鐵死亡在阿爾茨海默病中作用的研究進展

徐 娟，李 曄

(昆明理工大學(xué) 醫(yī)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一種神經(jīng)退行性疾病，患病者多表現(xiàn)記憶力減退、意識模糊和認(rèn)知功能受損，且該病多發(fā)于老年人群，又稱為老年癡呆[1]。目前，沒有有效治療方法來減緩、治療或逆轉(zhuǎn)AD。其主要的病理學(xué)假說是：β-淀粉樣蛋白(amyloid beta, Aβ)沉積形成的老年斑和異常p-Tau蛋白形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)導(dǎo)致神經(jīng)元的丟失和死亡[2-3]。但全球范圍內(nèi)基于這兩個假設(shè)的大量靶向藥物臨床試驗均以失敗告終，AD的研究重點正在轉(zhuǎn)向替代或創(chuàng)新領(lǐng)域。鐵死亡(ferroptosis)是近年來發(fā)現(xiàn)的一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式，它由鐵依賴性脂過氧化驅(qū)動，是細(xì)胞代謝和氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡的結(jié)果[4]，可以通過藥理學(xué)或遺傳手段直接消耗鐵來抑制脂質(zhì)過氧化進而抑制鐵死亡。鐵死亡的特征如：鐵失調(diào)、活性氧(reactive oxygen species, ROS)累積、谷胱甘肽(glutathione, GSH)水平降低和谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)失活[5]，也是AD和認(rèn)知功能障礙的重要病理事件；并且通過高通量測序后發(fā)現(xiàn)鐵死亡相關(guān)差異表達基因在AD相關(guān)的基因集中高度富集[6]。因此，鐵死亡可能為AD的基礎(chǔ)研究和臨床治療提供新的研究方向。

1 鐵死亡與阿爾茨海默病(AD)

1.1 AD中的鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)

鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)參與了AD的發(fā)病機制，已通過影像學(xué)和組織學(xué)檢查證實AD中下顳葉皮層是主要受鐵負(fù)荷影響的腦區(qū)[7]。鐵是生物化學(xué)中大多數(shù)自由基的生化來源，鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)與AD的氧化應(yīng)激密切相關(guān)。

AD大腦中會出現(xiàn)鐵蛋白的功能異常并形成鐵蛋白聚集體，正常鐵蛋白用于儲存惰性形式鐵Fe(Ⅲ)，它不會促進脂質(zhì)過氧化，相反鐵蛋白的功能異常會導(dǎo)致鐵釋放到不穩(wěn)定的亞鐵池中，導(dǎo)致對鐵死亡的敏感性更高[8]。鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)與AD中β-淀粉樣蛋白(Aβ)和Tau蛋白病變有關(guān)，其通過將淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)運輸?shù)缴窠?jīng)元表面來促進鐵輸出蛋白和轉(zhuǎn)運蛋白的穩(wěn)定，可溶性Tau蛋白的損失可能導(dǎo)致鐵升高，并且Tau導(dǎo)致的鐵升高會加劇Aβ毒性[7]。鐵轉(zhuǎn)運蛋白1(ferroportin 1, FPN1)是目前被證實唯一的哺乳動物體內(nèi)表達的非血紅素鐵輸出蛋白，在阿爾茨海默病模型小鼠和阿爾茨海默病患者大腦中，高濃度Aβ引起的細(xì)胞毒性可以直接誘導(dǎo)原代神經(jīng)元和海馬中FPN1的下調(diào)，表明Aβ形成、FPN1下調(diào)和鐵積累會形成AD復(fù)雜惡性循環(huán)。此外，F(xiàn)PN1過表達可緩解AD模型小鼠的記憶障礙。隨著AD中FPN1的表達降低，細(xì)胞中鐵排出減少導(dǎo)致氧化還原活性亞鐵池升高，通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，生成活性氧(readive oxygen species,ROS)誘導(dǎo)鐵死亡并增強神經(jīng)炎性反應(yīng)[6]。

