鐵死亡與鐵自噬在心血管疾病中的研究進展

邵亞蘭 馬繼鵬 盧林鶴 熊祥 馬燕燕 劉金成 楊劍

(空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院心血管外科，陜西 西安 710032)

在心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)中，鐵離子參與了許多重要的過程，如氧氣運輸、新陳代謝、脂質(zhì)過氧化、炎癥反應(yīng)和能量代謝等[1]。鐵在細胞內(nèi)的主要儲存形式是鐵蛋白，鐵蛋白是一種由24個亞基組成的球蛋白，這些亞基由鐵蛋白重鏈1(ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1)和鐵蛋白輕鏈組成[2]。自噬對細胞質(zhì)和細胞器的降解和循環(huán)發(fā)揮著重要作用，維持體內(nèi)的動態(tài)平衡[3]。核受體共激活因子4(nuclear receptor co-activator 4，NCOA4)是介導(dǎo)鐵自噬的選擇性貨運受體，其介導(dǎo)的自噬性鐵蛋白降解是導(dǎo)致細胞鐵死亡的核心部分[4]。鐵死亡是新近發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴性新型細胞死亡方式，主要是由氧化還原失衡以及鐵離子的大量蓄積引起[5]，其典型特征是細胞膜上的脂質(zhì)分子在鐵離子的參與下被氧化[6]，喪失其生物學(xué)功能，從而導(dǎo)致細胞膜結(jié)構(gòu)損傷乃至細胞死亡。與其他已知的細胞死亡方式相比，鐵死亡表現(xiàn)出獨特的生物學(xué)和形態(tài)學(xué)特征。既往研究[7]發(fā)現(xiàn)，鐵死亡在急性腎損傷、癌癥、帕金森綜合征和肝病等多種疾病中發(fā)揮重要作用。此外，新近多項重要的研究[8]還揭示，鐵死亡及其調(diào)控機制在心肌缺血再灌注損傷、心肌病和心力衰竭(心衰)等CVD中發(fā)揮重要作用。因此，本綜述著重總結(jié)了鐵死亡與鐵自噬在CVD中的研究進展，旨在為CVD的治療提供新的潛在治療靶點。

1 鐵死亡

鐵死亡是一種新近發(fā)現(xiàn)和定義的細胞死亡方式，由Dixon等[9]于2012年首次提出。鐵死亡是鐵離子依賴性的，在細胞死亡過程中伴隨著游離鐵離子介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化[9]。有研究[10]發(fā)現(xiàn)，在鐵死亡過程中，細胞核保持完整，無染色質(zhì)的凝聚，同時線粒體萎縮變小，膜密度增加，線粒體脊減少甚至消失。鐵死亡的發(fā)生與胱氨酸轉(zhuǎn)運受阻、細胞內(nèi)活性氧自由基的蓄積和氧化壓力的升高、鐵代謝的異常、鐵離子的蓄積和脂質(zhì)過氧化等多種病理生理過程密切相關(guān)，而其中鐵離子的蓄積和脂質(zhì)過氧化是其最重要的生化特征[11]。當(dāng)機體內(nèi)鐵轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和儲存系統(tǒng)異常時，均會導(dǎo)致細胞質(zhì)中鐵離子顯著蓄積，從而發(fā)生非酶催化的芬頓反應(yīng)，進而產(chǎn)生大量的羥基自由基和活性氧自由基，氧化細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸以及脂質(zhì)等大分子物質(zhì)，導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)和功能的損傷，最終導(dǎo)致細胞的死亡。

2 鐵自噬

自噬是一種保守的維持體內(nèi)平衡的降解機制，在CVD中發(fā)揮著重要的作用[12]。鐵自噬是一種特殊類型的鐵蛋白選擇性自噬降解，由NCOA4/FTH1介導(dǎo)，對細胞內(nèi)鐵離子的生物利用度至關(guān)重要。有研究[13]發(fā)現(xiàn)，鐵自噬是鐵離子釋放的主要過程，是調(diào)節(jié)細胞內(nèi)鐵離子含量的選擇性自噬方式。鐵自噬對鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)至關(guān)重要，但過度激活鐵自噬會導(dǎo)致細胞內(nèi)鐵過載，增加細胞對鐵死亡的敏感性，從而誘導(dǎo)谷胱甘肽耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPx4)的減少，最終引起細胞鐵死亡[14]。NCOA4水平的下調(diào)降低了鐵蛋白自噬流，因此降低了對鐵死亡的敏感性；過表達NCOA4增加了細胞內(nèi)生物可利用的鐵水平，從而增加了對鐵死亡的敏感性[15]。

