鐵死亡及其在器官缺血再灌注損傷中作用研究進展

國勝文，童媛媛，柏利婷，靳 雨，張沛瑤，李藝宣，段 欣，劉晉萍

鐵死亡（ferroptosis）是近年來提出的新型細胞死亡方式，鐵死亡在包括缺血再灌注（ischemia／reperfusion，I／R）損傷的多種病理生理損傷進程中都扮演著重要作用。 I／R 損傷是體外循環(huán)術后器官功能損傷的重要機制[1］，因此探究鐵死亡在器官I／R損傷中的作用機制，可能為體外循環(huán)術后臟器保護提供新的思路。

1 鐵死亡概述

1.1 鐵死亡概念的提出 2003年，Dolma 等人[2］首次發(fā)現化合物愛拉斯?。╡rastin）可以殺死癌細胞，且該種細胞死亡形式并不屬于細胞凋亡。 此后，2008年，Yang 等人[3］的研究進一步支持和延申了Dolma 等人的研究結果，他們發(fā)現ras 選擇性致死化合物（ras-selective-lethalcompound，RSL）3 和RSL5可以殺死含ras 基因的癌細胞，并且該過程不能被壞死、凋亡和自噬特異性抑制劑所抑制，反而可以被抗氧化劑和鐵螯合劑抑制。 2012年，Dixon SJ等人[4］才正式提出鐵死亡這一概念，并將其定義為細胞內異常鐵代謝導致的脂質過氧化物和活性氧堆積引起的調節(jié)性的細胞死亡，且這種細胞死亡可以被脂質過氧化物抑制劑和鐵螯合劑抑制。 隨著鐵死亡概念的提出越來越多的病理生理過程被發(fā)現和鐵死亡相關。

1.2 鐵死亡形態(tài)特征和生化特征 2018年，細胞死亡命名委員會建議將鐵死亡定義為一種調節(jié)性細胞死亡（regulated cell death，RCD）[5］。 鐵死亡在形態(tài)學上表現為細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、細胞核大小正常但缺乏染色質凝聚[6］。

鐵死亡的中心環(huán)節(jié)是以鐵超載為主的鐵代謝紊亂和脂質過氧化[7］。 細胞內過量鐵會導致氧化性脅迫，稱為Fenton 型Haber-Weiss 反應（Fe2++H2O2→Fe3++（OH）-+OH·①；H2O2+Fe3+→Fe2++O2+2H+②；O2+Fe2+→Fe3++O2-③）[8］。 在此過程中Fe2+活化H2O2， 形成羥自由基（·OH）和過氧自由基（O2·），活化的自由基通過損傷細胞膜系統(tǒng)造成細胞死亡。

1.3 鐵死亡的調控 目前的研究認為，鐵死亡主要受到胱氨酸／谷氨酸逆轉運體（the cystine／glutamate antiporter system， system Xc-）和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的嚴格調控。system Xc-將細胞外胱氨酸轉運到細胞，再轉化為半胱氨酸用于谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成[9］。細胞攝取半胱氨酸是GSH 合成的關鍵步驟，GSH 的巰基具有還原性，可作為體內重要的還原劑。 當選擇性抑制system Xc-時，會導致細胞內GSH 的合成減少，氧自由基堆積，最終引起細胞死亡[6］。

GPX4是重要的含硒抗氧化蛋白，通過氧化GSH來降低細胞內H2O2和過氧化物的含量，并且可以增加維生素C 的抗氧化作用。 GPX4活性受到抑制引起細胞內H2O2堆積，在鐵的參與下產生氧自由基，引起細胞損傷[7］。

除此之外，鐵死亡還受到其他機制調控。 目前谷氨酰胺代謝途徑被證實在鐵死亡中發(fā)揮重要作用[10］。 近期的一項研究還發(fā)現當細胞密度高時，細胞表現出了對鐵死亡的抗性，相鄰的細胞通過ECAD-NF2-Hippo-YAP 信號通路軸對鐵死亡過程進行調控[11］。

