鐵死亡與炎癥性疾病的研究現(xiàn)狀

李貝，田首元，郭志佳，姚豆，張晉毓

(1.山西醫(yī)科大學(xué)麻醉學(xué)院，太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院麻醉科，太原 030001)

先天免疫系統(tǒng)可感知微生物、宿主衍生物和外源性危險(xiǎn)信號(hào)，并對(duì)細(xì)胞存活或死亡做出反應(yīng)。炎癥反應(yīng)通過(guò)產(chǎn)生趨化因子、細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子，招募中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等防御細(xì)胞清除刺激，促進(jìn)宿主細(xì)胞的存活[1]。細(xì)胞死亡期間從細(xì)胞質(zhì)釋放到細(xì)胞外的不同分子影響了細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境，同時(shí)這些分子作為危險(xiǎn)信號(hào)進(jìn)一步招募防御細(xì)胞[2]。因此，細(xì)胞死亡不僅是炎癥的后果，也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，與炎癥性疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。Dixon等[3]發(fā)現(xiàn)，RAS選擇性小分子藥Erastin可觸發(fā)一種獨(dú)特的鐵依賴性新型細(xì)胞死亡形式，即鐵死亡。鐵死亡是一種不同于壞死、凋亡以及其他具有細(xì)胞死亡典型特征的致死途徑，目前尚無(wú)明確的分子定義。鐵死亡在形態(tài)學(xué)超微結(jié)構(gòu)下表現(xiàn)為線粒體變小、線粒體嵴消失、膜密度增加、外膜斷裂和細(xì)胞體積縮小[3]。此外，鐵死亡還表現(xiàn)為鐵依賴性脂質(zhì)過(guò)氧化、活性氧類積累和谷胱甘肽耗竭[4]。鐵死亡是近年的研究熱點(diǎn)，但目前有關(guān)其與炎癥性疾病的研究較少?，F(xiàn)就鐵死亡與炎癥性疾病的研究進(jìn)展予以綜述。

1 鐵死亡概述

鐵是人體生命活動(dòng)必需的微量元素，是一種具有氧化還原活性的金屬。循環(huán)中的鐵主要以三價(jià)鐵離子的形式結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白，然后通過(guò)膜轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)鐵還原酶還原為二價(jià)鐵離子(Fe2+)后，通過(guò)二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1釋放到細(xì)胞質(zhì)不穩(wěn)定的鐵池中，從而使過(guò)量的鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白中，鐵的輸出則是由膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)[5]。鐵積累是鐵死亡發(fā)生的必要條件，研究表明，鐵穩(wěn)態(tài)在鐵死亡過(guò)程中會(huì)受到干擾，鐵調(diào)節(jié)蛋白活性受損，轉(zhuǎn)鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體和線粒體鐵蛋白的異常升高以及鐵離子的吸收、分布、代謝、排泄等過(guò)程均與鐵死亡有關(guān)[6]。鐵積累尤其是Fe2+過(guò)多會(huì)通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生自由基，進(jìn)而參與非酶促脂質(zhì)過(guò)氧化，增加鐵死亡的風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此，鐵離子代謝異常是誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡的潛在靶點(diǎn)，但鐵離子調(diào)節(jié)鐵死亡的具體機(jī)制目前尚不明確。

胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(又稱xCT系統(tǒng))是位于細(xì)胞膜上的胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體，由輕鏈亞基SLC7A11和重鏈亞基SLC3A2組成，細(xì)胞內(nèi)谷氨酸經(jīng)xCT系統(tǒng)以1∶1的比例交換細(xì)胞外胱氨酸[8]。xCT系統(tǒng)主導(dǎo)的細(xì)胞外半胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸和谷胱甘肽水平至關(guān)重要。谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性是鐵依賴的氧化過(guò)程，表明谷氨酸與鐵死亡有關(guān)[9]。谷胱甘肽是自由基清除劑，也是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)的重要底物。GPX4是還原過(guò)氧化物的關(guān)鍵酶，可將脂質(zhì)氫過(guò)氧化物還原為脂質(zhì)醇或?qū)⒂坞x過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水，對(duì)抗脂質(zhì)過(guò)氧化，谷胱甘肽依賴的脂質(zhì)過(guò)氧化修復(fù)系統(tǒng)可以保護(hù)細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜免受過(guò)氧化損傷[4，10]。Li等[11]證實(shí)，GPX4激活劑可以降低細(xì)胞內(nèi)活性氧類水平，抑制鐵死亡，因此GPX4激活劑可作為抗炎或細(xì)胞保護(hù)劑在脂質(zhì)過(guò)氧化導(dǎo)致的疾病中發(fā)揮作用。胞外胱氨酸缺乏、谷氨酸過(guò)度積累、xCT系統(tǒng)功能失調(diào)、胞內(nèi)谷胱甘肽耗竭和GPX4失活均可導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[12]。

