鐵代謝在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護(hù)中的作用及機(jī)制

方瑾，黃鶴

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學(xué)心血管病研究所 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430060)

鐵是所有生物體的一個基本元素，參與廣泛的生物學(xué)過程，包括氧輸送、DNA合成、細(xì)胞呼吸和電子傳遞以及整體的新陳代謝[1]。鐵代謝紊亂可導(dǎo)致鐵水平升高或降低。心力衰竭患者射血分?jǐn)?shù)降低常出現(xiàn)缺鐵癥。缺鐵癥通過降低線粒體功能和減少能量產(chǎn)生而損害人類心肌細(xì)胞的收縮性，導(dǎo)致心臟功能損傷。此外，系統(tǒng)性缺鐵癥還與冠狀動脈疾病和心肌梗死的高發(fā)病率有關(guān)[2]。另一方面，由于遺傳疾病或補(bǔ)鐵治療引起的鐵超載同樣具有器官損傷風(fēng)險，如心肌病是遺傳性血色病患者死亡的第二個主要原因[3]。鐵超載還會導(dǎo)致血管功能受損，加速動脈粥樣硬化進(jìn)程，促進(jìn)心律失常和心力衰竭的發(fā)生發(fā)展[4]。此外，鐵代謝紊亂還參與其他疾病(如2型糖尿病、肥胖癥和非酒精性脂肪肝)的發(fā)生過程[5]。鐵代謝在心血管疾病中的作用較復(fù)雜，心血管疾病中鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制尚不完全清楚?，F(xiàn)就鐵代謝在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護(hù)中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 鐵代謝及鐵穩(wěn)態(tài)

人體的鐵主要是通過巨噬細(xì)胞對衰老紅細(xì)胞的正常吞噬而不斷被循環(huán)利用。紅細(xì)胞的血紅蛋白中含有的鐵被釋放回血漿，由骨髓重新攝取，用于合成新的紅細(xì)胞，或由其他器官合成含鐵分子。膳食鐵被小腸上皮細(xì)胞吸收的機(jī)制包括：血紅素鐵通過血紅素載體蛋白1轉(zhuǎn)運(yùn)吸收，而非血紅素不溶性Fe3+首先通過細(xì)胞色素B還原酶1還原為Fe2+，然后通過二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1轉(zhuǎn)運(yùn)至腸上皮細(xì)胞內(nèi)[6]。鐵可儲存在鐵蛋白中或通過腸細(xì)胞基底外側(cè)膜的膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白釋放到外周循環(huán)。目前，鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是唯一已知的能導(dǎo)致各種細(xì)胞(腸細(xì)胞、巨噬細(xì)胞或外周細(xì)胞)鐵流出的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體[7]。

鐵在消化道、血漿、紅細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肝臟和脾臟等之間的流動是由鐵調(diào)素抗菌肽基因編碼的鐵調(diào)素調(diào)控。在高鐵水平條件下，鐵調(diào)素通過促進(jìn)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的內(nèi)化和降解，調(diào)節(jié)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的鐵外流。鐵超載、輸注紅細(xì)胞、鐵治療、遺傳因素以及感染和(或)炎癥均會增加鐵調(diào)素的釋放[8]。鐵進(jìn)入細(xì)胞后，成為細(xì)胞質(zhì)中不穩(wěn)定鐵池的一部分。不穩(wěn)定鐵池中的鐵作為中間體，可儲存于鐵蛋白或通過生物合成途徑在線粒體中產(chǎn)生血紅素和鐵硫團(tuán)，或在細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生需要鐵的蛋白質(zhì)。多余的鐵則由鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從細(xì)胞中去除[9]。細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白可作為一種保護(hù)缺鐵和過量鐵的緩沖劑。鐵蛋白以可溶性無毒形式存儲多達(dá)4 500個鐵原子并將其輸送至需要的區(qū)域。鐵蛋白對鐵代謝尤為重要，在缺鐵條件下，鐵蛋白被降解并釋放儲存的鐵，而在鐵超載條件下，它以安全的形式儲存鐵，以防止氧化應(yīng)激的產(chǎn)生[10]。

