鐵死亡機(jī)制及其在動脈粥樣硬化中的應(yīng)用研究進(jìn)展

蔡婉綜述 王婧，池浩審校

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)的機(jī)制比較復(fù)雜，涉及氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)、鈣超載、線粒體功能障礙等，但無論哪種原因最終都會對血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生損害。既往研究認(rèn)為，凋亡是唯一受調(diào)控的細(xì)胞死亡方式，而壞死是不受調(diào)控的。然而，最新研究認(rèn)為，細(xì)胞壞死是一種可調(diào)控的和高度有序的死亡方式，統(tǒng)稱為細(xì)胞程序性死亡。目前，細(xì)胞程序性死亡主要包括凋亡、自噬、程序性壞死、焦亡和鐵死亡[1]。鐵死亡作為新發(fā)現(xiàn)的一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡，是指鐵離子依賴的脂質(zhì)過氧化物增多導(dǎo)致的一種新的細(xì)胞死亡形式。在鐵死亡發(fā)生的過程中，細(xì)胞死亡不能被凋亡、焦亡及自噬抑制劑所調(diào)控，但可以被親脂性抗氧化劑和鐵螯合劑有效抑制，同時(shí)存在明顯的鐵積累現(xiàn)象[2]。其機(jī)制尚未明確，但其分子機(jī)制主要依賴細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)相互抗衡的生化過程，即脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生和消除。因此，鐵死亡作為一種新的調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡形式進(jìn)入大家的視野，成為細(xì)胞死亡方向的研究熱點(diǎn)。目前研究主要認(rèn)為，細(xì)胞中過多的鐵離子能夠通過Fenton反應(yīng)催化其產(chǎn)生羥自由基，同時(shí)不飽和脂肪酸被進(jìn)一步羥化，促進(jìn)脂質(zhì)過氧化物和氫過氧化物的大量產(chǎn)生，對細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能造成嚴(yán)重破壞，引起細(xì)胞內(nèi)氧化失衡，從而發(fā)生鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化死亡[3]。加強(qiáng)對鐵死亡的研究，詳細(xì)地了解鐵死亡的機(jī)制，無疑會促進(jìn)對動脈粥樣硬化的防治，為動脈粥樣硬化的治療提供新思路。

1 鐵死亡概述

鐵死亡是由鐵依賴的脂質(zhì)過氧化物累積而最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡的過程。這一概念在2012年首次提出[4]，其特征在于脂質(zhì)活性氧的累積。鐵死亡完全不同于壞死、凋亡及細(xì)胞自噬，是一種新的細(xì)胞死亡方式。沒有細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器腫脹及細(xì)胞膜破裂的典型細(xì)胞壞死特征；也缺少細(xì)胞萎縮、染色質(zhì)凝集，凋亡小體等細(xì)胞凋亡的特點(diǎn)；同時(shí)也不同于自噬形成的典型自噬泡。以獨(dú)特的線粒體明顯收縮，膜密度增加，線粒體嵴減少或消失為特點(diǎn)。鐵死亡由多個(gè)基因調(diào)控，主要涉及鐵穩(wěn)態(tài)及脂質(zhì)過氧化代謝的變化，具體的調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2 鐵死亡調(diào)節(jié)機(jī)制

鐵死亡的分子機(jī)制主要依賴細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)相互抗衡的生化過程，即脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)生和消除。鐵和多聚不飽和脂肪酸作為脂質(zhì)過氧化的原料推動鐵死亡的發(fā)生，而以還原性谷胱甘肽(GSH)作為底物的GPX4則反向調(diào)控鐵死亡。當(dāng)細(xì)胞無法有效通過抗氧化機(jī)制將細(xì)胞內(nèi)多余的活性氧進(jìn)行有效清除時(shí)，積累的氧化性脂類物質(zhì)則會誘發(fā)鐵死亡。諸多生理過程參與調(diào)控這一死亡方式[5]。如鐵離子代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等。

2.1 鐵離子代謝 鐵死亡的關(guān)鍵誘因之一是Fe2+/Fe3+通過酶促反應(yīng)或者非酶促反應(yīng)參與活性氧的形成。鐵是影響活性氧(ROS)產(chǎn)生的直接因素。細(xì)胞內(nèi)鐵的儲存在無害的鐵蛋白中，游離的亞鐵離子是有毒的。鐵蛋白發(fā)生自噬降解的過程稱為鐵蛋白自噬，核受體共激活因子4介導(dǎo)這一過程，過表達(dá)核受體共激活因子4會增加鐵蛋白的降解，鐵濃度上升，導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生；下調(diào)可抑制鐵蛋白的降解，同時(shí)降低細(xì)胞對氧化損傷的敏感性。鐵蛋白作為核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2的下游調(diào)控基因，受p62-Keap1-Nrf2信號通路的調(diào)控[6]。

