鐵死亡在急性腎損傷和腎癌等相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展

葉承林綜述 劉修恒審校

細(xì)胞死亡有多種形式，在20世紀(jì)60年代，人們認(rèn)識(shí)到細(xì)胞死亡可以通過(guò)分子機(jī)制來(lái)調(diào)控，并且可以為正常生理功能提供幫助，也能導(dǎo)致病理變化，“程序性細(xì)胞死亡”這一概念隨之被提出。細(xì)胞死亡曾被分為三大類，Ⅰ型細(xì)胞死亡即細(xì)胞凋亡；Ⅱ型細(xì)胞死亡又叫自噬相關(guān)性細(xì)胞死亡；Ⅲ型細(xì)胞死亡被稱為細(xì)胞壞死[1]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡有多種形式，其分子機(jī)制和形態(tài)特征各不相同。鐵死亡(ferroptosis)這一概念于2012年首次提出，是一種鐵依賴的非凋亡性細(xì)胞死亡。這種細(xì)胞死亡機(jī)制不需要含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)的激活，也不需要其他凋亡效應(yīng)分子(如BAX或BAK)的參與，也不伴隨凋亡的形態(tài)特征或生化過(guò)程。形態(tài)學(xué)上主要表現(xiàn)為線粒體的縮小、線粒體嵴減少或消失[2]。研究證明鐵死亡在腫瘤、缺血再灌注、神經(jīng)退行性病變等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其在腎臟相關(guān)疾病中的重要性也逐漸被發(fā)現(xiàn)，本文就鐵死亡的發(fā)現(xiàn)、作用機(jī)制與調(diào)控及在腎臟疾病發(fā)生發(fā)展中的作用展開綜述，為腎臟疾病的進(jìn)一步研究提供新的方向。

1 鐵死亡概念

在鐵死亡的概念被提出及詳細(xì)分子機(jī)制發(fā)現(xiàn)之前，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)于這一現(xiàn)象的觀察，但都被歸因于其他的細(xì)胞死亡機(jī)制，或者被認(rèn)為沒(méi)有生物學(xué)意義。20世紀(jì)50年代中期Eagle等[3-5]發(fā)現(xiàn)13種不同氨基酸中只有一種氨基酸饑餓抑制了人和小鼠細(xì)胞的生長(zhǎng)；被剝奪胱氨酸的細(xì)胞表現(xiàn)出獨(dú)特的顯微形態(tài)，與被剝奪其他氨基酸時(shí)的形態(tài)不同，推測(cè)與病毒感染引起的細(xì)胞死亡相似。1977年Bannai等[6]發(fā)現(xiàn)胱氨酸饑餓導(dǎo)致細(xì)胞谷胱甘肽減少和細(xì)胞死亡，通過(guò)添加親脂性抗氧化劑α-生育酚(α-tocopherol，維生素E的一種成分)可以挽救這種胱氨酸剝奪所致的死亡，從而支持了活性氧(ROS)積累在細(xì)胞死亡誘導(dǎo)中的貢獻(xiàn)，并且這一過(guò)程無(wú)需谷胱甘肽參與。Ratan等[7]發(fā)現(xiàn)由于剝奪血清而導(dǎo)致的鐵缺乏可以阻止細(xì)胞胱氨酸剝奪和谷胱甘肽耗竭在誘導(dǎo)細(xì)胞死亡中的關(guān)鍵作用，現(xiàn)在被認(rèn)為是鐵死亡的特征表現(xiàn)之一。

Dixon等[11]于2012年發(fā)現(xiàn)首個(gè)鐵死亡抑制劑ferrostatin-1，并且在這些研究基礎(chǔ)上正式提出了鐵死亡(ferroptosis)這一概念，用以描述這種鐵依賴性非凋亡性的細(xì)胞死亡。

2 鐵死亡機(jī)制與調(diào)控

2.2 脂質(zhì)過(guò)氧化與活性氧(ROS)的蓄積 ROS通常被認(rèn)為是氧消耗和細(xì)胞代謝的副產(chǎn)品，由分子氧的部分還原形成[21]。腫瘤內(nèi)源性活性氧主要來(lái)源于細(xì)胞線粒體及NADPH氧化酶(NOXs)[22]。過(guò)量的ROS被抗氧化劑通過(guò)酶促或非酶促反應(yīng)及在超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)如Cu/Zn-SOD、Mn-SOD等，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GPX)和過(guò)氧化氫酶催化的反應(yīng)中解毒。ROS產(chǎn)生和解毒速率的不平衡會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激，并由此產(chǎn)生自由基，這些自由基會(huì)破壞DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。氧化還原活性金屬，特別是鐵，可以通過(guò)芬頓反應(yīng)促進(jìn)細(xì)胞中的ROS聚集。在鐵死亡過(guò)程中，胱氨酸—谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(recombinant solute carrier family 7,member 11,SLC7A11)的失活和谷胱甘肽的耗竭導(dǎo)致鐵依賴的ROS積聚[15]。

