鐵死亡在心血管疾病中的作用機制研究進展

曹政

（ 重慶市巫山云鴻醫(yī)院內(nèi)科，重慶 404700）

0 引言

隨著我國逐漸進入老年社會，心血管疾病相發(fā)病率和死亡率逐年上升，帶來極大的醫(yī)療負擔(dān)。因此，心血管疾病的預(yù)防、治療和預(yù)后一直是醫(yī)學(xué)研究的重點[1]。研究表明，各種形式的調(diào)節(jié)性細胞死亡(RCD)，包括凋亡、熱分解和壞死，可以破壞心臟和血管的結(jié)構(gòu)，影響它們的生理功能，從而導(dǎo)致心血管疾病[2]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡與多種心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，特別是在缺血再灌注損傷中[3]。了解鐵死亡的潛在作用機制及涉及的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可能為鐵死亡相關(guān)心血管疾病提供有效的治療策略。本文就鐵死亡的機制及其與心血管疾病的關(guān)系作一綜述。

1 鐵死亡分子機制概述

細胞死亡是生命活動中的一種基本現(xiàn)象，是維持機體內(nèi)環(huán)境平衡的重要過程。鐵死亡是由Brent R等人于2012年首次提出一種不同于細胞凋亡、壞死性凋亡和自噬的獨特細胞死亡形式[4]。鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生化、免疫學(xué)等方面有其自身的特點。在遺傳學(xué)方面，主要是調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)過氧化代謝的基因變化[5]。鐵超載導(dǎo)致細胞中鐵的過度沉積，產(chǎn)生可逆的組織損傷和器官衰竭[6]。鐵死亡的本質(zhì)是氧化損傷，是由于鐵依賴的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物過度積累引起線粒體改變[7]。鐵死亡的發(fā)病機制與多種生理過程密切相關(guān)，包括鐵代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝等。

1.1 脂類代謝異常

細胞膜的脂質(zhì)雙層對于維持膜功能的完整性必不可少。細胞膜主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和碳水化合物組成，其中多不飽和脂肪酸是重要成分[8]。不飽和脂肪酸與自由基相互作用引起的脂質(zhì)過氧化是引起鐵亡的主要原因?；ㄉ南┧岷湍I上腺素酸分別由長鏈脂肪酰基-輔酶A合成酶4(ACSL4)催化合成相應(yīng)的脂肪酰基輔酶，參與膜磷脂[9]的合成。這些產(chǎn)物由溶血磷脂?；D(zhuǎn)移酶3通過酯化反應(yīng)生成磷脂酰乙醇胺PEAA和PE-Ada，然后分別被脂氧合酶和細胞色素P450氧化還原酶(POR)氧化成有害的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物。正常情況下，這些有害物質(zhì)會被Gpx4還原成無毒的脂醇；然而，當(dāng)Gpx4水平較低時，這些過氧化產(chǎn)物會過度積累，導(dǎo)致鐵死亡[10]。

1.2 谷氨酸代謝異常

谷胱甘肽是谷胱甘肽過氧化物酶4的重要輔因子，是其抗氧化活性所必需的[11]。谷胱甘肽有兩種形式，還原型(GSH)和氧化型二硫化物型(GSSG)。在自由基和重金屬的刺激下，Gpx4將GSH轉(zhuǎn)化為GSSG，并將脂質(zhì)過氧化物還原為相應(yīng)的脂醇。這限制了膜中脂質(zhì)過氧化的擴散[12]。當(dāng)谷胱甘肽水平降低時，活性氧和過氧化脂質(zhì)會積累，導(dǎo)致鐵死亡[13]。

1.3 鐵代謝異常

細胞內(nèi)鐵的動態(tài)平衡依賴于鐵的吸收、排泄、利用和儲存之間的動態(tài)平衡。鐵水平受關(guān)鍵蛋白調(diào)節(jié)，如TFR1、DMT1和FTH1，以維持細胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)。當(dāng)鐵離子過載時發(fā)生芬頓反應(yīng)，F(xiàn)e2+和H2O2反應(yīng)生成具有較強氧化能力的羥基自由基和Fe3+，再被H2O2還原成Fe2+重新參與芬頓反應(yīng)。這一循環(huán)被稱為Haber-Weiss反應(yīng)，將會產(chǎn)生大量的自由基[14]，可導(dǎo)致一系列臨床疾病[15]。