研究表明，含有多不飽和脂肪酸的磷脂最易受過(guò)氧化影響并導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[9]，多不飽和脂肪酸的定位和含量通過(guò)影響細(xì)胞內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化的程度，決定鐵死亡的嚴(yán)重程度[13]。兩種關(guān)鍵的脂肪酸底物——花生四烯酸和腎上腺酸可被?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)激活，然后通過(guò)溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3依賴機(jī)制酯化為陰離子膜磷脂[14]。可見，ACSL4和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3參與了膜磷脂的生物合成和重塑，同時(shí)也影響了多不飽和脂肪酸跨膜，以有利于脂質(zhì)過(guò)氧化的誘導(dǎo)方式改變膜脂成分。因此，通過(guò)減少ACSL4和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3表達(dá)可以減少細(xì)胞內(nèi)脂肪酸過(guò)氧化代謝產(chǎn)物的堆積，從而抑制鐵死亡。脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)是一類含鐵酶，可催化游離多不飽和脂肪酸產(chǎn)生脂肪酸過(guò)氧化物，參與酶性脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)。多不飽和脂肪酸的碳碳雙鍵在化學(xué)上易受自由基、LOX和氧的攻擊，使多不飽和脂肪酸成為脂質(zhì)中導(dǎo)致鐵死亡的靶點(diǎn)[15]。分子細(xì)胞膜中的磷脂本質(zhì)上維持了宿主細(xì)胞的完整性和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，在膜磷脂的疏水尾部引入親水性過(guò)氧化基團(tuán)可改變脂類的物理化學(xué)性質(zhì)，破壞膜結(jié)構(gòu)，使膜的屏障功能受損，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙[16]。

2 鐵死亡與炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)是機(jī)體重要的生理過(guò)程，炎癥的本質(zhì)是機(jī)體對(duì)各種損傷性刺激的防御反應(yīng)，局部臨床表現(xiàn)為紅、腫、熱、痛和功能障礙，適度的炎癥反應(yīng)對(duì)機(jī)體有利，過(guò)度的炎癥反應(yīng)會(huì)對(duì)機(jī)體造成損害。鐵死亡過(guò)程中多伴有炎癥反應(yīng)，在草酸誘導(dǎo)的急性腎損傷小鼠模型的腎臟中發(fā)現(xiàn)了與鐵死亡相關(guān)的炎癥反應(yīng)[17]，表明鐵死亡與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。鐵死亡組織中存在脂質(zhì)過(guò)氧化和花生四烯酸代謝產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)，花生四烯酸是一種存在于細(xì)胞膜中的多不飽和脂肪酸，也是合成促炎介質(zhì)的重要前體，當(dāng)細(xì)胞膜受到各種刺激時(shí)，細(xì)胞膜磷脂池中的花生四烯酸大量釋放，并代謝為具有生物活性的產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物能夠促進(jìn)炎癥的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，因此多不飽和脂肪酸及其代謝酶已成為炎癥過(guò)程中的基本調(diào)節(jié)因子[18]?；ㄉ南┧峤?jīng)磷脂酶A2和磷脂酶C催化釋放后，至少參與3種代謝途徑，即環(huán)加氧酶(cyclooxygenase，COX)途徑、LOX途徑和細(xì)胞色素p450途徑，其中LOX和COX途徑是花生四烯酸進(jìn)一步代謝為炎癥介質(zhì)的主要途徑[19]。LOX除了參與氧化脂化過(guò)程并作為鐵死亡的重要信號(hào)外，還可將花生四烯酸代謝為白三烯和脂氧素等促炎介質(zhì)，其中白三烯B4不僅可激活白細(xì)胞產(chǎn)生趨化作用，還可通過(guò)釋放內(nèi)含髓過(guò)氧化酶的溶酶體酶產(chǎn)生過(guò)氧化物陰離子[20]。在COX途徑中，花生四烯酸被COX催化為具有多種生物活性的前列腺素，而前列腺素在調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞分化以及促進(jìn)細(xì)胞因子表達(dá)過(guò)程中均具有重要作用。研究表明，鐵死亡與前列腺素內(nèi)過(guò)氧化物合成酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2，PTGS2)的表達(dá)及釋放增加有關(guān)，鐵死亡可直接增加PTGS2的表達(dá)，加速花生四烯酸的代謝，促進(jìn)炎癥信號(hào)分子的分泌[21]?？梢?，鐵死亡與花生四烯酸代謝及炎癥反應(yīng)的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，但具體機(jī)制仍需深入探索。

