阿霉素誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體鐵死亡和心臟毒性的研究進(jìn)展

蘇娜，陳日玲

(1.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 湛江 524000； 2.廣東醫(yī)科大學(xué)順德婦女兒童醫(yī)院兒童血液腫瘤科，廣東 佛山 528300)

阿霉素是一種蒽環(huán)類化療藥物，廣泛用于白血病、淋巴瘤、肉瘤等惡性腫瘤的治療。阿霉素的體內(nèi)毒素具有劑量依賴性和累積性，其原因是阿霉素對(duì)心肌細(xì)胞線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有較高的親和力[1]。有研究發(fā)現(xiàn)，約26%的腫瘤患者在阿霉素累計(jì)劑量達(dá)到550 mg/m2時(shí)會(huì)發(fā)生阿霉素相關(guān)的心臟疾病[2]。此外，在接受阿霉素治療的老年淋巴瘤和兒童腫瘤幸存者中，超過50%的患者具有心臟毒性的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)患者遠(yuǎn)期預(yù)后有較大影響[3]。因此，阿霉素引發(fā)的心臟損傷已成為目前亟待解決的問題。鐵死亡是一種依賴于活性氧類(reactive oxygen species，ROS)生成和鐵超載而形成的嚴(yán)重脂質(zhì)過氧化，這種鐵依賴的細(xì)胞死亡形式在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)方面均不同于細(xì)胞凋亡、自噬和壞死[4]。鐵死亡的主要特征包括線粒體膜密度濃縮、體積縮小、線粒體嵴減少或消失以及外膜破裂[5-6]。由此可見，線粒體形態(tài)改變是鐵死亡的重要特征。線粒體是細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的重要場(chǎng)所，也是細(xì)胞內(nèi)鐵調(diào)節(jié)的主要細(xì)胞器。細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)紊亂可導(dǎo)致線粒體功能障礙，從而改變細(xì)胞的命運(yùn)。因此，在應(yīng)用阿霉素治療惡性腫瘤過程中，減少心臟毒性和鐵死亡的發(fā)生尤為重要?，F(xiàn)就阿霉素誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體鐵死亡和心臟毒性的研究進(jìn)展予以綜述。

1 阿霉素誘導(dǎo)心臟氧化應(yīng)激與線粒體鐵代謝及心肌損傷的關(guān)系

1.1ROS 氧化應(yīng)激是阿霉素誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體鐵死亡的一種潛在致病機(jī)制，主要由氧化劑與抗氧化劑失衡所致[7]。ROS主要由線粒體代謝產(chǎn)生，包括過氧化氫、超氧陰離子、羥基自由基和過氧亞硝酸鹽等[8]。在氧化應(yīng)激條件下，ROS生成增加可激活細(xì)胞毒性信號(hào)通路、破壞DNA和蛋白質(zhì)，導(dǎo)致膜脂過氧化、線粒體功能障礙以及心肌細(xì)胞線粒體鐵超載，最終致鐵死亡和心肌損傷[9]。而芬頓反應(yīng)是鐵死亡發(fā)生過程中ROS的主要來源[10-11]。線粒體內(nèi)生成的ROS通過阿霉素與三價(jià)鐵離子(Fe3+)結(jié)合丟失單個(gè)電子，形成阿霉素-二價(jià)鐵離子(Fe2+)半醌自由基，并于Fe2+與Fe3+間進(jìn)行氧化還原循環(huán)，催化芬頓反應(yīng)，產(chǎn)生高度不穩(wěn)定且有毒的羥基自由基，將一個(gè)電子從還原化合物轉(zhuǎn)移至過氧化氫[5,12]。由此可見，阿霉素通過破壞電子傳遞鏈導(dǎo)致ROS生成增加，使線粒體膜電位發(fā)生去極化和線粒體腫脹，最終引起線粒體內(nèi)鐵超載。而新一代線粒體靶向抗氧化劑XJB-5-131可通過阻斷線粒體ROS的產(chǎn)生，改善線粒體功能和細(xì)胞活力，減少鐵死亡的發(fā)生[5]。

1.2煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotina-mide adenine dinucleotide phosphate oxidase，Noxs) Noxs是一種多亞基跨膜酶，其可利用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸作為電子供體將氧還原并轉(zhuǎn)移至過氧化氫。在所有同源基因中，Nox4在心肌細(xì)胞中高表達(dá)，其可在特定刺激下(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸水平升高)使ROS的產(chǎn)生顯著增加，從而改變細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)和細(xì)胞功能[13]。心臟線粒體內(nèi)的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)或輸出障礙均可導(dǎo)致鐵堆積，從而促進(jìn)Nox4表達(dá)，引起脂質(zhì)過氧化物過量產(chǎn)生、線粒體萎縮、心肌細(xì)胞損害[14]。Chen等[15]研究發(fā)現(xiàn)，Nox4激活可導(dǎo)致心力衰竭大鼠ROS生成增加，進(jìn)而引起心肌細(xì)胞線粒體鐵代謝紊亂，促進(jìn)阿霉素誘導(dǎo)的心力衰竭和鐵死亡，而Nox4敲除則可顯著減少心肌細(xì)胞死亡和鐵蓄積。表明Nox4靶向治療可抑制阿霉素誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生，維持心肌細(xì)胞線粒體鐵平衡，減少心肌細(xì)胞損傷和鐵死亡。