3 鐵死亡與鐵自噬

鐵死亡是一種由多不飽和脂肪酸過氧化引發(fā)的鐵依賴性非凋亡性細胞死亡[9]。鐵積累導(dǎo)致的自由基形成和脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。鐵死亡敏感性也可通過鐵調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中具有調(diào)節(jié)不穩(wěn)定鐵池能力的酶以及其他參與鐵輸入和儲存的蛋白質(zhì)來調(diào)節(jié)[16]。同樣，細胞鐵蛋白水平也可調(diào)節(jié)對鐵死亡的敏感性[17]。有研究[18]發(fā)現(xiàn)，NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬在調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，也已確定NCOA4是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。NCOA4的下調(diào)可減少細胞內(nèi)游離的鐵離子和氧化應(yīng)激，同時升高谷胱甘肽水平，從而減輕鐵死亡。相反，通過外源性NCOA4過表達增加鐵蛋白降解和鐵離子釋放，導(dǎo)致對鐵死亡的敏感性增加[18]。越來越多的研究表明，鐵死亡與許多CVD的病理生理過程密切相關(guān)，如何調(diào)控鐵自噬來減少鐵死亡，為CVD的發(fā)生和發(fā)展提供了新的研究熱點和重點。

4 鐵死亡和鐵自噬與CVD的相關(guān)性

在動脈粥樣硬化病變和異常冠狀動脈中通常觀察到高水平的鐵蛋白[19]，這表明在心臟或血清中鐵的增加可能與CVD的發(fā)病率和嚴重程度較高有關(guān)。心肌細胞或血管細胞中過量的鐵離子可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和鐵毒性，促進鐵死亡[20]。現(xiàn)總結(jié)了鐵死亡和鐵自噬在CVD中的作用及潛在機制，期望能為CVD的臨床治療提供理論依據(jù)。

4.1 鐵死亡和鐵自噬與心衰的相關(guān)性

心衰是CVD中發(fā)病率和死亡率高的主要原因之一，已成為全球主要的醫(yī)療保健負擔(dān)。心衰可由心肌梗死、心肌炎和高血壓等多種病因引起，是多種CVD的終末階段。先前的研究在心衰的病理生理機制方面取得了很大進展，但臨床研究表明，缺鐵或鐵超載均可通過擾亂心肌細胞中的鐵穩(wěn)態(tài)引發(fā)心衰，心肌細胞極易受到游離鐵超負荷的影響[21]。Ito等[22]研究發(fā)現(xiàn)，NCOA4依賴性鐵自噬在主動脈縮窄術(shù)誘導(dǎo)的心衰心臟中被激活并且造成心臟損傷。經(jīng)主動脈縮窄術(shù)后，與NCOA4+/+組小鼠相比，NCOA4-/-組小鼠的左心室腔室大小、纖維化程度和心臟功能得到改善。與sham組小鼠相比，NCOA4-/-組小鼠行主動脈縮窄術(shù)后，心臟重構(gòu)的標志物水平顯著降低，心肌組織中FTH1水平也降低。綜上所述，NCOA4通過調(diào)控鐵自噬參與了壓力超負荷誘導(dǎo)的心臟重構(gòu)。Liu等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在愛拉斯汀或異丙腎上腺素處理的H9c2細胞或主動脈縮窄術(shù)誘導(dǎo)心衰的大鼠心肌組織中觀察到鐵死亡的發(fā)生，其特征是細胞活力的降低、脂質(zhì)過氧化的增加和動態(tài)鐵池的不穩(wěn)定。然而，在心衰大鼠心肌組織或異丙腎上腺素孵育的H9c2細胞中，觀察到鐵過載和脂質(zhì)過氧化增加被葛根素顯著阻斷，表明葛根素能抑制心肌組織的鐵死亡，為利用葛根素作為潛在治療心衰的方法提供了實驗證據(jù)。