3 鐵死亡與炎癥性疾病

炎癥性疾病的病理機(jī)制復(fù)雜，多種細(xì)胞死亡方式參與其中。隨著近年對(duì)鐵死亡機(jī)制研究的深入，鐵死亡已被證明在無(wú)菌性炎癥[如缺血再灌注損傷(ischemia reperfusion injury，IRI)、腦卒中、非酒精性脂肪性肝炎]和微生物感染的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用[17，22-24]。目前，鐵死亡在炎癥性疾病中的研究主要是通過(guò)調(diào)節(jié)鐵死亡相關(guān)調(diào)控因子，影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞鐵死亡水平。

3.1鐵死亡與IRI IRI是一種無(wú)菌性炎癥，其特征為在缺血缺氧的初始階段，器官或組織的血流量明顯減少，細(xì)胞代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)化為無(wú)氧糖酵解，在恢復(fù)氧供的第二階段發(fā)生再氧化并伴隨氧化應(yīng)激[14]。Linkermann等[17]研究表明，腎小管在Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白或胱天蛋白酶8基因消融后不會(huì)發(fā)生組織壞死，且經(jīng)典的受體相互作用蛋白酶1抑制劑壞死抑制素1對(duì)缺氧損傷的腎小管無(wú)保護(hù)作用，而顯微鏡下IRI和草酸鹽晶體誘導(dǎo)的急性腎損傷模型證明鐵死亡直接導(dǎo)致急性腎小管損傷。阻斷谷氨酰胺分解、降低細(xì)胞外谷氨酸水平，可以降低鐵死亡敏感性，減輕IRI誘導(dǎo)的心臟損傷[8]。而鐵抑制素-1(ferrostatin-1，F(xiàn)er-1)和鐵螯合劑均可改善急性和慢性缺血再灌注誘發(fā)的小鼠心力衰竭[25]。Li等[16]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1可減少心肌細(xì)胞死亡，同時(shí)阻止心臟移植后中性粒細(xì)胞的招募，在心臟IRI模型中，應(yīng)用 Fer-1治療有助于減小鐵死亡所致的梗死面積，改善左心室收縮功能并減少左心室重構(gòu)。鐵死亡不僅發(fā)生在再灌注期，還可發(fā)生在缺血期。ACSL4是細(xì)胞膜中多不飽和脂肪酸延長(zhǎng)的關(guān)鍵酶，在缺血條件下ACSL4表達(dá)增加，缺血期間ACSL4的激活可促進(jìn)再灌注引起的鐵死亡，且Fer-1可減輕腸缺血導(dǎo)致的損傷[26]。因此推測(cè)，鐵死亡與IRI的病理過(guò)程有關(guān)。

