鐵死亡與炎癥反應的研究進展

李 維， 呂占云， 李道靜， 李燕新綜述， 郝延磊審校

鐵死亡(Ferroptosis)是一種非凋亡形式的細胞死亡，其具有明確的鐵依賴性且與脂質過氧化相關，谷胱甘肽過氧化物酶4(Glutathione peroxidase 4,GPX4)是鐵死亡的關鍵調節(jié)基因。目前已知鐵死亡參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展，如組織缺血再灌注損傷、神經系統(tǒng)疾病和癌癥等。研究發(fā)現，鐵死亡細胞通過釋放炎癥相關的損傷相關分子從而觸發(fā)固有免疫系統(tǒng),免疫細胞通過識別不同模式細胞死亡的機制來激發(fā)炎癥反應。脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和環(huán)氧化(Cyclooxygenase,COX)產物在炎癥反應中發(fā)揮重要作用，其可能與鐵死亡密切相關。本文就鐵死亡的最新研究進展進行綜述，淺析鐵死亡與炎癥免疫之間關系。

1 鐵死亡途徑

胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體(xc-系統(tǒng))是一個廣泛分布在磷脂雙分子層的氨基酸逆向轉運體，由輕鏈xCT(SLC7A11)和重鏈4F2(SLC3A2)組成[1]。胱氨酸與谷氨酸以1∶1的比例通過xc-系統(tǒng)在細胞內外進行交換。在細胞內，胱氨酸被谷胱甘肽(GSH)或硫氧還蛋白還原酶1還原為半胱氨酸，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶的作用下進一步合成谷胱甘肽(GSH)。GSH是谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)的主要底物，GPX4是鐵死亡的關鍵調節(jié)因子[2]，它可以將過氧化物還原成相應的醇。(1S,3R)-RSL3(RSL3)[3]，ML162[4]和altretamine[5]為GPX4抑制劑。GPX4的抑制導致大量的脂質過氧化物聚集，成為鐵死亡的標志[6]?；ㄉ南┧?Arachidonic acid,AA)、含有磷脂酰乙醇胺的腎上腺素酸酯化為磷脂的量將影響磷脂氫過氧化物的生成，磷脂氫過氧化物是鐵死亡的重要特征。多種酶促途徑包括GPX4功能障礙、脂氧合酶(LOX)介導的氧化，以及非酶促途徑如自由基介導的自動氧化等均可以促進磷脂氫過氧化物在細胞內積累[7]。鐵死亡機制(見圖1)。

2 鐵死亡途徑的影響因素

實驗發(fā)現Gpx4敲除的小鼠會出現與鐵死亡有關的急性腎功能衰竭，Alox15作為LOX亞型之一，單純Alox15缺失無法抑制體內Gpx4基因敲除引起的急性腎功能衰竭，因此認為不是單個而是多個LOX亞型參與的多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA)過氧化反應最終導致小鼠腎臟細胞中的鐵死亡[8]。Lip1、Ferrostatin-1(Fer1)以及維生素E家族(生育酚和生育三烯酚)和黃酮類化合物在一些情況下可以抑制LOX的活性，可作為鐵死亡抑制劑。

?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member4,ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿?；D移酶3(Lysophosphatidylcholine Acyltransferase 3,LPCAT3)，參與磷脂酰乙醇胺的生物合成和重塑，影響多不飽和脂肪酸的跨膜，降低其表達可減少脂質過氧化的底物在細胞內聚集從而抑制鐵死亡。因此，ACSL4和LPCAT3的遺傳缺失抑制了鐵死亡[6]。以胰島素增敏劑羅格列酮和吡格列酮為代表的噻唑烷二酮類化合物有效抑制ACSL4，因此可以抑制鐵死亡[9,10]。

甲羥戊酸途徑也與鐵死亡的調節(jié)有關。輔酶Q10是線粒體電子傳遞鏈的一部分，經甲羥戊酸途徑代謝合成，可作為鐵死亡的內源性抑制劑[10]。鐵死亡誘導劑FIN56可能會激活角鯊烯合成酶(SQS)導致輔酶Q10耗盡。此外，他汀類藥物為HMG-CoA還原酶抑制劑，可能是通過消耗輔酶Q10或通過其對硒代半胱氨酸t(yī)RNA的異戊烯化作用，增加細胞對FIN56誘導鐵死亡的敏感性而發(fā)揮作用。

鐵自噬(Ferritinophagy)是一種由核受體共激活因子4(NCOA4)[11]介導調節(jié)細胞內鐵代謝的選擇性自噬[12]。鐵以三價鐵(Fe3+)的形式進入血液循環(huán)，與轉鐵蛋白結合后以轉鐵蛋白結合鐵的形式存儲，然后通過與轉鐵蛋白受體結合進入細胞內的內涵體，繼而通過鐵還原酶還原為Fe2+。最后，Fe2+從內涵體釋放到細胞質內不穩(wěn)定的鐵池中，從動態(tài)鐵池釋放的Fe2+通過Fenton反應將膜氧化成PL-OOH，誘發(fā)鐵死亡[10]。最近報道，FINO2及其類似物為新的一類鐵死亡發(fā)起者，FINO2通過直接鐵氧化，磷脂的廣泛過氧化和GPX4間接失活的式誘導鐵死亡，具體過程仍不了解。

