鐵死亡在蛛網(wǎng)膜下腔出血早期腦損傷發(fā)病機制中作用的研究進(jìn)展

曲大鵬，孫會艷，李 強，王洪權(quán)

赤峰學(xué)院附屬醫(yī)院 1.急診科； 3.神經(jīng)內(nèi)科, 內(nèi)蒙古自治區(qū) 赤峰 024005；2 赤峰學(xué)院 醫(yī)學(xué)部, 內(nèi)蒙古自治區(qū) 赤峰 024000；4.航天中心醫(yī)院/北京大學(xué) 航天臨床醫(yī)學(xué)院 神經(jīng)內(nèi)科，北京 100049

蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)是一種神經(jīng)系統(tǒng)急癥，其特征是腦周圍充滿腦脊液的空間出血[1]。SAH后通過多種病理生理機制導(dǎo)致腦組織不可逆損壞。SAH也與較高的醫(yī)療并發(fā)癥發(fā)生率和40%～50%的病死率有關(guān)。與其他卒中患者相比，SAH更影響年輕人。盡管每年僅占所有卒中的3%，但SAH卒中是導(dǎo)致過早死亡的主要原因，占65歲之前所有卒中相關(guān)潛在壽命損失的27%[2-3]。此外，幸存者經(jīng)常經(jīng)歷長期的功能殘疾或認(rèn)知障礙。動脈瘤性SAH仍然是致殘率和致死率極高的卒中，并造成巨大的醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

SAH發(fā)生后血紅蛋白裂解物釋放鐵， 介導(dǎo)鐵代謝失調(diào)、脂質(zhì)過氧化增加和谷胱甘肽/谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione/glutathione peroxidase 4,GSH/GPX4)的抑制，即導(dǎo)致鐵死亡(ferroptosis)發(fā)生，從而導(dǎo)致早期腦損傷(early brain injury-SAH,EBI-SAH)，導(dǎo)致神經(jīng)元的不可逆損傷和SAH預(yù)后不良[4]。近年在細(xì)胞和動物模型中研究顯示，靶向抑制鐵死亡可以有效地防治EBI-SAH。因此，本文系統(tǒng)總結(jié)了鐵死亡參與EBI-SAH的病理機制的最新進(jìn)展，總結(jié)了藥物靶向抑制鐵死亡能夠防治EBI-SAH的最新進(jìn)展，為SAH的治療和預(yù)防提供了有價值的信息。

1 鐵死亡

鐵死亡是2012年提出的一種由鐵依賴性、脂質(zhì)過氧化引起的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡形式。鐵死亡的關(guān)鍵特征包括膜脂質(zhì)過氧化(lipid peroxidation, LPO)、細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)失衡和抗氧化防御體系的喪失。鐵死亡的發(fā)生需要兩個關(guān)鍵啟動信號，即抑制抗氧化系統(tǒng)溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)/谷胱甘肽(glutathione，GSH)/谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)通路受到抑制和游離鐵的積累[5]。在鐵死亡過程中，多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)極易發(fā)生過氧化，從而破壞脂質(zhì)雙層，破壞膜功能。將PUFA摻入細(xì)胞磷脂(尤其是磷脂酰乙醇胺)需要參與脂肪酸合成的特定酶即酯酰輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain familymember 4, ACSL4)的作用。ACSL4使PUFA酯化生成PUFA-CoA，隨后通過溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3 (lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)將PUFA-CoA摻入磷脂膜。鐵死亡的最后一步是脂質(zhì)過氧化或其次級產(chǎn)物(如4-HNE和MDA)直接或間接誘導(dǎo)血漿或細(xì)胞器膜上的孔隙形成，最終引發(fā)細(xì)胞死亡。

2 鐵死亡與蛛網(wǎng)膜下腔出血早期腦損傷(EBI-SAH)

2.1 鐵死亡在EBI-SAH發(fā)病中的作用

利用SAH大鼠動物模型和細(xì)胞模型闡明了鐵死亡在EBI-SAH中的作用，同時發(fā)現(xiàn)抑制鐵死亡能夠抑制EBI-SAH[6]，這一研究開啟了鐵死亡在EBI-SAH發(fā)病機制中的作用。目前研究表明鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)、氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡和脂質(zhì)過氧化途徑增強參與EBI-SAH發(fā)病機制。

