鐵死亡與心力衰竭的研究進(jìn)展

彭可玲 賈曉艷 王華 劉永銘

(1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院老年心血管科 甘肅省老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，甘肅 蘭州 730000)

心力衰竭(心衰)是一種由不同病因?qū)е碌呐R床綜合征，其病理生理機(jī)制存在差異，不是一種特定和獨(dú)立的疾病，而是心臟疾病發(fā)展的終末階段。心衰作為世界范圍內(nèi)的一個重大公共衛(wèi)生問題，其發(fā)病率、住院率及死亡率一直居高不下，且隨著人口老齡化的發(fā)展有持續(xù)升高的趨勢，對其發(fā)病機(jī)制進(jìn)行深入探索任重而道遠(yuǎn)。除了目前已被證實的細(xì)胞調(diào)亡、自噬以及壞死等多種細(xì)胞死亡方式參與了心衰的過程之外，鐵死亡也參與其中?，F(xiàn)就鐵死亡及其調(diào)控機(jī)制，以及目前鐵死亡與心衰的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行概述，并展望其未來的研究方向。

1 鐵死亡概述

2012年Dixon等[1]首次提出鐵死亡的概念，是一種鐵依賴和非凋亡形式的細(xì)胞死亡，其特征是脂質(zhì)過氧化物積累到一定水平所導(dǎo)致的細(xì)胞膜氧化損傷[2]。在形態(tài)學(xué)上，大多數(shù)研究人員[3]認(rèn)為鐵死亡的細(xì)胞會出現(xiàn)壞死樣改變，包括質(zhì)膜完整性喪失、胞漿腫脹、胞質(zhì)細(xì)胞器腫脹和染色質(zhì)凝聚。在超微結(jié)構(gòu)水平上，通常表現(xiàn)出線粒體的異常，如凝聚或腫脹、膜密度增加、嵴減少或消失，以及外膜破裂[1]。在生物化學(xué)中，主要表現(xiàn)為鐵過量和脂質(zhì)過氧化，而脂質(zhì)過氧化主要影響的是細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸[4]。另外，在遺傳學(xué)中，少數(shù)基因或蛋白的過表達(dá)被認(rèn)為是鐵死亡的生物標(biāo)志物[4]，如長鏈酯酰輔酶A合成酶4(long-chain acyl-CoA synthetase 4，ACSL4)。

2 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制

鐵死亡的調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，主要涉及鐵代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝三方面，源于細(xì)胞膜磷脂氧化代謝障礙，當(dāng)脂質(zhì)過氧化物積累至谷胱甘肽過氧化物酶還原極限時，鐵離子介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)會催化其產(chǎn)生脂質(zhì)自由基，并在細(xì)胞內(nèi)大量積累致細(xì)胞死亡。

2.1 鐵代謝

鐵是人體重要的必需微量元素，參與多種物質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)[5]，鐵代謝與鐵死亡的發(fā)生密切相關(guān)。鐵在血液循環(huán)中主要以與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的三價鐵存在，與細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1結(jié)合后進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，通過還原酶將三價鐵還原為二價鐵。過量的二價鐵可通過轉(zhuǎn)鐵蛋白1將其轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外，儲存于鐵蛋白重鏈1和輕鏈1。此過程受到鐵蛋白和鐵調(diào)素等多種蛋白的調(diào)節(jié)[6]。有研究[7]發(fā)現(xiàn)，鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin和RAS合成致死物3通過上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1的表達(dá)增加對鐵的攝取，同時下調(diào)重鏈1和輕鏈1的表達(dá)以減少鐵的儲存，使大量游離鐵釋放，過量的鐵通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥自由基及活性氧(reactive oxygen species，ROS)，誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生。因此，鐵過量會加劇鐵死亡的發(fā)生，鐵代謝異常是細(xì)胞鐵死亡過程的重要表現(xiàn)。

2.2 氨基酸代謝

氨基酸代謝同樣參與鐵死亡的進(jìn)程，其中谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵蛋白。胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(system Xc-)，在質(zhì)膜上以1:1攝入胱氨酸，排出谷氨酸，將攝入細(xì)胞的胱氨酸還原為半胱氨酸，與谷氨酸及甘氨酸結(jié)合形成谷胱甘肽(glutathione，GSH)，而GSH通過GPX4的催化與氧化型谷胱甘肽之間形成動態(tài)平衡。抑制GPX4及GSH的合成，可啟動鐵死亡，抑制半胱氨酸攝取會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物的積累[8]。鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin也可通過氨基酸代謝途徑(即抑制system Xc- 來減少細(xì)胞內(nèi)的半胱氨酸及GSH，進(jìn)而抑制GPX4清除ROS)導(dǎo)致鐵死亡[1]。

