鐵死亡在炎癥性疾病中的研究進(jìn)展

李福興, 謝可心, 張玉琳綜述, 趙衛(wèi)東審校

0 引 言

炎癥性疾病(inflammatory diseases, ID)是一系列以炎癥反應(yīng)為特征的疾病，廣義上包括感染性疾病、自身免疫性疾病、惡性腫瘤、心血管疾病和糖尿病等[1]。對于眾多ID而言，其發(fā)生發(fā)展機(jī)制尚不明確，因此深入了解ID的發(fā)病機(jī)制，尋找疾病治療的新靶點(diǎn)至關(guān)重要。目前已有研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是一種新型細(xì)胞死亡方式，能觸發(fā)機(jī)體固有免疫，釋放IL-1β、IL-18等炎癥介質(zhì)，激活機(jī)體炎癥反應(yīng)，另外可通過脂氧合酶(lipoxygenase, LOX) 和環(huán)氧化(cyclooxygenase, COX) 產(chǎn)物參與炎癥反應(yīng)進(jìn)程。因此，鐵死亡與ID的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[2]。在此，本文將對鐵死亡的機(jī)制及其在ID中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 鐵死亡

鐵死亡是一種鐵依賴性的，以細(xì)胞內(nèi)活性氧堆積為特征的非細(xì)胞凋亡形式的細(xì)胞死亡，主要受膜脂修復(fù)酶-谷胱甘肽過氧化物酶 4(glutathione peroxidase 4, GPX4)基因的調(diào)控[3]，而人成纖維細(xì)胞特異蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1, FSP1)與GPX4起相似的作用，是平行于GPX4的全新鐵死亡效應(yīng)蛋白[4]，鐵死亡這一現(xiàn)象于2003年首次被發(fā)現(xiàn)，并于2012年最終命名[5]。鐵死亡有明顯區(qū)別于細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征，如線粒體明顯皺縮并伴有膜密度增加等[6]。鐵死亡的生化特征則表現(xiàn)為活性氧、鐵離子的聚集，激活絲裂原活化蛋白激酶系統(tǒng)，進(jìn)而引起胱氨酸攝取減少、谷胱甘肽耗竭，抑制細(xì)胞膜胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(System Xc-)[7]。鐵死亡的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)氧化物代謝障礙，在鐵離子催化作用下代謝發(fā)生異常，當(dāng)細(xì)胞抗氧化能力減弱，脂質(zhì)活性氧堆積，使細(xì)胞內(nèi)氧化還原失衡，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[8]，這也是鐵死亡與細(xì)胞壞死、凋亡及自噬等途徑本質(zhì)上的不同。

2 鐵死亡機(jī)制

2.1 脂質(zhì)代謝在鐵死亡中的作用脂質(zhì)過氧化物蓄積誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。多不飽和脂肪酸 (poly-unsaturated fatty acid-phosphatidyl ethanolamine, PUFA-PE)的過氧化能促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生，PUFA-PE以花生四烯酸及腎上腺素為主要原料，生成PUFA酰基輔酶A后進(jìn)而生成PUFA-PE[9]，其過氧化的過程在質(zhì)膜及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上完成，最終產(chǎn)物為脂質(zhì)氫過氧化物[10]，有研究發(fā)現(xiàn)這可能是因?yàn)槎嗖伙柡椭舅岽嬖陔p烯丙基質(zhì)子，因此使其對氧化損傷更敏感[11]。細(xì)胞內(nèi)活性氧同樣在鐵死亡中發(fā)揮重要作用，活性氧在與多聚不飽和脂肪發(fā)生反應(yīng)后所形成脂質(zhì)活性氧能導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷或細(xì)胞死亡[12]，此外鐵介導(dǎo)的芬頓(Fenton)反應(yīng)也能誘導(dǎo)脂質(zhì)活性氧的產(chǎn)生[13]。最新研究表明經(jīng)鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin處理的癌細(xì)胞可因鐵依賴性脂質(zhì)氧化物的蓄積而死亡，抑癌基因P53的負(fù)調(diào)節(jié)因子MDM2和MDMX能通過PPARα介導(dǎo)的脂代謝促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡[14]，還有研究證實(shí)FPS1能促進(jìn)脂質(zhì)活性氧累積導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[15]。

