鐵死亡在阿爾茨海默病中的研究進(jìn)展

姚 豆，田首元，郭志佳，李 貝，張晉毓

(山西醫(yī)科大學(xué)a.麻醉學(xué)系； b.第一醫(yī)院麻醉科，太原 030000)

鐵死亡是DIXON等在2012年首次提出的一種以細(xì)胞內(nèi)鐵積累為特征的細(xì)胞死亡形式，與細(xì)胞壞死、凋亡和自噬不同，鐵死亡以細(xì)胞體積減少、線粒體膜密度增加為特征，但是無典型的壞死和凋亡的表現(xiàn)[1]。有研究[2]表明，鐵死亡在神經(jīng)元死亡和神經(jīng)系統(tǒng)疾病(包括創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)、阿爾茨海默病、帕金森式病和亨廷頓氏病)中起關(guān)鍵作用。本文通過總結(jié)鐵死亡的機(jī)制及其與阿爾茨海默病(AD)的關(guān)系，為AD的治療研究提供新的治療靶點(diǎn)。

1 鐵死亡的特點(diǎn)及調(diào)控

1.1 鐵死亡的特點(diǎn)

在形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)上，鐵死亡與其他形式的細(xì)胞死亡有所區(qū)別[3]。鐵死亡的主要形態(tài)學(xué)特征表現(xiàn)為線粒體嵴的減少或消失，線粒體膜的收縮和線粒體體積的縮小[4]。鐵依賴性活性氧(ROS)的積累、谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)的失活和谷胱甘肽(GSH)水平降低是鐵死亡的主要生物化學(xué)變化。

1.2 鐵死亡的代謝調(diào)控

目前，鐵死亡的代謝調(diào)控機(jī)制比較復(fù)雜，許多方面尚未明確，下文主要從鐵代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝3個(gè)方面來闡述。

1.2.1 鐵代謝

鐵代謝是鐵死亡的調(diào)控機(jī)制之一，可作為調(diào)節(jié)鐵死亡的靶點(diǎn)。鐵離子的積累會(huì)引起鐵死亡，因此，鐵離子的吸收、釋放和儲(chǔ)存會(huì)影響鐵死亡的敏感性。在鐵死亡過程中起調(diào)節(jié)作用的蛋白包括轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf))、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR)、鐵調(diào)節(jié)蛋白鐵應(yīng)答元件結(jié)合蛋白2(IREB2)和核受體共激活因子4(NCOA4)等。鐵死亡時(shí)，Tf與TfR結(jié)合把鐵從細(xì)胞外轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)，促進(jìn)鐵死亡。相反，從培養(yǎng)基中去除Tf則抑制細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[2]，提示Tf在鐵死亡中發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)，鐵死亡受IREB2的調(diào)控。沉默IREB2基因可以減少細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生[5]。此外，熱休克蛋白β1(HSPB1)可通過抑制TfR1的表達(dá)而降低細(xì)胞內(nèi)的鐵離子濃度，故過表達(dá)HSPB1可抑制鐵死亡[6]。

1.2.2 氨基酸代謝

胱氨酸是參與鐵死亡的關(guān)鍵氨基酸。細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸主要通過谷氨酸/半胱氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體攝取胞外的胱氨酸而獲得[7]。進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸能迅速還原成半胱氨酸，并參與GSH的合成。GSH是保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷的關(guān)鍵酶[8]，對(duì)GSH依賴性酶如GPX4的功能活性非常重要。同時(shí)，GPX4利用GSH中的硫醇基團(tuán)作為電子供體，影響細(xì)胞的抗氧化反應(yīng)[9]。因此，GSH耗盡引起GPX4失活，將增加細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物，誘導(dǎo)鐵死亡[10]。有研究[11]表明，敲除小鼠GPX4或直接使用RSL3(GPX4抑制劑)可促進(jìn)脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞內(nèi)ROS的積累，提示GPX4可能是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)控因子。

1.2.3 脂質(zhì)代謝

脂質(zhì)代謝也是影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡靈敏度的重要因素。多不飽和脂肪酸(PUFA)含有容易被提取的雙烯丙基氫原子，易發(fā)生脂質(zhì)過氧化，是鐵死亡所必需的物質(zhì)。游離的PUFAs是合成脂質(zhì)信號(hào)傳遞介質(zhì)的底物，但必須將其酯化為膜磷脂并進(jìn)行氧化才可成為鐵死亡信號(hào)[12]。脂質(zhì)組學(xué)研究[13]顯示，含有花生四烯酸(C20：4)或其衍生產(chǎn)物腎上腺酸(C22：4)的磷脂酰乙醇胺(PEs)是脂質(zhì)氧化和驅(qū)動(dòng)細(xì)胞向鐵死亡發(fā)展的關(guān)鍵磷脂。

酰基-CoA合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4(ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3(LPCAT3)是2個(gè)脂質(zhì)代謝相關(guān)基因，分別編碼PUFAs酰化和插入膜磷脂所需的酶[11]。DIXON等[14]研究發(fā)現(xiàn)，LPCAT3和ACSL4的缺失可以防止RSL3和ml162誘導(dǎo)的KBM7細(xì)胞的死亡，這表明抑制磷脂的合成可以抑制鐵死亡。

2 鐵死亡與AD

AD是一種神經(jīng)退行性疾病，起病隱匿，進(jìn)展緩慢，是癡呆癥最常見的一種。其主要病理特征是細(xì)胞外含有的淀粉樣蛋白(A)肽的神經(jīng)性斑塊和細(xì)胞內(nèi)含有的tau蛋白神經(jīng)纖維纏結(jié)的聚集，主要臨床癥狀是認(rèn)知功能逐漸喪失，最終導(dǎo)致喪失進(jìn)行日常生活的能力[15]。由于AD的發(fā)病機(jī)制尚不十分清楚，目前尚無有效的手段來預(yù)防該病的發(fā)生或延緩該病的進(jìn)展。

