從Nrf2-鐵死亡途徑探討心力衰竭的發(fā)病機制

劉云璐，王 強，王承龍，史 航，楊 靜

心力衰竭是多數(shù)心血管疾病的終末期疾病，也是主要死因，指南中的治療措施雖然改善了心力衰竭病人生存質(zhì)量，提高了生存率，但仍存在諸多問題，如副作用使藥物應(yīng)用受限，因合并癥存在諸多用藥禁忌。

因此，探討心力衰竭發(fā)病的關(guān)鍵靶點，尋找改善病人預(yù)后和生存質(zhì)量的輔助或替代療法具有重要的臨床意義。近年來，國內(nèi)外關(guān)于心肌細(xì)胞鐵代謝及相關(guān)分子機制獲得了重大進展，鐵死亡是心力衰竭過程中心肌細(xì)胞死亡的重要形式，在鐵死亡過程中幾乎所有鐵死亡基因與核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)的調(diào)節(jié)有關(guān)，這一概念為研究心力衰竭機制、防治心力衰竭提供了新思路。鑒于鐵死亡在心力衰竭過程中重要的病理、生理改變和Nrf2對鐵死亡的調(diào)節(jié)作用相關(guān)研究較少。通過系統(tǒng)查閱和整理國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，對近年來關(guān)于鐵死亡對心血管病的作用機制及Nrf2在心力衰竭中對鐵死亡的調(diào)節(jié)機制進行綜述，以期為心力衰竭的發(fā)病機制提供新角度，為心力衰竭的預(yù)防和治療提供參考。

1 心力衰竭

1.1 流行病學(xué) 隨著人口老齡化加速，高血壓、糖尿病、高脂血癥等危險因素增加，心血管疾病發(fā)病率逐年升高，其中65歲以上人群發(fā)病率為1%[1-2]。心力衰竭是常見的心血管疾病發(fā)展的終末階段疾病，其中心力衰竭后1年死亡率為30%，5年死亡率為50%[3]，故心力衰竭又稱為心血管疾病中的惡性疾病，表現(xiàn)為高死亡率、高再住院率、高心血管事件發(fā)生率、較差的生活質(zhì)量及高額的住院費用[4]。

1.2 病理基礎(chǔ) 心力衰竭的治療以改變衰竭心臟生物學(xué)性質(zhì)，防止和延緩心肌重構(gòu)發(fā)展為主，目的是抵消神經(jīng)體液補償?shù)某掷m(xù)增強及不良的病理結(jié)果，心力衰竭的機制主要包括心肌細(xì)胞死亡、線粒體功能異常、鈣調(diào)控失調(diào)、心肌纖維化和心肌肥大、交感神經(jīng)和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)激活等[5]。心力衰竭的主要特征是由終末分化心肌細(xì)胞死亡引起細(xì)胞丟失。新的治療觀念不僅通過靶向治療外周，減輕心臟工作負(fù)荷，同時靶向治療衰竭心臟的結(jié)構(gòu)和功能異常。因此，從細(xì)胞死亡引起細(xì)胞丟失的角度探討心力衰竭的發(fā)病機制尤為重要，Nrf2-鐵死亡途徑是針對心力衰竭發(fā)病過程中心肌細(xì)胞重要的病理生理改變。

2 鐵死亡是一種新的細(xì)胞死亡形式

2.1 傳統(tǒng)細(xì)胞死亡形式 目前已知的細(xì)胞死亡形式包括細(xì)胞凋亡、壞死和自噬。細(xì)胞凋亡是一種高度調(diào)控的程序性細(xì)胞死亡形式，細(xì)胞形態(tài)主要表現(xiàn)為細(xì)胞收縮、胞膜起泡及細(xì)胞凋亡小體形成。細(xì)胞壞死是在病理過程中發(fā)生不可逆細(xì)胞損害，細(xì)胞形態(tài)主要表現(xiàn)為細(xì)胞膜及細(xì)胞質(zhì)受損，細(xì)胞器腫脹，導(dǎo)致細(xì)胞裂解，細(xì)胞內(nèi)容物溢出。細(xì)胞自噬具有雙向作用，既對細(xì)胞有保護作用，同時可殺傷應(yīng)激細(xì)胞，主要表現(xiàn)為胞漿空泡化、自噬小體形成及溶酶體清除[6-7]。

2.2 鐵死亡是鐵依賴性細(xì)胞死亡形式 鐵是機體生命活動必需的微量元素之一，是生物體內(nèi)酶、激素、維生素等重要的組成部分，對細(xì)胞存活至關(guān)重要，不僅參與氧氣運輸、DNA生物合成及三磷酸腺苷(ATP)合成，通過催化氧化-還原反應(yīng)參與機體組織的能量代謝、解毒等生理過程，而且是三羧酸循環(huán)和電子運輸鏈中各種蛋白質(zhì)的輔助因子，因此，鐵在人體中發(fā)揮著重要的作用，無論是鐵缺乏或鐵過載均通過復(fù)雜機制參與心力衰竭[8]。Sullivan[9]在1981年首次提出了鐵含量與心臟病發(fā)病率之間的關(guān)系，為心血管疾病的研究提供了新方法。Dixon等[10]在2012年首次提出鐵死亡區(qū)別于其他類型細(xì)胞死亡形式，是鐵依賴性細(xì)胞死亡形式，主要引起鐵依賴性脂質(zhì)過氧化物積累和脂膜不飽和脂肪酸消耗，是鐵離子和活性氧依賴的一種非凋亡程序性死亡途徑。細(xì)胞鐵死亡形態(tài)學(xué)特點為細(xì)胞膜完整，細(xì)胞聚集在一起，線粒體濃縮，線粒體膜增厚，線粒體嵴減小或消失，同時線粒體外膜破裂，細(xì)胞核大小正常，無染色體聚集。