2 鐵在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護(hù)中的作用及機(jī)制

2.1鐵在線粒體功能障礙中的作用 線粒體對人體能量產(chǎn)生具有重要作用，線粒體功能障礙則與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[11]。然而目前線粒體在鐵代謝以及心肌缺血再灌注損傷中的重要作用仍不明確[12]。線粒體是血紅素合成的唯一部位，也是鐵硫團(tuán)簇的主要來源。血紅素和鐵硫團(tuán)簇蛋白是線粒體氧化磷酸化系統(tǒng)和ATP生產(chǎn)的組成部分，通過鐵的可逆氧化態(tài)催化電子傳輸并為正常心臟功能提供所需的持續(xù)能量。有數(shù)據(jù)表明，近1/3的心肌細(xì)胞鐵分布于線粒體，而心肌細(xì)胞線粒體的鐵含量較其他細(xì)胞多50%～150%[13]。由于鐵是呼吸鏈復(fù)合物的重要組成部分，缺鐵會損害線粒體復(fù)合物Ⅰ～Ⅲ，導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少。在缺鐵的心肌細(xì)胞中，糖酵解酶的表達(dá)隨三羧酸循環(huán)酶的減少而增加。然而，在缺鐵條件下向糖酵解轉(zhuǎn)移增加的ATP并不足以彌補(bǔ)三羧酸循環(huán)ATP產(chǎn)生的損失，從而導(dǎo)致ATP濃度凈下降和ATP依賴性離子傳輸泵功能受損[14]。清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)的酶的合成也需要鐵的參與，因此鐵耗盡的心肌細(xì)胞對ROS引起的損傷較鐵含量正常的心肌細(xì)胞更加敏感[15]。

另外，鐵超載在哈伯-韋斯和芬頓反應(yīng)中作為催化劑誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，產(chǎn)生氫氧化物離子和羥基自由基，這些自由基副產(chǎn)物可以在細(xì)胞質(zhì)和(或)線粒體中進(jìn)行二次氧化反應(yīng)，進(jìn)而損害DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。ROS還可干擾心臟細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)，并影響負(fù)責(zé)心肌電活性的多個離子轉(zhuǎn)運(yùn)體，導(dǎo)致心臟舒張和收縮功能障礙和心律失常[10]。線粒體ROS生成增加還會引起線粒體膜電位的去極化以及線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞破裂，最終導(dǎo)致心臟功能障礙和心肌病[16]。

研究發(fā)現(xiàn)，鐵超載在全身或細(xì)胞水平均與心臟功能障礙密切相關(guān)[17]。此外，弗里德賴希共濟(jì)失調(diào)是一種以心腦線粒體鐵超載為特征的疾病，該類患者患有擴(kuò)張型心肌病和心律失常的概率更高[18]。

2.2鐵在心肌缺血再灌注損傷中的作用 鐵增加與包括心臟在內(nèi)的各器官的缺血再灌注損傷的病理學(xué)有關(guān)。在持續(xù)缺血期間及之后，鐵蛋白降解多于合成，隨后釋放鐵。研究表明，在長期缺血后，相對較高濃度的鐵被動員至冠狀動脈血流，而由缺血引起的心肌鐵動員和重新分配可能會導(dǎo)致氧化應(yīng)激增加及相應(yīng)的心功能損傷[19]。此外，即使是溫和的、非超載的鐵劑量(0.3～12 mg/ml，靜脈注射)在缺血再灌注條件下也會對心臟功能造成損害，而更高劑量的鐵(12 mg/ml)導(dǎo)致左心室最大收縮壓在缺血后恢復(fù)減少17%，心排血量減少50%以上，流出物中脂質(zhì)氫過氧化物增加2倍[20]。在缺血和早期再灌注過程中，酸性的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境有利于從金屬蛋白中釋放鐵并促進(jìn)鐵介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)，將效力較弱的氧化劑、超氧化物和過氧化氫轉(zhuǎn)化為高反應(yīng)的強(qiáng)氧化劑羥基自由基等。在這種情況下，從再灌注時開始使用鐵螯合劑(如去鐵胺)理論上可以抑制再灌注早期氧自由基產(chǎn)生的爆發(fā)并減輕再灌注損傷的嚴(yán)重程度。然而，使用鐵螯合物對缺血再灌注損傷的益處仍存在爭議。在一些小動物模型中，鐵螯合療法可以改善心臟收縮功能，提高細(xì)胞存活能力，抑制心肌重構(gòu)，并減少缺血再灌注損傷后梗死面積。然而，上述研究結(jié)果并不能在體型較大的動物中得以復(fù)制[21]。導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)差異的一個潛在原因可能為所使用的螯合劑的組織滲透性不一致。上述研究中使用的去鐵胺主要通過在細(xì)胞外空間與內(nèi)吞體結(jié)合鐵結(jié)合發(fā)揮作用，但它不能調(diào)節(jié)線粒體鐵。

