鐵死亡與骨骼以及關(guān)節(jié)疾病的研究進展

楊延輯,譚先昱綜述,廖文波審校

0 引 言

程序性細胞死亡是由細胞內(nèi)特定基因調(diào)控的分子程序介導的的細胞死亡過程，在生物體生命活動中發(fā)生至關(guān)重要作用[1]。鐵死亡(Ferroptosis)是一種新的程序性細胞死亡類型，其發(fā)生與鐵依賴相關(guān)，以細胞內(nèi)脂質(zhì)活性氧的堆積為特征的細胞死亡[2]。已證實其與許多疾病相關(guān)[3]，如腦卒中、缺血再灌注損傷、神經(jīng)退行性疾病、腫瘤等[4]，且系目前研究熱點[5]。近年發(fā)現(xiàn)鐵死亡與許多骨科疾病進程中扮演重要作用，本文就鐵死亡在骨骼、關(guān)節(jié)疾病中相關(guān)研究進行綜述,旨在為臨床防治和研究提供新的依據(jù)。

1 鐵死亡的概念

自然界生物體中鐵是重要的微量元素，在細胞生長及增殖、氧的運輸和儲存，氧化代謝等有重要作用。此前的研究發(fā)現(xiàn)抗腫瘤藥Erastin擁有誘導Ras突變細胞死亡的能力，且與當時已知的細胞死亡方式不同，沒有明顯的細胞凋亡相關(guān)特征，進一步研究發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽過氧化物酶 4(glutathione peroxidase 4，GXP4)抑制劑Ras選擇性致死小分子(Ras-selective lethnal compound，RSL3)可誘導類似細胞死亡，而鐵螯合劑可以抑制這一過程，這種新型死亡方式與活性氧(reactive oxygen species,ROS)及細胞內(nèi)鐵相關(guān)[6-8]。鐵死亡主要形態(tài)特征變化發(fā)生在線粒體，表現(xiàn)為線粒體縮小，脊減少甚至消失, 膜密度增高,細胞膜崩解，而生物學特征主要是谷胱甘肽(glutathione,GSH)消耗、GXP4失活，導致ROS和鐵的異常積蓄，誘導細胞死亡。2012年Dixon等[9]正式的將這一新型的與鐵依賴相關(guān)死亡方式命名為鐵死亡。

2 鐵死亡發(fā)生機制

鐵死亡是一種鐵依賴性的，區(qū)別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬等新型的細胞程序性死亡方式。鐵死亡的發(fā)生涉及鐵的代謝異常，活性氧的堆積，脂質(zhì)的代謝等。

2.1鐵代謝鐵作為重要微量元素參與多項重要的生理活動如氧的運輸，血紅蛋白的合成等[10]。由于人體缺乏有效的排除鐵的途徑，過量鐵的攝，基因突變，衰老等因素都可以導致機體出現(xiàn)鐵超載。許多疾病的病理狀況與鐵離子過量或代謝異常相關(guān)[11]，如鐵離子的超載會增加關(guān)節(jié)疾病[12]、神經(jīng)退行性疾病[13]等患病風險。研究證實，在發(fā)生鐵死亡的細胞內(nèi)鐵離子水平明顯增加[14]，故認為鐵離子的異常積蓄是鐵死亡的重要標志之一。正常生理狀態(tài)下，鐵以Fe3+和Fe2+的形式存在，體內(nèi)Fe2+被氧化為Fe3+,進而與轉(zhuǎn)鐵蛋白形成復合物，在鐵還原酶作用下還原為 Fe2+從而維持鐵穩(wěn)態(tài)。過量的鐵可以通過芬頓(Fenton) 或哈伯 · 韋斯(Haber Weiss)反應產(chǎn)生ROS堆積，啟動脂質(zhì)過氧化，誘導鐵死亡的發(fā)生[15]。