2 阿霉素誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化與線粒體鐵代謝及心肌損傷的關(guān)系

2.1谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4) GPX4是一種鐵死亡核心調(diào)控蛋白，可特異性清除有害超氧化物、過氧化物和羥基自由基，減少細(xì)胞膜上多不飽和脂肪酸的過氧化作用。GPX4主要位于線粒體，其表達(dá)水平隨著脂質(zhì)過氧化物的積累而下調(diào)，而脂質(zhì)過氧化代謝產(chǎn)物主要包括丙烯醛和丙二醛。Tadokoro等[7]研究表明，線粒體中的阿霉素-Fe2+復(fù)合物可誘導(dǎo)經(jīng)阿霉素處理的小鼠心肌細(xì)胞GPX4活性降低，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化蓄積及丙二醛水平顯著升高，最終引起心肌萎縮、心臟收縮功能受限和心肌細(xì)胞線粒體鐵死亡；研究還發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)的心肌細(xì)胞中，GPX4過表達(dá)可抑制阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性、減少心肌細(xì)胞線粒體鐵死亡；而GPX4敲除則可加速心臟收縮功能障礙、心肌損傷和鐵死亡的發(fā)生；此外，使用Fe2+螯合劑還可顯著降低經(jīng)阿霉素處理的小鼠心肌細(xì)胞線粒體的鐵水平，并抑制阿霉素誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化和鐵死亡；使用Fe3+螯合劑也可降低線粒體的鐵水平，但不能阻止阿霉素誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化和心肌細(xì)胞死亡。以上研究表明，線粒體是阿霉素誘導(dǎo)的鐵死亡中脂質(zhì)過氧化物產(chǎn)生的主要細(xì)胞器；Fe2+螯合劑在阿霉素誘導(dǎo)心肌細(xì)胞中線粒體鐵代謝起重要作用。

2.2酰基輔酶A硫酯酶1(acyl-CoA thioesterase 1，Acot1) Acot1是脂肪酸代謝中的一種重要酶，可催化脂肪酰基輔酶A轉(zhuǎn)化為輔酶A-SH和非酯化脂肪酸。線粒體是脂質(zhì)過氧化的主要來源之一，而脂質(zhì)過氧化可增加心肌細(xì)胞ROS的產(chǎn)生。Acot1可降低心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激，減少心臟功能損傷，包括脂多糖誘導(dǎo)的心臟損傷和糖尿病性心肌??；Acot1過表達(dá)可抑制阿霉素的細(xì)胞毒性，減少心肌細(xì)胞脂質(zhì)過氧化，并防止心肌細(xì)胞鐵死亡；敲除Acot1后，則心肌細(xì)胞阿霉素毒性的敏感性增強(qiáng)[9]。

鐵抑制素-1是一種鐵死亡抑制劑，其抗鐵死亡活性與清除脂質(zhì)過氧化氫中的亞鐵產(chǎn)生的烷氧基自由基有關(guān)[16]。鐵抑制素-1可通過下調(diào)線粒體脂質(zhì)氧化水平，降低阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性和患者病死率[7]。鐵抑制素-1還可通過抑制Acot1下調(diào)，減少阿霉素引起的鐵死亡和心肌細(xì)胞壞死[9]。通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)阿霉素處理的小鼠鐵死亡形態(tài)學(xué)主要表現(xiàn)為心臟線粒體嵴減少或消失以及線粒體外膜破裂，而應(yīng)用鐵抑制素-1治療可減輕這些病理變化[17]。阿霉素可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞鐵死亡，而鐵抑制素-1可有效防止心臟損傷以及心肌細(xì)胞線粒體的超微結(jié)構(gòu)改變，表明Acot1可能是阿霉素治療中鐵死亡的潛在保護(hù)因子，這種保護(hù)作用可能與其塑造心肌細(xì)胞脂質(zhì)組成的能力有關(guān)。因此，Acot1可能成為鐵死亡抑制劑預(yù)防心臟損害的潛在治療靶點(diǎn)。