Chan等[22]進(jìn)一步研究了經(jīng)皮冠狀動脈介入治療再灌注前使用去鐵胺能否改善氧化應(yīng)激和心肌缺血，結(jié)果表明，缺血發(fā)生后的輔助去鐵胺治療可持續(xù)改善氧化應(yīng)激，這可能為缺血性心臟病提供一種新的治療靶點(diǎn)。另外，Paraskevaidis等[23]研究結(jié)果顯示，在冠狀動脈旁路移植術(shù)中使用去鐵胺，可以保護(hù)心肌防止再灌注損傷，降低脂質(zhì)過氧化水平，縮短患者在重癥監(jiān)護(hù)病房的時間。綜上所述，線粒體鐵是心臟缺血性損傷的重要因素，可能是缺血性心臟病治療的新靶點(diǎn)。

2.3鐵在心臟保護(hù)中的作用 研究證明，缺血預(yù)處理(ischemic preconditioning，IPC)作為一種短期適應(yīng)現(xiàn)象，通過適應(yīng)短暫缺血發(fā)作，保護(hù)包括人類在內(nèi)的所有動物的心肌和(或)其他器官免受長時間缺血的影響[24]。然而，IPC的分子機(jī)制尚未完全闡明。將鐵限制在鐵蛋白中可以防止鐵依賴的氧自由基形成[25]。雖然持續(xù)缺血后鐵水平升高增加了心臟組織對氧化損傷的敏感性，但鐵也可作為鐵蛋白積累的信號分子。IPC產(chǎn)生少量無毒但具有刺激性的“游離”鐵，進(jìn)而增強(qiáng)鐵蛋白的形成為長期缺血后高水平的“游離”鐵做好準(zhǔn)備[26]。Galleano等[27]研究證實(shí)，亞急性、低水平鐵可以通過提高鐵蛋白水平保護(hù)肝臟減少缺血再灌注損傷。

在IPC刺激期間和之后，細(xì)胞中產(chǎn)生的低水平“游離”鐵可啟動鐵蛋白翻譯合成。鐵蛋白積累達(dá)到其基礎(chǔ)水平的359%，并在隨后的長時間缺血期間保持較高水平[28]。細(xì)胞內(nèi)增加的鐵蛋白可以隔離過量的催化鐵，防止氧化損傷。在再灌注階段，新合成的鐵蛋白結(jié)合(清除)缺血時釋放的不穩(wěn)定鐵，保護(hù)心臟免受有害的鐵催化自由基的損傷。此時，鐵蛋白含量下降至基礎(chǔ)水平的178%，L亞基/H亞基比值也恢復(fù)到缺血前的水平[26,28]。IPC誘發(fā)的鐵蛋白含量增加和鐵信號在IPC誘導(dǎo)的保護(hù)機(jī)制中的重要性被認(rèn)為是一種潛在的心臟保護(hù)機(jī)制。

總之，IPC可啟動心臟鐵蛋白的從頭合成，增加的鐵蛋白可以作為氧化還原活性鐵的“水槽”，從而保護(hù)心臟免受缺血再灌注相關(guān)的鐵介導(dǎo)的氧化損傷。

3 鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護(hù)中的作用及機(jī)制

鐵死亡的概念最早于2012年被提及，是指細(xì)胞內(nèi)大量鐵的積累導(dǎo)致強(qiáng)烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)，伴隨谷胱甘肽耗竭導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)放大的脂質(zhì)過氧化，進(jìn)而引起細(xì)胞死亡[29]。隨后在多種心臟疾病中被證實(shí)存在鐵死亡，包括多柔比星誘導(dǎo)的心肌病和急性缺血再灌注損傷以及心肌梗死后心力衰竭和感染性心肌損傷[30-31]。

鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生物學(xué)和遺傳學(xué)上與其他受調(diào)節(jié)的細(xì)胞死亡模式不同，它可以由實(shí)驗(yàn)性小分子(如Erastin、Ras選擇性致死小分子3和亞砜亞胺)和一些藥物(如柳氮磺吡啶、索拉非尼和青蒿琥酯)誘導(dǎo)[32]。Erastin誘導(dǎo)鐵死亡最常見的途徑為抑制胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體對胱氨酸的攝取，導(dǎo)致谷胱甘肽減少從而抑制抗氧化防御系統(tǒng)。谷胱甘肽由還原型轉(zhuǎn)化為氧化型，被磷脂過氧化物酶谷胱甘肽過氧化物酶4利用，將膜磷脂中由脂氧合酶形成的多不飽和脂肪酸氫過氧化物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的危害較小的脂醇[33]。各種內(nèi)源性分子(如硒、多巴胺、維生素E、輔酶Q10)和化學(xué)物質(zhì)(如Ferrostatin-1、右雷佐生)對谷胱甘肽過氧化物酶4的直接抑制或間接失活會導(dǎo)致氧化應(yīng)激[32]。鐵的積累是脂氧合酶正?；顒铀匦?，這種谷胱甘肽過氧化物酶4的抑制作用促進(jìn)了強(qiáng)烈的脂質(zhì)過氧化，最終導(dǎo)致致命的鐵沉積細(xì)胞損傷[33]。有學(xué)者認(rèn)為線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體是脂質(zhì)過氧化影響的主要部位，然而細(xì)胞質(zhì)膜是否參與仍存在爭議[30]，未來鐵死亡中脂質(zhì)過氧化的發(fā)生部位是鐵死亡的重要研究方向。

