鐵死亡相關(guān)機(jī)制與老年肌肉減少癥的研究

裴苗苗，薛梅，王敏娟

（1.西安醫(yī)學(xué)院研究生院，陜西 西安 710021；2.西安醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院研究生科，陜西 西安 710000）

隨著全球人口老齡化的加速增長，老年肌肉減少癥（sarcopenia）的發(fā)病率將逐年增加。根據(jù)不同肌肉減少癥的診斷標(biāo)準(zhǔn)，肌肉減少癥患病率為9.9%～40.4%，我國老年肌肉減少癥的總體患病率為14%，且女性患病率高于男性（15%∶14%）[1]。老年肌肉減少癥是指骨骼肌質(zhì)量下降和數(shù)量減少，同時(shí)伴有力量或功能下降，其是老年人生理功能逐漸衰退的重要原因和明顯表現(xiàn)。該病發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，可能涉及衰老、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等多種途徑。鐵死亡是由鐵依賴的、多不飽和脂質(zhì)過氧化物累積導(dǎo)致的一種新型細(xì)胞調(diào)控性死亡方式，與傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式相比，具有獨(dú)特的生物學(xué)和形態(tài)學(xué)特征[2]。相關(guān)研究表明[3]，老年肌肉減少癥可能與鐵超載有關(guān)，其所產(chǎn)生大量脂質(zhì)過氧化物積累會影響骨骼肌肉系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，最終誘發(fā)骨骼肌損傷或萎縮，使得骨骼肌數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生改變，導(dǎo)致功能障礙，引起肌肉減少癥的發(fā)生。本文就鐵死亡的發(fā)生機(jī)制與老年肌肉減少癥的關(guān)系予以綜述，以期為今后老年肌肉減少癥的進(jìn)一步探索提供參考。

1 鐵死亡概述

在20 世紀(jì)初，由Dolma S等[4]通過高通量技術(shù)篩選發(fā)現(xiàn)了一種化合物erastin，具有誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡的能力，其erastin 誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生死亡時(shí)不具有典型細(xì)胞壞死改變（細(xì)胞腫脹、細(xì)胞器和細(xì)胞膜破裂），另該過程也沒有呈現(xiàn)傳統(tǒng)細(xì)胞核的改變及半胱天冬酶3 活化，且半胱天冬酶抑制劑也不能逆轉(zhuǎn)這一過程。在2008 年，Yang WS等[5]發(fā)現(xiàn)另一種惡性腫瘤驅(qū)動基因Ras 選擇性致死化合物也涉及這種細(xì)胞死亡模式，與erastin 有著相似的作用，且該研究表明通過凋亡、壞死和自噬抑制劑均不能抑制這系列化合物誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，但通過鐵抑制劑和脂質(zhì)過氧化物抗氧化劑會出現(xiàn)明顯的抑制效果，故而推測可能存在一種有別于傳統(tǒng)細(xì)胞死亡的其他新型細(xì)胞死亡方式。之后的研究實(shí)驗(yàn)檢測到在此過程中出現(xiàn)了鐵含量上升與ROS 顯著累積，而Dixon SJ等[6]將這種鐵依賴的、脂質(zhì)過氧化物堆積的非凋亡的新型細(xì)胞死亡方式正式命名為鐵死亡。

鐵死亡是一種非凋亡形式的細(xì)胞死亡模式，其形狀學(xué)、生化特征以及分子調(diào)控上與傳統(tǒng)的細(xì)胞方式有明顯區(qū)別，在形態(tài)特征方面呈現(xiàn)為線粒體嵴減少甚至消失，線粒體雙層膜密度增加，但細(xì)胞膜保持完整且細(xì)胞核大小如常，無染色質(zhì)聚集現(xiàn)象；在生物化學(xué)特征方面表現(xiàn)為細(xì)胞膜上的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體胱氨酸/谷氨酸（System Xc-）表達(dá)受到抑制，谷胱甘肽合成受阻，GPX4 直接或者間接的失活，導(dǎo)致大量的脂質(zhì)過氧化物顯著堆積，從而誘發(fā)鐵死亡。

