質(zhì)過氧化已逐漸被公認(rèn)為是鐵死亡的中心環(huán)節(jié)[8]。研究表明，對(duì)鐵死亡敏感的細(xì)胞轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TfR1）升高，而鐵蛋白表達(dá)降低，導(dǎo)致鐵吸收增加而鐵儲(chǔ)存減少，過多的鐵就會(huì)通過芬頓反應(yīng)和Haber-Weiss反應(yīng)產(chǎn)生ROS從而誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[3]。此外，鐵死亡還受到system Xc-系統(tǒng)和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的嚴(yán)格調(diào)控。system Xc-是一種膜Na+依賴性胱氨酸-谷氨酸交換轉(zhuǎn)運(yùn)體，是由輕鏈亞基（xCT，SLC7A11）和重鏈亞基（CD98hc，SLC3A2）組成的二硫鍵異二聚體[9]。system Xc-將細(xì)胞外胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞，再轉(zhuǎn)化為半胱氨酸用于谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成[10]。細(xì)胞攝取半胱氨酸是GSH 合成的關(guān)鍵步驟，GSH的產(chǎn)生和維持是保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激反應(yīng)損傷的關(guān)鍵。當(dāng)選擇性抑制system Xc-時(shí)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)GSH 的合成減少，毒性ROS 積累，最終引起細(xì)胞死亡[11]。而GPX4 是一種將還原型GSH轉(zhuǎn)化為氧化型GSH，同時(shí)將脂質(zhì)過氧化氫還原為相應(yīng)的醇或游離過氧化氫還原為水的酶[12]。一旦GPX4 受到抑制，脂質(zhì)過氧化物將會(huì)積累，與此同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的鐵會(huì)將其催化為脂質(zhì)自由基，產(chǎn)生細(xì)胞毒性，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[12]。值得注意的是，線粒體在鐵死亡中也有重要作用。最近的一項(xiàng)研究表明，線粒體在鐵死亡中的作用取決于細(xì)胞所處的環(huán)境[13]。當(dāng)半胱氨酸缺失時(shí)，細(xì)胞會(huì)通過谷氨酰胺分解來進(jìn)行代謝，線粒體內(nèi)三羧酸循環(huán)增強(qiáng)，脂質(zhì)ROS 的產(chǎn)生增多，線粒體膜超極化并最終崩潰，從而誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡。但是如果直接抑制GPX4，細(xì)胞則會(huì)發(fā)生不依賴線粒體的鐵死亡。

1.3 鐵死亡誘導(dǎo)劑和抑制劑

在對(duì)鐵死亡機(jī)制的探索過程中，對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑和抑制劑的研究也沒有停止。其中美國FDA 已批準(zhǔn)鐵死亡誘導(dǎo)劑柳氮磺吡啶（sulfasalazine）和索拉非尼（sorafenib）進(jìn)入臨床使用，并且取得了較好的效果[14]。甲磺酸去鐵胺是一種通過螯合鐵和抑制鐵的芬頓反應(yīng)來阻止脂質(zhì)過氧化發(fā)生的鐵死亡抑制劑，目前臨床主要用于治療慢性鐵負(fù)荷過重[15]。除此以外，已知的鐵死亡誘導(dǎo)劑有FIN56、FINO2、GSH 和半胱氨酸合酶等；鐵死亡抑制劑有ferrostatins、liproxstatins、環(huán)己酰亞胺和β-巰基乙醇等[16]。本文主要介紹一些與鐵死亡相關(guān)的中藥成分。一項(xiàng)研究表明，包括青蒿素在內(nèi)的10種青蒿素衍生物可以改變與鐵死亡相關(guān)的基因，從而誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[17]；蓽茇酰胺可以通過提高ROS 水平，調(diào)節(jié)鐵代謝來誘導(dǎo)鐵死亡，發(fā)揮抗肝癌的作用，并且其對(duì)正常細(xì)胞沒有影響，是非常有前景的化合物；葛根素能夠降低ROS、調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)、抑制鐵過載，從而抑制細(xì)胞鐵死亡；糙米提取物可以改善GPX4 敲低誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化、細(xì)胞毒性和延遲增殖，提示糙米可作為鐵死亡抑制劑從而發(fā)揮作用[18]；黃芩苷通過抑制脂質(zhì)過氧化，阻止鐵沉積從而抑制鐵死亡，且其抑制作用明顯優(yōu)于一些典型的鐵死亡抑制劑，有望成為一些由鐵死亡引起的疾病的有效治療藥物[19]。雖然對(duì)中藥及其活性成分調(diào)節(jié)鐵死亡的研究起步晚，積累少，但其調(diào)節(jié)靶點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性高和廉價(jià)易得的一些特點(diǎn)使中藥在鐵死亡調(diào)節(jié)的研究中占有重要的一席之地。