總體而言，鐵死亡主要是由自由基和抗氧化系統(tǒng)之間的失衡引起的，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)性細胞死亡?，F(xiàn)有的研究大多從脂質(zhì)過氧化的來源和降解兩個方面描述了鐵死亡的發(fā)生機制。調(diào)節(jié)上述代謝分子可以明顯影響鐵死亡，但目前仍有許多問題需要進一步解決。

2 鐵死亡與心血管疾病

2.1 鐵死亡與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是以脂質(zhì)代謝紊亂為特征的病理過程。內(nèi)皮損傷、氧化應(yīng)激、炎癥和免疫功能障礙均可促進AS的發(fā)生和發(fā)展[16]。臨床上，冠心病是AS最常見的器官損害類型。研究表明，與健康動脈相比，AS患者組織中的鐵含量顯著增加，這種鐵超載會促進氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[17]。提示鐵死亡可能參與AS的發(fā)生發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，在體內(nèi)，鐵死亡抑制劑Fer-1可以減輕高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠動脈粥樣硬化損傷和脂質(zhì)過氧化。體外研究表明，F(xiàn)er-1可以改善氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)誘導(dǎo)的鐵死亡和內(nèi)皮功能障礙，并可以延緩AS的進展[18]。因此，抑制鐵死亡可能成為冠心病治療的新策略。

2.2 鐵死亡與心肌梗死

在心肌梗死小鼠中，梗死區(qū)FTH1水平降低，游離鐵水平升高[19]。研究還發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，心肌梗死組織中Gpx4蛋白的數(shù)量減少，使用Gpx4抑制劑RSL3可誘導(dǎo)H9c2細胞鐵死亡[20]。這表明，增加鐵或減少Gpx4可促進心肌細胞鐵死亡并導(dǎo)致心肌梗死。目前，對心肌梗死首選的治療方法是盡快進行血管再通[21]。雖然及時恢復(fù)血流可以部分挽救受損的心肌，但即使血流恢復(fù)，延長缺血時間也會導(dǎo)致?lián)p傷，這種缺血再灌注損傷會增加MI患者的死亡率[22]。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠心肌缺血再灌注損傷模型中，鐵死亡主要發(fā)生在再灌注階段，進一步的研究表明DFO的使用可以減輕心肌再灌注損傷[23]。造成缺血和再灌注時的差異原因可能是在再灌注過程中產(chǎn)生了大量的自由基，從而導(dǎo)致鐵死亡。此外，鐵死亡抑制劑Lip1和Fer-1通過減少ROS的產(chǎn)生來減輕缺血再灌注損傷[24]。自噬也被發(fā)現(xiàn)在心肌缺血再灌注損傷時促進鐵死亡，導(dǎo)致心肌損傷[25]。

2.3 鐵死亡與心肌病

心肌中鐵的蓄積可導(dǎo)致鐵超負荷心肌病，通常在早期表現(xiàn)為舒張功能障礙。隨著病情的發(fā)展，可能會出現(xiàn)心臟增大和收縮受限。鐵死亡與多種類型的心肌病有關(guān)。雖然發(fā)病機制不同，但最終是由于自由基的產(chǎn)生和清除失衡導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物增加。研究發(fā)現(xiàn)，化療藥物DOX可誘導(dǎo)心肌細胞DNA雙鏈斷裂，并使線粒體中Fe2+和Ca2+水平升高，由此導(dǎo)致的ROS和鐵的增加可能是DOX引起的鐵死亡導(dǎo)致心肌病的主要原因[26]。由于線粒體是DOX所致心肌損傷的主要細胞器，線粒體抗氧化劑MitoTEMPO可用于消除DOX所致的脂質(zhì)過氧化和鐵死亡[27]。以Fe2+為靶點的鐵絡(luò)合劑也可能是治療DOX[28]引起的心肌損傷的理想方法。研究還表明，高鐵喂養(yǎng)的小鼠敲除心肌細胞鐵蛋白重鏈(FTH)基因容易誘發(fā)肥厚性心肌病[29]。這進一步表明，SLC7A11下調(diào)導(dǎo)致的谷胱甘肽缺乏是引起心肌細胞鐵死亡的主要機制。