2.2脂質(zhì)過氧化ROS及脂質(zhì)過氧化物的異常積蓄是誘導發(fā)鐵死亡的重要因素之一。ROS的異常積蓄會使GSH被消耗，GPX4活性降低[16]，而GPX4是目前已知的唯一用于脂質(zhì)體過氧化物還原的谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPX)，在鐵死亡的發(fā)生中扮演關(guān)鍵作用。多化合物誘導鐵死亡的發(fā)生，各自的信號通路也各不相同，但最終結(jié)果都是使GPX活性降低，增加脂質(zhì)過氧化反應，導致鐵死亡的發(fā)生，故而認為GPX4 是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[17]。目前研究鐵死亡的發(fā)生機制主要是兩條，分別是抑制GPX4和抑制胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運受體(the cystine/glutamate antiporter system，systemXc-)的活性。RSL3與Erastin都是鐵死亡誘導劑，其中RSL3是一種GPX4抑制劑，直接抑制GPX4使其失活，導致ROS的大量積蓄，最終誘細胞導鐵死亡，另二苯基氯化碘鹽7(diphenyleneiodonium chloride 7，DPI7)、二苯基氯化碘鹽10(diphenyleneiodonium chloride 10，DPI10)等也有類似作用[8-17]；而Erastin被證實是一種 systemXc-抑制劑[9-18],主要通過抑制 systemXc- 介導的胱氨酸攝取，降低GSH的含量從而損害細胞的抗氧化防御，促進 ROS 的累積，進而促進鐵死亡的發(fā)生[19]。柳氮磺吡啶(Sulfasalazine,SAS)不僅可以抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體,而且還會影響胱氨酸依賴的GSH 的合成,從而導致鐵死亡的發(fā)生[20]。

3 鐵死亡與骨骼、關(guān)節(jié)疾病

3.1 骨性關(guān)節(jié)炎骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是由多種因素引起慢性退行性疾病，膝骨關(guān)節(jié)炎已成為世界殘疾的第四大原因[21]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)鐵超載與OA相關(guān)[22]，并且認為鐵代謝異常是OA發(fā)展的危險因素之一[23]。OA患者關(guān)節(jié)滑液中鐵濃度明顯的高于健康者[24],關(guān)節(jié)損傷程度與血清鐵蛋白的升高程正相關(guān)[25]。通過建立鐵過載并手術(shù)誘導OA小鼠模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵超載引起了含凝血酶敏感素基序的去整合素金屬蛋白酶5(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs 5，ADAMTS5)、是基質(zhì)金屬蛋白酶13(matrix metal- lopmteinase 13，MMP13)高表達和更嚴重的軟骨破壞，二價金屬離子轉(zhuǎn)運體( divalent metal transporter 1，DMT1)在鐵超載誘導的 OA 進展中起關(guān)鍵作用[26]。白細胞介素(interleukin-1β, IL-1β) 和枸櫞酸鐵銨(ferric ammonium citrate, FAC) 都誘導了關(guān)節(jié)軟骨ROS 異常積蓄，導致軟骨細胞死亡，而鐵死亡誘導劑Erastin可上調(diào)軟骨中MMP13的表達，下調(diào)軟骨細胞中 II 型膠原蛋白的表達；向OA小鼠模型關(guān)節(jié)內(nèi)注射鐵死亡抑制劑(ferrostatin-1)后發(fā)現(xiàn)上調(diào)了II 型膠原蛋白的表達，并且延緩了OA的發(fā)展[27]。此外，有學者發(fā)現(xiàn)D-甘露糖可以通過減弱軟骨細胞對鐵死亡的敏感性從而發(fā)揮保護軟骨，減輕 OA 進展的作用[28]?；ぱ资荗A的重要病理過程，被證實與鐵死亡相關(guān)，有學者利用脂多糖處理滑膜細胞構(gòu)建滑膜炎細胞模型，發(fā)現(xiàn)滑膜細胞中鐵含量及MDA增加，溶質(zhì)載體家族成員3成員2(solute Carrier Family 3 Member 2 ,SLC3A2L)、溶質(zhì)載體家族成員7成員11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)和GPX4水平下降，而淫羊藿苷可以降低鐵含量，并且抑制鐵死亡[29]。目前認為細胞內(nèi)鐵代謝異常引起大量的鐵積蓄參與滑膜改變、軟骨退變和軟骨下骨重塑的病理過程?；ぱ讓е禄ぴ錾脱苌刹⑶疫€促進軟骨細胞鐵死亡，此外，還會導致破骨細胞的增殖和活性增加，并抑制成骨細胞的功能和增殖，導致軟骨下骨重塑[30]。

