鐵死亡及其在心血管疾病中的作用

張靜 趙外榮 施雯婷 周忠焱 陳昕琳

鐵死亡(ferroptosis)是一種新型細胞程序性死亡方式，是由于細胞內(nèi)鐵依賴性脂質(zhì)活性氧(ROS)積聚過多而發(fā)生的一種可調(diào)節(jié)性細胞死亡形式[1]。鐵死亡的調(diào)節(jié)與眾多機體生理過程密切相關(guān)，包括氨基酸、鐵和多不飽和脂肪酸代謝等，且參與多種疾病如腫瘤、組織缺血再灌注損傷、急性腎功能衰竭和神經(jīng)病變等的發(fā)生與發(fā)展[2]。鐵死亡已成為藥物設(shè)計和研發(fā)的重要靶點。研究表明，通過設(shè)計特定小分子物質(zhì)能有效調(diào)節(jié)細胞脂質(zhì)過氧化，使鐵死亡成為一個可控過程[3]。鐵死亡與心血管疾病也有著密切關(guān)系，本文介紹鐵死亡的發(fā)生機制及其在心血管疾病中的作用。

1 鐵死亡的發(fā)生機制

鐵死亡的發(fā)生涉及谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運受阻、氧化應(yīng)激、鐵代謝異常和脂質(zhì)過氧化等多種途徑。這些病理過程均會產(chǎn)生過量的脂質(zhì)ROS，超出機體的還原代謝能力，最終導(dǎo)致細胞發(fā)生鐵死亡(見圖1)。

1.1 谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運受阻

谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運體由溶質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白家族3成員2(SLC3A2)和溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)組成，廣泛存在于磷脂雙分子中，正常情況下細胞外胱氨酸與胞內(nèi)谷氨酸在谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運體的作用下有序地進行轉(zhuǎn)運交換[4-5]。胱氨酸進入細胞內(nèi)轉(zhuǎn)換為半胱氨酸(Cys)，參與谷胱甘肽(GSH)的合成，GSH作為細胞內(nèi)重要的抗氧化劑和自由基清除劑，能及時有效地清除細胞內(nèi)過多的ROS。GSH是谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)4發(fā)揮抗氧化功能所必需的輔助因子[6]，當谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運受阻時，胱氨酸無法進入細胞內(nèi)，胞內(nèi)Cys含量減少，相應(yīng)的GSH合成也隨之減少，使得GPX4的活性缺失，清除脂質(zhì)ROS的能力下降，脂質(zhì)ROS堆積，加劇了細胞鐵死亡的發(fā)生。

1.2 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是動脈粥樣硬化、心肌梗死、心律失常等心血管疾病的重要病理特征，核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)/血紅素加氧酶-1(HO-1)軸是調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵信號通路[7]。Nrf2增加谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運體的轉(zhuǎn)運，增強GPX4的還原能力，抑制細胞鐵死亡的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠缺血再灌注模型中，激活Nrf2/抗氧化反應(yīng)元件(ARE)信號通路，上調(diào)超氧化物歧化酶(SOD)和GPX等抗氧化物酶水平，能有效改善大鼠心臟功能，清除ROS等有害物質(zhì)，減少心肌細胞鐵死亡，減少心肌梗死面積[8-9]。Nrf2是脂質(zhì)過氧化的關(guān)鍵緩解因素，HO-1、NQO1、MRP等Nrf2靶基因能介導(dǎo)細胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)和鐵代謝過程，調(diào)節(jié)谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運體和GPX4，在鐵死亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。因此，氧化應(yīng)激在鐵死亡中有重要作用，而激活Nrf2信號通路是抑制鐵死亡的重要途徑。

1.3 鐵代謝異常(鐵過載)

鐵是人體重要的必需微量元素，正常人體內(nèi)2分子三價鐵離子(Fe3+)結(jié)合1分子轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf)形成復(fù)合物，細胞膜表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(TfR1)將Fe3+轉(zhuǎn)運到細胞中，細胞內(nèi)還原酶將Ff3+還原為二價鐵離子(Fe2+)，此過程受到鐵蛋白和鐵調(diào)素等多種調(diào)節(jié)蛋白的影響[11-12]。鐵死亡誘導(dǎo)劑愛拉斯汀(erastin)和RAS合成致死物3(RSL3)通過上調(diào)TfR1的表達，增加對鐵的攝取，同時下調(diào)鐵蛋白重鏈1(FTH1)和鐵蛋白輕鏈(FTL)的表達，減少鐵的儲存，使大量游離鐵釋放[13]。機體鐵代謝平衡破壞會引起一系列疾病，主要機制為細胞內(nèi)Fe2+增多時，機體會通過芬頓(Fenton)反應(yīng)產(chǎn)生大量對細胞有較強毒性的羥自由基及大量ROS，從而破壞細胞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA，對細胞和組織造成損傷[14]。同時，鐵也是脂質(zhì)過氧化和鐵死亡過程中所必須的元素。因此，鐵過載會加劇鐵死亡的發(fā)生，鐵代謝異常是細胞鐵死亡過程的重要表現(xiàn)。