2.2 脂質(zhì)代謝 脂質(zhì)過氧化物作為細(xì)胞內(nèi)ROS的一員，是鐵死亡的最終執(zhí)行者，被認(rèn)為是鐵死亡的標(biāo)志性事件[7]。ROS是帶有部分還原氧的分子物質(zhì)，包括自由基、過氧化物、超氧化物等，通過損傷DNA、RNA和脂質(zhì)分子引起細(xì)胞死亡[8]。有研究稱脂質(zhì)過氧化物以多種形式對細(xì)胞造成損傷。一是進(jìn)一步分解成ROS，放大脂質(zhì)過氧化過程；二是改變細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)或釋放有害物質(zhì)，擾亂細(xì)胞內(nèi)代謝；三是在脂質(zhì)過氧化過程中的產(chǎn)物如MDA、4-HNE會對細(xì)胞造成損傷[9]。

2.3 氨基酸代謝 GSH作為GPX4的底物參與細(xì)胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)是鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵因素。而GSH進(jìn)出細(xì)胞需要胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體(system Xc-)。由SLC3A2和SLC7A11通過二硫鍵連接形成[10]。細(xì)胞依靠system Xc-介導(dǎo)細(xì)胞外的胱氨酸和細(xì)胞內(nèi)的谷氨酸進(jìn)行交換。胱氨酸進(jìn)入細(xì)胞合成GSH調(diào)節(jié)脂質(zhì)過氧化，抑制system Xc-系統(tǒng)可影響GSH的合成從而引發(fā)鐵死亡[4]。半胱氨酸可以限制谷胱甘肽的生物合成。當(dāng)細(xì)胞處于還原性的環(huán)境中，半胱氨酸可直接通過丙氨酸—絲氨酸—半胱氨酸(ASC)系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，抑制鐵死亡[11]。此外，胱硫醚是半胱氨酸的另一來源，細(xì)胞利用反向轉(zhuǎn)硫途徑將甲硫氨酸合成胱硫醚，轉(zhuǎn)變?yōu)榘腚装彼?。合成的GSH在GPX4的作用下作為電子供體將磷脂過氧化物轉(zhuǎn)化為磷脂醇和氧化型谷胱甘肽、RSL3、六甲蜜胺或通過遺傳學(xué)方式干擾GPX4的表達(dá)都能誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[12-16]。

2.4 其他 除了鐵離子代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等，鐵死亡抑制蛋白、Nrf2、熱休克蛋白(HSP)、線粒體等都能調(diào)控鐵死亡[17-23]，但其在鐵死亡過程中的關(guān)鍵分子研究有待于進(jìn)一步分析。

3 鐵死亡在動脈粥樣硬化中的應(yīng)用

3.1 動脈粥樣硬化發(fā)病機(jī)制 動脈粥樣硬化(AS)是一種以血管內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失衡為始動，伴隨血管收縮舒張功能障礙、脂質(zhì)代謝紊亂和炎性因子釋放等綜合病變；可能引起各種疾病，如腦卒中、冠狀動脈疾病(CAD)、外周動脈疾病(PAD)和其他腦血管疾病[24]；其中，腦卒中和冠心病被認(rèn)為是世界范圍內(nèi)最常見的致殘和死亡原因之一。因此，治療及延緩動脈粥樣硬化進(jìn)程至關(guān)重要。AS的特點(diǎn)是脂質(zhì)積聚，在動脈壁形成粥樣硬化斑塊時(shí)，使動脈管腔變窄[25-26]。氧化應(yīng)激是血管損傷的內(nèi)在基礎(chǔ)。因此，維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡對抵抗AS，保護(hù)心血管系統(tǒng)至關(guān)重要。脂質(zhì)過氧化是脂質(zhì)氧化降解的反應(yīng)，主要產(chǎn)物為脂質(zhì)過氧自由基和過氧化氫[27]。這些氧化脂質(zhì)參與氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致血管內(nèi)皮障礙，促使動脈粥樣硬化進(jìn)展，在AS的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。因此，脂質(zhì)過氧化、斑塊內(nèi)出血、鐵沉積是AS斑塊的特征，這是AS中鐵死亡發(fā)生的間接證據(jù)。

3.2 動脈粥樣硬化與鐵死亡 鐵死亡是一種鐵依賴的氧化性細(xì)胞死亡，其特征是細(xì)胞內(nèi)鐵的增加和抗氧化能力的降低導(dǎo)致過氧化脂質(zhì)的致死性積累。過量的鐵通過Fenton反應(yīng)促進(jìn)ROS的產(chǎn)生，加速脂質(zhì)過氧化[28-29]。GPX4是體內(nèi)抗脂質(zhì)過氧化最重要的途徑，SLC7A11是胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，抑制SLC7A11可以抑制GSH的產(chǎn)生，導(dǎo)致GPX4失活。鐵死亡已被報(bào)道參與許多病理過程，包括癌癥發(fā)展、創(chuàng)傷性腦損傷、神經(jīng)退行性疾病、葉酸誘導(dǎo)的腎損傷和冠心病[30-31]。有研究表明[32]，AS的發(fā)病過程中存在鐵死亡，但鐵死亡在AS發(fā)病機(jī)制中的作用尚不清楚。隨著AS的發(fā)生發(fā)展，泡沫細(xì)胞在動脈內(nèi)膜堆積形成脂質(zhì)斑塊，當(dāng)動脈壁中脂質(zhì)斑塊發(fā)生破裂，繼發(fā)血栓形成，是導(dǎo)致壞死核心形成和斑塊不穩(wěn)定的主要因素。脂質(zhì)過氧化是導(dǎo)致AS的關(guān)鍵因素。鐵積累和脂質(zhì)過氧化是鐵死亡發(fā)生的重要機(jī)制，也是AS發(fā)病的危險(xiǎn)因素。因此探究鐵死亡與AS的關(guān)系，對于AS的機(jī)制研究與防治具有重要意義。

