鐵死亡在心血管疾病中的研究進(jìn)展

榮幸 夏琍群

近年來(lái)，多種形式的細(xì)胞死亡被證明與心血管疾病的發(fā)病有關(guān)[1]。胱天蛋白酶（caspase）依賴的凋亡是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的調(diào)控細(xì)胞死亡的模式，是隨后幾十年中細(xì)胞死亡研究的主要內(nèi)容。鐵死亡不同于凋亡、壞死和自噬，是鐵依賴性細(xì)胞死亡形式，其特征是脂質(zhì)過(guò)氧化物過(guò)度積累導(dǎo)致細(xì)胞膜氧化損傷，最終引起細(xì)胞死亡[2]。研究表明，鐵死亡與心血管疾病存在密切聯(lián)系，在缺血再灌注損傷、阿霉素心肌病、代謝性心肌病和心力衰竭的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，抑制鐵死亡從而防止心肌細(xì)胞死亡可能成為心血管疾病的有效治療策略。

1 鐵死亡概述

鐵死亡是由于二價(jià)鐵過(guò)度累積、谷胱甘肽耗竭和脂質(zhì)過(guò)氧化導(dǎo)致的一種鐵依賴性非凋亡性細(xì)胞壞死[3]。鐵死亡最早于2012 年被發(fā)現(xiàn)[4]，主要機(jī)制是膜脂修復(fù)酶——谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（GPX4）失效，造成膜脂上活性氧（ROS）積累，而這一積累過(guò)程需要鐵離子的參與。多種小分子（如Ras 選擇性致死小分子erastin、亞砜肟）和多種藥物（如柳氮磺胺吡啶、索拉非尼和青蒿琥酯）均可誘導(dǎo)鐵死亡[5]。鐵死亡可由鐵過(guò)載或GPX4失活啟動(dòng)，GPX4 是防止過(guò)氧化的主要內(nèi)源性機(jī)制，可抑制復(fù)雜脂質(zhì)（如磷脂和膽固醇）的過(guò)氧化反應(yīng)[6]。GPX4 失活時(shí)，激活GPX4 可以抑制鐵死亡。鐵代謝和GPX4 活性是調(diào)節(jié)鐵死亡敏感性的主要途徑。發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞可出現(xiàn)失去嵴和質(zhì)膜完整性的致密線粒體，細(xì)胞形態(tài)不同于凋亡和壞死。鐵死亡的特征性形態(tài)特征可作為其標(biāo)志[7]。

2 鐵死亡與心血管疾病

動(dòng)脈粥樣硬化患者的鐵蛋白通常升高[8]，表明心臟或血清中的鐵含量增加，并可能與心血管疾病的發(fā)病率和嚴(yán)重程度相關(guān)[9]。心肌細(xì)胞或血管內(nèi)皮細(xì)胞中過(guò)量的鐵可引起氧化應(yīng)激、胰島素抵抗和鐵過(guò)度累積，提示發(fā)生鐵死亡[10]。鐵死亡相關(guān)基因的異常表達(dá)和抗氧化蛋白的過(guò)度降解是導(dǎo)致心肌細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵因素。

2.1 心肌缺血再灌注損傷

缺血再灌注損傷是急性心肌梗死致殘或致死的主要原因。心肌缺血引起細(xì)胞內(nèi)酸化、無(wú)氧糖代謝、ROS 生成增加等一系列病理改變，可促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化[11]。缺血再灌注還導(dǎo)致心臟非血紅素鐵（蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)復(fù)合體中血紅素形態(tài)以外的鐵離子）、鐵蛋白重鏈和鐵蛋白輕鏈轉(zhuǎn)錄增加，表明缺血心肌存在鐵超載[12]。鐵死亡抑制劑如鐵抑素-1 和右雷佐生可顯著減輕缺血再灌注引起的心肌損傷和心肌肥厚[12]。研究發(fā)現(xiàn)，缺血再灌注損傷患者心肌標(biāo)本中線粒體非血紅素鐵水平升高，并可被鐵螯合劑（去鐵胺和2,2-聯(lián)吡啶）逆轉(zhuǎn)，但是鐵螯合劑對(duì)細(xì)胞質(zhì)非血紅素鐵沒(méi)有影響，推測(cè)鐵螯合劑可能通過(guò)清除線粒體ROS 改善線粒體三羧酸循環(huán)和線粒體呼吸功能，使線粒體非血紅素鐵下降[13]。