隨著AD與鐵死亡機(jī)制研究的不斷深入，越來越多的證據(jù)[16-19]表明AD發(fā)病機(jī)制與鐵死亡機(jī)制密切相關(guān)。

2.1 鐵離子的積累與AD的關(guān)系

鐵是一種內(nèi)源性金屬離子，參與腦內(nèi)許多重要的生理活動(dòng)。在生理狀態(tài)下，鐵離子被人體吸收、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和排出，以維持其在體內(nèi)的正常水平。一旦游離鐵離子富集，細(xì)胞就會(huì)產(chǎn)生過量的活性氧，導(dǎo)致鐵死亡發(fā)生。因此，鐵離子含量的增加可能是AD發(fā)病的原因之一。

有研究[16-19]顯示，鐵代謝異常與AD的發(fā)病有關(guān)。有研究[17-19]發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，AD患者大腦海馬、皮質(zhì)葉和基底神經(jīng)節(jié)區(qū)域的鐵含量升高，而大腦皮層，腦干和小腦中鐵含量較低，而且，腦組織中鐵含量和鐵蛋白含量與淀粉樣蛋白沉積的程度有關(guān)，提示大腦中鐵含量的增加會(huì)影響AD的進(jìn)程。ROGERS等[20]研究顯示，肌肉注射鐵螯合劑去鐵胺(DFO)的AD患者日常生活能力下降程度較安慰劑的AD患者有所緩解，表明DFO可以減緩AD的進(jìn)展。

2.2 鐵死亡與AD的關(guān)系

在AD患者和小鼠的大腦組織中可檢測(cè)到與鐵死亡有關(guān)的特征如鐵代謝異常，谷氨酸興奮性中毒和脂質(zhì)ROS積累等[21]。例如，有研究[22]表明，AD患者腦內(nèi)的鐵蛋白與腦脊液載脂蛋白的含量相關(guān)，鐵蛋白的增加伴隨著AD風(fēng)險(xiǎn)基因APOE-stat4的表達(dá)上調(diào)，提示鐵離子水平可作為AD的危險(xiǎn)因素之一，而鐵死亡可能在AD時(shí)神經(jīng)元的死亡中起重要作用。另有研究[23]顯示，鐵作用時(shí)胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)受體(xc系統(tǒng))功能障礙可導(dǎo)致細(xì)胞外谷氨酸濃度升高，GSH合成減少，引起谷氨酸興奮性中毒，而谷氨酸興奮性中毒是AD的發(fā)病機(jī)制之一。此外，氧化應(yīng)激也與AD密切相關(guān)。最近的研究[24]表明，氧化應(yīng)激可促進(jìn)寡聚A蛋白紊亂和tau蛋白纏絲誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性。故鐵死亡過程中脂質(zhì)ROS的積累可引起細(xì)胞的氧化損傷，導(dǎo)致神經(jīng)元損傷和AD的發(fā)生[25]。

鐵死亡還可影響負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)元。在HAMBRIGHT等[26]的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，特異性敲除大腦皮層和海馬神經(jīng)元的GPX4基因的小鼠在水迷宮測(cè)試中表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知障礙及海馬神經(jīng)元變性，而鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1可以逆轉(zhuǎn)這些變化；同時(shí)，給小鼠喂食高維生素E的食物或給予鐵作用抑制物萘普生丁-1可改善神經(jīng)退行性變，提示退化的神經(jīng)元可能正在經(jīng)歷鐵死亡。ZHANG等[27]研究表明，Tau蛋白的過表達(dá)和過磷酸化可導(dǎo)致鐵傳遞蛋白神經(jīng)元死亡，而α-硫辛酸可通過下調(diào)TfR、降低P38水平、上調(diào)xCT和GPX4的表達(dá)來降低神經(jīng)元鐵死亡的發(fā)生。

2.3 基于鐵死亡調(diào)控的AD治療研究

如前所述，鐵代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝是調(diào)控鐵死亡的重要途徑，因此這些途徑均有可能成為治療AD的新靶點(diǎn)和新策略。鐵螯合劑是靶向鐵死亡用于AD的最常用藥物。例如，去鐵胺是一種目前已在臨床使用的可口服鐵螯合劑，可穿過血腦屏障。此外，還有作用于脂質(zhì)過氧化的鐵死亡抑制劑。吡格列酮是一種用于治療2型糖尿病患者的藥物，具有降低血糖的作用。最近研究[28]表明它也是ACSL4的抑制劑，長(zhǎng)期使用吡格列酮已顯示可降低2型糖尿病患者發(fā)生癡呆癥的風(fēng)險(xiǎn)。維生素E和維生素E的代謝產(chǎn)物也可抑制脂氧合酶并防止鐵死亡[29]。例如，DYSKEN等[30]的臨床試驗(yàn)表明補(bǔ)充維生素E可以延緩輕度至中度AD患者疾病的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵死亡作為新的細(xì)胞死亡形式，有多種代謝途徑調(diào)控其發(fā)生，包括鐵代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝，但其具體機(jī)制仍有待探索。鐵死亡與AD密切相關(guān)，可能是導(dǎo)致AD神經(jīng)退行性變的一種潛在機(jī)制，但是AD中鐵死亡的具體機(jī)制仍不明確。雖然臨床已有部分靶向鐵死亡的藥物在AD治療中顯示其效果，但眾多的其他鐵死亡抑制劑仍未在AD模型中進(jìn)行驗(yàn)證。這些均是未來鐵死亡在AD應(yīng)用研究中的方向。