2.3 鐵死亡的誘因及機制 鐵死亡概念被正式命名之前，采用“ferroptosis”一詞描述由鐵依賴性脂質(zhì)氧化物的積累引起的細(xì)胞死亡形式。相關(guān)研究表明，索拉非尼、青蒿琥酯等化合物可誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生[11]，鐵死亡可被小分子激活劑或其他條件因素引發(fā)，主要特點是抑制谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成或抑制谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性，GSH在GPX4作用下還原為活性氧和活性氮，GPX4活性降低后不能抑制細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物和致死性活性氧聚集，從而引起細(xì)胞死亡。胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體(cystine/glutamate transporter，System Xc-)是由二硫鍵連接的輕鏈亞基(Xct，SLC7A11)和重鏈亞基(CD98hc、SLC3A2)組成，是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化體系[12]，胱氨酸可用于細(xì)胞內(nèi)GSH合成，System Xc-可將細(xì)胞外胱氨酸轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi)[13]。因此，System Xc-被一些化合物，如erastin和索拉非尼等抑制時，引起GSH合成減少，同時GPX4不能充分利用GSH將脂質(zhì)過氧化物還原，因此誘發(fā)鐵死亡[11]。Xie等[14]研究表明，黃芩素作為一種新型天然鐵死亡抑制劑，療效優(yōu)于典型的鐵死亡抑制劑(Fer-1)等，通過抑制GPX4降解，降低活性氧聚集，維持細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)，抑制鐵死亡過程。相關(guān)研究顯示，通過敲除小鼠GPX4或直接使用GPX4抑制劑，觀察到脂質(zhì)過氧化物及活性氧的堆積，因此推測GPX4是鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵上游調(diào)節(jié)因子[15-16]。

3 鐵死亡誘導(dǎo)心力衰竭的主要機制

心臟是一個高能量依賴性器官，心肌細(xì)胞作為一種終末分化細(xì)胞，出生后無法繼續(xù)分裂增生，細(xì)胞死亡直接導(dǎo)致心肌細(xì)胞數(shù)量減少，破壞心臟結(jié)構(gòu)和功能，線粒體氧化磷酸化過程可為心肌細(xì)胞提供能量，因此，維持線粒體的功能和數(shù)量對心臟十分重要。線粒體氧化還原反應(yīng)可清除谷胱甘肽過氧化物酶，從而抑制活性氧聚集，是消除活性氧的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

線粒體氧化損傷時，活性氧積累過多，無法進行正常的氧化還原反應(yīng)[17]，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物堆積，發(fā)生鐵死亡，即發(fā)生心力衰竭，心肌細(xì)胞表現(xiàn)為特殊的線粒體形態(tài)，鐵死亡是心力衰竭過程中心肌細(xì)胞死亡的重要形式，線粒體氧化損傷是鐵死亡誘導(dǎo)心力衰竭的主要機制。高血壓、糖尿病、動脈粥樣硬化、缺血再灌注損傷等與線粒體功能失調(diào)、活性氧產(chǎn)生過多密切相關(guān)[18]。Koleini等[19]研究顯示，阿霉素可由于心肌細(xì)胞過度氧化應(yīng)激、心臟毒性，造成小鼠心力衰竭，結(jié)果顯示，心肌細(xì)胞出現(xiàn)鐵死亡，并追蹤到線粒體處發(fā)生脂質(zhì)過氧化物積累。有研究顯示，鐵死亡在多柔比星誘導(dǎo)的心力衰竭中發(fā)揮關(guān)鍵作用，多柔比星可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)氧化磷脂的積累，通過Nrf2上調(diào)了血紅素加氧酶1(Hmox1)表達，導(dǎo)致心臟血紅素降解，游離鐵釋放，從而使終末分化的心肌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，導(dǎo)致心力衰竭，因此，抑制鐵死亡過程有助于預(yù)防鐵過載引起的心力衰竭[20]。有研究顯示，通過主動脈前降支結(jié)扎12周誘發(fā)大鼠壓力超負(fù)荷心力衰竭模型，葛根素治療可抑制脂質(zhì)過氧化，降低活性氧含量，增加抗氧化酶GPX4表達[21]，具有抗心力衰竭、心臟保護作用，證實了在此過程中發(fā)生鐵死亡介導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡形式[22]。但葛根素如何作用于鐵死亡的調(diào)控機制尚不明確。