2.4 鐵死亡與心力衰竭

心力衰竭是腦血管病的終末期，但及時預(yù)防心肌肥大可以維持心功能，延緩病情進展。在心力衰竭的小鼠中觀察到了鐵死亡[30]。Toll樣受體4（TLR4)與NADPH氧化酶4(NOX4)結(jié)合，促進超氧陰離子和H2O2的產(chǎn)生，誘導(dǎo)心肌細胞鐵死亡。因此，阻斷TLR4-NOX4信號通路可能成為通過抑制鐵死亡來治療HF患者的潛在治療策略[31]。鐵被認為是參與心肌細胞能量代謝的輔因子，補充鐵劑可以改善一些缺鐵的慢性心力衰竭患者的心功能[32]。因此，明確鐵死亡的發(fā)病機制也將有利于心力衰竭患者的治療。

2.5 心臟移植后的炎癥反應(yīng)

心臟移植是治療終末期心臟病最有效的方法。然而，移植后冠狀動脈血流的恢復(fù)可能會導(dǎo)致無菌性炎癥，并降低移植的成功率[33]。心臟移植后，損傷組織釋放的損傷相關(guān)分子模式(DAMP)通過TLR4/TRIF信號通路促進中性粒細胞募集和浸潤。FER-1可減少中性粒細胞粘附在血管上的數(shù)量，并抑制炎癥。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過減少炎癥和濕氣的釋放，抑制鐵死亡可能是治療心臟移植受者的一種可行的治療策略[33]。

3 調(diào)節(jié)鐵死亡治療心血管病

3.1 適當(dāng)?shù)牡丸F飲食

體內(nèi)正常的鐵含量為3-5克，不足鐵的供應(yīng)可能會損害鐵蛋白的合成水平正常細胞生理所必需的，導(dǎo)致一系列不良后果[34]。相反，鐵過載可能導(dǎo)致產(chǎn)生大量 ROS 并誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化和鐵死亡[29]。因此，適當(dāng)考慮最低要求的低鐵飲食可能有助于預(yù)防由鐵死亡引起的心血管疾病。

3.2 臨床藥物

DFO是一種高親和力的鐵螯合劑，可減少細胞內(nèi)的鐵，已被FDA批準(zhǔn)用于治療鐵超載。在缺血再灌注損傷的大鼠中，DFO可以降低心肌組織中的過氧化脂質(zhì)，減輕心肌損傷[23]。研究表明，地塞米松預(yù)處理可通過TLR4MyD88-NF-βB信號通路抑制炎癥因子IL-1β、IL-6和TNF-α的釋放，從而減輕心肌缺血再灌注損傷。地塞米松可通過激活PI3K/Akt信號通路抑制細胞凋亡和氧化應(yīng)激，從而保護糖尿病大鼠免受缺血再灌注損傷[35]。對缺血再灌注器官也有抗炎、抗氧化和保護作用。最近發(fā)現(xiàn)，地塞米松可以降低HO-1的表達，減少鐵超載和炎癥因子，增強Gpx4的表達，從而抑制鐵死亡，減輕膿毒癥引起的心肌細胞損傷[36]。

3.3 ROS抑制劑

FER-1是通過對小分子文庫[37]的高通量篩選而鑒定的鐵死亡的特異性抑制劑，可抑制Erastin或RSL3誘導(dǎo)的脂質(zhì)ROS積聚，減輕細胞鐵死亡。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1能抑制糖尿病大鼠的鐵死亡，改善DOX所致的心肌損傷，減輕心肌缺血/再灌注損傷[27]。LIP-1的作用機制與Fer-1相似。在不影響Ca2+誘導(dǎo)的線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放的情況下，Lip-1通過下調(diào)VDAC1水平來減少線粒體ROS的產(chǎn)生，恢復(fù)Gpx4水平，減輕鐵死亡，從而保護心肌線粒體免受缺血/再灌注損傷[38]。Mito-Tempo是一種針對線粒體的細胞滲透性抗氧化劑，可以減少超氧化物的積累[39]。近年來，Mito-Tempo被證明通過消除線粒體脂質(zhì)過氧化而有效地抑制DOX誘導(dǎo)的心肌細胞鐵死亡，這是一種與Fer-1[27]相似的心臟保護作用。