4.2 鐵死亡和鐵自噬與心肌缺血再灌注的相關(guān)性

缺血再灌注是在多種疾病狀態(tài)下發(fā)生的病理事件。顧名思義，缺血再灌注由兩個重要事件組成，缺血是第一個重大事件，是指器官的血液供應(yīng)受到限制，通常是因為栓子阻塞了動脈供血。第二個重要事件是血流的再灌注或恢復(fù)以及受影響的缺血區(qū)域的再充氧，這會進一步導(dǎo)致組織過度退化，引發(fā)破壞性反應(yīng)[24]。心肌缺血再灌注損傷，也稱為致死性再灌注損傷，導(dǎo)致心肌細胞死亡。有臨床研究[25]表明，心肌中過量的鐵離子是再灌注后左心室重塑不充分的危險因素。Fan等[26]研究表明，在大鼠心肌缺血再灌注模型和氧-葡萄糖剝奪/復(fù)氧(oxygen-glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R)H9c2細胞模型中觀察到脂質(zhì)過氧化增強、明顯的鐵離子蓄積以及NCOA4激活介導(dǎo)的鐵自噬，而黃芩苷能逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。Shan等[27]進行了大鼠左前降支結(jié)扎、灌注手術(shù)和細胞OGD/R模型。在體實驗結(jié)果表明，矢車菊素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside，C3G)減少了大鼠的心肌梗死面積，并減弱了氧化應(yīng)激和與鐵死亡相關(guān)的蛋白表達，還抑制了USP19、Beclin1、NCOA4和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ的表達。此外，在離體水平，C3G減輕OGD/R誘導(dǎo)的H9c2細胞中的氧化應(yīng)激，下調(diào)LC3Ⅱ/LC3Ⅰ的表達，減少自噬體數(shù)目，下調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1表達并上調(diào)FTH1和GPx4的表達。綜上所述，C3G可能是保護心肌免受心肌缺血再灌注損傷的潛在藥物。值得注意的是，線粒體中GPx4過表達減輕了缺血再灌注后的心臟功能障礙[28]。谷氨酰胺分解是谷胱甘肽生成途徑的一個組成部分，它也可通過阻斷鐵死亡來減輕缺血再灌注相關(guān)的心臟損傷[29]。此外，鐵抑素-1可抑制脂質(zhì)過氧化而抑制鐵死亡，是鐵死亡的強效抑制劑，也可改善急性和慢性缺血再灌注損傷導(dǎo)致的心衰[30]，因此鐵抑素-1可作為預(yù)防心肌缺血再灌注的關(guān)鍵分子。

4.3 鐵死亡和鐵自噬與心肌肥厚的相關(guān)性

心肌肥厚是心臟發(fā)病率增高的主要原因之一，其可導(dǎo)致心肌缺血、心律不齊、心衰甚至猝死[31]。研究發(fā)現(xiàn)，過量的鐵離子蓄積和心臟氧化應(yīng)激已被證明是心肌肥厚的重要因素。Apelin/APJ系統(tǒng)對心血管功能具有明顯的生物學(xué)效應(yīng)，可加速心肌細胞肥大[32]。Tang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，Apelin-13/APJ可促成心肌細胞肥大，且Apelin-13/APJ促進了H9c2細胞中NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬產(chǎn)生、線粒體中鐵離子的產(chǎn)生和活性氧的積累。此外，Apelin-13有效誘導(dǎo)線粒體鐵轉(zhuǎn)運蛋白三羧基攜帶蛋白TCC的表達，從而導(dǎo)致線粒體鐵過載并引發(fā)鐵自噬，最終加劇心肌肥厚。Zhang等[34]研究發(fā)現(xiàn)，血管緊張素Ⅱ可誘導(dǎo)心肌肥厚，經(jīng)血管緊張素Ⅱ處理的心肌細胞中，鐵死亡生物標志物前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2、丙二醛和活性氧的水平會升高，而過表達溶質(zhì)載體家族7成員11則對抗這些因子的表達；此外，敲除溶質(zhì)載體家族7成員11會加重血管緊張素Ⅱ介導(dǎo)的小鼠心肌纖維化、肥厚和功能障礙。因此，溶質(zhì)載體家族7成員11通過阻斷鐵死亡來抑制血管緊張素Ⅱ介導(dǎo)的心肌肥厚。