2.2鐵代謝在鐵死亡中的作用鐵代謝途徑與鐵死亡發(fā)生密切相關(guān)。鐵是人體必需的微量元素之一，正常情況下機(jī)體從食物中吸收的主要是Fe3+，被十二指腸色素細(xì)胞還原為Fe2+后，在二價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1的幫助下，運(yùn)輸至小腸上皮細(xì)胞，才能最終在十二指腸和空腸上段被吸收[16]。吸收的這部分Fe2+一部分形成了鐵蛋白，然后儲存在肝或巨噬細(xì)胞中，還有一部分經(jīng)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白釋放入血液[17]。釋放入血的鐵離子在轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf)、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體2的幫助下，通過胞吞作用被細(xì)胞吸收，最終在內(nèi)涵體中釋放。而鐵代謝一旦失衡，則會導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，鐵能抑制SRSF7與細(xì)胞死亡受體Fas的mRNA前體結(jié)合，導(dǎo)致突變的促凋亡的Fas亞型表達(dá)增加，有研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞發(fā)生鐵死亡后有明顯的鐵蓄積[18]。還有研究表明外源性鐵離子補(bǔ)充后能加速鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin的作用下的鐵死亡進(jìn)程[19]。這些均表明鐵積累是誘發(fā)鐵死亡的一種獨(dú)特的機(jī)制。

2.3氨基酸代謝在鐵死亡中的作用氨基酸代謝同樣參與鐵死亡的進(jìn)程，而GPX4 是誘導(dǎo)鐵死亡的關(guān)鍵蛋白。System Xc-在質(zhì)膜上以1∶1的比例將細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸與細(xì)胞外的谷氨酸進(jìn)行交換[20]。谷胱甘肽(Glutathione, GSH)在體內(nèi)主要起抗氧化的作用，其合成離不開胱氨酸，而erastin作用于System Xc-可以抑制細(xì)胞膜對胱氨酸的攝取，減少GSH的合成，進(jìn)而促進(jìn)活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的蓄積[8]。GSH是GPX4的主要底物，GPX4通過中和脂質(zhì)過氧化物來保護(hù)細(xì)胞，主要在線粒體中發(fā)揮作用，因此直接抑制GPX4，或通過耗盡其底物谷胱甘肽等(如半胱氨酸)，可引發(fā)鐵死亡[21]，最新研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元通過誘導(dǎo)硒蛋白對鐵死亡刺激做出反應(yīng)，硒通過轉(zhuǎn)錄因子TFAP2c和Sp1的協(xié)同作用增加了GPX4及相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而保護(hù)神經(jīng)元[22]，而RSL3可直接抑制GPX4[18]，還有動物實(shí)驗(yàn)表明敲除GPX4基因的小鼠能誘發(fā)腎小管細(xì)胞鐵死亡[23]。

2.4其他目前研究已發(fā)現(xiàn)自噬通過降解鐵蛋白從而促進(jìn)鐵死亡，ATG5-ATG7-NOCA4的自噬途徑在鐵死亡中起重要作用[24]，還有研究發(fā)現(xiàn)AMPK蛋白可以通過抑制氨基環(huán)丙烷羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC)進(jìn)而降低多聚不飽和脂肪酸的合成最終抑制鐵死亡[25]。研究還發(fā)現(xiàn)P53負(fù)調(diào)節(jié)SLC7A11(胱氨酸-谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Xc-)的轉(zhuǎn)錄，能抑制SCL7A11并誘導(dǎo)鐵蛋白沉積導(dǎo)致鐵死亡[26]。而MESH1是一種細(xì)胞質(zhì)NADPH磷酸酶，在應(yīng)激條件下誘導(dǎo)NADPH耗竭，促進(jìn)鐵死亡，研究發(fā)現(xiàn)去除MESH1后可以保持細(xì)胞中的NADPH水平，通過NADPH驅(qū)動產(chǎn)生GSH抑制鐵死亡[27]，NADH-FSP1-CoQ10通路則是脂質(zhì)過氧化及鐵死亡的另一個關(guān)鍵的抑制機(jī)制[15]，總的研究鐵死亡的機(jī)制相對復(fù)雜，需要更多的研究來發(fā)現(xiàn)。