2.3 脂質(zhì)代謝

脂質(zhì)代謝與細(xì)胞對鐵死亡的敏感性密切相關(guān)。含多不飽和脂肪酸的磷脂 (poly-unsaturated fatty acid-phosphatidyl ethanolamine，PUFA-PE)是脂質(zhì)過氧化的底物[9]，也是驅(qū)使細(xì)胞進(jìn)入鐵死亡的關(guān)鍵磷脂。ACSL4通過參與磷脂代謝形成多不飽和脂肪酸-酰基輔酶A(PUFA-CoA)[10]，而PUFA-CoA可催化PUFA-PE發(fā)生酯化反應(yīng)，抑制ACSL4可降低PUFA-PE，故ACSL4是鐵死亡的特異性生物標(biāo)志物和驅(qū)動因素。有研究[11]表明，乳腺癌細(xì)胞中ACSL4基因表達(dá)水平很高，當(dāng)敲除ACSL4基因后會降低PUFA-PE的合成，從而抑制RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡發(fā)生。另一種參與脂質(zhì)代謝的酶(溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3)與磷脂酰乙醇胺反應(yīng)，生成PUFA-PE[2，11]。PUFA-PE的過氧化主要發(fā)生在質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，可通過脂氧合酶介導(dǎo)的酶促反應(yīng)[12]完成，最終形成脂質(zhì)氫過氧化物。脂質(zhì)代謝通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)點在于ACSL4和脂氧合酶。

3 鐵死亡和心衰

心衰是一種臨床綜合征，其特征是由于心臟結(jié)構(gòu)和/或功能異常，引起靜息或負(fù)荷時心輸出量減少和/或心內(nèi)壓力增高，從而導(dǎo)致的典型癥狀(如呼吸困難、踝部水腫和疲乏)，也可伴有體征(如頸靜脈壓升高、肺部啰音和外周水腫)[13]。心衰是一種由不同病因?qū)е碌呐R床綜合征，其病理生理機(jī)制存在差異，不是一個獨(dú)立的疾病，而是心臟疾病發(fā)展的終末階段。幾乎所有的心血管疾病最終都會導(dǎo)致心衰。除了目前已被證實的細(xì)胞調(diào)亡、自噬以及壞死等多種細(xì)胞死亡方式參與了心衰的過程之外[14]，鐵死亡途徑通過調(diào)節(jié)心衰的病理生理(如炎癥、心臟毒性損害、心肌肥厚及纖維化等)而參與其中。

3.1 炎癥

炎癥已被公認(rèn)為是心衰的病理生理學(xué)特征[15]，在心衰中，各種炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生不僅是炎癥反應(yīng)激活的標(biāo)志，而且可通過各種機(jī)制誘導(dǎo)心室收縮功能障礙、心室擴(kuò)張、心肌細(xì)胞肥大和凋亡等，直接作用于心衰的病理生理過程。鐵死亡與炎癥反應(yīng)關(guān)系密切，在鐵死亡的過程中會產(chǎn)生某些過氧化物和花生四烯酸代謝的相關(guān)炎癥因子。有研究[16]發(fā)現(xiàn)鐵死亡細(xì)胞中PTGS2基因的表達(dá)增加，該基因主要編碼環(huán)氧化酶2，后者可加速花生四烯酸的代謝，而脂氧合酶和環(huán)氧化酶是參與花生四烯酸代謝的主要工具酶，二者將花生四烯酸分解成白三烯、前列腺素及某些過氧化物；GPX4對核因子κB信號通路進(jìn)行調(diào)控，抑制脂氧合酶，降低ROS水平，減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)[17]，一旦GPX4缺乏，即可誘發(fā)炎癥反應(yīng)[18]。既往研究[15]已證實上述炎癥反應(yīng)及產(chǎn)生的炎癥因子同樣參與了心衰的發(fā)生和發(fā)展，故可證明鐵死亡與心衰密切相關(guān)。