3.2骨肉瘤骨肉瘤是兒童和青少年中最常發(fā)的惡性骨腫瘤，臨床上主要采取化療及手術(shù)的方式。研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡在腫瘤的發(fā)展及免疫等方面發(fā)揮重要作用[31-32]。Luo等[33]發(fā)現(xiàn)補骨脂甲素(bavachin)可以誘導骨肉瘤細胞死亡，并且因基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metal- lopmteinase ，MMP)降低導致線粒體出現(xiàn)典型的鐵死亡形態(tài)特征變化，增加轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor,TFRC) 和 DMT1 表達同時降低鐵蛋白重鏈(ferritin heavy chain，F(xiàn)TH) 和 鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain ，F(xiàn)TL) 表達使得細胞內(nèi)亞鐵水平增高，此外，bavachin通過下調(diào)磷酸化信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3(phosphorylated-signal transducers and ac-tivators of transcription 3,p-STAT3)、上調(diào)P53表達導致 SLC7A11 和 GPX4 表達降低并促進 ROS 和 脂質(zhì)過氧化物丙二醛(Malonaldehyde, MDA )積累，誘導鐵死亡的發(fā)生，而通過鐵死亡抑制劑可以抑制這一過程。替拉扎明(Tirapazamine，TPZ)為新型生物還原劑類抗腫瘤藥，其主要作用在乏氧細胞內(nèi)代謝產(chǎn)生自由基導致DNA損傷和細胞死亡。Shi等[34]研究發(fā)現(xiàn)TPZ可以有效的抑制骨肉瘤的增殖和轉(zhuǎn)移，通過測定骨肉瘤細胞里相關(guān)鐵蛋白的水平， 證實缺氧條件下TPZ導致SLC7A11和GPX4等關(guān)鍵鐵死亡蛋白的表達顯著下降，MDA 和 Fe2+增加，促進骨肉瘤細胞產(chǎn)生過量ROS，誘導鐵死亡發(fā)生。Liu 等[35]通過測定順鉑耐藥的骨肉瘤細胞中鐵死亡相關(guān)蛋白發(fā)現(xiàn)GPX4在耐藥細胞中高表達，通過鐵死亡誘導劑促進鐵死亡的發(fā)生可增強骨肉瘤細胞對順鉑的敏感性，進一步研究發(fā)現(xiàn)GPX4的減少和ROS的增多可以使耐藥骨肉瘤細胞對順鉑的敏感性得到相應的改善。β-異硫氰酸苯乙酯(β-phenylethyl isothiocyanate，PEITC)具有抗癌潛力，研究發(fā)現(xiàn)PEITC通過抑制K7M2骨髓骨肉瘤細胞，誘導氧化應激，GSH失活，MDA和ROS升高，GPX4減少，并且認為PEITC激活了MAPK信號通路，ROS生成是PEITC誘發(fā)細胞死亡的主要原因[36]。 姜黃素類似物聯(lián)苯二氟酮(diphenyl difluoroketone，EF24)顯著提高了MAD,ROS及細胞內(nèi)鐵的水平，上調(diào)血紅素加氧酶1(Heine Oxygenase 1，HMOX1)抑制GPX4表達，誘導鐵死亡，而Ferrostatin-1鐵死亡抑制劑可抑制這一過程[38]。 Lei等[37]建立了基于鐵死亡相關(guān)基因的骨肉瘤疾病預測模型，并取得了較好的預測效果。