3.3 抑制鐵死亡與動脈粥樣硬化的治療 在人和動物模型中，動脈粥樣硬化病變中的鐵含量均顯著高于健康動脈組織中的鐵含量[33]。慢性鐵超載可以通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能障礙而加重載脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠AS[34]。此外，內(nèi)皮功能障礙在AS的發(fā)生和發(fā)展中也起著重要作用。鐵超載通過增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的氧化反應(yīng)和炎性反應(yīng)而引起內(nèi)皮功能障礙[32]。有研究表明，用高脂飲食(HFD)在體內(nèi)誘導(dǎo)ApoE-/-小鼠AS，并用鐵死亡特異性抑制劑Ferrostatin-1治療ApoE-/-小鼠，可以減緩 AS病變，對脂質(zhì)過氧化有抑制作用[35]。在動脈粥樣硬化過程中鐵死亡是重要抑制因素，亞鐵離子蓄積可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，導(dǎo)致動脈粥樣硬化的形成。此外抑制鐵死亡的發(fā)生可以減輕脂質(zhì)過氧化及血管內(nèi)皮功能損傷，減輕動脈粥樣硬化的進(jìn)程。因此鐵死亡在動脈粥樣硬化中的進(jìn)一步研究，可能會給AS的治療靶點(diǎn)提供一個(gè)潛在的研究方向。

3.4 鐵死亡調(diào)節(jié)劑在動脈粥樣硬化治療中的應(yīng)用 鐵死亡是一種獨(dú)特的調(diào)節(jié)性死亡模式，越來越多的研究表明，鐵死亡是多種疾病治療發(fā)展的新機(jī)遇[34-35]。其中鐵死亡抑制劑靶標(biāo)為脂質(zhì)過氧化及亞鐵離子兩部分。臨床研究表明，AS發(fā)病過程中，會出現(xiàn)氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)及鐵蓄積等現(xiàn)象，他汀類藥物是減輕AS的最有效藥物[33]，研究發(fā)現(xiàn)，他汀類藥物可以減輕AS斑塊中脂質(zhì)過氧化物，從而減輕內(nèi)皮細(xì)胞中鐵死亡的發(fā)生。使用鐵螯合劑、抗氧化劑和自由基清除劑等藥物能夠降低ApoE-/-小鼠AS病變，對脂質(zhì)過氧化有抑制作用。最近研究發(fā)現(xiàn)[35]，體外血管內(nèi)皮細(xì)胞經(jīng)ox-LDL處理后具有鐵死亡的特征，使用鐵死亡抑制劑后能夠明顯逆轉(zhuǎn)細(xì)胞死亡。表明鐵死亡對AS具有關(guān)鍵作用，抑制鐵死亡能夠逆轉(zhuǎn)及延緩AS病變。因此，針對鐵死亡的發(fā)生機(jī)制，通過抑制游離亞鐵離子蓄積，降低脂質(zhì)過氧化積累等方法抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡可為AS的治療提供新思路。

4 總結(jié)與展望

鐵死亡作為一種新發(fā)現(xiàn)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式，是指鐵離子依賴的脂質(zhì)過氧化增多而導(dǎo)致的細(xì)胞死亡，主要涉及脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生和消除。涉及氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、鐵離子代謝等多種生理機(jī)制，但脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的最終執(zhí)行者。動脈粥樣硬化主要是脂質(zhì)過氧化物導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)皮功能障礙及炎性反應(yīng)，已有研究表明，鐵超載可加重動脈粥樣硬化的發(fā)生，鐵死亡特異性抑制劑可減緩動脈粥樣硬化病變的發(fā)展，對脂質(zhì)過氧化有一定的抑制作用。但鐵死亡在動脈粥樣硬化發(fā)生機(jī)制中的作用尚未明確，并且與包括AS在內(nèi)的多種相關(guān)性疾病有關(guān)，近幾年來，鐵死亡成為新的研究熱點(diǎn)，然而目前對鐵死亡與AS治療的研究主要集中在體外和動物實(shí)驗(yàn)，臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少，并且關(guān)于鐵死亡對AS具體調(diào)控機(jī)制仍有待于進(jìn)一步闡明。此外，AS的鐵死亡是否與壞死、凋亡等有相互干擾作用，以及鐵死亡抑制劑是否特異性地調(diào)節(jié)鐵死亡而不針對其他形式的細(xì)胞死亡也有待于進(jìn)一步研究。但鐵死亡作為一種新的細(xì)胞死亡方式，靶向鐵死亡的藥物勢必會給動脈粥樣硬化治療提供新的治療策略。