2 鐵死亡與肝疾病的關(guān)系

肝疾病是一種常見的危害極大的疾病，通常多見如肝炎、酒精性肝損傷、脂肪肝、肝纖維化、肝硬化和肝癌。目前，肝疾病是困擾全球健康的一大難題，其治療難度高，且尚無有效的特異性治療手段，只能采取保守治療，尋找有效的治療方法解決這一難題迫在眉睫。近年來，許多研究都表明，鐵死亡與肝疾病密切相關(guān)。與正常狀態(tài)下的肝相比，發(fā)生病變的肝內(nèi)鐵離子和脂質(zhì)ROS增多，提示鐵死亡可能在肝疾病中扮演著重要的角色。所以，調(diào)控鐵死亡可能會(huì)成為治療肝疾病的一種新的策略，深入了解鐵死亡的調(diào)控機(jī)制將會(huì)為肝疾病的治療帶來新的希望。

2.1 鐵死亡在肝損傷中的作用

2.1.1 血色素沉著癥相關(guān)肝損傷

血色素沉著癥尤其是遺傳性血色素沉著癥（hereditary hemochromatosis，HH）會(huì)導(dǎo)致過量的鐵儲(chǔ)存在肝、心臟和胰等器官中，最終導(dǎo)致器官衰竭。研究表明，所有HH障礙均表現(xiàn)為鐵調(diào)素-鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穩(wěn)態(tài)失調(diào)，由此導(dǎo)致的過剩的鐵通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡和全身氧化損傷，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的慢性并發(fā)癥，包括肝硬化、糖尿病和心臟病[20]。目前對(duì)血色素沉著癥相關(guān)肝損傷的治療選擇相對(duì)較少，因此，尋找鐵相關(guān)病理過程的新的治療靶點(diǎn)對(duì)于治療血色素沉著癥相關(guān)肝損傷至關(guān)重要。浙江大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，鐵含量過高及HH可誘發(fā)肝細(xì)胞及巨噬細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，同時(shí)，胱氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體中的輕鏈亞基（xCT，SLC7A11）可抑制肝鐵死亡[21]。因此，通過靶向鐵-ROS-SLC7A11網(wǎng)絡(luò)抑制由鐵超載引起的鐵死亡可能會(huì)為治療血色素沉著癥相關(guān)肝損傷提供新的策略。

2.1.2 缺血再灌注性肝損傷

I/R 可導(dǎo)致多種器官損傷，如心臟、肝和腎等。已有研究表明，抑制鐵死亡可以改善I/R 引起的心肌和腎損傷。而I/R性肝損傷是肝手術(shù)的主要并發(fā)癥，深入研究I/R 性肝損傷的病理生理機(jī)制及尋找各種抗I/R性肝損傷策略一直是肝研究領(lǐng)域的重要方向。雖然關(guān)于鐵死亡在I/R 性肝損傷中研究較少，但已有的研究表明，鐵死亡在I/R性肝損傷中也發(fā)揮重要作用，使用鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1可以抑制脂質(zhì)過氧化從而減輕I/R 帶來的肝損傷[22]。因此，靶向鐵死亡這一非凋亡途徑可能有助于改善I/R性肝損傷。

2.1.3 對(duì)乙酰氨基酚誘導(dǎo)的肝損傷

藥物性肝損傷已成為近年來的熱門話題。對(duì)乙酰氨基酚（acetaminophen，APAP）的肝毒性是引起急性肝衰竭的重要因素。研究表明，在APAP誘導(dǎo)的肝損傷進(jìn)程中，肝脂質(zhì)過氧化顯著增加，并伴隨著細(xì)胞內(nèi)大量的鐵沉積，這與鐵死亡的特征高度契合。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，（+）-黃皮酰胺可能通過增加谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）的活性抑制鐵死亡從而保護(hù)肝免受APAP誘導(dǎo)的肝損傷[23]。在對(duì)方劑扶正養(yǎng)肝合劑的研究中發(fā)現(xiàn)，該方劑可以通過下調(diào)前列腺素內(nèi)過氧化物酶基因2 mRNA水平，上調(diào)SLC7A11和GPX4蛋白水平來抑制鐵死亡，從而保護(hù)肝免受APAP 誘導(dǎo)的肝損傷[24]。

