鐵死亡與心臟功能障礙的研究進展

海日汗，聶永禎

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學附屬人民醫(yī)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引言

鐵是所有生物的基本元素。鐵密切參與廣泛的生物過程，包括紅細胞通過血紅蛋白進行的氧轉運、DNA合成、細胞呼吸和電子轉移，以及整體代謝。人體含有大約2-5g的總鐵，其中大部分是細胞內(nèi)的。其中約60%-80%與血紅蛋白和肌紅蛋白中的血紅素以及各種非血紅素酶和蛋白質結合。此外，20%-40%的鐵與特殊的鐵儲存蛋白如鐵蛋白或含鐵血黃素結合。鐵代謝紊亂與最常見的人類疾病的病理機制有關，如2型糖尿病、肥胖和非酒精性脂肪肝，并加速動脈粥樣硬化的發(fā)展。鐵死亡作為一種常見的鐵代謝紊亂，參與了多種心臟疾病的發(fā)生，本文將對鐵死亡的發(fā)生機制作以及其與心臟疾病的關系作簡要的闡述。

1 鐵死亡：一種新型的的細胞死亡形式

鐵死亡是一種鐵依賴性的、過氧化反應驅動的、完全區(qū)別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬的新型的細胞程序性死亡方式，Dixon等人[1]于2012年報告并正式命名。自那時起，已有多種心臟病理記錄，包括多柔比星誘導的心肌病[2]、無代謝障礙條件下的急性I/R損傷[3]、心梗后心力衰竭的早期和中期階段[4]和感染性心臟損傷[5]等。在細胞水平上，已經(jīng)在各種心肌細胞模型中發(fā)現(xiàn)了鐵死亡，例如在正常和高葡萄糖水平下做缺氧/復氧干預的H9c2細胞和大鼠心室肌細胞[6]。

鐵死亡在形態(tài)學、生物化學和遺傳學上不同于其他調節(jié)性細胞死亡的方式，它可由實驗小分子(如erastin、Ras選擇性致死小分子3和磺酰亞胺)和某些藥物(如柳氮磺吡啶、索拉非尼和青蒿琥酯)誘導[7]。erastin誘導鐵死亡最常見的途徑包括抑制胱氨酸/谷氨酸反轉運體攝取胱氨酸，從而抑制了谷胱甘肽的還原，引起抗氧化防御[8]。谷胱甘肽從還原形式(GSH)轉化為氧化形式(GSSG)，被谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4)用來將脂氧合酶(LOX)在膜磷脂中形成的多不飽和脂肪酸的氫過氧化物轉化為相應的危害較小的脂質醇[9]。各種內(nèi)源性分子(如硒、多巴胺、維生素E、輔酶Q10)和化學物質(如fer-1、右丙亞胺)對GPX4的直接抑制或間接失活導致氧化應激。在鐵積聚的情況下，這是LOX酶正?；钚运匦璧?，這種GPX4抑制促進了壓倒性的脂質過氧化，最終導致了鐵死亡[10]。磷脂酰乙醇胺已被確定為由于過氧化作用而導致鐵死亡的關鍵磷脂[11]。除了上述主要的調節(jié)機制，其他分子也可以影響脂質過氧化。比如，硒是GPX4生物合成所必需的[12]，NADPH(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)是消除脂質氫過氧化物所需的還原劑[13]，因此，它們也被認為是鐵死亡敏感性的生物標志物。同樣，由于輔酶Q10已被erastin等鐵死亡誘導劑耗盡，這種膜抗氧化劑也能調節(jié)細胞對鐵死亡的敏感性[14]。而另外一項研究中，Mancias等[15]運用凋亡、壞死以及自噬等途徑的特異性抑制劑處理發(fā)生鐵死亡的細胞，該細胞結構與功能受損情況并未得到明顯改善；而利用鐵死亡抑制劑則能夠明顯改善細胞發(fā)生鐵死亡情況，由此證實鐵死亡是一種獨立于其他細胞死亡途經(jīng)的新型死亡形式。然而，鐵死亡與其他細胞死亡形式之間可能存在聯(lián)系，共同維系機體細胞生長及死亡間的平衡。

