鐵死亡在腦缺血/再灌注損傷的研究進(jìn)展

羅偉志，王翔宇，代閱

（三峽大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院 國(guó)藥葛洲壩中心醫(yī)院，湖北 武漢 430000）

0 引言

中風(fēng)是由心血管系統(tǒng)破裂或阻塞引起的一種常見(jiàn)且嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。它每年造成數(shù)百萬(wàn)人死亡和殘疾，給人類(lèi)帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)。血栓、高血壓、高血脂、高血糖、吸煙、高齡等均可誘發(fā)。根據(jù)病因不同，腦卒中一般可分為出血性腦卒中和缺血性腦卒中，其發(fā)病機(jī)制和治療方法有較大差異。鐵死亡是2012年首次定義的一種新型細(xì)胞死亡，其特點(diǎn)是非凋亡、鐵依賴(lài)性和過(guò)度積累的脂質(zhì)過(guò)氧化物。鐵死亡已被證明在腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腎損傷和缺血再灌注損傷。鐵死亡也與中風(fēng)的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。在許云飛等人綜述[1]中總結(jié)了鐵死亡在腦卒中發(fā)病機(jī)制中的參與和作用，并預(yù)測(cè)了鐵死亡在腦卒中治療中的潛力。中風(fēng)會(huì)導(dǎo)致鐵過(guò)載和脂質(zhì)代謝紊亂，升高的鐵催化脂質(zhì)過(guò)氧化并最終引發(fā)鐵死亡。鐵代謝和脂質(zhì)過(guò)氧化是鐵死亡的兩大主要作用。本文是對(duì)鐵死亡機(jī)制及在腦缺血/再灌注損傷的中的發(fā)病機(jī)制和潛在治療靶點(diǎn)展開(kāi)敘述討論，旨在為臨床和實(shí)驗(yàn)提供參考。

1 鐵死亡機(jī)制

目前研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡可能有如下相關(guān)機(jī)制[2-5]：(1)鐵代謝異常：鐵離子的過(guò)度積累是鐵中毒的關(guān)鍵特征。腸道吸收或血液中紅細(xì)胞降解產(chǎn)生的Fe2+可被氧化為Fe3+，與細(xì)胞膜受體TfR1識(shí)別的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，形成Tf-TfR1復(fù)合物[6]。在Tf-tfr1內(nèi)吞作用后，F(xiàn)e3+從Tf中釋放出來(lái)，被酸性核內(nèi)體中的一種金屬離子還原酶還原為Fe2+。然后，F(xiàn)e2+通過(guò)二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)1或鋅-鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體ZIP8和zip14轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中[7]。多余的鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白復(fù)合物鐵蛋白中，而鐵蛋白由鐵蛋白輕鏈和重鏈組成，后者具有鐵氧化酶活性，可以催化Fe2+氧化為Fe3+[8]，提供鐵穩(wěn)定地結(jié)合到鐵蛋白殼中，從而維持不穩(wěn)定鐵池的平衡。這一鐵代謝途徑嚴(yán)格控制鐵穩(wěn)態(tài)，一旦失衡，可導(dǎo)致鐵過(guò)度積累和鐵死亡；(2)系統(tǒng)Xc-：氨基酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)Xc-以1:1的比例調(diào)節(jié)細(xì)胞外胱氨酸和細(xì)胞內(nèi)谷氨酸在質(zhì)膜上的交換[9]。在細(xì)胞內(nèi)，胱氨酸被還原為半胱氨酸，然后用于蛋白質(zhì)合成和一種重要的抗氧化劑非核糖體三肽谷胱甘肽的生物合成，是GSH合成一個(gè)速率限制因素；在許多其他細(xì)胞中，輸入胱氨酸是維持半胱氨酸和谷胱甘肽水平所必需的。谷胱甘肽可作為谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4 (GPX4)的基本輔助因子，催化脂質(zhì)過(guò)氧化物的還原。系統(tǒng)Xc-的抑制會(huì)導(dǎo)致GSH和GPX4活性降低，脂質(zhì)過(guò)氧化降低，最終導(dǎo)致鐵離子的死亡[10]。(3)GPX4：GPX4是一種在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)的硒依賴(lài)性谷胱甘肽過(guò)氧化物酶，通過(guò)降低脂質(zhì)過(guò)氧化物的數(shù)量，在調(diào)控鐵中毒中發(fā)揮關(guān)鍵作用；它是一種獨(dú)特的酶，可以通過(guò)將GSH轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)，將氧化型脂質(zhì)還原為無(wú)害的脂醇(L-OH)[11]。GPX4對(duì)于防止大腦、皮膚和內(nèi)皮等器官的細(xì)胞死亡和組織損傷至關(guān)重要。藥物抑制GPX4活性、GPX4降解或基因消融可導(dǎo)致鐵死亡[12]。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4 (GPX4)和Xc-系統(tǒng)是鐵信號(hào)通路的刺激因子。Xc-系統(tǒng)是異二聚體氨基酸抗轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的一部分，該體系的功能是合成GSH作為抗氧化劑所必需的。Erastin是一種鐵誘導(dǎo)劑，抑制Xc-系統(tǒng)活性，降低GSH，最終使GPX4失活；GPX4失活會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物的積累，導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生增加。鐵死亡過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)量脂質(zhì)活性氧最終導(dǎo)致細(xì)胞氧化死亡[13]。(4)脂質(zhì)過(guò)氧化作用：脂質(zhì)過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，4-羥基壬烯醛和丙二醛，經(jīng)常被用作氧化應(yīng)激的一般標(biāo)記物，脂質(zhì)過(guò)氧化與鐵中毒密切相關(guān)，可作為調(diào)控死亡過(guò)程的工具[4]。(5)線粒體：線粒體可通過(guò)氧化磷酸化合成ATP，產(chǎn)生副產(chǎn)物ROS，這是鐵死亡所必需的[14]。腫瘤抑制因子p53可能以雙向方式調(diào)控鐵下垂。一方面，p53可以抑制SLC7A11的表達(dá)，降低Xc-系統(tǒng)對(duì)胱氨酸的攝取，從而下調(diào)GPX4和細(xì)胞的抗氧化活性，導(dǎo)致ROS積累和鐵細(xì)胞凋亡，另 一 方 面，TAZ-ANGPTL4-NOX2、p62-Keap1-NRF2 和谷氨酰胺解通路也可能在鐵死亡中揮調(diào)控作用；6.其他因素：鉤鐵抑制蛋白1 (FSP1)在這一過(guò)程中的特殊作用，提示鉤鐵抑制蛋白1的調(diào)控機(jī)制與GPX4類(lèi)似，細(xì)胞鐵下垂的發(fā)生也受硫酸化途徑的調(diào)控[15-16]。