2 鐵死亡的發(fā)生機(jī)制

2.1 鐵代謝紊亂 鐵是人體生命活動所必須的微量元素，參與人體許多生物化學(xué)反應(yīng)，如整個(gè)細(xì)胞周期進(jìn)程、能量產(chǎn)生、DNA 的合成和修復(fù)以及全身免疫反應(yīng)等。鐵主要有2 種形式，分別為Fe2+和Fe3+。細(xì)胞內(nèi)的鐵穩(wěn)態(tài)依賴于鐵的吸收、輸出、利用和儲存的動態(tài)調(diào)節(jié)[7]。Fe3+具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，與體內(nèi)的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，在細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體1（TfR1）的介導(dǎo)下進(jìn)入細(xì)胞，轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵的Fe3+在STEAP3金屬還原酶作用下還原為Fe2+，并釋放聚集在胞質(zhì)不穩(wěn)定鐵池（labile iron pool，LIP）中，其余的鐵以鐵蛋白或含鐵蛋白的形式儲存[8]。體內(nèi)通過維持Fe2+的轉(zhuǎn)運(yùn)以精細(xì)調(diào)控鐵的動態(tài)平衡。鐵代謝紊亂時(shí)，鐵超載是發(fā)生鐵死亡的一個(gè)關(guān)鍵原因，LIP 中過量的Fe2+通過Fenton 反應(yīng)產(chǎn)生羥自由基，與細(xì)胞膜上脂質(zhì)分子如多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）等進(jìn)行氧化產(chǎn)生大量ROS，過量的脂質(zhì)過氧化物毒性累計(jì)且不能及時(shí)清除，最終造成細(xì)胞膜氧化損傷誘發(fā)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[9]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)[10]，在細(xì)胞中存在鐵蛋白自噬，核受體輔激活因4是鐵蛋白吞噬的選擇性貨物受體，進(jìn)行溶酶體依賴性降解和鐵釋放，釋放的游離鐵到LIP 中，導(dǎo)致大量的鐵積累，從而增加對鐵死亡的敏感性，促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生。然而目前自噬與鐵死亡在遺傳水平上的關(guān)系尚不清楚，仍有待臨床進(jìn)一步研究。

但通過不同方式調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鐵的含量會改變細(xì)胞對鐵死亡的敏感性，如Dixon SJ等[6]研究發(fā)現(xiàn)，增加鐵蛋白的降解會增加胞內(nèi)鐵離子的水平,進(jìn)而提高細(xì)胞鐵死亡的敏感性。相反，鐵抑制素、鐵螯合劑抑制細(xì)胞鐵離子的含量，脂質(zhì)過氧化物的合成障礙將增加細(xì)胞鐵死亡的抗性。

2.2 氨基酸抗氧化系統(tǒng)失衡 在細(xì)胞正常代謝下，體內(nèi)的氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控保持動態(tài)平衡。GSH 抗氧化劑谷胱甘肽是細(xì)胞內(nèi)抗氧化應(yīng)激的主要抗氧化劑，可以將體內(nèi)聚集的脂質(zhì)過氧化物還原為無毒的醇類物質(zhì)，清除自由基的積累，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。在GPX 家族成員中，GPX4 是唯一一個(gè)抗過氧化物酶，是鐵死亡過程中關(guān)鍵調(diào)控靶點(diǎn)，可將GSH 轉(zhuǎn)化為氧化型GSH，消除體內(nèi)的堆積脂質(zhì)過氧化物，抑制鐵死亡發(fā)生[11]。且GPX4 的活性依賴于system Xc，Xc-系統(tǒng)是細(xì)胞膜上谷氨酸-胱氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體，由溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)家族7A11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和SLC3A2 組成，主要作用是谷氨酸-胱氨酸的交換，將細(xì)胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞并還原為半胱氨酸，成為合成體內(nèi)主要抗氧化劑的GSH 的重要底物，因此system Xc 正常表達(dá)對胱氨酸導(dǎo)入并合成GSH 至關(guān)重要[12]。Jiang L 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，P53 能夠下調(diào)SLC7A11 的表達(dá)，抑制對胱氨酸的攝取，進(jìn)而影響GPX4 的活性。隨后Dixon SJ等[6]研究發(fā)現(xiàn)，erastin、索拉菲尼鐵誘導(dǎo)抑制劑通過抑制system Xc 系統(tǒng)的表達(dá),阻礙GSH 的產(chǎn)生，間接抑制GPX4 的活性。而RSL3 直接與GPX4 共價(jià)結(jié)合使GPX4 失活，產(chǎn)生大量脂質(zhì)反應(yīng)性物質(zhì)，觸發(fā)鐵死亡[14]?？傊ㄟ^不同的途徑都會影響谷胱甘肽過氧化物酶的活性狀態(tài)，導(dǎo)致抗氧化系統(tǒng)失衡并觸發(fā)脂質(zhì)過氧化物的堆積，誘發(fā)鐵死亡。