3 鐵死亡與炎癥

炎癥是機(jī)體對各種損傷因子的刺激所發(fā)生的以防御為主的基本病理過程，而鐵死亡與炎癥反應(yīng)關(guān)系密切，鐵死亡的過程會產(chǎn)生某些過氧化物代謝及花生四烯酸代謝的相關(guān)炎癥因子。研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡組織中PTGS2基因的表達(dá)增加，該基因主要編碼COX2，可加速花生四烯酸的代謝[28]，脂氧化酶(lipoxygenase, LOX)和環(huán)氧化酶(COX)是參與花生四烯酸代謝的主要工具酶，二者將花生四烯酸分解成白三烯、前列腺素及某些過氧化物，GPX4對NF-κB信號通路進(jìn)行調(diào)控，抑制LOX，降低ROS水平，減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)[29]。一旦GPX4缺乏，即可誘發(fā)炎癥反應(yīng)發(fā)生[30]。

4 鐵死亡在炎癥性疾病中的研究

4.1 腫瘤炎癥是惡性腫瘤的生物學(xué)特點(diǎn)之一，鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的腫瘤治療新靶點(diǎn)，目前已取得一定進(jìn)展，研究發(fā)現(xiàn)，GPX4 抑制化合物可以在實(shí)驗(yàn)室選擇性地殺死經(jīng)過藥物治療的乳腺癌耐藥株細(xì)胞，而在未經(jīng)治療的乳腺癌細(xì)胞和正常乳腺細(xì)胞沒有明顯的影響。將這一發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到多種不同類型的癌癥，包括黑色素瘤、肺癌和卵巢癌，實(shí)驗(yàn)均表明，在經(jīng)過治療的耐藥株細(xì)胞中 GPX4 抑制劑藥物觸發(fā)氧化細(xì)胞死亡，但在未經(jīng)處理的癌細(xì)胞中則不會[31]。還有研究發(fā)現(xiàn)CD8+T細(xì)胞可以通過IFN-γ調(diào)控腫瘤細(xì)胞的鐵死亡過程，該研究首先在免疫療法過程中發(fā)現(xiàn)活化的CD8+T細(xì)胞能夠增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞內(nèi)鐵死亡特異的脂質(zhì)過氧化水平，切斷鐵死亡通路后，腫瘤細(xì)胞即失去對免疫治療的敏感性，通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CD8+T細(xì)胞釋放IFN-γ進(jìn)而抑制System Xc-，增強(qiáng)脂質(zhì)過氧化促進(jìn)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，隨后建立小鼠模型發(fā)現(xiàn)免疫檢查點(diǎn)抑制劑聯(lián)合一種可以特異性降解細(xì)胞外胱氨酸和半胱氨酸的人工合成蛋白酶cyst(e)inase可以顯著增強(qiáng)T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)，并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，并在臨床實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步得到證實(shí)。免疫治療有效的患者，在接受治療后其腫瘤中胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)下降，而CD8和IFN-γ的表達(dá)升高，該研究表明靶向鐵死亡通路并聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)抑制劑是未來極具潛力的腫瘤治療策略[32]。

另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)P53介導(dǎo)的SLC7A11下調(diào)可抑制腫瘤增殖，并且SLC7A11可能是一種潛在的腫瘤生物標(biāo)志物，人胃腸道腫瘤細(xì)胞中CD44v高表達(dá)，SLC7A11與CD44v相互作用促進(jìn)了細(xì)胞對ROS的細(xì)胞防御，此研究闡明OTUB1介導(dǎo)的SLC7A11穩(wěn)定抑制鐵死亡反應(yīng)，由于體內(nèi)由OTUB1缺失引起的腫瘤生長抑制很容易被SLC7A11過表達(dá)逆轉(zhuǎn)。因此，通過破壞SLC7A11水平或抑制OTUB1功能來調(diào)節(jié)OTUB1/SLC7A11通路可能是一種可行的腫瘤治療策略[33]。