3.1鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷中的作用 雖然盡早實(shí)現(xiàn)再灌注對缺血性心肌有保護(hù)作用，但在接受經(jīng)皮冠狀動脈介入治療的ST段抬高型急性心肌梗死患者中，心肌出血是再灌注干預(yù)后的常見并發(fā)癥，限制了該術(shù)式的應(yīng)用。心肌出血與梗死后區(qū)域的殘余心肌鐵有關(guān)，殘余鐵的積累能夠增加ROS的產(chǎn)生并促進(jìn)鐵死亡[34-35]。Robbers等[36]運(yùn)用心臟磁共振成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，心肌出血是一種微血管阻塞后的不可逆的微血管破壞。此外，心臟磁共振成像顯示，心肌出血與急性期心肌梗死的嚴(yán)重程度以及長期不良左心室重構(gòu)的發(fā)展密切相關(guān)[36]。上述研究一方面證明了殘余心肌鐵對一些初次經(jīng)皮冠狀動脈介入治療心肌梗死患者的有害作用，另一方面，也提出了未來針對心肌細(xì)胞通過利用哺乳動物雷帕霉素靶蛋白機(jī)制靶點(diǎn)的保護(hù)作用調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生來抑制鐵死亡從而挽救心肌細(xì)胞的潛力[35]。

3.2鐵死亡在心臟保護(hù)中的作用 鐵死亡是各種類型心肌病及急性和慢性缺血再灌注所致心臟損傷的基礎(chǔ)。因此，靶向鐵死亡被認(rèn)為可能是治療這些心臟疾病的可行方法。目前針對鐵死亡信號通路中的基因操作，如溶質(zhì)載體家族7成員11的過表達(dá)、核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2敲除、谷胱甘肽過氧化物酶4敲減，已被證實(shí)可以通過增加對鐵死亡的抵抗減輕心臟和心肌細(xì)胞的損傷[30,37]。與上述結(jié)果一致，藥理干預(yù)(如鐵螯合)也可以有效保護(hù)鐵依賴的細(xì)胞死亡過程。研究發(fā)現(xiàn)，鐵螯合劑右雷佐生作為一種線粒體滲透性金屬螯合劑，可以減少體外大鼠心臟氧自由基產(chǎn)生并改善缺血再灌注后的血流動力學(xué)[38]。此外，右雷佐生還可保護(hù)小鼠免受阿霉素誘導(dǎo)的鐵死亡，并減少缺血再灌注后的致命性心臟損傷(梗死面積)和心肌功能障礙的發(fā)生[30]。在市售的鐵螯合劑中，去鐵胺是目前應(yīng)用最廣泛的無毒鐵螯合劑，用于治療與鐵超載相關(guān)的疾病。去鐵胺已被證明可以減少大鼠心肌細(xì)胞ROS的生成[39]。在其他過量鐵誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和鐵死亡模型中去鐵胺也顯示了保護(hù)作用[35]。鐵死亡抑制劑ferrostatin-1通過清除脂質(zhì)氫過氧化物中亞鐵產(chǎn)生的烷氧基自由基發(fā)揮作用[40]。研究發(fā)現(xiàn)，ferrostatin-1在由于鐵蛋白缺乏而引起的心肌病小鼠中顯示出有益作用[37]。因此，鐵超載誘導(dǎo)的鐵死亡可能是上述心臟疾病的潛在治療靶點(diǎn)。

4 小 結(jié)

鐵是人體必需的微量元素，在人體的正常生理過程和各種疾病的病理機(jī)制中均起重要作用。目前鐵與心血管疾病之間的關(guān)系仍未完全明確，認(rèn)為鐵對心臟的有害作用機(jī)制與ROS的產(chǎn)生和心肌損傷易感性增加有關(guān)。但是鐵除了通過增強(qiáng)ROS的產(chǎn)生作為細(xì)胞死亡機(jī)制的催化劑外，還充當(dāng)了觸發(fā)多種保護(hù)性細(xì)胞級聯(lián)反應(yīng)的信號。鐵在線粒體中的作用尤為重要，鐵代謝的調(diào)控可能有助于更有效地治療心肌缺血再灌注損傷。未來需要進(jìn)一步的研究來闡明細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，以開發(fā)更有效的治療心血管疾病的藥物和方法。