3 鐵死亡與炎癥反應

炎癥反應是機體根據細胞內外環(huán)境變化做出的免疫應答,適度的免疫反應對于機體具有保護作用，過度的免疫應答會對機體造成傷害。鐵死亡的過程則多伴炎癥性的表現。使用晶體(草酸鹽)和葉酸誘導的急性腎損傷(AKI)模型以及他莫昔芬誘導的全身GPX4缺失的基因敲除小鼠模型，在其腎臟中可觀察到與鐵死亡相關的壞死性炎癥[13]。在他莫昔芬誘導的Gpx4fl/fl-RosaCreERT2小鼠中，大量腎小管細胞死亡導致急性腎功能衰竭和敲除小鼠的早期死亡。在組織病理水平上，可以觀察到破裂的細胞釋放細胞碎片、線粒體甚至細胞核進入腎小管腔。這很可能與經典損傷相關分子模式(DAMP)有關系[14]。在鐵死亡組織中，通過F4/80免疫熒光染色顯示有顯著激活巨噬細胞[8]，釋放促炎物質，引發(fā)一系列炎癥反應。以上表明了鐵死亡與炎癥免疫有密切聯系。

鐵死亡組織中存在某些過氧化物代謝和花生四烯酸代謝產生的炎性介質。花生四烯酸代謝產生炎性介質的途徑有:通過酯氧化酶(LOX)途徑生成白三烯以及其他脂質過氧化物以及通過環(huán)氧化酶(COX)途徑生成前列腺素(PG)[15]。在LOX通路中，LOX除在氧化酯化PUFAs中作為鐵死亡過程的信號外，還通過LOX衍生的促炎因子代謝物(包括白三烯、HETEs和oxoeicosanoids)激活先天免疫細胞，間接地促進了鐵死亡，實驗證明LOX亞型12/15-LOX特異性抑制劑可以抑制由他莫昔芬誘導Gpx4缺失導致的細胞死亡。在另一條通路，AA經COX通路生成PGE，PGE在免疫系統(tǒng)中扮演重要角色。PGE可以調節(jié)炎癥過程中免疫細胞的分化(可以促進Naiive T細胞向T輔助細胞Thl或者Th2分化)以及促進細胞因子的表達(PGE的刺激能夠誘導樹突狀細胞中TNF超家族分子的分泌，進一步激活T細胞)，促進炎癥反應的發(fā)生[16]。

固有免疫系統(tǒng)的細胞通過分泌白三烯、hepoxilins等使COX和LOX與炎癥狀態(tài)持續(xù)存在，并且最終通過分泌resolvins和lipoxin來消除炎癥。這種自發(fā)放大循環(huán)既能發(fā)生在損傷的組織和衰竭的器官中，也發(fā)生在包括壞死性凋亡等具有免疫反應的背景下。LOX和COX家族在受損組織和先天免疫細胞中在對鐵死亡致敏和DAMP釋放過程中的時空表達和活化是多層次的，具體機制仍需探索。

圖1 鐵死亡的機制

圖中縮略詞：TF：轉鐵蛋白；TFR：轉鐵蛋白受體；Fenton reaction：芬頓反應；PUFA(PE):多不飽和脂肪酸(磷脂乙醇胺)；Xc-系統(tǒng)：胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體，由細胞膜上SLC7A11和SLC3A2兩個亞基組成；ACSL4:?；o酶A合成酶長鏈家族成員4；LPCAL3：溶血磷脂酰膽堿?；D移酶3；LOX：脂氧合酶；GSH:還原性谷胱甘肽；GSSH:氧化型谷胱甘肽：GPX4：谷胱甘肽過氧化物酶；L-OOH(L-OH):脂質過氧化物(及其相對應的醇)；CoQ10:輔酶Q10；VE:VE家族；flavonoids：黃酮類化合物；鐵死亡抑制劑：Lip1、Fer1、RSL3、ML162、altretamine(阿曲明)；Mevalonate pathway：甲羥戊酸途徑：Selenocysteine：硒代半胱氨酸

4 鐵死亡與炎癥的相關性在疾病中的研究

4.1 神經退行性病變 神經炎癥是指發(fā)生在中樞及周圍神經系統(tǒng)中由促炎因子介導的炎癥反應。大量的研究發(fā)現，多種神經退行性疾病的發(fā)生與神經炎癥密切相關，如阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、亨廷頓病(Huntington disease,HD)等[17,18]。相關研究表明，Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)家族成員在炎性免疫細胞周圍表達顯著升高，其中TLR2和TLR4參與了由脂質過氧化物引起的神經細胞凋亡的過程。同時，許多退行性疾病與鐵死亡有關，通過敲除小鼠GPX4可促進脂質過氧化、胞內活性氧的堆積、神經元丟失以及星形膠質細胞激活，而GPX4是鐵死亡發(fā)生的關鍵調控者，因此我們推測在神經系統(tǒng)退行性疾病中，鐵死亡與神經炎癥存在一定聯系。