此外德國及美國學(xué)者鑒定出了獨(dú)立于經(jīng)典的GPX4信號通路的鐵死亡抑制因子FSP1，并且均發(fā)現(xiàn)FSP1的豆蔻酰化對于抑制鐵死亡的活性非常關(guān)鍵，F(xiàn)SP1通過還原CoQ10來阻止脂質(zhì)氧化，進(jìn)而抑制鐵死亡，這一重磅發(fā)現(xiàn)對于癌癥中鐵死亡相關(guān)的藥物的開發(fā)等方面提供了重要的策略參考[4, 15]。

4.2心血管疾病炎癥反應(yīng)產(chǎn)生的炎性介質(zhì)在動脈硬化及其他心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用，鐵死亡在心血管疾病方面同樣取得巨大突破，然而國外鮮有相關(guān)報(bào)道。我國王福俤教授、閔軍霞教授團(tuán)隊(duì)致力于鐵死亡在心臟疾病中的研究，該團(tuán)隊(duì)于2019年初首次揭示了鐵死亡這一新型細(xì)胞死亡方式在阿霉素引發(fā)心肌病與心肌缺血再灌注損傷的兩種重要體內(nèi)模型中存在及其重要意義，并闡明線粒體膜的脂質(zhì)過氧化是心肌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的關(guān)鍵機(jī)制，并基于分子調(diào)控機(jī)制提出了多種預(yù)防心臟損傷的有效途徑[34]。今年年初該團(tuán)隊(duì)再次取得重大突破，發(fā)現(xiàn)SLC7A11的下調(diào)而導(dǎo)致的胞內(nèi)胱氨酸和還原型GSH缺乏是誘發(fā)心肌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的主要機(jī)制，還發(fā)現(xiàn)SLC7A11過表達(dá)通過增加細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸促進(jìn)GSH合成，從而成功逆轉(zhuǎn)了Fth心肌細(xì)胞敲除小鼠的鐵死亡及其誘發(fā)的系列心衰表型，不僅系統(tǒng)闡明了鐵蛋白通過調(diào)控鐵死亡抑制心肌病發(fā)生的效應(yīng)及分子調(diào)控機(jī)制，還利用整體動物模型首次揭示膜蛋白SLC7A11能通過阻斷心肌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡而有效逆轉(zhuǎn)鐵蛋白缺失導(dǎo)致的心肌病，因而有望成為心臟疾病防治的新靶點(diǎn)[35]。

4.3神經(jīng)系統(tǒng)疾病在某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，促炎因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)在中樞及周圍神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮作用，鐵死亡同樣參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進(jìn)程。據(jù)報(bào)道，鐵死亡在阿爾茨海默癥(Alzheimer disease，AD)、帕金森病、腦出血等疾病中發(fā)揮作用[36]。國外一項(xiàng)研究通過動物實(shí)驗(yàn)證明鐵死亡是AD和相關(guān)癡呆的重要前驅(qū)指標(biāo)，也是AD的重要病理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)前腦神經(jīng)元鐵死亡調(diào)控因子GPX4的消融會促進(jìn)認(rèn)知損傷和神經(jīng)退變[37]。還有研究發(fā)現(xiàn)硒作為藥物可有效的抑制GPX4依賴的鐵死亡，以及由過興奮或ER壓力誘導(dǎo)的GPX4依賴性的細(xì)胞死亡，在腦出血或中風(fēng)后系統(tǒng)性的輸注可通過血腦屏障的硒代多肽可激活轉(zhuǎn)錄，抑制細(xì)胞死亡，進(jìn)而提升大腦功能，該研究還發(fā)現(xiàn)在出血性中風(fēng)的小鼠模型中，通過向大腦中遞送單次劑量的硒就可以驅(qū)動抗氧化劑GPX4的表達(dá)，從而保護(hù)神經(jīng)元，提升中風(fēng)后小鼠的行為表現(xiàn)，總的而言，這些研究結(jié)果在腦出血的營養(yǎng)護(hù)理和后續(xù)治療中具有重要的指導(dǎo)意義[22]。我國一項(xiàng)研究表明癲癇行為的腦熒光成像揭示芹菜素可減輕髓過氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)介導(dǎo)的氧化應(yīng)激，抑制鐵死亡，芹菜素可以有效降低細(xì)胞內(nèi)MPO的表達(dá)，增加GPX4和SIRT1的水平，從而通過調(diào)控鐵死亡，起到神經(jīng)保護(hù)的作用，該研究為加速發(fā)現(xiàn)用于抗癲癇預(yù)防和治療的小分子制劑提供了一種靈活的策略[38]。