2.3血紅素加氧酶-1 血紅素加氧酶-1的表達(dá)是由核因子紅系2相關(guān)因子2的激活引起[18]。核因子紅系2相關(guān)因子2轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核后，與抗氧化基因(包括血紅素加氧酶-1)上游啟動(dòng)子區(qū)域的抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄[19]。目前研究者對(duì)血紅素加氧酶-1的認(rèn)識(shí)仍存在爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為，血紅素加氧酶-1過表達(dá)可保護(hù)小鼠心臟免受損傷[20]；也有研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)血紅素加氧酶-1的轉(zhuǎn)基因小鼠(非野生型的幼仔)在1歲時(shí)發(fā)生了自發(fā)性心力衰竭[21]。另外，血紅素加氧酶-1活性的改變對(duì)博萊霉素誘導(dǎo)的肺損傷[22-23]和腦出血后的腦損傷[24]均具有保護(hù)作用，表明血紅素加氧酶-1在多種組織中發(fā)揮不同的致病作用。研究發(fā)現(xiàn)，阿霉素誘導(dǎo)的核因子紅系2相關(guān)因子2激活可導(dǎo)致小鼠血紅素加氧酶-1表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而使心臟血紅素降解、游離鐵釋放并在線粒體中積累，從而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、鐵死亡，最終導(dǎo)致心肌??；而下調(diào)血紅素加氧酶-1的表達(dá)則可減少阿霉素誘發(fā)的鐵死亡和心臟損傷；研究還發(fā)現(xiàn)，血紅素加氧酶-1抑制劑或鐵螯合劑均可保護(hù)心肌細(xì)胞線粒體免受阿霉素?fù)p害，且與應(yīng)用血紅素加氧酶-1抑制劑或鐵螯合劑相比，應(yīng)用凋亡抑制劑、壞死抑制素-1的小鼠存活率未見顯著升高[25]。因此，血紅素加氧酶-1抑制劑可有效預(yù)防鐵離子蓄積于心肌細(xì)胞，從而誘發(fā)鐵死亡。

3 阿霉素破壞線粒體鐵代謝相關(guān)基因與鐵死亡及心臟毒性的關(guān)系

3.1鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存和利用 鐵是生命必需的微量元素之一，食物中的Fe3+在小腸吸收后被還原為Fe2+，與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合形成轉(zhuǎn)鐵蛋白-Fe，轉(zhuǎn)鐵蛋白-Fe再與細(xì)胞表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)結(jié)合。一方面，鐵離子通過細(xì)胞基底膜上的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(參與細(xì)胞鐵外排的蛋白)輸出至細(xì)胞外[5]。另一方面，F(xiàn)e2+通過二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和線粒體內(nèi)部的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-2介導(dǎo)，將細(xì)胞質(zhì)中的游離鐵運(yùn)送至線粒體基質(zhì)，用于合成血紅素和鐵硫簇或儲(chǔ)存于線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin，F(xiàn)tMt)中；細(xì)胞內(nèi)的這一系列鐵代謝過程均受到與RNA結(jié)合的鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron regulatory protein，IRP)1/2調(diào)控；而鐵硫簇主要通過線粒體內(nèi)膜的ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette transporter protein，ABC)B8將轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)出去，若線粒體內(nèi)的鐵未及時(shí)用于血紅素和鐵硫簇的合成或儲(chǔ)存于FtMt中，則可導(dǎo)致線粒體鐵蓄積[26]。阿霉素可誘導(dǎo)心臟毒性，導(dǎo)致線粒體功能障礙和細(xì)胞內(nèi)鐵積累，從而引發(fā)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存和輸出紊亂，最終導(dǎo)致鐵代謝失調(diào)[7]。

3.2IRP1、IRP2和TfR1 細(xì)胞中的鐵水平受IRP1和IRP2調(diào)節(jié)，而IRP1和IRP2可控制鐵代謝基因的轉(zhuǎn)錄后表達(dá)。IRP通過與其信使RNA中的鐵反應(yīng)元件(iron-responsive elements，IRE)結(jié)合調(diào)節(jié)鐵的攝取、儲(chǔ)存和輸出[27]。當(dāng)IRP與5′非翻譯區(qū)IRE結(jié)合時(shí)，IRP的翻譯被抑制，而IRP與TfR1信使RNA 3′非翻譯區(qū)的IRE相互作用則可阻止IRP降解；IRP對(duì)鐵蛋白和TfR1表達(dá)的同向與反向調(diào)節(jié)作用確保了細(xì)胞有足夠的鐵供應(yīng)，同時(shí)也防止了潛在的毒性鐵的積累[28]。阿霉素可通過激活I(lǐng)RP1和抑制IRP2兩種方式調(diào)節(jié)大鼠H9C2心肌細(xì)胞IRP水平，其中IRP2下調(diào)涉及ROS介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解，IRP1激活是由阿霉素的次生代謝物阿霉素醇引起，而急性治療則可促進(jìn)阿霉素轉(zhuǎn)化為糖苷配基[29-30]。經(jīng)阿霉素治療的小鼠心臟鐵蛋白合成增加、TfR1和IRP2表達(dá)下調(diào)、IRP1活性增加，導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)游離鐵水平降低，減輕對(duì)抗心臟氧化損傷，從而減少鐵死亡、心臟損傷[28,30]。當(dāng)細(xì)胞處于缺鐵狀態(tài)時(shí)，IRP與IRE結(jié)合，阻止鐵蛋白翻譯并下調(diào)其表達(dá)，從而減少鐵儲(chǔ)存，避免鐵死亡發(fā)生；當(dāng)細(xì)胞處于鐵超載狀態(tài)時(shí)，IRP不能與IRE結(jié)合，導(dǎo)致鐵蛋白的翻譯抑制被解除，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞中鐵超載[31]。