多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)的過(guò)氧化是鐵死亡的主要驅(qū)動(dòng)因素。鐵依賴的脂質(zhì)活性氧的積累和隨后多不飽和脂肪酸磷脂(PUFA-PLS)的消耗是鐵死亡的共同特征[23]?；ㄉ南┧?arachidonic acid，AA)是目前已知的鐵死亡細(xì)胞中最常消耗的多不飽和脂肪酸[24]。Dixon等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，將花生四烯酸插入膜磷脂中所涉及的關(guān)鍵酶缺失可以防止鐵死亡的發(fā)生。?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long chain family member 4,ACSL4)可通過(guò)促進(jìn)可氧化的細(xì)胞膜磷脂的積累來(lái)驅(qū)動(dòng)鐵死亡[26]。

表1 鐵死亡調(diào)控相關(guān)誘導(dǎo)劑與抑制劑

3 鐵死亡與急性腎損傷

急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)，也稱為急性腎衰竭(acute renal failure,ARF)，是由多種原因引起的常見(jiàn)嚴(yán)重疾病，病因包括腎缺血、腎毒性藥物和尿路阻塞[32]。AKI的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，由于其解剖學(xué)特征和復(fù)雜功能，腎單位的近端腎小管節(jié)段最容易受到各種形式的損傷[33]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種分子機(jī)制可以誘導(dǎo)或加重AKI，其中ROS被認(rèn)為是誘導(dǎo)腎損害的關(guān)鍵介質(zhì)之一[34]。多項(xiàng)研究表明，鐵死亡是潛在的治療靶點(diǎn)，尤其是在腎小管壞死占主導(dǎo)的疾病中[35]。

在腎臟中，缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,IRI)是AKI的主要原因之一。IRI的特征是特定器官的血液供應(yīng)突然停止并在血流恢復(fù)后重新供氧。該過(guò)程可通過(guò)觸發(fā)涉及ROS、細(xì)胞因子、趨化因子和白細(xì)胞激活的炎性級(jí)聯(lián)反應(yīng)來(lái)加劇組織損傷[36-37]。以往在各種缺血性損傷模型中，凋亡被認(rèn)為是主要的調(diào)控性細(xì)胞死亡。當(dāng)壞死性凋亡被發(fā)現(xiàn)時(shí)，這種受體相互作用的絲氨酸/蘇氨酸激酶3(receptor interacting serine/threonine kinase 3,RIPK3)和混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣(mixed lineage kinase domain like,MLKL)依賴性調(diào)節(jié)性壞死的形式被認(rèn)為是心臟及腎臟缺血性損傷的主要原因[38-39]。最近的發(fā)現(xiàn)表明，鐵死亡可能是缺血性損傷的主要驅(qū)動(dòng)力之一。在嚴(yán)重的IRI模型中應(yīng)用鐵抑素(ferrostatin)可保護(hù)小鼠免受功能性急性腎衰竭，然而RIPK1抑制劑necrostatin-1(Nec-1)不能保護(hù)新鮮分離的腎小管免受缺氧損傷[40]，這突顯了鐵穩(wěn)態(tài)在人類缺血再灌注損傷中的重要性?；A(chǔ)研究證明，NRF2過(guò)度激活會(huì)增加GSH的產(chǎn)生并阻止腎臟IRI早期階段的進(jìn)展[41]，許多負(fù)責(zé)阻止脂質(zhì)過(guò)氧化進(jìn)而促進(jìn)鐵死亡的蛋白質(zhì)和酶都是NRF2的靶基因，如SLC40A1、谷胱甘肽合成酶、GPX4。NRF2或其靶基因的功能失調(diào)與對(duì)細(xì)胞應(yīng)激源的反應(yīng)性下降有關(guān)，并誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[42]。Lee等[43]研究表明，用能量應(yīng)激誘導(dǎo)劑AICAR或2-Deoxy-D-glucose(2DG)處理可以通過(guò)抑制鐵死亡保護(hù)小鼠免受腎臟IRI的影響。