4 Nrf2-鐵死亡途徑對心力衰竭的調(diào)節(jié)作用

4.1 Nrf2是鐵死亡的關(guān)鍵參與者 Nrf2是一種轉(zhuǎn)錄因子，在肌肉、心臟、血管、肝、腎、腦、肺、皮膚和消化道等氧耗器官中廣泛表達[23]，分子量為66 kDa的多肽。鐵死亡過程中，幾乎所有調(diào)節(jié)鐵死亡的基因均與Nrf2的調(diào)節(jié)有關(guān)，主要包括GSH調(diào)節(jié)的基因，對GPX4活性至關(guān)重要的NADPH再生和鐵的調(diào)節(jié)[24-27]。Nrf2可調(diào)節(jié)線粒體抗氧化，與線粒體物理結(jié)合，監(jiān)測并響應(yīng)線粒體功能變化。Nrf2通過與過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1)相互作用，調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)，包括生物發(fā)生[28-31]，通過P62、PINK1/Parkin機制調(diào)節(jié)線粒體自噬，敲除小鼠的Nrf2基因，線粒體功能受損，而Nrf2基因的激活可增強線粒體功能和對壓力源的抵抗力[32]。Nrf2直接或間接參與鐵死亡的調(diào)控及對線粒體功能的作用，是氧化與抗氧化平衡的重要調(diào)節(jié)因子。

4.2 Nrf2對心力衰竭的調(diào)節(jié)作用 正常條件下，Nrf2與負(fù)調(diào)節(jié)因子Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1)結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)中。Keap1通過持續(xù)泛素化和蛋白酶體降解作用于Nrf2，從而將Nrf2的信號維持在較低水平。氧化應(yīng)激增加，促進Nrf2從Keap1中解離，促進Nrf2核轉(zhuǎn)位。細(xì)胞核中Nrf2與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element，ARE)在靶基因的啟動子區(qū)域相互作用導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活[33]，從而參與調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞氧化損傷、心肌缺血損傷、心肌缺血再灌注損傷、糖尿病心肌病、心肌重塑、心肌梗死等[34]。有研究顯示，通過結(jié)扎小鼠冠狀動脈左前降支術(shù)后進行心臟重塑，構(gòu)建心力衰竭模型，模型組敲除Nrf2基因的小鼠可快速發(fā)展為心力衰竭，且心臟心房利鈉因子及腦鈉肽水平升高，表明Nrf2具有保護心肌細(xì)胞免受損傷的作用[35]。

4.3 Nrf2-鐵死亡途徑對心力衰竭的調(diào)節(jié)機制 Nrf2-鐵死亡途徑調(diào)節(jié)心力衰竭的機制主要是通過Hmox1(一種心臟保護蛋白，其過表達使小鼠發(fā)生心力衰竭)介導(dǎo)的。阿霉素導(dǎo)致的心力衰竭可激活Nrf2，轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核后與ARE結(jié)合啟動轉(zhuǎn)錄，從而上調(diào)Hmox1，催化心臟血紅素的降解，釋放心臟中的游離鐵，堆積在線粒體中，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物累積，引發(fā)鐵死亡，最終導(dǎo)致心力衰竭。Fang等[20]研究顯示，阿霉素誘導(dǎo)的小鼠鐵死亡模型由Hmox1介導(dǎo)，Hmox1表達是受多個轉(zhuǎn)錄因子(如Nrf2、AP-1、YY1等)調(diào)控的，Nrf2介導(dǎo)的調(diào)控過程顯示出對鐵死亡的抵抗性，因此，抑制鐵死亡或控制Hmox1的上調(diào)有利于緩解阿霉素誘導(dǎo)的心力衰竭。心力衰竭過程中，活性氧產(chǎn)生增多，通過壞死和凋亡損傷心臟功能，增加心律失?？赡堋?/p>

5 小 結(jié)

目前已明確鐵死亡在心力衰竭過程中重要的病生理改變及Nrf2對鐵死亡的調(diào)節(jié)作用，不斷深入探討鐵死亡的研究及認(rèn)識，存在一些問題亟待解決，如鐵死亡的細(xì)胞死亡形式與傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡形式之間是否存在交叉重疊部分？若存在，是否可以找到交叉部分的共同靶點，利用這一靶點調(diào)控細(xì)胞死亡進程？鐵死亡發(fā)生在心力衰竭的哪個階段，臨床上如何通過抑制鐵死亡途徑緩解心力衰竭進程？若可精確鐵死亡發(fā)生的時間，提前干預(yù)疾病發(fā)生，對保護心肌細(xì)胞及心臟功能有重要的作用。Nrf2與鐵死亡直接調(diào)控蛋白System Xc-/GSH/GPX4之間的調(diào)節(jié)作用是如何發(fā)生的？目前關(guān)于心力衰竭過程中Nrf2的調(diào)控機制報道較少。鐵死亡作為一種細(xì)胞死亡方式，對研究心血管疾病心肌損傷具有重要的作用，隨著對Nrf2-鐵死亡途徑深入研究心力衰竭，可能為心血管疾病心肌損傷的病理機制和臨床治療提供新策略。