4.4 鐵死亡和鐵自噬與心肌梗死的相關(guān)性

心肌梗死也稱為心臟病發(fā)作，是冠狀動脈急性、持續(xù)性缺血缺氧所引起的心肌壞死。心肌梗死是CVD最常見的死因，闡明其潛在機制是預(yù)防和治療的重大機遇和挑戰(zhàn)[35]。Omiya等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在左冠狀動脈結(jié)扎后的心肌梗死小鼠中，能觀察到梗死周圍和非梗死區(qū)域的鐵沉積。在心肌梗死時，由于葡萄糖代謝和生長因子信號傳導(dǎo)失調(diào)，心肌細胞和心臟組織中的一種關(guān)鍵細胞抗氧化劑谷胱甘肽的水平降低，導(dǎo)致心肌細胞死亡[37]。而心肌梗死后，活性氧增加也歸因于抗氧化酶超氧化物歧化酶、GPx4和過氧化氫酶的活性降低[38]。此外，Park等[39]研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后可使GPx4減少，這可能使心肌細胞在低谷胱甘肽條件下對鐵死亡敏感。有研究[40]表明，BTB-CNC異體同源體1作為鐵和血紅素代謝的調(diào)節(jié)劑，可通過協(xié)調(diào)谷胱甘肽和鐵代謝的轉(zhuǎn)錄調(diào)控來促進鐵死亡；BTB-CNC異體同源體1能控制鐵死亡誘導(dǎo)的閾值，并可能成為減輕鐵死亡相關(guān)疾病(包括心肌梗死)的治療靶點。因此，預(yù)防鐵死亡可能為心肌梗死患者提供一種新的治療方法。

4.5 鐵死亡和鐵自噬與膿毒癥誘導(dǎo)的心肌損傷的相關(guān)性

膿毒癥是由感染引起的一系列全身炎癥反應(yīng)綜合征，由于微循環(huán)障礙、氧化應(yīng)激、細胞凋亡等影響全身多個臟器。影響膿毒癥的四個關(guān)鍵領(lǐng)域是內(nèi)皮功能障礙、凝血異常、細胞功能改變和心血管反應(yīng)失調(diào)[41]。心臟是最易受損的器官之一，有40%～60%的膿毒癥患者伴有心肌損傷，其病死率為70%～90%[42]。Li等[43]研究表明，鐵自噬介導(dǎo)的鐵死亡是導(dǎo)致膿毒癥引起的心臟損傷的重要機制之一。在脂多糖誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠和脂多糖誘導(dǎo)的H9c2細胞中，發(fā)現(xiàn)鐵死亡標志物前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2、丙二醛和脂質(zhì)活性氧的水平升高，線粒體損傷加重。機制上，脂多糖增加了NCOA4的表達，而NCOA4直接與鐵蛋白結(jié)合，促進NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬，導(dǎo)致大量的鐵離子釋放，進而導(dǎo)致線粒體中鐵離子水平升高與線粒體活性氧大量累積，從而誘導(dǎo)鐵死亡。因此，靶向鐵死亡可能是預(yù)防膿毒癥引起的心肌損傷的潛在治療靶點。

5 問題與展望

鐵死亡作為一種新的細胞死亡方式，不同于細胞凋亡、細胞焦亡和細胞壞死等。前期鐵死亡和鐵自噬的研究主要集中在腫瘤、肝臟和腎臟等疾病，而近幾年鐵死亡和鐵自噬在心腦血管疾病中的研究越來越多，其在CVD的死亡機制中也發(fā)揮重要的作用。因此，鐵死亡和鐵自噬的調(diào)控可能預(yù)示著CVD治療方法的新時代。雖然已有研究結(jié)果表明鐵死亡信號通路在多種CVD的病理分子機制中發(fā)揮重要作用，但靶向鐵死亡及其關(guān)鍵調(diào)控分子來治療CVD仍需更多的大動物實驗和臨床前研究，并評價其治療效果。綜上所述，鐵死亡和鐵自噬信號通路作為一種可調(diào)控的細胞死亡途徑，在多種CVD中發(fā)揮重要作用。通過進一步研究NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬和鐵死亡的作用機制，為將抑制鐵死亡的發(fā)生作為治療CVD的潛在治療靶點提供了堅實的理論和臨床試驗依據(jù)，具有廣泛的臨床應(yīng)用價值。