PD的典型病變?yōu)檎{節(jié)運動功能的黑質致密區(qū)中的神經元缺失。PD的運動癥狀通常表現為：靜止性震顫、肌強直、運動遲緩、姿勢障礙等[19]。在PD患者腦組織標本中通?？梢杂^察到GSH耗竭，脂質過氧化、ROS水平以及致密區(qū)鐵升高。實驗表明，銅藍蛋白基因缺失的小鼠在大腦中出現鐵的沉積，且出現與PD相類似的臨床表現，而鐵螯合劑的應用可以減少鐵的沉積，改善PD的運動癥狀[20]。研究發(fā)現，鐵死亡是多巴胺能神經元的關鍵細胞死亡途徑，通過體內和體外實驗證實Fer-1可減少神經元死亡。因此，鐵死亡與PD的病理過程密切相關。

AD是由學習和記憶所需的神經元變性引起的退行性疾病。在AD患者的尸檢的腦組織標本中可以觀察到脂質過氧化和鐵質失調。在最近的一項研究中，具有特定大腦皮質和海馬神經元GPX4敲除的小鼠在水迷宮測試中顯示出明顯的認知障礙，以及海馬神經元的變性[21]。一項研究表明，tau的過度表達和過度磷酸化誘導了神經細胞發(fā)生鐵死亡，α-硫辛酸通過下調鐵轉鐵蛋白受體，降低磷酸化P38水平，上調xCT和GPX4表達來挽救神經元[22]。這些研究表明，鐵死亡可能會影響對學習和記憶有重要意義的神經元。由此我們推斷，鐵死亡與AD的病理過程有關。

HD是另一種進行性神經退行性疾病。在HD動物模型和HD患者中已經注意到運動和癡呆[23]、氧化損傷、脂質氧化[24]、鐵積累、GSH失調和GPX活性降低。鐵螯合劑的使用已被證明可以改善HD小鼠的認知功能。以上證據表明鐵死亡可能在HD的進行性神經變性中起作用。

4.2 腫瘤 鐵死亡首先在非小細胞肺癌細胞系HT-1080中被發(fā)現。盡管許多研究證實鐵死亡與多種腫瘤發(fā)病相關，但鐵死亡在中樞神經系統(tǒng)腫瘤中的作用少有研究。鐵死亡途徑相關的脂質代謝酶在腫瘤的發(fā)病過程中扮演重要角色。相對于正常細胞，腫瘤細胞內ROS水平通常較高[25]，由于腫瘤細胞中抗氧化作用較弱，許多化療藥物就是通過鐵死亡途徑的氧化應激產生ROS對腫瘤細胞進行殺傷。許多物質可以通過抑制xc-系統(tǒng)間接增加過氧化導致鐵死亡，研究發(fā)現高濃度(>200 μmol)柳氮磺胺吡啶是一種抑制膠質瘤生長的xc-系統(tǒng)抑制劑，通過誘導膠質瘤細胞死亡，降低腫瘤體積[26]。在肺癌細胞系、膀胱癌細胞和其他癌細胞系中研究發(fā)現AFT4、Nrf2可通過上調xCT表達以及Nrf2信號傳導的激活來增加瘤細胞系對鐵死亡的抵抗[27]。因此，腫瘤與鐵死亡關系密切。脂氧合酶(LOX)是一類能夠催化花生四烯酸等多不飽和脂肪酸生成有具有生物活性的代謝產物的過氧化物酶,它主要參與機體的炎癥反應和免疫反應，同時也是鐵死亡的必備條件[28]。

近年研究發(fā)現5-LOX、12-LOXs在多種腫瘤細胞中高表達，其代謝通路產物參與腫瘤細胞增殖、侵襲、轉移等過程。由于LOX在鐵死亡和炎癥中均起到重要作用，因此，腫瘤與鐵死亡以及炎癥反應密切相關。

5 結 論

綜上所述，鐵死亡作為一種與鐵離子有關依賴脂質過氧化的的程序性細胞死亡形式，它與多種疾病的病因病機存在密切關系。越來越多的證據表明，鐵死亡的過程多伴有炎癥的表現，細胞通過鐵死亡分泌強烈激活固有免疫系統(tǒng)的因子，發(fā)揮調控細胞炎癥、信號轉導和細胞生長的作用，當炎癥反應超過一定限度時，大量釋放的促炎細胞因子，將導致機體損害。鐵死亡與壞死性炎癥的研究仍處于早期階段，還有很多問題等待解決，如：鐵死亡細胞釋放的DAMP的機制是什么？導致免疫細胞活化的機制是什么？在發(fā)生鐵死亡前受損的GSH/GPX4軸是否通過增加的LOX/PTGS信號促進固有免疫系統(tǒng)的激活？對鐵死亡的深入研究將有助于更加充分認識多種疾病的發(fā)生進展機制并治提供新思路。