3.4 抑制死亡的關(guān)鍵靶點

SLC7A11，也稱為XCT，是一種多通道跨膜蛋白，是胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運蛋白系統(tǒng)XC-的組成部分。XC-是一個反向轉(zhuǎn)運蛋白，由SLC7A11作為輕鏈亞基和SLC3A2作為重鏈亞基組成。XC-將細胞內(nèi)的谷氨酸轉(zhuǎn)移到細胞外，將細胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)。進入細胞的半胱氨酸通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，然后用于合成谷胱甘肽，谷胱甘肽保護細胞免受氧化應(yīng)激損傷。當(dāng)胞外谷氨酸濃度較高時，XC-系統(tǒng)對胱氨酸的攝取受到抑制，導(dǎo)致細胞內(nèi)谷胱甘肽合成減少，細胞抗氧化能力降低，最終導(dǎo)致脂質(zhì)ROS積累，誘導(dǎo)鐵死亡[11,29]。核因子E2相關(guān)因子2(NRF2)是一種轉(zhuǎn)錄激活因子，通過p62-Keap1-NRF2信號通路[40]在抗氧化反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，調(diào)節(jié)鐵死亡。P62的結(jié)構(gòu)包括可與Keap1的Kelch結(jié)構(gòu)域結(jié)合的STGE序列，這降低了Keap1/NRF2復(fù)合物的穩(wěn)定性，導(dǎo)致NRF2從復(fù)合物中解離并被激活[41]。這進一步激活了NQO1、HO-1和FTH1的轉(zhuǎn)錄，或者增加了SLC7A11的表達，從而抑制了鐵死亡[42-43]。

3.5 非編碼RNA

根據(jù)長度不同，ncRNA可分為長非編碼RNA(LncRNA)、微RNA(MiRNA)和小干擾RNA(SiRNA)。最近的研究表明，ncRNAs在心血管疾病中有不同的表達，并且在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用[44]。先前的一項研究發(fā)現(xiàn)，人臍帶間充質(zhì)干細胞來源的外切體可以通過傳遞miR-23a-3p來抑制DMT1的表達，從而抑制鐵死亡和減輕心肌損傷，DMT1通過轉(zhuǎn)運Fe2+促進鐵代謝，DMT1基因敲除可顯著抑制鐵死亡[34]。這表明ncRNAs可能是干預(yù)鐵死亡的一個重要因素，外切體可能是運送ncRNAs的運輸載體[45]。

在心血管領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究表明可以通過多種機制抑制鐵死亡的發(fā)生，防止疾病的發(fā)展。然而，大多數(shù)實驗仍停留在動物或細胞水平，因此將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于臨床治療需要額外的詳細分析和適當(dāng)?shù)呐R床試驗。

4 總結(jié)與展望

自從鐵死亡作為一種新型的程序性細胞死亡（RCD）被發(fā)現(xiàn)以來，越來越多的研究為探索其發(fā)生機制和在多種疾病中的作用提供了新的途徑。脂質(zhì)過氧化引起的鐵死亡是腦血管病發(fā)生的重要發(fā)病機制。目前的研究揭示鐵死亡在各種疾病中作用機制，也提出了許多值得研究人員思考的問題。首先，需進一步研究鐵死亡與其他類型的RCD之間的相互作用。關(guān)鍵的鐵死亡蛋p53、Gpx4和SLC7A11也與其他死亡方式有關(guān)。當(dāng)這些蛋白質(zhì)發(fā)生變化時，我們需要能夠通過實驗手段區(qū)分不同類型的RCD之間的相互作用。第二，需要對鐵死亡的表現(xiàn)有進一步的了解。第三，確定過氧化反應(yīng)的閾值是必要的。氧自由基在人類和其他物種中是新陳代謝所必需的，也可以誘發(fā)鐵死亡。隨著科學(xué)的進步，對鐵死亡的研究將為心血管病的發(fā)生發(fā)展提供堅實的理論基礎(chǔ)，針對鐵死亡的特異性靶向治療將成為治療心血管病的重要手段。