谷氨酰胺分解是鐵死亡的重要機(jī)制。去鐵胺可通過(guò)阻斷谷氨酰胺分解減輕心肌缺血再灌注損傷[14]。定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析研究發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死的早期和中期，GPX4 表達(dá)水平顯著降低[15]。GPX4過(guò)表達(dá)可減少線粒體脂質(zhì)過(guò)氧化，改善缺血再灌注損傷時(shí)的心臟收縮功能[16]。鐵死亡抑制劑liproxstatin-1（LIP-1）通過(guò)降低線粒體電壓依賴性陰離子通道1、線粒體ROS 水平和恢復(fù)心臟GPX4水平，對(duì)缺血再灌注損傷心肌發(fā)揮保護(hù)作用[17]。然而，鐵死亡網(wǎng)絡(luò)如何導(dǎo)致缺血再灌注損傷仍有待進(jìn)一步闡明。

2.2 代謝性心肌病

心肌三酰甘油過(guò)度累積、脂毒性損傷和舒張功能障礙是心肌病代謝紊亂的特征，也是肥胖患者心力衰竭的主要原因[18]。抑制鐵死亡對(duì)肥胖型心肌病和糖尿病型心肌病患者具有心臟保護(hù)作用。肥胖患者GPX4基因突變使GPX4 蛋白表達(dá)水平和催化活性降低[19]。此外，GPX4缺失可增強(qiáng)線粒體脂質(zhì)過(guò)氧化，加重高脂肪高糖飲食小鼠的心肌肥厚[20]，而線粒體中GPX4過(guò)表達(dá)可保護(hù)心臟免受鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的心臟損傷[21]。在糖尿病患者心臟中，人中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（HNE）水平升高，GPX4 水平降低，表明GPX4 可能在代謝性心肌病中發(fā)揮抗氧化作用[20]。小鼠在接受高脂肪、高糖和2 型糖尿病飲食后，參與氧化的代謝活性蛋白也會(huì)出現(xiàn)改變，其中40%來(lái)自線粒體[22]。在糖尿病心臟的線粒體中，發(fā)現(xiàn)存在較多的羰基配合物[23]。鐵死亡抑制劑如輔酶Q10 和維生素E 可緩解糖尿病的氧化應(yīng)激和心臟舒張功能障礙[24]。金屬硫蛋白是一組富含低分子量半胱氨酸的蛋白質(zhì)，各種環(huán)境應(yīng)激源包括自由基、金屬離子和細(xì)胞因子可上調(diào)其表達(dá)。在2 型糖尿病小鼠中，萊菔硫烷通過(guò)誘導(dǎo)核因子E2 相關(guān)因子2（Nrf2）介導(dǎo)的金屬硫蛋白的表達(dá)，抑制鐵死亡，預(yù)防糖尿病相關(guān)的心臟炎性反應(yīng)、氧化損傷和肥大[25]。上述研究提示，鐵死亡與糖尿病心肌病之間可能存在聯(lián)系，這些藥物可保護(hù)糖尿病患者心臟免受ROS 和脂質(zhì)過(guò)氧化造成的損傷。

2.3 阿霉素心肌病

阿霉素是臨床廣泛應(yīng)用的化療藥物，但潛在的心臟毒性使其臨床應(yīng)用受到限制。阿霉素誘導(dǎo)的心肌病與鈣紊亂，自噬功能障礙，線粒體鐵累積，ROS、脂質(zhì)、4-羥基壬烯醇和丙二醛的過(guò)量產(chǎn)生相關(guān)。阿霉素本身螯合三價(jià)鐵并形成阿霉素-三價(jià)鐵絡(luò)合物，催化生成OH-。OH-、超氧自由基與阿霉素一起造成DNA 損傷，蛋白質(zhì)以及脂質(zhì)代謝紊亂，引發(fā)心臟損傷[26]。這些證據(jù)表明，鐵超載通過(guò)促進(jìn)ROS 生成，引起氧化損傷，加劇阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性。

