鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷中的研究進展

林萬鵬 楊驕霞 鄭麗婷 馮 莉 游紫陽

(1. 牡丹江醫(yī)學院 研究生處， 黑龍江 牡丹江 157011； 2. 牡丹江醫(yī)學院 附屬紅旗醫(yī)院 心血管內(nèi)科， 黑龍江 牡丹江 157011)

及時恢復心肌灌注可有效提高急性心肌梗死患者生存率，溶栓或經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention, PCI)是臨床上開通罪犯血管的有效治療手段，但隨之帶來的心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury, MIRI)嚴重影響了血運重建的臨床獲益。針對MIRI的防治，目前臨床上尚無行之有效的治療手段。2012年Dixon[1]首次提出了鐵死亡的概念，其以鐵超載和脂質(zhì)過氧化為特征，氧化物在細胞膜的積累最終導致細胞損傷或死亡。Shan等[2]構建了心肌缺血再灌注損傷大鼠模型，觀察到心肌細胞發(fā)生了鐵死亡，并使用花青素-3-葡萄糖苷降低細胞氧化應激水平和Fe2+含量，有效減小了心肌梗死面積，明確了鐵死亡在MIRI中的作用。本文就鐵死亡與MIRI之間的最新研究進展進行綜述，探討鐵死亡在MIRI調(diào)控中的重要作用。

1 鐵死亡概述

鐵是人體必須微量元素，正常含量的鐵對維持心臟功能至關重要，但有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體中過量的鐵會導致細胞發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應，影響細胞膜的結構和功能，直接誘發(fā)鐵死亡[3]。鐵死亡受親脂性抗氧化劑和鐵螯合劑抑制而不受細胞凋亡或壞死性凋亡抑制劑的影響，說明鐵死亡是區(qū)別于細胞凋亡和壞死的一種新型細胞死亡模式[4]?；钚匝?reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生是鐵死亡的關鍵環(huán)節(jié)，鐵死亡是鐵依賴性、過氧化驅動和非凋亡形式的細胞死亡。

2 鐵死亡調(diào)控機制

2.1 鐵代謝

鐵穩(wěn)態(tài)是由鐵的攝取、轉移、儲存和消耗等來維持的。二價金屬轉運蛋白-1是轉運鐵的關鍵蛋白，其能將細胞外Fe3+通過轉鐵蛋白受體1轉入細胞后形成內(nèi)體，細胞色素b還原酶1將不溶性Fe3+轉化為可吸收性Fe2+，F(xiàn)e2+從內(nèi)體轉運至細胞質(zhì)的不穩(wěn)定鐵池中[5]。額外的鐵可儲存在鐵蛋白中或通過鐵轉運蛋白輸出至骨髓或其他組織。若血漿中的轉鐵蛋白減少，則鐵將與白蛋白和陰離子結合形成非轉鐵蛋白結合鐵，被組織細胞吸收，導致鐵超載。鐵超載會誘發(fā)多不飽和脂肪酸發(fā)生氧化反應，導致細胞死亡[6]。

2.2 脂質(zhì)代謝

脂質(zhì)過氧化反應是指脂質(zhì)在自由基或脂質(zhì)過氧化酶的作用下失去氫原子，生成脂質(zhì)氫過氧化物、丙二醛和4-羥基壬烯醛等物質(zhì)，其產(chǎn)物中的磷脂氫過氧化物(phosphol lipid hydroperoxide, PLOOH)被認為是鐵死亡的執(zhí)行者[7]。多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)是細胞膜磷脂的主要成分，作為PLOOH的前體物質(zhì)之一，PUFA能夠形成脂質(zhì)ROS，而ROS是鐵死亡的主要特征。PUFA是鐵死亡過程中最容易發(fā)生過氧化的脂質(zhì)，脂質(zhì)過氧化能改變PUFA的分子構型，破壞細胞膜的流動性和穩(wěn)定性，導致細胞發(fā)生鐵死亡[8]。干預PUFA合成和分解的關鍵酶，能夠調(diào)控細胞對鐵死亡的敏感性。