2.2 鐵死亡在肝纖維化中的作用

肝纖維化是指由各種致病因子所致肝內(nèi)結(jié)締組織異常增生，大量研究表明其發(fā)生的中心環(huán)節(jié)是肝星狀細(xì)胞（hepatic stellate cell，HSC）的活化[25]。目前改善肝纖維化手段有改善炎癥、抑制血管重構(gòu)等，其中抑制HSC 的活化，并誘導(dǎo)其死亡是核心手段。研究表明，HSC 中儲(chǔ)存有大量的鐵離子[26]，這就為HSC 可能發(fā)生鐵死亡提供了條件。Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在蒿甲醚誘導(dǎo)HSC發(fā)生鐵死亡的過程中，P53 發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。蒿甲醚可誘導(dǎo)P53上調(diào)，抑制SLC7A11，從而導(dǎo)致GSH 耗盡、GpX4缺失和ROS過表達(dá)，最終誘導(dǎo)HSC發(fā)生鐵死亡，阻止肝纖維化的繼續(xù)發(fā)展。Sui 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，異甘草酸鎂可誘導(dǎo)血紅素氧合酶1上調(diào)，鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體和鐵蛋白重鏈1 過表達(dá)，鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白缺失，導(dǎo)致鐵聚集，氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡，脂質(zhì)過氧化增加，從而誘導(dǎo)HSC 發(fā)生鐵死亡，最終抑制肝纖維化發(fā)生過程中HSC 的活化。最近Zhang 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)HSC中儲(chǔ)鐵蛋白自噬，釋放出鐵離子，游離的鐵通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生過多的ROS，進(jìn)而誘導(dǎo)HSC發(fā)生鐵死亡。而最新的研究發(fā)現(xiàn)，青蒿琥酯可以通過鐵自噬誘導(dǎo)HSC鐵死亡[30]，為中藥抗肝纖維化的研究又添上了新的一筆。關(guān)于HSC 如何發(fā)生鐵死亡有待更深入的研究，現(xiàn)有的研究也為通過誘導(dǎo)HSC鐵死亡治療肝纖維化提供了研究基礎(chǔ)。目前關(guān)于肝纖維化的治療藥物多數(shù)為中藥，明確中藥治療肝纖維化的分子機(jī)制有助于更好地治療肝纖維化。

2.3 鐵死亡在肝癌中的作用

肝細(xì)胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是我國最常見的癌癥之一[31]。目前，多激酶抑制劑索拉非尼（sorafenib）是晚期肝癌患者唯一的一線藥物[32]。索拉非尼通過抑制位于細(xì)胞表面的酪氨酸激酶（如血管內(nèi)皮生長因子受體、血小板衍生生長因子受體β）和誘導(dǎo)HCC 氧化應(yīng)激，抑制HCC 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、增殖和血管新生，并誘導(dǎo)HCC 凋亡[33]。但是，越來越多的研究表明，索拉非尼的抗癌作用與鐵死亡有很大的關(guān)系。Louandre等[34]研究發(fā)現(xiàn)，使用鐵螯合劑鐵氧胺（deferoxamine，DFX）實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞內(nèi)鐵儲(chǔ)存的耗竭阻止了索拉非尼在肝癌細(xì)胞中誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，有效地保護(hù)肝癌細(xì)胞免受索拉非尼的細(xì)胞毒性作用。在對(duì)索拉非尼的耐藥研究中發(fā)現(xiàn)，金屬硫蛋白（metallothionein，MT）-1G 是肝癌細(xì)胞對(duì)索拉非尼耐藥的關(guān)鍵調(diào)控因子，而MT-1G在索拉非尼耐藥中作用的分子機(jī)制包括抑制鐵死亡[35]。雖然索拉非尼通過多種途徑誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞發(fā)生不同形式的死亡，從而發(fā)揮抗癌作用，但從目前的研究來看，索拉非尼更易誘發(fā)HCC 發(fā)生鐵死亡[33]，并且通過抑制核轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子2（nuclear transcription related factor 2，NRF2）[36]或下調(diào)成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤（retinoblastoma，RB）蛋白[37]可顯著提高HCC對(duì)鐵死亡的敏感性，更有利于索拉非尼發(fā)揮抗癌作用。除此以外，氟哌啶醇可顯著提高索拉非尼處理的肝癌細(xì)胞中的鐵離子、GSH和脂質(zhì)過氧化水平，增強(qiáng)索拉菲尼的抗癌作用[38]。

除了索拉非尼，研究人員還發(fā)現(xiàn)了其他可以誘導(dǎo)HCC鐵死亡的藥物。由低密度脂蛋白-二十二碳六烯酸（low density lipoprtein-docosahexaenoic acid，LDL-DHA）重組而成的納米顆?？蛇x擇性地殺滅肝癌細(xì)胞，并減慢大鼠原位肝腫瘤的生長，肝癌細(xì)胞在攝取LDL-DHA 納米顆粒后，細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)ROS會(huì)升高，而GSH和GPX4降低，從而發(fā)生鐵死亡[39]。納米顆粒藥物具有多種優(yōu)勢(shì)，尤其是可以靶向定位，為原位誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡提供了新的方向。