1.2 AD中與鐵死亡有關(guān)的脂質(zhì)過氧化

1.2.1 AD中脂質(zhì)過氧化的物質(zhì)基礎(chǔ)：過量的脂質(zhì)過氧化物會產(chǎn)生細(xì)胞毒性，影響膜結(jié)構(gòu)，從而影響許多生物能量和信號傳遞過程，甚至影響細(xì)胞膜的完整性[9]。大腦富含脂質(zhì)，耗氧量高，極易受到脂質(zhì)過氧化的攻擊。在AD大腦中，細(xì)胞內(nèi)Aβ積累可以誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，會影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成蛋白質(zhì)和二硫鍵導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯誤折疊，同時也會使細(xì)胞內(nèi)主要內(nèi)源性抗氧化劑GSH水平降低，這種應(yīng)激條件會導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)ROS增加[10]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以通過Ca2+信號傳導(dǎo)改變線粒體代謝，Aβ也可以直接導(dǎo)入線粒體并對其功能產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致ROS產(chǎn)生和GSH減少[11]。這種氧化應(yīng)激的增加可能直接導(dǎo)致脂氧合酶(lpoxygenases, LOXs)的激活，LOXs是一類非血紅素型鐵酶家族，這種酶需要鐵來催化，可通過細(xì)胞膜多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)過氧化作用引起鐵死亡[12]。因此，AD患者大腦中大量ROS可以與PUFA反應(yīng)并誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化，為鐵死亡的發(fā)生提供驅(qū)動力。

1.2.2 AD中NOX4過表達促進脂質(zhì)過氧化：在AD的早期，線粒體功能障礙引起的氧化應(yīng)激會導(dǎo)致ROS的過度產(chǎn)生[10]。在AD患者和AD模型小鼠的大腦皮層受損星形膠質(zhì)細(xì)胞中，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(NADPH oxidases 4, NOX4)蛋白水平顯著升高。NOX4的過表達會減少星形膠質(zhì)細(xì)胞線粒體中組成電子傳遞鏈的五種蛋白質(zhì)復(fù)合物和ATP的產(chǎn)生，從而抑制線粒體呼吸，顯著增加線粒體代謝損傷，促進ROS產(chǎn)生、線粒體斷裂并抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞抗氧化過程誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，增加了鐵死亡依賴性細(xì)胞毒性[13-14]。NOX4水平升高會還會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化最常見的有毒副產(chǎn)物和標(biāo)志物之一——高度反應(yīng)性親電子醛4-羥基壬烯醛(4-hydroxynonenal, 4HNE)的積累促進鐵死亡。4HNE能夠修飾Aβ肽并促進其錯誤折疊和聚集，已在不同階段AD患者的大腦中檢測到4HNE復(fù)合物[15]，這說明與鐵死亡有關(guān)的脂質(zhì)過氧化累及AD大腦。鐵死亡衍生的死細(xì)胞還可以釋放損傷相關(guān)分子模式，將細(xì)胞微環(huán)境引向促炎狀態(tài)[16]。提示鐵死亡損傷相關(guān)分子模式可能作為AD患者的診斷標(biāo)志物。

1.2.3 Xc-系統(tǒng)和GPX4是脂質(zhì)過氧化的防御系統(tǒng)：人體中有兩個重要的鐵死亡防御系統(tǒng)，關(guān)閉這些脂質(zhì)過氧化的防御系統(tǒng)例如，抑制胱氨酸-谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白(system Xc-)使細(xì)胞缺乏半胱氨酸，GSH合成減少，并導(dǎo)致依賴GSH的GPX4失效，導(dǎo)致致死水平的脂質(zhì)過氧化，誘導(dǎo)鐵死亡。Xc-由一個輕鏈亞基(xCT/SLC7A11)和一個重鏈亞基組成，其工作原理是排出胞內(nèi)谷氨酸的同時，攝取胞外胱氨酸，促進GSH合成[17]。在AD大腦中xCT上調(diào)并伴隨Xc-系統(tǒng)的功能抑制，并且觀察到興奮性谷氨酸鹽與抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸的比率增加，表明AD中谷氨酸鹽誘導(dǎo)的興奮性毒性增強。xCT上調(diào)導(dǎo)致的谷氨酸輸出增加可能會降低細(xì)胞內(nèi)谷氨酸轉(zhuǎn)氨反應(yīng)，從而產(chǎn)生檸檬酸循環(huán)中間體，進而導(dǎo)致AD中的能量缺乏[18]。GPX4是一種細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶，可以將GSH氧化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)的同時解毒細(xì)胞膜上產(chǎn)生的過氧化產(chǎn)物。GPX4活性降低將直接抑制或耗盡細(xì)胞內(nèi)GSH導(dǎo)致過氧化脂類的積累，脂質(zhì)氧化降解導(dǎo)致ROS積聚促進鐵死亡發(fā)生[19]。此外，在AD中，GPX4水平降低會導(dǎo)致長鏈脂酰輔酶A合成酶4(long-chain acyl-CoA synthetase 4, ACSL4)表達增強。ACSL4負(fù)責(zé)將花生四烯酸(一種PUFA)插入磷脂，特別是磷脂酰乙醇胺，有助于形成4HNE[20](圖 1)。Xc-系統(tǒng)和GPX4是鐵死亡的重要保護機制，或許也能保護AD大腦避免遭受脂質(zhì)過氧化損傷，但試圖通過Xc-靶向恢復(fù)谷胱甘肽抗氧化能力來抑制鐵死亡時必須謹(jǐn)慎，因為xCT上調(diào)，可能會導(dǎo)致AD中的進一步興奮性毒性和能量缺乏。