2 鐵死亡與多種心血管疾病

2.1 鐵死亡與冠狀動脈硬化

近年來，有一系列報道表明鐵死亡可參與動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展過程。鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1能夠通過減輕ApoE-/-小鼠主動脈內(nèi)皮細胞的脂質過氧化和內(nèi)皮功能障礙來減輕動脈粥樣硬化[16]。鐵死亡與炎癥和氧化應激有關，損傷相關分子模式DAMP，包括HMGB1、ATP、核苷酸和促炎細胞因子（如干擾素-γ、白細胞介素-33和白細胞介素-1α）等可導致炎癥并觸發(fā)動脈粥樣硬化[17]。氧化應激可上調促炎癥細胞因子和轉錄因子，導致炎癥細胞因子、抗炎分子和趨化因子的差異化表達[18]。此外，脂質過氧化可增加內(nèi)皮活性氧，減少一氧化氮，通過巨噬細胞極化引發(fā)炎癥，并加速泡沫細胞的形成和動脈粥樣硬化病變的形成[19]。據(jù)報道，LDL-C（低密度脂蛋白膽固醇）的氧化也會導致內(nèi)皮功能障礙和巨噬細胞活化。氧化低密度脂蛋白（OX-LDL）可被巨噬細胞內(nèi)吞形成泡沫細胞，然后沉積在血管內(nèi)皮細胞上。泡沫細胞上調蛋白水解酶，如MMP（基質金屬蛋白酶），并降解細胞外基質結構，導致冠狀動脈粥樣硬化斑塊破裂，導致一系列臨床急性心血管不良事件[20]。鐵通過調節(jié)脂質過氧化參與動脈粥樣硬化病變的進展。過量的鐵會加劇細胞內(nèi)的氧化應激，并使一些炎癥因子過度表達，如ICAM-1（細胞間粘附分子-1）、VCAM-1（血管細胞粘附分子-1）和MCP1（單核細胞趨化蛋白-1），從而加劇內(nèi)皮損傷并加速脂質沉積[21]。綜上，與鐵積聚、脂質過氧化和炎癥密切相關的鐵死亡在動脈粥樣硬化過程中起著重要作用。

2.2 鐵死亡與心肌梗塞-缺血再灌注損傷

Holay等[22]研究發(fā)現(xiàn)，血清鐵蛋白水平、轉鐵蛋白飽和度與心肌梗死及外周血管病的發(fā)病率呈正相關。Park[4]等人的研究表明心肌梗塞時心肌細胞發(fā)生鐵死亡。通過左前降支結扎對心肌梗死后小鼠心臟組織進行蛋白質組學分析，結果顯示鐵死亡相關蛋白GPX4的水平在心肌梗死的早期和中期顯著下調。當谷胱甘肽水平因半胱氨酸而降低時，抑制GPX4可使原代新生大鼠心室肌細胞對鐵死亡敏感。與鐵死亡息息相關的Nrf2和上皮間質轉化(EMT)被證實與心肌梗死有關聯(lián)。Nrf2是調節(jié)抗氧化反應的主要轉錄因子，通過保護細胞免受致死性ROS應激而抑制各種類型細胞的鐵死亡。EMT可能與ZB1介導的脂肪重編程引起的鐵死亡敏感性有關。Hmox1活性在心肌梗死的早期和中期通過Nrf2/Hmox1途徑增強，導致鐵過量，從而導致心臟細胞發(fā)生鐵死亡。Friedmann等發(fā)現(xiàn)，敲除GPX4會導致病理相關形式的鐵死亡和自發(fā)性腎小管壞死，鐵死亡抑制劑liproxstatin-1可以減輕I /R誘導的組織損傷[23]。Gao等于2015年揭示了鐵死亡在心臟缺血再灌注中的作用，并證實抑制谷氨酰胺分解可以減少I /R損傷（IRI）引起的心臟損傷[24]。Li等研究了心臟移植后IRI后的無菌性炎癥，并觀察到鐵下垂通過toll樣受體4（TLR4）/TRIF途徑改善心臟組織中內(nèi)皮細胞的粘附功能，從而促進中性粒細胞的趨化，加重炎癥反應，并加重移植后的IRI[25]。在小鼠心臟I/R模型中，在再灌注開始時給予鐵死亡抑制劑Lip-1，可減少缺血性梗死面積，改善線粒體結構和功能。LIP-1通過抑制VDAC1的表達和增加GPX4的水平來保護心臟免受IRI的影響[3]。Tang建立大鼠心臟I /R模型，觀察鐵死亡的發(fā)生。同時，泛素特異性蛋白酶7（USP7）在大鼠心肌組織中的表達顯著上調，隨著心肌組織鐵下垂的嚴重程度，p53和TfR1的表達也顯著上調。他們提出USP7/P53/TfR1是調節(jié)心臟I /R引起的鐵死亡的一種新途徑[26]。Nishizawa發(fā)現(xiàn)，調控血紅素和鐵代謝的BACH1（BTB結構域和CNC同源物1）通過抑制一系列保護基因（包括Slc7a11、Hmox1、Fth1等）加速鐵死亡[27]。與野生型小鼠相比，BACH1基因敲除小鼠的抗心肌梗死能力增強。調控BACH1基因是一種很有希望的治療鐵死亡引起的MI的方法。綜上所述，鐵死亡可影響組織I/R損傷的進展，并可能成為預防I/R損傷的潛在治療靶點。