2 鐵死亡在器官I／R 損傷中作用機制

2.1 心肌I／R 損傷 冠狀動脈粥樣硬化血管斑塊破裂可引起冠狀動脈狹窄缺血，目前對于心肌缺血梗死最主要的治療方式是對梗死狹窄動脈進行再灌注，這一治療過程不可避免的引起心肌I／R 損傷。Baba 等人[12］在I／R 心肌細胞研究報道過鐵過載現象。 Stamenkovic 等人[13］的研究也發(fā)現I／R 損傷可以引起成年大鼠心臟非凋亡的細胞死亡，且這種細胞死亡可以被鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 抑制。Fang 等人[14］也證實了在心肌I／R 損傷在體模型中存在鐵死亡，且ferrostatin-1 和鐵螯合劑可以顯著改善I／R 損傷造成的心功能衰竭。 Gao 等人[10］進一步提出轉鐵蛋白和谷氨酰胺是心肌I／R 鐵死亡的誘導劑，抑制谷氨酰胺分解可以降低I／R 損傷導致的心肌損傷。

2.2 神經I／R 損傷 缺血性腦卒中是一種常見的神經系統(tǒng)疾病，Guan 等人[15］的一項研究發(fā)現卡伐羅爾可以通過增加缺血腦組織中GPx4 的表達，抑制鐵死亡從而對I／R 損傷腦組織起到保護作用。 Li等人[16］在腦出血小鼠模型中報道了鐵死亡，此外他們還發(fā)現在體和離體模型中應用ferrostatin-1 可以抑制神經元死亡和鐵沉積，減輕脂質過氧化，并降低環(huán)氧合酶-2（cyclooxygenase-2）的轉錄和表達的增加。 并且提出環(huán)氧合酶-2 表達增加可能是鐵死亡的一個生物標記。

2.3 腎I／R 損傷 Linkermann 等人[17］發(fā)現第三代ferrostatins 可以抑制I／R 造成的腎損傷。 Huang 等人[18］證實在I／R 腎上皮細胞模型中，通過shRNA抑制腎上皮細胞細胞肝再生增強因子（augmenter of liver regeneration， ALR）的表達可以顯著增強鐵死亡發(fā)生，此外該團隊認為ALR 抑制鐵死亡的作用可能通過system Xc-系統(tǒng)和GPX4進行調控。

2.4 消化系統(tǒng)I／R 損傷 Friedmann 等人[19］發(fā)現鐵死亡的抑制劑liproxstatin-1 可以抑制I／R 引起的肝損傷。 Li 等人[20］研究證實腸道I／R 損傷過程中發(fā)生鐵死亡，ACYL-CoA 合成酶長鏈家族成員4（Acyl-CoA synthetase long-chain family member 4 ，ACSL4）是脂質合成的關鍵酶，通過藥物或siRNA 抑制ACSL4 的表達可以降低I／R 損傷造成的鐵死亡。其進一步研究還發(fā)現特殊蛋白1 （ special protein 1，Sp1）是ACSL4 關鍵轉錄因子，可以通過與ACSL4啟動區(qū)結合提高其表達。

3 鐵死亡的治療

去鐵胺（desferrioxamine）能清除鐵蛋白和含鐵血黃素中的鐵離子，用于治療急慢性鐵過載引起的疾病，國內外研究都報道過其對于地中海貧血[21-23］，再生障礙性貧血、腦出血[24-25］等疾病進程中鐵過載的治療作用。 此外也研究報道葡萄籽花青素[26］、N-乙酰-l-半胱氨酸[27］、石杉堿甲[28］等對鐵過載引起的器官損傷具有保護作用。

4 結 語

鐵死亡作為一種新發(fā)現的細胞程序性死亡方式，具有其獨特的形態(tài)和生化特征，近年來一些研究也在不斷探索和完善鐵死亡的調控機制。 鐵死亡參與多種器官的I／R 損傷過程，抑制細胞內鐵死亡是預防和治療I／R 器官損傷的新靶點和新思路。 然而，鐵死亡在體外循環(huán)過程中的作用機制以及抑制體外循環(huán)過程中鐵死亡對器官保護作用還未見研究報道，其是否也參與體外循環(huán)I／R 損傷過程仍有待進一步的研究。