3.2 心臟毒性損害

腫瘤治療相關(guān)的心血管損害可累及心臟和血管的結(jié)構(gòu)及功能，最終導(dǎo)致心衰，由其引起的心肌功能障礙和心衰常被稱為腫瘤治療的心臟毒性，如阿霉素心肌病。 Fang等[19]在國際上率先揭示鐵死亡是防控心臟疾病的有效措施。該研究團(tuán)隊構(gòu)建了阿霉素誘導(dǎo)的小鼠心肌病模型，其心肌細(xì)胞表現(xiàn)出典型的鐵死亡特征，加入鐵死亡抑制劑ferrostatin-1(Fer-1)后能減輕其誘導(dǎo)的心肌病，證實鐵死亡抑制劑顯著提高了心衰后小鼠的存活率；通過RNA測序分析來確定治療組和對照組小鼠心臟中差異表達(dá)的基因，發(fā)現(xiàn)血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)(血紅素分解代謝過程中的限速酶)顯著上調(diào)；進(jìn)一步揭示，阿霉素是通過核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)來介導(dǎo)HO-1的上調(diào)，而HO-1的激活介導(dǎo)血紅素中鐵離子的釋放，隨后心肌細(xì)胞由于鐵負(fù)荷而誘發(fā)鐵死亡，最終導(dǎo)致心衰；最后又通過線粒體抗氧化劑和鐵螯合劑證實鐵死亡在阿霉素導(dǎo)致的心肌病中的重要作用是通過Nrf2/HO-1通路實現(xiàn)的。在隨后的研究中，F(xiàn)ang等[20]還發(fā)現(xiàn)在心肌細(xì)胞FTH基因敲除的小鼠中，ROS的產(chǎn)生會增加，并增加對鐵負(fù)荷相關(guān)的鐵死亡和心肌病的易感性。鐵死亡抑制劑Fer-1能有效地抑制心肌細(xì)胞中與心衰相關(guān)基因的表達(dá)。

3.3 心肌肥厚及纖維化

心衰是多種心血管疾病的終末階段，而心肌肥厚則是其重要節(jié)點。如何有效地抑制病理性心肌肥厚在其防治過程中有著不可替代的作用。Wang等[21]的研究表明，MAP3K家族成員混合譜系激酶3在壓力負(fù)荷誘導(dǎo)的小鼠心肌肥厚模型中表達(dá)顯著升高，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)混合譜系激酶3能通過JNK/p53信號通路調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)誘發(fā)的鐵死亡，可加重心肌肥厚，miR-351可與混合譜系激酶3直接作用抑制鐵死亡的發(fā)生，從而在心肌肥厚中發(fā)揮保護(hù)作用。Beclin1又稱BECN，為酵母自噬基因Atg6/Vps30的同源基因，是自噬過程中必不可少的分子。Yin等[22]發(fā)現(xiàn)Beclin1單倍量不足的小鼠能抵抗低溫誘導(dǎo)的心肌肥厚，研究者分別通過體內(nèi)和體外實驗對其具體機(jī)制進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)Beclin1單倍劑量不足以下調(diào)鐵蛋白，上調(diào)SLC7A11(FLT1的亞基)和GPX4吞噬核受體共激活因子4，增加的核受體共激活因子4加劇鐵蓄積和脂質(zhì)過氧化，促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生，加重心肌肥厚程度，最終導(dǎo)致心衰。

心肌缺血再灌注后會導(dǎo)致心肌纖維化以及心功能下降，最終導(dǎo)致心衰，鐵死亡也參與了該過程。Nishizawa等[23]證實鐵死亡參與心肌缺血再灌注的病理生理過程，發(fā)現(xiàn)血紅素和鐵代謝的調(diào)節(jié)劑通過抑制一系列保護(hù)性的基因(包括HO-1、鐵蛋白重鏈1 和輕鏈1等)促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生，加重心肌纖維化。Baba等[24]為評估缺血再灌注后心臟中的鐵積累水平，通過結(jié)扎冠狀動脈左前降支制備小鼠模型，發(fā)現(xiàn)損傷30 min后鐵蛋白沿心肌瘢痕區(qū)積聚，鐵積累誘導(dǎo)心肌細(xì)胞死亡并加重心肌纖維化，該過程可能主要受轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1調(diào)節(jié)。Li等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，事先運(yùn)用鐵死亡抑制劑Fer-1腹腔注射能明顯減輕大鼠心肌損傷程度；且大鼠心肌發(fā)生損傷后，其心肌組織中ACSL4蛋白的表達(dá)水平升高，而給予Fer-1的實驗組小鼠的ACSL4蛋白表達(dá)水平明顯低于對照組。注射Fer-1的大鼠外周血中ROS和ACSL4水平均降低，由此推測鐵死亡可能通過上調(diào)ACSL4水平激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑并產(chǎn)生大量ROS，加重心肌纖維化，最終導(dǎo)致心衰。

4 總結(jié)

近年來，在不同心臟疾病的患者中，鐵死亡起重要作用。鐵死亡作為一種存在于多種疾病病理生理過程中的細(xì)胞死亡方式，倍受研究者的關(guān)注。許多研究表明，抑制心肌細(xì)胞的鐵死亡可預(yù)防心血管疾病的發(fā)生。但目前針對鐵死亡與心衰的研究較少，其具體作用機(jī)制和相關(guān)的信號通路仍不明確，仍有許多問題亟待解決。因此，探究鐵死亡的發(fā)生機(jī)制將為心衰防治提供新的靶點。