2 針對鐵死亡對阿爾茨海默病(AD)的治療

目前，AD藥物開發(fā)的進展受到阻礙，以Aβ和Tau作為AD治療靶點的大量藥物臨床試驗均未成功，因此迫切需要尋找新的治療策略。研究人員針對氧化應(yīng)激、氧化還原金屬和神經(jīng)元死亡的幾種有前景的療法進行了新的探索。一些抗氧化劑例如，維生素E和C并沒有改變AD疾病進程。鐵螯合劑去鐵酮，雖然在AD的臨床實驗中使AD進程顯著減慢，但患者認(rèn)知或記憶力沒有得到改善，并出現(xiàn)食欲和體重減輕等副作用[21]。鐵死亡抑制劑，例如ferrostatins-1，通過降低鐵含量和脂質(zhì)過氧化，上調(diào)SLC7A11和GPX4的水平可以改善退行性腦疾病模型，如帕金森病(Parkinson’s disease, PD)的神經(jīng)元丟失和認(rèn)知障礙[22]，這說明通過抑制鐵死亡來抑制神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展是有潛力的。然而，鐵死亡抑制劑在AD模型中的治療效果仍然難以捉摸，因為關(guān)于鐵死亡抑制劑治療AD的實驗研究還嚴(yán)重缺乏，這或許能成為未來AD治療可行方向。脂質(zhì)過氧化在AD發(fā)生鐵死亡的潛在機制中起著關(guān)鍵作用，脂肪酸合酶抑制劑黃酮類漆黃素的小分子和衍生物CMS121可以通過靶向抑制脂肪酸合酶(一種將丙二酰輔酶A轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)前體棕櫚酸酯的酶，AD中脂質(zhì)合成關(guān)鍵酶)來增加脂質(zhì)利用并減少脂質(zhì)合成，可防止過度脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致的鐵死亡，并能減少AD小鼠海馬中有毒的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物4HNE，從而減輕AD模型小鼠的認(rèn)知功能障礙[15]。但需要進一步研究以確定CMS121是否確實可以逆轉(zhuǎn)任何預(yù)先存在的AD病理，探索新的保護機制，開發(fā)一種新的潛在抗AD藥物。

圖1 AD中的鐵死亡相關(guān)機制Fig 1 Mechanisms related to ferroptosis in AD

3 問題與展望

雖然在AD中發(fā)現(xiàn)了多種與鐵死亡相關(guān)的特征，但許多與鐵死亡相關(guān)的靶點在AD模型中暫時還沒有得到證實。例如，鐵死亡抑制蛋白1和GTP環(huán)水解酶-1分別通過還原輔酶Q10和合成四氫生物蝶呤來抑制鐵死亡的發(fā)生和發(fā)展[23-24]。最新發(fā)現(xiàn)的二氫乳清酸脫氫酶通過將泛醌還原為泛醇來抑制線粒體內(nèi)膜中的鐵死亡[25]。這兩種獨特的鐵死亡保護機制，獨立于GPX4/谷胱甘肽系統(tǒng)，這是否為細(xì)胞對鐵死亡自主抵抗力的一種表現(xiàn)？可惜在AD中的作用尚未見有研究，但這些鐵死亡的新發(fā)現(xiàn)或許也能推動AD疾病治療的進展。此外，脂質(zhì)過氧化的積累是一種死亡信號，但脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡的確切原因和方式仍然未知——這可能是未來鐵死亡研究的一個關(guān)鍵領(lǐng)域，解決這個問題或許也會對AD治療提供許多益處。雖然人類AD中鐵死亡相關(guān)過程的體內(nèi)證據(jù)依舊十分缺乏，對于鐵死亡在AD中的作用及調(diào)控機制仍需要進行更深入的探索。盡管如此，鐵死亡這一新的細(xì)胞死亡方式還是為AD臨床治療提供了許多新啟發(fā)。