2.3 谷胱甘肽代謝

谷胱甘肽(glutathione, GSH)和谷胱甘肽過氧化酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)是細胞內(nèi)的抗氧化劑，其主要作用是清除過多的脂質(zhì)自由基，使細胞免受氧化損傷。GSH為GPX4降解脂質(zhì)過氧化物提供電子，GPX4可防止脂質(zhì)ROS積累，從而保護細胞免受鐵死亡[9]。鐵死亡激活劑RSL3能直接抑制GPX4活性，通過硒代半胱氨酸途徑引起細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物的積累，導致細胞死亡。FINO2是最近發(fā)現(xiàn)的新型鐵死亡激活劑，F(xiàn)INO2可在氧化PUFA的同時抑制GPX4，是干預鐵死亡的新靶點[10]。有研究指出，Liproxstatin-1(鐵死亡抑制劑)能夠減少線粒體ROS的產(chǎn)生，從而保護線粒體結構完整，拮抗再灌注引起的抗氧化劑GPX4減少，恢復GPX4水平，從而減輕MIRI[11]?？梢?，GPX-4的間接或直接失活是鐵死亡的典型誘導機制。

3 鐵死亡與心肌缺血再灌注損傷

心肌細胞非正常死亡主要由缺血損傷和再灌注損傷兩方面構成。動物實驗發(fā)現(xiàn)，在再灌注開始30 min后靜脈輸注抗氧化劑，可將心肌梗死面積減少50%[12]。這提示再灌注損傷可能比缺血性心肌損傷更易造成心肌細胞死亡。目前，鐵死亡在MIRI中的作用主要集中在鐵超載、自噬性鐵死亡、脂質(zhì)ROS和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激等方面。

3.1 鐵超載與心肌缺血再灌注損傷

鐵超載與MIRI密切相關。生理條件下，大部分鐵與轉鐵蛋白或鐵蛋白緊密結合。在缺血期間，大量鐵從鐵蛋白中釋放出來，導致鐵超載[13]。抑制鐵超載可減輕MIRI，去鐵胺(一種鐵螯合劑)能與血漿或組織中的鐵離子結合從而降低體內(nèi)鐵含量。臨床實驗發(fā)現(xiàn)，對冠狀動脈旁路移植術的患者輸注去鐵胺，可有效控制鐵超載，減輕MIRI[14]。

誘導鐵超載可觸發(fā)MIRI。HFE基因敲除的小鼠心臟鐵、ROS含量更高，從而更容易出現(xiàn)再灌注損傷和心肌細胞凋亡[15]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)能夠提高鐵轉運蛋白在細胞中的表達，降低細胞內(nèi)鐵含量以保護心臟免受再灌注損傷的影響。在mTOR高表達的轉基因小鼠中觀察到，再灌注后心肌細胞ROS的產(chǎn)生明顯減少，即mTOR能通過調(diào)控鐵超載抑制心肌細胞的鐵死亡，mTOR是預防MIRI的新靶點[16]。

3.2 自噬性鐵死亡與心肌缺血再灌注損傷

自噬主要用來描述溶酶體去除和降解功能障礙的細胞器或蛋白質(zhì)。鐵死亡與自噬存在共同的基因及信號傳導通路，這表明自噬與鐵死亡密切相關。在MIRI過程中，適度自噬對心肌細胞的存活具有保護意義，但過度自噬可能會加速缺血性心臟病的發(fā)展，并且會導致細胞內(nèi)氧化應激水平升高，從而發(fā)生自噬性鐵死亡。

心肌缺血期間自噬對心肌細胞具有保護作用。首先自噬可以通過自噬溶酶體途徑提供能量來源以增加ATP的產(chǎn)生來補償細胞能量損失；其次自噬可去除過多的受損蛋白質(zhì)，這對細胞來說具有一定的保護作用；最后，自噬可減少ROS含量并去除受損的細胞器，從而阻止這些細胞器釋放細胞色素c等促凋亡因子[17]。而在再灌注期間，ROS的積累會抑制Atg4的半胱氨酸蛋白酶活性，導致LC3脂化和自噬，并且增加Beclin1表達。在缺血早期Beclin1的激活是啟動自噬所必需的，但在再灌注階段Beclin1持續(xù)活動會導致分解代謝過度和細胞死亡[18]。此外，再灌注期間自噬體清除障礙與心肌細胞死亡有關。下調(diào)ELAV樣蛋白1(recombinant ELAV like protein 1，ELAVL1)可減少鐵死亡并改善再灌注損傷，抑制ELAVL1也可抑制自噬，自噬的激活能逆轉ELAVL1敲除對鐵死亡和MIRI的保護作用[19]。這表明ELAVL1敲除后可能通過抑制自噬來拮抗鐵死亡并改善MIRI。自噬是鐵死亡的誘因之一，自噬在很大程度上參與并促成MIRI[20]。