2.3 鐵死亡與心力衰竭

心力衰竭是繼發(fā)于多種病因導致的心臟功能損害的共同慢性期，心臟泵送血液至身體其他部位的能力嚴重受損。在其病理生理過程中，終末分化心肌細胞的減少是個致命因素，但機制尚不清楚。雷帕霉素的哺乳動物靶點通過抑制脂質驅動的活性氧的產(chǎn)生，在保護心肌細胞免受過量鐵和鐵死亡方面具有重要意義[28]。Chen等通過研究主動脈環(huán)扎小鼠模型中不穩(wěn)定鐵和脂質過氧化物含量的增加，推測出心力衰竭是與高度鐵代謝依賴性脂質過氧化物過程相關，并證實TLR4（toll樣受體4）/NOX4（NADPH氧化酶4）參與了HF的自噬和鐵死亡介導的心肌細胞死亡過程[29]。Liu等[30]觀察到，葛根明顯阻斷了心衰小鼠模型和與異丙腎上腺素孵育的H9c2細胞的脂質過氧化和鐵超載。葛根素治療可減輕線粒體萎縮，抑制心力衰竭大鼠心肌細胞數(shù)量的減少。心肌細胞的鐵死亡詳細分子機制仍需進一步研究。

2.4 鐵死亡與心肌肥厚

心肌肥厚是心力衰竭的病理基礎之一，因此抑制病理性心肌肥厚在心衰的防治中具有不可替代的作用。在壓力超負荷誘導的大鼠心肌肥厚模型中，MAP3K家族成員混合譜系酶3（MLK3）的表達量增加并可通過JNK/p53信號通路調節(jié)氧化應激誘導的鐵死亡[31]。Yin等人發(fā)現(xiàn)，Beclin1單倍體缺乏的小鼠能夠抵抗低溫誘導的心肌肥厚[32]。為了探索其具體機制，進行了體內(nèi)外實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，低劑量的Beclin1可以上調SLC7A11和GPX4，下調NCOA4，而NCOA4的增加是可以促進鐵死亡的[33]。心肌肥厚的加重與自噬密切相關，自噬進一步揭示了鐵死亡的重要調節(jié)機制。