2.1.1 鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)參與EBI-SAH發(fā)病機制: 在SAH 大鼠模型中，鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)，SAH后皮質(zhì)中的鐵含量增加[6]。SAH后皮質(zhì)中的鐵含量增加[7-10]。穩(wěn)態(tài)失調(diào)可能與鐵轉(zhuǎn)運異常和鐵自噬(ferritinophagy)相關(guān)。SAH大鼠中，鐵調(diào)素可以通過二價金屬離子轉(zhuǎn)運體(divalent metal transportor 1, DMT1)信號激活來調(diào)節(jié)鐵代謝并促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生，介導(dǎo)EBI-SAH[11]。鐵調(diào)素(hepcidin)通過與膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白 (ferroportin1, Fpn1)結(jié)合來抑制鐵離子輸出，鐵離子被隔離在細(xì)胞中。依布硒啉(ebselen)是具抗氧化和抗炎作用的一種有機硒化合物，能夠抑制DMT1進(jìn)而抑制SAH大鼠的鐵積累和脂質(zhì)過氧化，從而減輕SAH大鼠的鐵死亡和EBI[11]。鐵調(diào)素抑制劑肝素可下調(diào)鐵調(diào)素和DMT1的表達(dá)，增加Fpn1，抑制鐵死亡和EBI-SAH。而鐵調(diào)素激活劑抑瘤素(moncostatin M, OSM)增加了鐵調(diào)素和DMT1的表達(dá)，降低了FPN1，加重鐵死亡和EBI-SAH，綜上所述在SAH中，鐵調(diào)素可能介導(dǎo)腦內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)。

鐵蛋白的選擇性自噬降解被稱為鐵自噬，鐵自噬參與EBI-SAH的發(fā)病機制[12]。鐵蛋白沉積對維持鐵穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，而過量的鐵蛋白沉積則會導(dǎo)致鐵超載和鐵死亡。而ATG5基因敲除抑制自噬后可以降低細(xì)胞內(nèi)鐵水平和LPO，提高鐵死亡保護(hù)蛋白的表達(dá)，從而緩解SAH誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。另外，抑制自噬還減弱了SAH預(yù)后指標(biāo)，如腦水腫、血腦屏障通透性和神經(jīng)功能缺損，這一發(fā)現(xiàn)提示SAH通過激活鐵蛋白吞噬引發(fā)神經(jīng)元性鐵死亡，還表明調(diào)節(jié)鐵吞噬和維持鐵穩(wěn)態(tài)可以為預(yù)防SAH早期腦損傷提供線索[12]。

2.1.2 氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡參與EBI-SAH發(fā)病機制: SAH發(fā)生后，SLC7A11/GSH/GPX4抗氧化通路受到抑制，進(jìn)而介導(dǎo)EBI-SAH。SAH后神經(jīng)元中SLC7A11[13-14]和GPX4表達(dá)降低[7-8, 10, 13, 15-17]，同時存在GSH的耗竭[7-8,10,15]。內(nèi)源性GPX4主要表達(dá)于神經(jīng)元，在實驗性SAH后24 h其表達(dá)降低[18]。在體內(nèi)和體外實驗性SAH模型中，GPX4的過度表達(dá)顯著降低脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞死亡，GPX4的過度表達(dá)改善了SAH后24 h的腦水腫和神經(jīng)功能缺損，因此，GPX4表達(dá)的降低可能在SAH后早期腦損傷的鐵死亡中起重要作用，GPX4的過度表達(dá)在SAH后具有神經(jīng)保護(hù)作用[18]。

2.1.3 脂質(zhì)過氧化途徑增強與EBI-SAH：由于腦內(nèi)存在大量PUFA，神經(jīng)元可能更容易受到ROS攻擊，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化發(fā)生，而后者反過來又促進(jìn)產(chǎn)生更多ROS，形成惡性循環(huán)。SAH模型中脂質(zhì)過氧化生成增加[6-7,9,12,14-16]。在自體血注入大鼠裂孔前池建立大鼠SAH模型中的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠腦組織中ACSL4水平顯著升高，使用小干擾RNA抑制ACSL4的表達(dá)可減輕SAH后的炎性反應(yīng)、血腦屏障(BBB)損傷、氧化應(yīng)激、腦水腫、行為和認(rèn)知缺陷，并增加存活神經(jīng)元的數(shù)量，表明ACSL4介導(dǎo)EBI-SAH[19]。而鐵死亡抑制劑Fer-1和利普羅他汀-1(liproxstatin-1)治療也獲得了類似的效果，這些發(fā)現(xiàn)表明，ACSL4介導(dǎo)EBI-SAH的發(fā)病機制，而同時也為旨在緩解EBI-SAH的潛在治療提供理論基礎(chǔ)[19]。綜上所述，鐵死亡參與EBI-SAH的發(fā)病機制，SAH后主要通過GPX4活性降低、ACSL4活性升高和鐵蛋白吞噬介導(dǎo)神經(jīng)元鐵死亡，促進(jìn)EBI-SAH的發(fā)生。

2.2 抑制鐵死亡對EBI-SAH的治療作用

伴隨鐵死亡參與EBI-SAH發(fā)病機制研究的伊始，對藥物抑制鐵死亡 防治EBI-SAH進(jìn)行了有益探索[7]。鐵死亡抑制劑 Fer-1能夠通過降低體外模型中鐵含量、降低脂質(zhì)過氧化物生成進(jìn)而減弱EBI-SAH，表明抑制劑鐵死亡對EBI-SAH具有神經(jīng)保護(hù)作用[6]。Fer-1治療可增加SLC7A11和GPX4，減輕SAH損傷相關(guān)的分子和炎性細(xì)胞因子，抑制鐵死亡減輕了血腦屏障損傷、腦水腫、行為缺陷和神經(jīng)元損傷。更重要的是，p53抑制劑pifithrin-α能顯著阻斷皮層SAH誘導(dǎo)的鐵死亡，這表明SAH后鐵死亡加重EBI部分依賴于p53，抑制鐵死亡可能是EBI的有效治療靶點[14]。鐵死亡的特異性抑制劑利普羅他汀-1可通過抑制脂質(zhì)ROS產(chǎn)生和減血紅蛋白誘導(dǎo)的鐵沉積來防止神經(jīng)元死亡，從而改善EBI-SAH[13]。