3.2鐵死亡與腦卒中 缺血性腦卒中是一種急性腦血管疾病，由于動(dòng)脈阻塞導(dǎo)致不能供應(yīng)足夠的血液給大腦，同時(shí)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗會(huì)激活過(guò)度氧化應(yīng)激、線粒體損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[27]。而鐵的平衡對(duì)于大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，一方面，許多蛋白質(zhì)需要鐵作為活性輔助因子；另一方面，大腦極易受到鐵依賴性氧化應(yīng)激損傷[28]。在缺血的腦組織中可以觀察到鐵水平顯著升高[22]。大腦中動(dòng)脈閉塞可抑制小鼠大腦半球Tau蛋白(Tau是一種主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中的蛋白質(zhì))，同時(shí)增加小鼠大腦的鐵沉積，缺血性腦卒中后Tau基因敲除小鼠體內(nèi)鐵沉積減少，IRI降低；而Liproxstatin-1(一種鐵死亡抑制劑)和Fer-1可改善實(shí)驗(yàn)性腦卒中后小鼠大腦的梗死面積[29]。另外，谷胱甘肽功能紊亂和脂質(zhì)過(guò)氧化也參與了腦卒中的發(fā)生。在缺血性腦卒中小鼠模型中，抗氧化劑谷胱甘肽水平顯著降低，而脂質(zhì)過(guò)氧化增強(qiáng)[30]。一種新型的12/15-LOX抑制劑——LOX抑制劑1可保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，并保護(hù)小鼠免受IRI的影響[31]。缺血性腦卒中涉及鐵死亡的相關(guān)特征，出血性腦卒中也與鐵死亡密切相關(guān)。研究表明，腦出血機(jī)制主要包括氧化應(yīng)激(尤其是活性氧類生成)、炎癥和神經(jīng)細(xì)胞死亡[32]。Zille等[33]發(fā)現(xiàn)，在小鼠腦出血模型中，腦組織顯示出鐵死亡的形態(tài)學(xué)特征，應(yīng)用化學(xué)性鐵死亡抑制劑(Fer-1、去鐵胺等)治療后，腦出血誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性減輕。Li等[34]在膠原酶誘導(dǎo)的腦出血小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1可防止神經(jīng)元死亡，減少血紅蛋白引起的鐵沉積，具有顯著的腦部保護(hù)作用，同時(shí)可改善神經(jīng)功能；此外，F(xiàn)er-1還可降低脂質(zhì)活性氧類的產(chǎn)生以及PTGS2和COX-2的表達(dá)水平。以上證據(jù)均表明，出血性腦卒中與鐵死亡密切相關(guān)。

3.3鐵死亡與非酒精性脂肪性肝炎 非酒精性脂肪性肝炎是非酒精性脂肪性肝病中較嚴(yán)重的一種，是從單純的脂肪變性發(fā)展到炎癥和纖維化的疾病狀態(tài)，其特征為小葉炎癥、肝細(xì)胞脂質(zhì)積聚和氣球樣變性[35]。在Qi等[23]的非酒精性脂肪性肝炎進(jìn)展小鼠模型中，使用GPX4抑制劑RSL-3(鐵死亡誘導(dǎo)劑)治療后，促炎細(xì)胞因子(包括腫瘤壞死因子、白細(xì)胞介素-1β和白細(xì)胞介素-6)和非酒精性脂肪性肝炎相關(guān)生物標(biāo)志物水平均顯著升高，組織病理學(xué)(血清生化、肝脂肪變性、小葉炎癥等)指標(biāo)也高表達(dá)；給予甲磺酸去鐵胺鹽可消除RSL-3對(duì)甲硫氨酸和膽堿缺乏小鼠的有害影響，使用亞硒酸鈉(GPX4激活劑)或Liproxstatin-1(GPX4激活劑)治療可抑制小鼠肝臟脂質(zhì)過(guò)氧化，同時(shí)降低非酒精性脂肪性肝炎的嚴(yán)重程度。在Tsurusaki等[36]建立的非酒精性脂肪性肝炎小鼠模型中，羅格列酮(ACSL4抑制劑)和去鐵酮(鐵螯合劑)的作用得到了驗(yàn)證，羅格列酮和去鐵酮聯(lián)合治療后小鼠肝臟損傷的血清標(biāo)志物水平顯著降低，炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)被顯著抑制?？梢?，鐵死亡抑制劑可以完全保護(hù)肝細(xì)胞免于死亡，并抑制免疫細(xì)胞浸潤(rùn)和炎癥反應(yīng)，表明鐵死亡是非酒精性脂肪性肝炎發(fā)病的觸發(fā)因素。