右雷佐生可通過(guò)螯合作用降低游離鐵的水平[27]，是目前美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）唯一批準(zhǔn)用于預(yù)防阿霉素心肌病的藥物。右雷佐生可以抑制小鼠鐵死亡，明顯減輕阿霉素所致的心臟損傷，降低死亡率。阿霉素可增加Nrf2 的核累積，促進(jìn)血紅素氧合酶1 表達(dá)，使血紅素降解和心臟內(nèi)游離鐵釋放，而右雷佐生能降低阿霉素誘導(dǎo)的心臟內(nèi)鐵增加[12]。這些研究表明阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性與線粒體鐵超載及鐵死亡密切相關(guān)，抑制鐵死亡可能減輕阿霉素誘導(dǎo)的心臟損傷。

2.4 心力衰竭

心力衰竭以心肌肥厚和纖維化為特征。由于心肌細(xì)胞的丟失是不可逆的，因此，盡早預(yù)防心肌細(xì)胞肥大和死亡有望延緩心力衰竭的發(fā)生。臨床研究表明，缺鐵或鐵過(guò)載均可擾亂心肌細(xì)胞的鐵穩(wěn)態(tài)，引發(fā)心力衰竭，而心肌細(xì)胞極易受到游離鐵過(guò)載的影響[9]。在血管緊張素Ⅱ 1 型受體相關(guān)蛋白誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大中，核受體共激活因子4 激活后可上調(diào)線粒體蛋白sideroflexin 1（SFXN1）的表達(dá)，SFXN1 可通過(guò)將鐵從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)入線粒體內(nèi)，介導(dǎo)線粒體鐵超載，引起線粒體ROS 過(guò)度生成，增加脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵死亡[28]。在鐵蛋白重鏈缺失的心肌細(xì)胞中，游離鐵不能儲(chǔ)存在鐵蛋白中，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)ROS 的產(chǎn)生，導(dǎo)致衰老相關(guān)的心肌損傷[29]。高鐵飼料喂養(yǎng)的鐵蛋白重鏈缺失小鼠中，胱氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC7A11 表達(dá)顯著降低，谷胱甘肽表達(dá)降低；過(guò)表達(dá)SLC7A11可恢復(fù)谷胱甘肽的表達(dá)，抑制鐵死亡[29]。鐵蛋白重鏈蛋白在心力衰竭小鼠中表達(dá)顯著降低[30]。葛根素和法舒地爾可通過(guò)抑制鐵死亡緩解心力衰竭[31]。這些研究表明鐵蛋白介導(dǎo)的鐵死亡在心肌肥厚和心力衰竭的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用。

3 鐵死亡作為心血管疾病治療靶點(diǎn)的嘗試

靶向調(diào)控鐵死亡被認(rèn)為是治療心血管疾病的一種可行方法。鐵死亡信號(hào)的基因干預(yù)，如過(guò)表達(dá)SLC7A11[29]、敲除調(diào)節(jié)血紅素氧合酶1 表達(dá)的Nrf2和敲除GPX4[15]，已被證明可拮抗鐵死亡，減輕心肌細(xì)胞損傷。此外，鐵螯合劑也顯示心肌保護(hù)作用。右雷佐生作為線粒體通透性金屬螯合劑，可以減少ROS 的產(chǎn)生，改善離體大鼠心臟缺血再灌注損傷[32]。此外，右雷佐生可保護(hù)小鼠免受阿霉素誘導(dǎo)的鐵死亡，減少致命性心臟損傷和缺血再灌注后心功能障礙[12]。去鐵胺也是一種應(yīng)用廣泛的鐵螯合劑，用于治療與鐵超載相關(guān)的各種疾病。鐵抑素-1通過(guò)清除脂質(zhì)過(guò)氧化氫中亞鐵產(chǎn)生的烷氧基發(fā)揮作用[33]，在鐵蛋白重鏈缺乏導(dǎo)致的小鼠心肌病中表現(xiàn)為心臟保護(hù)作用[29]。上述研究表明針對(duì)鐵死亡進(jìn)行藥理學(xué)干預(yù)可以發(fā)揮心血管保護(hù)作用。

4 小結(jié)

鐵死亡對(duì)心臟的作用與ROS 生成、脂質(zhì)過(guò)氧化有關(guān)，特別是在缺血再灌注的條件下。鐵過(guò)載作為一種心血管疾病潛在的危險(xiǎn)因素，可能成為心血管疾病治療的突破點(diǎn)。未來(lái)還需要進(jìn)一步闡明心臟鐵穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，從而開(kāi)發(fā)更有效的心血管疾病鐵死亡靶向療法。