2.3 脂質(zhì)過氧化物途徑 脂質(zhì)過氧化物的顯著蓄積是誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的關(guān)鍵。游離多不飽和脂肪酸（poly -unsaturated fatty acid -phosphatidyl ethanolamine，PUFA）是合成脂質(zhì)的主要底物，因?yàn)槠浜须p烯丙基氫原子，易受脂質(zhì)過氧化的影響，其中花生四烯酸及腎上腺素是最容易發(fā)生氧化的關(guān)鍵磷脂，它們在乙酰輔酶A 合成酶長鏈家族4（acyl coenzyme A synthetase long chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂?；D(zhuǎn)移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）的幫助下酯化并摻入膜磷脂中，然后在脂氧合酶LOX 催化合成[15，16]，而脂質(zhì)過氧化大量累積會改變脂質(zhì)雙層性質(zhì)，產(chǎn)生細(xì)胞毒性反應(yīng)片段，破壞細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不可逆的細(xì)胞死亡[17]。

3 鐵死亡與老年肌肉減少癥的關(guān)系

近年來許多研究表明[18-20]，鐵死亡參與了多種疾病的生理病理進(jìn)程，如神經(jīng)退行性改變、心血管疾病以及惡性腫瘤等眾多疾病。老年肌肉減少癥是一種增齡性導(dǎo)致肌肉力量和功能損傷的疾病，發(fā)病率逐年提高，對老年人的生活質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。老年肌肉減少癥發(fā)病的主要原因在于骨骼肌代謝異常，其中骨骼肌的損傷和萎縮是關(guān)鍵，導(dǎo)致骨骼肌再生異常、骨骼肌穩(wěn)態(tài)破壞[21]。骨骼肌占人體體重的40%，含鐵量占人體總鐵量的10%～15%。研究表明[3]，骨骼肌中存在與衰老相關(guān)的鐵蓄積，對肌肉萎縮和收縮功能有直接影響，細(xì)胞內(nèi)鐵過載和ROS 毒性累計(jì)是發(fā)生鐵死亡主要特征。

3.1 鐵超載 鐵離子是人體內(nèi)細(xì)胞生命活動中不可或缺的元素，參與了多種生理生化過程，然而過量的鐵集聚對機(jī)體有嚴(yán)重危害[22]。鐵超載可能是肌肉減少癥的一個(gè)危險(xiǎn)因素[23]。由于缺乏有效的排泄途徑，老年人更容易發(fā)生鐵超載。過量的鐵會導(dǎo)致骨骼肌損傷以及骨骼肌肉系統(tǒng)萎縮和修復(fù)再生平衡被破環(huán)。Kasztura M等[24]使用檸檬酸鐵銨處理體外培養(yǎng)的L6 成年大鼠骨骼肌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)骨骼肌鐵負(fù)荷的程度與骨骼肌細(xì)胞活力減弱呈正相關(guān)，其表現(xiàn)為肌紅蛋白水平降低，增殖活性降低。Reardon TF等[25]向?qū)嶒?yàn)組小鼠腹腔注射右旋糖酐鐵構(gòu)建小鼠鐵超載模型，結(jié)果顯示小鼠骨骼肌的鐵含量超載，氧化應(yīng)激的生成產(chǎn)物增加，骨骼肌質(zhì)量減輕，力量下降，可能會誘發(fā)骨骼肌萎縮的潛能。Ikeda Y等[26]研究中長期給予小鼠右旋糖酐鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注射鐵組小鼠骨骼肌和血清鐵含量增加，肌肉鐵蛋白水平升高，骨骼肌質(zhì)量降低，肌肉細(xì)胞萎縮，且骨骼肌萎縮相關(guān)E3 泛素連接酶、Atrogin-1 和肌肉環(huán)狀指蛋白1（muscle ring finger-1，MuRF1）mRNA 表達(dá)升高。另有有研究證明[27]，隨著骨骼肌鐵聚集的增加，可抑制C2C12 成肌細(xì)胞的分化的活性，影響其肌肉再生延遲和肌纖維尺寸減少，同時(shí)降低衛(wèi)星細(xì)胞（骨骼肌再生的關(guān)鍵細(xì)胞）的表達(dá)，導(dǎo)致骨骼肌數(shù)量減少，最終導(dǎo)致肌肉減少癥的發(fā)生。此外，小鼠肌肉減少癥動物模型中，在其骨骼肌中發(fā)現(xiàn)鐵超載和鐵死亡標(biāo)記物明顯高于對照組，且鐵超載會上調(diào)P53 的表達(dá)[28]。p53 是一種抑癌基因，位于人的17 號染色體的短臂上，可以編碼和表達(dá)p53 蛋白，其通過使SLC7A11 轉(zhuǎn)錄受阻，影響systemXC-活性，催化脂質(zhì)過氧化物進(jìn)一步顯著積累，觸發(fā)鐵死亡，這可能是肌肉減少癥發(fā)生的原因之一。p53-SLC7A11 軸在介導(dǎo)的肌肉鐵死亡中起關(guān)鍵作用，這可能為預(yù)防肌肉減少癥的發(fā)生提供了策略。鐵超載與肌肉減少癥有顯著的相關(guān)性。Kim TH等[29]對1380 名韓國60 歲以上老年女性研究發(fā)現(xiàn)，血清鐵蛋白水平升高與女性肌肉減少癥患病率增加有關(guān)。Nakagawa C等[30]對300 名血液透析患者研究發(fā)現(xiàn)，血清鐵蛋白的增加與前臂握力降低和肌肉質(zhì)量降低呈正相關(guān)。由此可見，骨骼肌肉系統(tǒng)代謝平衡與鐵超載有密切關(guān)系，鐵超載將增加老年骨骼肌肉減少癥的發(fā)生幾率。而通過鐵抑制素控制鐵水平的下降，可有效調(diào)節(jié)鐵代謝的平衡，有可能為未來預(yù)防和治療老年肌肉減少癥的發(fā)生提供思路。