同時對具有鐵死亡抑制劑特性的化合物在治療EBI-SAH方面做出了一定探索。中藥黃芩苷(baicalin)能夠降低SAH大鼠腦組織中的Fe2+、丙二醛和ROS水平，抑制大鼠腦組織中的beclin1、LC3-II和LC3-I蛋白水平，進(jìn)而抑制鐵死亡，進(jìn)而改善EBI-SAH的發(fā)生[8]。白細(xì)胞增生藥千金藤素(cepharanthine,CEP)能夠通過抑制鐵死亡，進(jìn)而改善EBI-SAH的發(fā)生，CEP通過抑制15-脂氧合酶-1 (15-lipoxygenase-1，ALOX15)介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡減輕小鼠EBI-SAH[20]。褪黑素(melatonin)能夠促進(jìn)GPX4的表達(dá)、降低ROS和鐵的含量減輕 SAH 大鼠皮層中氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而減輕皮層神經(jīng)細(xì)胞鐵死亡，從而抑制EBI-SAH[9]。依布硒啉(ebselen)能夠通過降低DMT1、促進(jìn)GPX4 表達(dá)降低細(xì)胞內(nèi)鐵沉積和脂質(zhì)過氧化，從而以抑制EBI-SAH，改善SAH預(yù)后[10]。黃芪甲苷(astragaloside Ⅳ)能夠上調(diào)SLC7A11/GPX4、降低鐵和抑制脂質(zhì)過氧化進(jìn)而抑制EBI-SAH[7]。葛根素(puerarin)能夠上調(diào)Nrf2/GPX4通路、降低脂質(zhì)過氧化水平和降低腦內(nèi)鐵含量，進(jìn)而抑制EBI-SAH，改善SAH大鼠神經(jīng)功能缺損[15]。誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(induci-ble nitric oxide synthase, iNOS)抑制劑L-NIL能夠通過誘導(dǎo)誘導(dǎo)M1型小膠質(zhì)細(xì)胞鐵死亡、減少神經(jīng)炎性反應(yīng)從而抑制EBI-SAH，改善SAH預(yù)后和結(jié)局[21]。白藜蘆醇(resveratrol)通過上調(diào)GPX4和鐵死亡抑制蛋白1 (ferroptosis suppressor protein 1, FSP1)抑制SAH介導(dǎo)的鐵死亡，進(jìn)而減弱小鼠EBI-SAH[17]。蛋白激酶(protein kinase R, PKR)抑制劑C16通過上調(diào)GPX4和鐵蛋白重鏈(ferritin heavy polypeptide 1,FTH1)，抑制脂質(zhì)過氧化和鐵聚集，進(jìn)而抑制SAH介導(dǎo)的鐵死亡，抑制大鼠EBI-SAH，改善SAH預(yù)后[16]。綜上所述，藥物通過抑制鐵死亡能在體內(nèi)外實驗?zāi)Ｐ椭幸种艵BI-SAH，進(jìn)而改善SAH預(yù)后。

3 問題和展望

綜上所述，目前對鐵死亡在SAH中的作用學(xué)者們進(jìn)行了初步探索，目前研究表明鐵死亡參與EBI-SAH的發(fā)病機制。然而目前鐵死亡在EBI-SAH中的致病作用研究尚處于起步階段，例如其他抗氧化通路，如GTP環(huán)水解酶-1/四氫生物蝶呤通路是否參與EBI-SAH的病理機制目前仍不清楚，這可能是未來的重要研究方向。另外，介導(dǎo)脂質(zhì)過氧化的ROS來源目前在SAH中的作用尚不全面，如細(xì)胞色素P450氧化還原酶(cytochrome P450 oxidoreductase，POR) 在EBI-SAH進(jìn)程中的作用目前尚不清楚。此外，藥物靶向鐵死亡對EBI-SAH治療的探索方面目前處于起步階段，方興未艾，而且大對數(shù)研究只是通過體內(nèi)外SAH模型簡單探討抑制鐵死亡對EBI-SAH的效應(yīng)觀察，缺乏足夠深度的機制探討。綜上所述，鐵死亡參與EBI-SAH的發(fā)病機制，通過藥物靶向抑制鐵死亡具有防治EBI-SAH的作用。未來繼續(xù)深入研究鐵死亡在EBI-SAH中的作用機制和針對抗鐵死亡治療EBI-SAH的藥物值得深入探索。