3.4鐵死亡與感染 炎癥是機(jī)體消除有害刺激的防御策略之一，包括微生物(病毒和細(xì)菌)感染、組織損傷和其他傷害。主要的先天免疫細(xì)胞包括巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞，這些免疫細(xì)胞具有模式識(shí)別受體分子，可以識(shí)別微生物的保守結(jié)構(gòu)病原體相關(guān)分子模式和損傷相關(guān)分子模式。感染發(fā)生后，各種病原體相關(guān)分子模式、損傷相關(guān)分子模式與模式識(shí)別受體分子相互作用，引發(fā)一系列細(xì)胞事件，包括細(xì)胞因子、趨化因子以及活性氧類的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)[37]。細(xì)胞膜中的磷脂是維持宿主細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和抵御微生物刺激的第一道防線，但一些具有產(chǎn)生LOX能力的微生物可以通過(guò)攻擊細(xì)胞膜上的磷脂對(duì)機(jī)體造成損傷[24]。Dar等[24]發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌分泌的LOX可誘導(dǎo)肺上皮細(xì)胞磷脂氧化，導(dǎo)致宿主細(xì)胞出現(xiàn)鐵死亡，如銅綠假單胞菌通過(guò)產(chǎn)生LOX誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞鐵死亡，但缺乏LOX的突變細(xì)菌則不能在支氣管上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)鐵死亡。這一發(fā)現(xiàn)為銅綠假單胞菌感染相關(guān)性呼吸系統(tǒng)疾病(如囊性纖維化和持續(xù)下呼吸道感染)的治療提供了新思路。急性結(jié)核分枝桿菌感染期間，在損傷組織壞死的巨噬細(xì)胞中谷胱甘肽和GPX4水平均降低，同時(shí)自由鐵、線粒體超氧化物和脂質(zhì)過(guò)氧化水平均升高，且結(jié)核分枝桿菌感染的巨噬細(xì)胞培養(yǎng)物中的細(xì)胞死亡可以被Fer-1抑制[38]。Islam等[39]研究證實(shí)，DIBI(一種新型鐵螯合劑)可以顯著減少小鼠膿毒癥模型腸道微循環(huán)中的白細(xì)胞募集和降低血漿炎癥介質(zhì)水平。Kang等[40]證明，GPX4的消耗導(dǎo)致膿毒癥致死率增加。上述研究表明，鐵死亡可能參與某些類型微生物感染性疾病的發(fā)展。

4 小 結(jié)

鐵死亡參與多種感染和非感染性疾病的發(fā)生、發(fā)展。鐵代謝紊亂、GPX4和谷胱甘肽消耗以及脂質(zhì)過(guò)氧化物積累是鐵死亡和炎癥性疾病的共同特征。作為一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式，鐵死亡對(duì)炎癥有積極作用，一些鐵死亡抑制劑在某些疾病中具有抗炎作用。但目前鐵死亡的研究仍處于初級(jí)階段，仍有很多問(wèn)題需要解決，如鐵死亡激活炎癥反應(yīng)的具體通路尚不明確；作為對(duì)損傷的防御反應(yīng)，炎癥并不總是有害的，鐵死亡抑制劑用于抗炎是否真正有益也有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明；另外，目前的數(shù)據(jù)大多來(lái)自動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，新研發(fā)的化合物應(yīng)用于臨床是否有效尚不清楚。雖然鐵死亡與炎癥性疾病密切相關(guān)，但確切機(jī)制仍不明確。未來(lái)，深入研究鐵死亡與炎癥性疾病的關(guān)系可以更加全面地認(rèn)識(shí)炎癥性疾病的發(fā)生、發(fā)展，同時(shí)為其治療提供新思路。