2 鐵死亡在缺血性腦卒中的機(jī)制

鐵是腦組織穩(wěn)態(tài)的一把雙刃劍。一方面，鐵在催化生成大量ATP以維持正常大腦功能方面是不可或缺的;另一方面，大腦對(duì)鐵依賴(lài)的氧化應(yīng)激非常脆弱[3]；鐵死亡缺血性腦卒中發(fā)病機(jī)制中的作用：（1）鐵的積累與再分配：血液中的鐵可以通過(guò)血腦屏障的破裂進(jìn)入腦組織，導(dǎo)致鐵在神經(jīng)元細(xì)胞中過(guò)度積累，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞的鐵死亡，細(xì)胞內(nèi)鐵積聚可能是鐵死亡的直接原因[17-19]；（2）谷氨酸：谷氨酸作為一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)在生理狀態(tài)下對(duì)神經(jīng)功能的維持起著重要作用；在缺血性中風(fēng)中，谷氨酸釋放增加和細(xì)胞再攝取受損導(dǎo)致其在大腦中積累，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷和死亡；谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)元鐵下垂的調(diào)節(jié)機(jī)制可能與一種重要的轉(zhuǎn)錄因子ATF4有關(guān)[20]；（3）氧化應(yīng)激：氧化應(yīng)激是由細(xì)胞中促氧化劑的積累和抗氧化劑物種的損失引起的，這導(dǎo)致DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的損傷，從而產(chǎn)生病理狀態(tài)[21]；在缺血再灌注過(guò)程中，缺血半暗帶神經(jīng)元細(xì)胞可能會(huì)受到活性氧和活性氮引起的氧化應(yīng)激，而絲裂原活化蛋白激酶途徑介導(dǎo)活性氧誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡發(fā)揮著重要作用[22]；抗氧化劑的喪失是導(dǎo)致氧化應(yīng)激的另一個(gè)關(guān)鍵因素，缺血性卒中后內(nèi)源性抗氧化劑水平下降，抗氧化劑通過(guò)將ROS/RNS轉(zhuǎn)化為無(wú)害分子來(lái)防止細(xì)胞損傷能力下降，導(dǎo)致氧化應(yīng)激[23]。（4）脂質(zhì)過(guò)氧化是鐵死亡的直接誘導(dǎo)因子，氧化應(yīng)激促進(jìn)了脂質(zhì)過(guò)氧化，但是其具體發(fā)病機(jī)制目前尚不清楚；研究表明，鐵下垂與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，通過(guò)減少脂質(zhì)過(guò)氧化抑制鐵下垂可以緩解動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制，miR-17-92的過(guò)度表達(dá)可通過(guò)直接結(jié)合鋅脂蛋白的mRNA并抑制A20生物合成，從而降低ACSL4的表達(dá)，從而降低脂質(zhì)過(guò)氧化，從而保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞免受鐵死亡影響[24-25]。（5）表觀遺傳調(diào)控：表觀遺傳機(jī)制是調(diào)節(jié)腦卒中相關(guān)基因表達(dá)的新基礎(chǔ)因素，與鐵死亡關(guān)系密切；目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Sp1抑制劑MTM可以靶向氧化應(yīng)激介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞死亡的幾種途徑，包括ERK、c-Src、HIF1α和p21waf1/ cip1 ，HDAC抑制劑、谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶、谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶抑制劑在介導(dǎo)鐵中毒死亡中具有重要作用[26]。