注：SLC3A2為溶質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白家族3成員2 ；SLC7A11為溶質(zhì)載體家族7成員11；System Xc-為谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運體； Tf為轉(zhuǎn)鐵蛋白；Cysteine為半胱氨酸；TfR1為轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1；Cystine為胱氨酸；Glu為谷氨酸；γ-GCS為γ-谷氨酰半胱氨酸合酶；Gly為甘氨酸；BSO為丁硫氨酸亞砜胺；GSS為谷胱甘肽合成酶；GSH為谷胱氨肽；GSSG為氧化型谷胱甘肽；Nrf2為核因子E2相關(guān)因子2；GPX4為谷胱甘肽過氧化物酶4；PUFA-OOH為多不飽和脂肪酸的氫過氧化物；PUFA-OH為多不飽和脂肪酸的氫氧化物；LOX為脂氧合酶；erastin為愛拉斯汀(鐵死亡誘導(dǎo)劑)；RSL3為RAS合成致死物3(鐵死亡誘導(dǎo)劑)；DMT1為金屬離子轉(zhuǎn)運體1； Fenton為芬頓反應(yīng)；Feritin為鐵蛋白；NCOA4為核受體輔激活因子4；DFO為去鐵胺；BP為一種新型鐵離子螯合劑；DFOM為去鐵敏；CPX為一種鐵離子螯合劑；FTH1為鐵蛋白重鏈1；FTL為鐵蛋白輕鏈；ferrostatin-1為一種鐵死亡抑制劑；Lipid ROS為脂質(zhì)活性氧

1.4 脂質(zhì)過氧化

脂質(zhì)過氧化是ROS氧化生物膜的過程，在機體的新陳代謝中起著重要作用。過量的ROS與細胞膜的磷脂、酶和膜受體相關(guān)的多不飽和脂肪酸的側(cè)鏈及核酸等大分子物質(zhì)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物(LPO)，使細胞膜的流動性和通透性發(fā)生改變，最終導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)和功能的改變[15]。鐵死亡的發(fā)生主要是由于脂質(zhì)修復(fù)酶GPX4的失活引起脂質(zhì)過氧化物的積累，從而驅(qū)動細胞死亡，由此可見，脂質(zhì)過氧化與細胞鐵死亡有著密切聯(lián)系。Doll等[16]通過敲除細胞長鏈脂酰輔酶A合成酶4(ACSL4)基因，發(fā)現(xiàn)細胞鐵死亡受到明顯抑制，表明ACSL4通過氧化細胞膜磷脂驅(qū)動鐵死亡。隨著研究的不斷深入，亞油酸和花生四烯酸等多不飽和脂肪酸(PUFA)的過氧化作用被證明是鐵死亡的主要影響因素，其表現(xiàn)出對鐵死亡的高度敏感性，并能進一步加劇細胞鐵死亡[17]。因此，脂質(zhì)過氧化反應(yīng)能驅(qū)動細胞發(fā)生鐵死亡。

2 鐵死亡與其他程序性死亡方式的關(guān)系

鐵死亡與其他程序性死亡如自噬、凋亡等既有區(qū)別，又有著密切聯(lián)系。鐵死亡在細胞形態(tài)上的改變主要為線粒體膜密度增加和線粒體收縮，而自噬以雙層膜自噬空泡的形成，凋亡以染色質(zhì)凝集、凋亡小體的形成為主要標志。

2.1 鐵死亡與自噬

鐵死亡與自噬相互協(xié)同。鐵死亡誘導(dǎo)劑和抑制劑均能夠影響細胞自噬的發(fā)生。而自噬能誘導(dǎo)TfR1的表達，同時鐵蛋白在自噬溶酶體內(nèi)可部分降解，釋放鐵離子，過多的鐵離子被運輸回胞質(zhì)，引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致細胞發(fā)生鐵死亡[18-20]。鐵死亡與自噬過程存在分子間的相互作用，鐵死亡激動劑會觸發(fā)自噬過度激活，導(dǎo)致自噬小體的積聚，從而誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡，其中核受體輔激活因子4(NCOA4)介導(dǎo)的自噬能促進鐵蛋白吞噬從而加速鐵死亡的發(fā)生[21]。