3.3ABCB8 ABCB8是ABCB蛋白家族的一員，通過協(xié)調(diào)線粒體內(nèi)鐵的輸出維持線粒體鐵平衡及鐵/硫蛋白成熟。Ichikawa等[32]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)阿霉素處理的新生鼠心肌細(xì)胞線粒體內(nèi)鐵蓄積，ABCB8信使RNA及其蛋白質(zhì)水平均降低；通過細(xì)胞活力測(cè)定實(shí)驗(yàn)和DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法染色評(píng)估發(fā)現(xiàn)，與普通新生鼠相比，經(jīng)阿霉素處理的ABCB8表達(dá)下調(diào)的新生鼠心肌細(xì)胞鐵水平顯著升高；另一方面，在體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)基因小鼠心臟中，ABCB8過表達(dá)可降低阿霉素誘發(fā)的心肌細(xì)胞線粒體鐵超載和心肌細(xì)胞死亡，因此阿霉素引起的心肌細(xì)胞線粒體鐵代謝紊亂及心肌病均與ABCB表達(dá)受到抑制有關(guān)；研究還發(fā)現(xiàn)，無論在體外還是體內(nèi)阿霉素均可顯著降低ABCB信使RNA和蛋白水平，同時(shí)線粒體鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-2水平無顯著變化，但鐵存儲(chǔ)相關(guān)的FtMt及其信使RNA水平則顯著升高，這可能是機(jī)體對(duì)線粒體鐵水平增加的代償反應(yīng)。表明阿霉素引起的心肌細(xì)胞鐵代謝失衡可能由鐵輸出減少所致，而不是由鐵輸入增加導(dǎo)致。

3.4FtMt FtMt具有抗氧化特性，可保護(hù)線粒體免受鐵介導(dǎo)的氧化損傷，同時(shí)降低線粒體游離鐵水平和ROS形成，F(xiàn)tMt通過誘導(dǎo)具有抗氧化功能的超氧化物歧化酶2的過度激活而發(fā)揮抗氧化活性[33-35]。阿霉素可通過氧化還原循環(huán)促進(jìn)心臟氧化應(yīng)激，使超氧化物歧化酶2失活，從而降低FtMt表達(dá)，導(dǎo)致線粒體內(nèi)鐵積累，出現(xiàn)心臟損害[35]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMt過表達(dá)可抑制阿霉素對(duì)鐵失衡的作用，抵抗過氧化氫誘導(dǎo)的氧化損傷，減少ROS生成，從而導(dǎo)致線粒體內(nèi)鐵水平降低，進(jìn)而避免鐵死亡、心功能損害的發(fā)生[33]。Maccarinelli等[36]發(fā)現(xiàn)，敲除FtMt可導(dǎo)致經(jīng)阿霉素處理的小鼠心臟纖維紊亂、線粒體損傷甚至死亡。表明FtMt可抑制鐵進(jìn)入氧化還原循環(huán)，保護(hù)細(xì)胞免受阿霉素誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性，維持線粒體內(nèi)鐵代謝，從而預(yù)防鐵死亡的發(fā)生。

4 小 結(jié)

阿霉素可治療多種腫瘤疾病，但心臟毒性限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。阿霉素誘導(dǎo)的鐵死亡及心臟損傷由多種機(jī)制共同作用導(dǎo)致，除ROS生成增加、脂質(zhì)過氧化外，阿霉素還可通過影響心肌細(xì)胞線粒體鐵代謝相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致鐵代謝紊亂，最終致鐵死亡和心肌細(xì)胞不可逆損傷。而鐵螯合劑、血紅素加氧酶-1抑制劑、線粒體特異性抗氧化劑等均可預(yù)防或減輕阿霉素引起的鐵死亡、心臟毒性。因此，未來還應(yīng)進(jìn)一步深入研究阿霉素誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體鐵死亡的機(jī)制，探索新的干預(yù)方法和治療策略，以減少患者心臟毒性的發(fā)生。