3.3骨質(zhì)疏松骨質(zhì)疏松主要是各種原因?qū)е鹿敲芏群凸琴|(zhì)量下降，影響骨的穩(wěn)定性和功能。研究證實鐵超載是骨質(zhì)疏松發(fā)生的一個重要危險因素[39]，且與骨質(zhì)疏松的發(fā)展呈正相關(guān)[40]，鐵的異常積蓄會抑制成骨細胞的活性，并使破骨細胞的活性增加有關(guān)[41]。因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)具有誘導破骨細胞分化、發(fā)育、發(fā)揮功能的因子，Ni等[42]發(fā)現(xiàn)在有氧條件下RANKL可以影響鐵的穩(wěn)態(tài)，核受體輔激活因子 4(nuclear receptor coactivator 4,NCOA4)介導鐵蛋白在溶酶體中降解，發(fā)生鐵自噬，引起游離鐵的釋放，繼而脂質(zhì)過氧化增加；在缺氧條件下，鐵蛋白的降解被抑制，氧氣可能對骨質(zhì)疏松癥的鐵死亡過程產(chǎn)生影響。另有研究指出，ROS可影響破骨細胞的形成和分化，對骨的穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生不利影響[43-44]，RANKL 是骨吸收和骨形成耦聯(lián)關(guān)鍵因子，腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)在RANKL通路介導ROS生產(chǎn)中起著關(guān)鍵的作用，其可通過激活Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1, Rac1) 使還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase ，NOX) 激活，導致 ROS 產(chǎn)生增加[45]。Liu等[46]證實,Loureirin B可以通過抑制活化T細胞核因子(nuclear factor-activated T cell 1,NFATc1)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)和ROS活性來改善RANKL誘導的破骨細胞生成和骨質(zhì)疏松。

3.4脊髓損傷脊柱脊髓損傷是骨科常見疾病，由于各種因素導致脊柱穩(wěn)定性受到破壞，脊髓壓迫引起髓損傷可出現(xiàn)各種感覺及運動障礙。脊髓損傷后伴隨損傷部位出血致使血紅蛋白中的鐵大量釋放引起鐵超載，產(chǎn)生過量的ROS引起鐵死亡的發(fā)生[47]。在脊髓損傷的實驗鼠脊髓組織內(nèi)鐵死亡標志物水平出現(xiàn)明顯變化，且線粒體出現(xiàn)明顯的鐵死亡的特征性變化[48]。Zhang等[49]對實驗性脊髓損傷鼠注射鐵死亡抑制劑(SRS16-86)，發(fā)現(xiàn)可上調(diào)GPX4、SLC7A11和GSH表達，促進功能恢復。另有學者發(fā)現(xiàn)繼發(fā)性脊髓損傷可導致少突膠質(zhì)細胞大量減少[50]，GSH的減少與鐵的大量增加引起少突膠質(zhì)細胞的氧化損傷[51]，fan等[52]證實RSL3誘發(fā)少突膠質(zhì)細胞鐵死亡，并發(fā)現(xiàn)在抑制少突膠質(zhì)細胞鐵死亡方面Liproxstatin-1 比依達拉奉(edaravne, EDA) 或 去鐵胺(deferoxamine，DFO)更有效，揭示了鐵死亡在少突膠質(zhì)細胞生存中的重要作用。脊髓損傷后，會誘發(fā)運動皮層鐵超載，引起運動皮層中的神經(jīng)元發(fā)生鐵死亡，抑制鐵死亡的進展可減輕神經(jīng)元的死亡同時促進了脊髓損傷后的運動功能的恢復[54],鋅可以通過核因子E2相關(guān)因子2/血紅素加氧酶1(nuclear factor erythroid 2-related factor 2/ heme oxygenase 1，NRF2/HO-1)和GPX4信號通路抑制神經(jīng)元的鐵中毒，一定程度上修復受損的線粒體并有效地減少了脊髓損傷和炎癥因子的水平[53]。這些研究結(jié)果提示鐵死亡在脊髓損傷中可能扮演著重要角色。