2.2 鐵死亡與凋亡

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)-真核細胞起始因子2α(EIF2α)-激活轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)-C/EBP同源蛋白(CHOP)-p53上調(diào)凋亡調(diào)控因子(PUMA)途徑參與了鐵死亡和細胞凋亡過程[22]。p53作為腫瘤抑制因子，可以調(diào)控細胞的生物學過程和各種代謝途徑，促進ROS的生成，誘導(dǎo)細胞凋亡或鐵死亡[23]。鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin與腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(TRAIL)之間具有協(xié)同作用，研究發(fā)現(xiàn)erastin通過CHOP誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，促進p53上調(diào)凋亡調(diào)節(jié)劑PUMA的表達，在缺乏PUMA的人結(jié)直腸癌HCT116細胞和缺乏CHOP的小鼠胚胎成纖維細胞中，erastin與TRAIL的協(xié)同作用被消除，而在缺乏p53的HCT116細胞中，erastin與TRAIL的協(xié)同作用仍存在，表明p53獨立的CHOP/PUMA軸參與了細胞鐵死亡過程[24]。因此，在一定程度上細胞凋亡參與了鐵死亡的發(fā)生。

3 鐵死亡對心血管疾病的影響

研究表明，鐵死亡參與了心血管疾病的發(fā)生發(fā)展，特別是在心肌梗死和動脈粥樣硬化中發(fā)揮著重要作用(見圖2)。

3.1 心肌梗死

心肌梗死是臨床中常見且危險性較高的心血管疾病，其發(fā)病呈現(xiàn)年輕化趨勢[25]。經(jīng)皮冠狀動脈介入術(shù)等治療手段可使缺血心肌組織在短時間內(nèi)恢復(fù)血供，但同時也產(chǎn)生再灌注損傷，影響患者缺血/再灌注(I/R)后心臟結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)[26]。因此，減少I/R引起的心肌細胞損傷成為心肌梗死治療及預(yù)后的關(guān)鍵。

鐵死亡是心肌細胞死亡的重要形式[27]。研究表明，核苷酸焦磷酸酶2抗體(ENPP2)/溶血磷脂酸(LPA)通過調(diào)節(jié)GPX4、ACSL4和Nrf2的表達以及增強絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)信號來保護心肌細胞免受鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin誘導(dǎo)的細胞死亡[28]。為評估I/R后心臟中的鐵積累水平，Baba等[29]通過心臟冠狀動脈左前降支結(jié)扎制備小鼠I/R損傷模型，發(fā)現(xiàn)I/R損傷30 min后鐵蛋白沿心肌瘢痕區(qū)積聚，鐵積累誘導(dǎo)心肌細胞死亡，該過程可能主要受TfR1調(diào)節(jié)。Fang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，通過鐵死亡抑制劑ferrostatin-1、鐵螯合劑去鐵胺(DFO)、線粒體靶向抗氧化劑mitoTEMPO、血紅素加氧酶1(HO-1)以及低鐵飲食等措施能有效防治鐵死亡介導(dǎo)的心臟損傷，這為心肌病及心肌梗死等心臟疾病提供了新的預(yù)防及治療思路。

3.2 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病，血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞和巨噬細胞等參與其病理生理過程[31]。動脈粥樣硬化與體內(nèi)鐵水平的變化密切相關(guān)，鐵過載可促進氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化等病理過程，增加斑塊的不穩(wěn)定性，脂質(zhì)過氧化、斑塊內(nèi)出血和鐵沉積是晚期動脈粥樣硬化斑塊的重要特征，這間接說明鐵死亡可能參與動脈粥樣硬化的發(fā)展[32]。鐵死亡的關(guān)鍵酶GPX4活性喪失，可導(dǎo)致大量脂質(zhì)過氧化物積累，驅(qū)動鐵死亡，進一步影響動脈粥樣硬化的進展[33]。鐵鰲合劑的使用能夠有效縮小動脈粥樣硬化斑塊的面積，穩(wěn)定斑塊，減緩動脈粥樣硬化的進展[34]。這些研究都提示鐵過載及脂質(zhì)過氧化在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，鐵死亡與動脈粥樣硬化密切相關(guān)。因此，清除過量的鐵及減少ROS的產(chǎn)生可能是今后治療和預(yù)防動脈粥樣硬化的新策略。

注：Hmox1 (HO-1)為血紅素加氧酶1；ARE為抗氧化反應(yīng)元件；mitoTEMPO為一種線粒體靶向超氧化物歧化酶；ENPP2/LPA為核苷酸焦磷酸酶2抗體/溶血磷脂酸

4 小結(jié)

鐵死亡導(dǎo)致心血管疾病的主要機制是谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運受阻、鐵過載、氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，阻斷這些環(huán)節(jié)，能有效防治心肌梗死、動脈粥樣硬化及其他繼發(fā)性心血管疾病的發(fā)生。隨著基礎(chǔ)研究不斷深入，鐵死亡在心血管疾病中的作用機制也會不斷完善。鐵死亡抑制劑、抗氧化劑、鐵螯合劑等有望為心血管疾病治療帶來新的希望。