橫紋肌溶解引起的腎衰竭占所有急性腎衰竭病例的15%[44]，研究表明，肌紅蛋白(myoglobin,Mb)在腎臟中的積累是導(dǎo)致腎臟損害的核心機(jī)制。近年來(lái)，對(duì)橫紋肌溶解誘導(dǎo)的急性腎損傷研究表明，Mb代謝產(chǎn)生的Fe2+直接誘導(dǎo)近端腎小管上皮細(xì)胞脂質(zhì)過(guò)氧化可能是橫紋肌溶解致腎損傷的重要機(jī)制之一[45]。腎臟中Mb降解釋放的游離鐵通過(guò)芬頓反應(yīng)的催化作用參與氧化性物質(zhì)的產(chǎn)生。研究表明，使用鐵絡(luò)合劑去鐵胺可以減輕橫紋肌溶解誘導(dǎo)的大鼠腎臟損傷[46]。Guerrero-Hue等[47]證明了鐵死亡在橫紋肌溶解誘導(dǎo)AKI中的關(guān)鍵作用，并表明鐵死亡敏感的這一過(guò)程可以被強(qiáng)抗氧化劑姜黃素所抑制。

4 鐵死亡與腎癌

腎細(xì)胞癌根據(jù)病理特征可分為腎透明細(xì)胞癌、乳頭狀腎細(xì)胞癌、嫌色細(xì)胞性腎細(xì)胞癌及Bellini集合管癌等，其中以腎透明細(xì)胞癌最為常見(jiàn)。腎癌多對(duì)化療和放療耐藥。激活調(diào)控性細(xì)胞死亡是腎癌的理想治療策略，并可能有助于解決腎癌的耐藥性。

鐵死亡首先在非小細(xì)胞肺癌HT-1080細(xì)胞系中被鑒定[11]，隨后，Yang等[12]測(cè)試了117個(gè)腫瘤細(xì)胞系對(duì)erastin引起鐵死亡的敏感性，并發(fā)現(xiàn)彌漫大B細(xì)胞淋巴瘤和腎細(xì)胞癌對(duì)GPX4調(diào)節(jié)的鐵死亡尤為敏感。Miess等[48]發(fā)現(xiàn)siRNA沉默谷胱甘肽過(guò)氧化物酶GPX3和GPX4對(duì)腎透明細(xì)胞癌細(xì)胞是致命的，并且闡述了通過(guò)抑制GSH的合成，腎透明細(xì)胞癌對(duì)于鐵死亡變得更加敏感，從而抑制腫瘤的生長(zhǎng)。在缺乏VHL基因的腎癌細(xì)胞中，重新表達(dá)的VHL產(chǎn)生了對(duì)鐵死亡的抵抗力。最近的一項(xiàng)研究表明，能量應(yīng)激(energy stress)介導(dǎo)的AMPK激活能夠抑制鐵死亡，在腎癌Caki-1細(xì)胞系(一種基礎(chǔ)AMPK活性較低的鐵死亡敏感細(xì)胞系)中過(guò)表達(dá) AMPK可適度增加乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)的磷酸化，并保護(hù)細(xì)胞免受Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡影響[43]。Yang等[49]的一項(xiàng)研究表明，Hippo通路效應(yīng)器TAZ可以調(diào)節(jié)腎癌對(duì)鐵死亡的敏感性。Kerins等[50]發(fā)現(xiàn)，延胡索酸水合酶的失活可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)延胡索酸的蓄積從而提高遺傳性平滑肌瘤病和腎細(xì)胞癌(hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer,HLRCC)對(duì)鐵死亡的敏感性。

5 鐵死亡相關(guān)研究的展望

鐵死亡作為一種調(diào)控性的細(xì)胞死亡，在腎臟疾病中具有雙重作用，對(duì)于鐵死亡在腎臟疾病中的有關(guān)機(jī)制仍需要進(jìn)一步探索。鐵死亡機(jī)制層面上，盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了脂質(zhì)過(guò)氧化物在誘導(dǎo)鐵死亡中的重要作用，但仍然沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明此類ROS是執(zhí)行鐵死亡的最下游因素，關(guān)于鐵死亡的最終執(zhí)行分子問(wèn)題仍有待解決。鐵死亡與其他調(diào)控性細(xì)胞死亡如自噬、凋亡之間的聯(lián)系需要進(jìn)一步深入研究。鐵死亡作為細(xì)胞調(diào)控性死亡的一種形式，在其作用過(guò)程中不可逆點(diǎn)的位置，正在進(jìn)行鐵死亡這一過(guò)程的細(xì)胞在何時(shí)可以被挽救，這些都需要深入的研究。鐵死亡是腎臟疾病中非常重要的細(xì)胞死亡形式之一，隨著相關(guān)研究的不斷進(jìn)展，一定會(huì)為腎臟疾病的治療帶來(lái)新的方向。