3.3 脂質(zhì)ROS與心肌缺血再灌注損傷

鐵死亡已被確定與MIRI發(fā)病機制中的氧化應激密切相關，ROS過量是導致細胞發(fā)生氧化應激的原因。線粒體的主要功能是為脂質(zhì)ROS生成提供三羧酸循環(huán)和電子傳遞。在缺血期間，線粒體結構改變和功能障礙會產(chǎn)生過量的ROS，再灌注也會破壞ROS的清除機制，使細胞無法清除過量的ROS。ROS會破壞細胞膜的屏障功能進而導致細胞死亡[21]。抑制ROS水平可減輕MIRI，急性心肌梗死患者在接受再灌注前立即給予ROS清除劑，可顯著減少梗死面積和再灌注損傷。類胡蘿卜素具有抗氧化、抗炎和抗增殖的特性，可通過抑制ROS產(chǎn)生、降低內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)表達來減輕MIRI[22]。

抗氧化劑可保護組織免受氧化應激損傷，并在心肌再灌注后產(chǎn)生心臟保護作用。酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl coenzyme A synthetase long chain member 4，ACSL4)是脂質(zhì)過氧化的核心因素。在缺血再灌注動物模型中觀察到ACSL4蛋白表達增加，應用黃芩苷可通過抑制ACSL4控制的鐵死亡來減輕MIRI[23]。ROS還參與再灌注后的炎癥反應，刺激白細胞聚集，后者可釋放更多的ROS。氧化與抗氧化系統(tǒng)失衡是導致細胞發(fā)生鐵死亡的直接原因，通過干預ROS的產(chǎn)生及作用過程，可減少MIRI。

3.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與心肌缺血再灌注損傷

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是指在低氧、鈣穩(wěn)態(tài)失衡、氧化應激和炎癥等因素刺激下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum, ER)中未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)過度積累，導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應[24]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激具有保護作用，但持續(xù)應激會引起細胞死亡。再灌注期間，鈉、鈣通道功能因缺血缺氧而受損，ER應激使得肌漿網(wǎng)向細胞中釋放過多的鈣離子。這會導致線粒體鈣超載和ROS產(chǎn)生升高，通過級聯(lián)放大反應激活下游caspase蛋白，從而啟動MIRI過程。再灌注期間應用ER應激抑制劑?；切苋パ跄懰岷?，葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(ER穩(wěn)態(tài)標志物)表達顯著降低，這說明抑制ER應激可減輕MIRI[25]。

ER應激不但能啟動細胞凋亡、自噬，而且能引起鐵死亡。研究表明，ER應激誘導劑能通過自噬過程促進ROS產(chǎn)生，并誘導脂質(zhì)過氧化反應，導致細胞發(fā)生鐵死亡[26]。反之，鐵死亡也可以通過抑制System Xc介導的細胞外胱氨酸與細胞內(nèi)谷氨酸的交換來誘發(fā)ER應激反應[27]。ER應激反應構建起了鐵死亡和其他類型的細胞死亡之間的橋梁。綜上，鐵死亡與ER應激相互促進、相互誘導，故鐵死亡誘導的ER應激是MIRI的重要凋亡機制。

4 小結和展望

已有大量研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡在MIRI中起到關鍵作用，鐵超載、自噬性鐵死亡、ROS產(chǎn)生、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激等多途徑參與MIRI過程。靶向鐵死亡治療可減輕MIRI，但相關研究多集中在動物和細胞水平，如何將動物基礎實驗轉化為臨床效益，仍需進一步探索。