2.5 鐵死亡與其他心血管疾病

Bai等人[34]的研究表明，erastin通過啟動鐵調素損傷心肌細胞。Erastin迅速增加H9c2細胞中活性氧的水平，這可能被Fer-1抑制。Erastin誘導的鐵死亡也可以通過ENPP2的過度表達來抑制，ENPP2是一種產(chǎn)生脂質介質溶血磷脂酸的酶(LPA)。LPA是一種生物活性磷脂，通過激活G蛋白偶聯(lián)受體作為自分泌/旁分泌信使。LPA調節(jié)心肌細胞中脂蛋白脂酶的增加，并在急性和慢性缺血性心臟損傷中發(fā)揮重要作用。ENPP2的過表達促進H9c2細胞的遷移和增殖，減少erastin誘導的活性氧的產(chǎn)生。ENPP2因此被證明可以保護心肌細胞免受erastin誘導的鐵死亡。

Sampilvanjil等人[35]發(fā)現(xiàn)香煙煙霧提取物(CSE)導致大鼠血管平滑肌細胞(VSMCs)的鐵死亡，并且CSE誘導的細胞毒性可以通過鐵死亡抑制劑來減輕。與其他血管壁細胞相比，血管平滑肌細胞對CSE誘導的細胞毒性更敏感。CSE導致GHS耗竭并誘導脂質過氧化，從而引發(fā)室間隔細胞的鐵死亡。通過分餾CSE，Noya等人[36]確定丙烯醛和甲基乙烯基酮是導致CSE誘導的室間隔細胞鐵沉積的主要細胞毒性因子。

Li等人[37]報道了鐵死亡與膿毒癥誘導的心臟損傷有關。通過注射脂多糖(LPS)建立膿毒性心肌病模型，并用于確定鐵死亡抑制劑和鐵死亡誘導劑對LPS誘導的肌成纖維細胞的影響。鐵死亡抑制劑Fer-1減輕了LPS誘導的細胞損傷，而鐵死亡誘導劑erastin和索拉非尼加重了LPS誘導的細胞損傷，證實鐵死亡在LPS誘導的肌成纖維細胞中被激活。

3 鐵死亡是一種潛在的新的臟保護靶點

如上所述，鐵死亡已被發(fā)現(xiàn)是由急性和慢性缺血再灌注、心力衰竭和各種類型的心肌疾病引起的致命心臟損傷的基礎。相反，靶向性鐵死亡被認為是處理這些心臟病變的可行方法。鐵死亡信號傳導中的遺傳操作，如胱氨酸-谷氨酸反轉運體的關鍵成分Slc7a11的過表達[38]，調節(jié)HO-1表達的Nrf2的敲除和GPX4的缺失，已被證明能增加對鐵死亡的抵抗力并減輕心臟和心肌細胞的損傷。與這些結果一致，藥物干預，如鐵螯合，也顯示出對細胞死亡的鐵依賴性過程的有效保護。經(jīng)研究證明，鐵螯合劑右丙氧烷(DZX)作為一種線粒體可滲透的金屬螯合劑，可減少自由基的產(chǎn)生，并改善離體大鼠心臟的缺血/再灌注后血流動力學[39]。此外，DZX保護小鼠免受DOX誘導的鐵死亡，并減少致死性心臟損傷和缺血再灌注后的心肌功能障礙。去鐵胺(DFO)是最廣泛使用的無毒鐵螯合劑，用于治療與鐵超載相關的不同疾病的患者。此外，DFO已被證明能減少大鼠心肌細胞中活性氧的生成[40]。鐵死亡抑制劑fer-1也在其他過量鐵誘導的細胞死亡和鐵代謝模型中顯示了保護作用[41]。

4 結論

鐵是一種人體所必需的礦物質，在正常的生理過程和各種疾病的病理機制中起著關鍵作用。雖然研究不斷帶來新的發(fā)現(xiàn)，涉及了鐵及鐵死亡對心臟有害的作用機制，這些作用與活性氧的產(chǎn)生和對心肌損傷的易感性增加有關。但鐵死亡作為一種危險因素與部分心血管疾病之間的聯(lián)系仍需進一步探索和研究。這必會為開發(fā)新的和更有效的心血管疾病鐵靶向治療起到助力作用。