4.4糖尿病目前越來越多的證據(jù)表明2型糖尿病與免疫系統(tǒng)功能紊亂和炎癥反應(yīng)有密切關(guān)系，然而鐵死亡與糖尿病之間的關(guān)系研究較少。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡會影響胰島功能，在胰島移植時，進(jìn)行體外培養(yǎng)時胰島可發(fā)生鐵死亡，該研究建立小鼠免疫缺陷模型并使用鐵死亡抑制劑處理胰島后，則不會對體外移植造成影響，且不會影響胰島功能[39]。長期砷暴露史是2型糖尿病的危險(xiǎn)因素之一，我國一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在砷暴露下，胰島細(xì)胞線粒體膜電位及細(xì)胞色素C水平降低，而ROS水平升高，砷可誘導(dǎo)胰腺發(fā)生鐵死亡[40]。還有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病可通過AMPK途徑激活程序性細(xì)胞死亡，進(jìn)而加重心肌缺血-再灌注損傷，而鐵死亡在這一過程中發(fā)揮重要作用[41]?？傮w而言，鐵死亡與糖尿病之間的關(guān)系尚不明確，需要更多研究來發(fā)現(xiàn)，以期將鐵死亡作為糖尿病相關(guān)炎癥治療的新靶點(diǎn)。

4.5感染性疾病機(jī)體感染病原體后往往伴隨炎癥反應(yīng)，最近的研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡與病原體感染機(jī)體后引發(fā)的宿主免疫損傷有關(guān)[42]。國外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)一種不含花生四烯酸乙醇胺(arachidonic acid-phosphatidylethanolamines, AA-PE)的銅綠假單胞菌在感染宿主后能表達(dá)LOX，進(jìn)而引起宿主AAPE分解代謝產(chǎn)生ROS，導(dǎo)致宿主支氣管上皮細(xì)胞鐵死亡[43]，還有一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)結(jié)核分枝桿菌能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞鐵死亡，該研究在小鼠模型中證實(shí)感染結(jié)核分枝桿菌后引發(fā)的急性肺損傷與GPX4水平降低，ROS水平升高有關(guān)，并且在使用鐵死亡抑制劑后能顯著降低結(jié)核分枝桿菌的細(xì)菌負(fù)荷[44]。此外，Kang等[45]發(fā)現(xiàn)GPX4能對膿毒癥小鼠模型的巨噬細(xì)胞熱休克進(jìn)程負(fù)調(diào)控，為臨床研制靶向抑制脂質(zhì)過氧化進(jìn)程或促進(jìn)GPX活性的藥物治療膿毒癥提供了新思路[42]，但現(xiàn)有研究還不能完全揭示鐵死亡與感染性疾病的關(guān)系，需要更多的研究來發(fā)現(xiàn)。

5 結(jié) 語

鐵死亡作為一種新型細(xì)胞死亡形式，與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，GPX4更是研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有研究主要集中在腫瘤、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病，對糖尿病、感染性疾病等炎癥性疾病研究相對較少，同時鐵死亡的發(fā)生涉及多種基因的表達(dá)、調(diào)控，其信號通路復(fù)雜，機(jī)制尚未完全闡明，需要更多的研究來發(fā)現(xiàn)。綜上所述，鐵死亡在炎癥性疾病中具有重要作用，需要更深層次的研究，為攻克炎癥性疾病提供理論依據(jù)和轉(zhuǎn)化策略。