3 潛在治療靶點(diǎn)

近十年來(lái)，研究表明，鐵死亡是缺血性器官損傷相關(guān)細(xì)胞死亡的重要誘因，抑制鐵死亡可有效改善臨床前動(dòng)物的缺血性器官損傷，鐵死亡還可累及其他器官功能障礙類(lèi)型和退行性疾病[13]。科學(xué)家通過(guò)調(diào)控鐵死亡成功干預(yù)了動(dòng)物模型的腦卒中過(guò)程，表明鐵死亡是治療腦卒中的一個(gè)新的潛在靶點(diǎn)[27]。在莊麗華等人[28]研究中發(fā)現(xiàn)納米氧化鐵增強(qiáng)磁共振成像可作為監(jiān)測(cè)腦缺血-再灌注損傷急性期炎癥反應(yīng)的有效手段。Tuo等人[29]研究發(fā)現(xiàn)在幼年動(dòng)物中，Tau抑制對(duì)缺血再灌注損傷有神經(jīng)保護(hù)作用，但僅限于幼年，隨著年齡增長(zhǎng)，tau基因敲除小鼠中發(fā)生顱內(nèi)鐵蓄積，因此Tau在年輕時(shí)具有神經(jīng)保護(hù)作用，但隨著年齡的增長(zhǎng)，它會(huì)加劇神經(jīng)毒性鐵的積累；

楊麗等人研究[30]中發(fā)現(xiàn)?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4（ACSL4）是一種調(diào)節(jié)脂質(zhì)組成的關(guān)鍵酶，已被證明有助于鐵死亡的發(fā)生，再灌注前ACSL4抑制對(duì)鐵死亡和細(xì)胞死亡有保護(hù)作用；而特殊蛋白1 (Sp1)是一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，通過(guò)與ACSL4啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合來(lái)增加ACSL4的轉(zhuǎn)錄；為缺血再灌注損傷的預(yù)防和治療提供了一種獨(dú)特而有效的機(jī)制；馮燕生等人[31]研究中首次發(fā)現(xiàn)Lip-1可以減少心肌梗死體積和維持線粒體結(jié)構(gòu)完整性和功能來(lái)保護(hù)心臟，lip -1誘導(dǎo)的心臟保護(hù)作用是通過(guò)降低VDAC1水平和寡聚化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)降低VDAC2/3來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Lip-1也降低了線粒體活性氧的產(chǎn)生，挽救了缺血再灌注損傷應(yīng)激引起的抗氧化劑GPX4的降低。路晶晶等人[32]發(fā)現(xiàn)AIS患者血漿中PVT1水平上調(diào)，miR-214水平下調(diào)，miR-214過(guò)表達(dá)顯著降低PVT1水平。PVT1沉默或過(guò)表達(dá)miR-214可能通過(guò)降低體內(nèi)外脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵沉積而顯著抑制鐵死亡。文章中還發(fā)現(xiàn)miR-214被驗(yàn)證能與PVT1、p53和TFR1結(jié)合，p53的上調(diào)顯著降低了SLC7A11的表達(dá)，PVT1通過(guò)miR-214介導(dǎo)的p53和TFR1調(diào)控鐵細(xì)胞凋亡，因而PVT1和miR-214作為缺血再灌注損傷的潛在靶點(diǎn)；在孫光池等人[33]的研究中發(fā)現(xiàn)核受體共激活因子4（NCOA4 ）缺失顯著消除了由缺血再灌注損傷引起的鐵蛋白吞噬，從而抑制了鐵死亡；該研究還發(fā)現(xiàn)通過(guò)上調(diào)泛素特異性肽酶14(USP14)，NCOA4通過(guò)受損神經(jīng)元中的去泛素化過(guò)程，可以通過(guò)抑制USP14有效降低NCOA4水平以保護(hù)神經(jīng)元免受鐵蛋白吞噬介導(dǎo)的鐵死亡。Pushkar等人[34-35]研究中發(fā)現(xiàn)NL-1降低了神經(jīng)元細(xì)胞過(guò)氧化氫生成，NL-1主要功能有助于改善線粒體呼吸，而在發(fā)生缺血后可能出現(xiàn)大量ATP缺失的細(xì)胞中，NL-1有可能改善線粒體呼吸和ATP生成，因此，NL-1有作為新型線粒體藥物治療腦卒中再灌注損傷的潛在可能性。