3.2 ROS 積累 ROS 大量積累與鐵死亡相關(guān)的肌肉減少癥有著非常重要的關(guān)系。在衰老早期最先出現(xiàn)線粒體功能改變，繼而出現(xiàn)肌纖維結(jié)構(gòu)異常，衰老的線粒體比年輕肌肉的線粒體會產(chǎn)生大量ROS，而ROS 的慢性積累可能導(dǎo)致大分子損傷，如線粒體DNA 突變積累，并且可觀察到ROS 大量堆積可刺激線粒體通透性過渡孔（mtPTP）的打開，導(dǎo)致細(xì)胞色素c 和核酸內(nèi)切酶G 等促凋亡蛋白的釋放，激活caspase-3（內(nèi)在和外在凋亡通路的最終效應(yīng)因子）對于骨骼肌細(xì)胞分解，最后使骨骼肌細(xì)胞凋亡[31]。人體衰老骨骼肌ROS 的積累和內(nèi)源性抗氧化機(jī)制的顯著降低可能在肌肉減少癥的發(fā)生和維持中起關(guān)鍵作用[32]。鐵超載可通過Fenton 反應(yīng)產(chǎn)生大量ROS，ROS 在骨骼肌的萎縮和線粒體的形態(tài)轉(zhuǎn)化起到了關(guān)鍵的作用，而過多ROS 生成使正常體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)平衡打破，導(dǎo)致骨骼肌肉萎縮、肌纖維再生抑制、修復(fù)障礙、骨骼肌的質(zhì)量和力量下降。Powers SK等[33]研究證實(shí)，調(diào)節(jié)活性的生成和能量代謝的穩(wěn)定可能是控制骨骼肌萎縮的有效策略。綜上可知，ROS 可影響骨骼肌穩(wěn)態(tài)，在肌肉減少癥進(jìn)展中的起關(guān)鍵作用，然而這種氧化損傷是如何在疾病的肌肉性能和質(zhì)量下降中發(fā)揮直接作用的具體機(jī)制尚不明確。

4 總結(jié)

鐵死亡作為一種新型細(xì)胞死亡形式，涉及的機(jī)制過程非常復(fù)雜，但目前關(guān)于鐵死亡的機(jī)制仍然處于初步階段。鐵超載和ROS 的毒性水平積累是鐵死亡信號通路中的關(guān)鍵步驟，該過程仍存在許多關(guān)鍵問題仍需進(jìn)一步研究。且與鐵死亡相關(guān)的老年肌肉減少癥研究主要集中與超載和ROS 積累方面，對于鐵死亡與老年肌肉減少癥的內(nèi)在聯(lián)系僅有少量研究，尚未深入闡述。因此，如何通過調(diào)節(jié)鐵死亡發(fā)生的過程來干預(yù)相關(guān)疾病的發(fā)生進(jìn)展已經(jīng)成為臨床研究的焦點(diǎn)?？傊?，繼續(xù)深入探討鐵死亡機(jī)制、核心調(diào)控環(huán)節(jié)，對干預(yù)和治療老年肌肉減少癥提供理論依據(jù)非常重要。