值得注意的是，最近一項(xiàng)研究表明，長鏈脂酰輔酶A合成酶4（long-chain acyl-CoA synthetases 4，ACSL4）是HCC發(fā)生鐵死亡的必需基因[40]。ACSL4通過5 羥基二十碳四烯酸介導(dǎo)的脂毒性在促進(jìn)erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡中起關(guān)鍵作用。ACSL4 不僅是鐵死亡的敏感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，也是引起鐵死亡的重要因素。更有研究發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，ACSL4 在肝、腎、結(jié)腸直腸和頭頸癌等多種癌癥中均有過表達(dá)[41]，因此誘導(dǎo)鐵死亡可能是一種安全性較高的抗癌方法。除此以外，Yuan等[42]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體外膜鐵-硫（2Fe-2S）蛋白質(zhì)1（iron sulfur domain 1 protein，CISD1）會(huì)負(fù)調(diào)控鐵死亡，并且在HCC 中，抑制CISD1 有助于erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡。而P53在誘導(dǎo)HCC 發(fā)生鐵死亡的過程中也有至關(guān)重要的作用。眾所周知，Ser46 的磷酸化對(duì)于維持P53 的腫瘤抑制功能十分重要[43]。Jennis等[44]研究發(fā)現(xiàn)，突變型P53 和Pro47 失去使Ser46 磷酸化的功能，后者被稱為Ser 47（S47），可抑制HCC 中的鐵死亡。綜上所述，誘導(dǎo)鐵死亡可能是未來治療HCC的新策略。

2.4 鐵死亡在其他肝疾病中的作用

慢性肝病的病程長、發(fā)病機(jī)制不明確是慢性肝病治療的絆腳石。深入探究鐵死亡在慢性肝病發(fā)病過程中的機(jī)制，有助于慢性肝病的治療。研究發(fā)現(xiàn)，酒精性脂肪肝患者體內(nèi)鐵調(diào)素明顯下調(diào)，從而導(dǎo)致十二指腸中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的上調(diào)，血清中鐵以及鐵蛋白水平顯著升高[45]。非酒精性脂肪肝患者的血清鐵蛋白顯著升高，而且轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度也呈現(xiàn)升高趨勢(shì)[46]。肝炎患者尤其是丙肝患者因丙型肝炎病毒介導(dǎo)組蛋白乙?；瘉斫档丸F調(diào)素水平從而誘導(dǎo)肝內(nèi)鐵積累[47]。此外自身免疫性肝病患者血清中鐵調(diào)素的濃度明顯低于正常人，最終導(dǎo)致肝內(nèi)鐵過載[48]。雖然無直接證據(jù)表明鐵死亡參與到這些肝病，但這些肝病的發(fā)病過程中都表現(xiàn)出了鐵死亡的關(guān)鍵特征，提示鐵死亡可能參與了這些疾病的發(fā)病。綜上所述，深入研究鐵死亡和肝疾病之間的關(guān)系，有望為肝疾病提供新的治療方法。

3 結(jié)語

目前對(duì)鐵死亡的研究尚處于起步階段，其特異性信號(hào)通路和標(biāo)志性分子的研究還不成熟，尤其是國內(nèi)對(duì)鐵死亡的研究還比較少，并且很少涉及到傳統(tǒng)中藥。而現(xiàn)在對(duì)肝疾病的治療還比較保守，主要以藥物尤其是中藥保肝為主。鐵死亡的提出為中藥保肝機(jī)制的探索提供新的研究方向和思路，并且調(diào)控鐵死亡可能成為治療目前尚無成功治療方法的某些肝疾病的新策略。

鐵死亡是一把雙刃劍，在不同的病理狀態(tài)下起著不同的作用。若是肝細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，將會(huì)導(dǎo)致疾病惡化；若是HSC 或肝癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，則可能會(huì)減慢疾病的進(jìn)程。因此，在肝疾病的治療中，先確認(rèn)鐵死亡的作用是至關(guān)重要的一步，對(duì)于肝損傷我們應(yīng)以抑制鐵死亡為主，而對(duì)于肝纖維化和肝癌，應(yīng)以誘導(dǎo)鐵死亡為主，這樣才能達(dá)到治療疾病的目的。

綜上所述，鐵死亡作為一種新提出的細(xì)胞死亡方式，對(duì)其機(jī)制的深入研究將會(huì)為肝疾病的治療提供新的希望。