鐵螯合劑通過(guò)誘導(dǎo)HIF-1和ATF-1/CREB等轉(zhuǎn)錄因子以及上調(diào)p21waf1/cip1和促紅細(xì)胞生成素等糖解酶，對(duì)谷胱甘肽消耗誘導(dǎo)的毒性具有神經(jīng)保護(hù)作用；朱婷等人研究[36]中發(fā)現(xiàn)三七皂苷可以經(jīng)NG-R1途徑可減少大腦中動(dòng)脈閉塞后再灌注損傷大鼠的梗死體積和神經(jīng)功能缺損、手術(shù)后7天的神經(jīng)元損失，NG-R1抑制神經(jīng)元凋亡和星形膠質(zhì)細(xì)胞激活，減少M(fèi)CAO/R術(shù)后7d葡萄糖和檸檬酸的異常積累；增加MCAO/R術(shù)后7d谷氨酸和蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭組分的含量，增加MCAO/R術(shù)后7d的ATP代謝，增加MCAO/R術(shù)后7d的抗氧化劑含量，維持MCAO/R術(shù)后7天內(nèi)Na+和K+的穩(wěn)態(tài)以及改變MCAO/R術(shù)后7d的磷脂含量，從而減少了梗死面積并改善了神經(jīng)功能缺損；關(guān)學(xué)英等人研究[37]中香芹酚可降低缺血沙土鼠腦組織脂質(zhì)過(guò)氧化物水平，香芹酚通過(guò)增加谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（GPx4）的表達(dá)來(lái)減少細(xì)胞死亡，并抑制鐵死亡；這項(xiàng)研究表明，香芹醇可能是治療腦缺血的一種有價(jià)值的藥物。Jin等人[38]研究法相骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）拮抗劑noggin有利于有髓軸突數(shù)量和髓鞘厚度增加，其主要是將反映性小膠質(zhì)細(xì)胞中的鐵狀態(tài)從鐵儲(chǔ)存轉(zhuǎn)變?yōu)殍F釋放表型，從而通過(guò)提供鐵來(lái)促進(jìn)髓磷脂的合成；吳夢(mèng)榮、Tatiana等人[39-40]首次發(fā)現(xiàn)注射間充質(zhì)干細(xì)胞被輸送到脈絡(luò)叢的證據(jù)，MSCs可分泌趨化因子、生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子和招募免疫細(xì)胞；CP分泌物參與神經(jīng)發(fā)生和MSC增殖；間充質(zhì)干細(xì)胞與脈絡(luò)叢相互作用所產(chǎn)生的分泌因子具有促進(jìn)缺血性腦卒中后腦功能恢復(fù)的治療潛力；趙亞碩等人研究中發(fā)現(xiàn)納米脂質(zhì)體（LLYC）通過(guò)抑制MAPK-JNK降低氧化酶的蛋白質(zhì)水平，增加Bcl-2水平，降低caspase-3，并抑制細(xì)胞凋亡；L-LYC還抑制了鐵調(diào)素介導(dǎo)的FPN1的降低，并使鐵水平正?；?；L-LYC顯著提高缺血半暗帶的總SOD、GSH和CAT水平，顯著降低了脂質(zhì)過(guò)氧化最終產(chǎn)物甲烷二羧酸醛（MDA）的水平；L-LYC有效地抑制IL-6表達(dá)和STAT3磷酸化。納米脂質(zhì)體包封顯著提高了缺血再灌注損傷的神經(jīng)元保護(hù)作用。

4 小結(jié)

綜上所述，鐵死亡在腦缺血/再灌注損傷生理、病理機(jī)制非常復(fù)雜，從物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，蛋白的編碼、翻譯，基因的調(diào)控、表達(dá)，其中的信號(hào)通道，到目前為止，其中鐵死亡所介導(dǎo)的細(xì)胞死亡方式及信號(hào)通道，仍不是很清楚；本文簡(jiǎn)單總結(jié)了鐵死亡的可能機(jī)制、鐵死亡在腦卒中缺血/再灌注損傷中的可能發(fā)病機(jī)制以及未來(lái)潛在的靶向治療位點(diǎn)；腦缺血/再灌注損傷的病理生理機(jī)制非常復(fù)雜，單純干預(yù)任何一條途徑，可能難以獲得良好的效果；從目前來(lái)看，鐵死亡與腦缺血再灌注損傷關(guān)系密切，未來(lái)將很大可能成為卒中后再灌注損傷的一種靶向治療方向。