3.5椎間盤突出癥腰椎間盤突出癥(lumbar disc heniation，LDH)是引起慢性腰腿痛的常見原因之一，主要是腰椎間盤發(fā)生退行性變(iumbar intervertebral disc degeneration,IVDD)后，纖維環(huán)破裂，髓核組織突出到椎管內(nèi)，相鄰神經(jīng)根受壓，出現(xiàn)腰腿痛，下肢麻木等癥狀。Yang等[55]通過大鼠IVDD模型發(fā)現(xiàn)，退化椎間盤組織中GPX4，F(xiàn)TH的表達水平明顯下降，而環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase 2,PTGS2)、長鏈酯酰輔酶A合成酶4 (acyl-CoA synthetase long chain family member4，ACSL4)表達增加，將環(huán)狀纖維細胞 (annular fibroblasts，AFC) 和髓核細胞 (nucleus pulposus cells，NPC)置于不同濃度的叔丁基過氧化氫 (tert-Butyl hydroperoxide， TBHP)中，隨著TBHP濃度的增加，F(xiàn)TH和GPX4的表達降低，AFCs和NPC的脂質(zhì)過氧化水平增加，并且AFC和NPC細胞中的線粒體出現(xiàn)了皺縮；使用鐵死亡抑制劑DFO和Fer-1可逆轉(zhuǎn)FTH和GPX4的下降趨勢，而RSL3可以增加其下降趨勢，證明了TBHP誘導的AFC和NPC中的細胞死亡與RSL3誘導的相似，并被DFO和Fer-1抑制；研究發(fā)現(xiàn)在突出的髓核中檢測到血紅色的分解增加，GPX4的減少，首次表明血紅素誘導的HNPC與鐵死亡誘導劑erastin和FAC相同的致死作用，并且HNPC誘導的鐵死亡可被 DFO抑制，發(fā)現(xiàn)其其潛在機制可能與Notch途徑有關(guān)[56]。Liu等[57]人的研究也證實，IVD中ROS的水平與IVDD進展呈正相關(guān)，且在TBHP誘導的人類NPC以及IVDD的人類髓核組織中，鐵轉(zhuǎn)運蛋白(ferroportin，F(xiàn)PN)表達下調(diào)。通過對照 NPC 和 TBHP 誘導的 NPC 中轉(zhuǎn)染慢病毒質(zhì)粒(Lenti-FPN)，結(jié)果顯示 Lenti-FPN 感染上調(diào)了FPN 的表達，減輕了 TBHP 誘導的 NPC 細胞鐵超載，也減輕了TBHP 誘導的 NPC 中的鐵死亡，檜木醇(hinokitiol)可以通過恢復FPN的功能來減輕TBHP誘導的氧化應激和NPC鐵凋死亡，證明了FPN在在人類NPC的鐵死亡發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié) 語

自 2012 年被發(fā)現(xiàn)鐵死亡這一種新型細胞死亡形式以來，已成為目前研究熱點。各種研究已證實，鐵死亡在眾多疾病的發(fā)生發(fā)展中可能扮演著關(guān)鍵作用，干預鐵死亡的過程，不同程度上可改善相關(guān)疾病的發(fā)展。本文簡要綜述了鐵死亡和骨骼、關(guān)節(jié)疾病之間存在的關(guān)系以及可能的機制，由于鐵死亡的發(fā)生涉及多方面，機制復雜多樣，許多關(guān)鍵問題尚待解決，但隨著研究的深入、技術(shù)的完善，干預鐵死亡有望成為骨骼、關(guān)節(jié)疾病非手術(shù)治療，早期干預的切入點。