鐵死亡在糖尿病腎病中的研究進展

蔡榮丹 劉建帥 馮俊霞 張云芳 劉云啟 王雅寧

1濱州醫(yī)學院附屬醫(yī)院腎內科，濱州 256600；2南方醫(yī)科大學附屬花都醫(yī)院，廣州 510800

糖尿病腎?。―KD）是糖尿病的微血管并發(fā)癥之一，是全球范圍內導致終末期腎?。‥SRD）最常見的原因［1］。DKD的發(fā)病機制復雜，包括遺傳、代謝、血流動力學改變等多方面因素［2］。鐵死亡（ferroptosis）是一種以鐵蓄積和脂質過氧化為特征的細胞死亡方式，最近研究表明，鐵死亡與DKD相關，通過調節(jié)鐵死亡可以干預DKD的發(fā)生發(fā)展［3］。本文將近年來鐵死亡在DKD中的研究進展作一綜述。

鐵死亡的發(fā)現(xiàn)及特點

2012年，Dixon等［4］提出了鐵死亡的概念，這是一種伴有大量脂質活性氧（ROS）生成的依賴鐵的非凋亡性細胞死亡方式。鐵死亡在形態(tài)學、生物學與細胞凋亡、壞死及自噬都不同，其形態(tài)學改變?yōu)榧毎械木€粒體體積減小、雙層膜密度增加、線粒體嵴減少或消失，但細胞膜完整、細胞核大小正常、染色質不凝聚，其生物化學特征為細胞內還原型谷胱甘肽（GSH）耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）活性降低，脂質過氧化物不能被GPX4催化的還原反應代謝，F(xiàn)e2+以Fenton反應的方式氧化脂質，細胞內大量ROS生成［3-4］。

1.鐵死亡的相關物質代謝

1.1.鐵代謝 鐵是一種重要的微量元素［5］，參與了人體內氧轉運、能量代謝、酶活性調節(jié)等多種生理過程。循環(huán)中的鐵與轉鐵蛋白（TF）結合后以Fe3+的形式存在，通過細胞膜上的轉鐵蛋白受體1（TFR1）轉運到細胞內，存在于內涵體中。Fe3+可通過前列腺六次跨膜上皮抗原3（STEAP3）的鐵還原酶還原為Fe2+，通過二價金屬轉運蛋白1（DMT1）釋放到細胞質的可變鐵池（LIP）中［6］。在LIP中的Fe2+可以直接參與Fenton反應，導致脂質過氧化。人體內沒有清除鐵的機制，一旦鐵過載并超過細胞儲存能力，F(xiàn)enton反應將增強并消耗細胞的抗氧化能力，導致ROS蓄積，膜結構破壞、細胞死亡［7］。Yan等［8］研究表明，TFR表達增加及鐵攝入增加，均可導致膠質瘤細胞發(fā)生鐵死亡。Hou等［9］發(fā)現(xiàn)，成纖維細胞和癌細胞通過自噬降解細胞內鐵蛋白，進而發(fā)生鐵死亡。鐵蛋白缺乏時，鐵釋放到LIP中增加［10］，導致ROS迅速蓄積［11］，細胞對鐵死亡更敏感。

1.2.脂質代謝 鐵死亡與脂質代謝密切相關。多不飽和脂肪酸（PUFAs）是細胞膜的組成部分，可調節(jié)炎癥、免疫、細胞生長等多種生物學功能，但其容易成為ROS攻擊的靶點［8］。游離PUFAs是合成脂質信號介質的底物，但它們必須酯化為膜磷脂并經過氧化才能成為鐵死亡的信號［12］。Kagan等［13］通過生物學分析發(fā)現(xiàn)，酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿轉移酶3（LPCAT3）是鐵死亡過程中的關鍵酶，減少ACSL4和LPCAT3的表達可減少脂質過氧化物在細胞內積累，進而抑制鐵死亡。Doll等［14］發(fā)現(xiàn)ACSL4基因敲除的細胞中花生四烯酸（AA）、腎上腺酸（AdA）合成減少。用GPX4的抑制劑RSL3刺激乳腺癌細胞后，ACSL4表達水平越高，細胞更易發(fā)生鐵死亡。

1.3.氨基酸代謝 鐵死亡過程也涉及氨基酸代謝。谷氨酸與胱氨酸通過Xc-以1∶1的比例在體內交換，Xc-將細胞內的谷氨酸轉運到細胞外，同時將胞外的胱氨酸轉運到細胞內，胱氨酸在細胞內還原為半胱氨酸［15］。在細胞內半胱氨酸-谷氨酸連接酶（GCL）和谷胱甘肽合成酶（GSS）催化下，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸合成GSH［16］。Badgley等［17］用erasin預處理小鼠胰腺導管癌細胞，發(fā)現(xiàn)細胞內半胱氨酸缺乏，導致GSH合成減少，細胞不能清除由Fenton反應和鐵參與的其他過氧化反應產生的ROS，細胞對鐵死亡敏感性增加。

2.鐵死亡過程的調節(jié)因子

2.1.GPX4 GPX4屬于GPX家族［18］。作為鐵死亡過程中的主要調節(jié)因子，GPX4可以將過氧化氫物復合物還原為相應的產物，從而干擾脂質過氧化反應［19］。此外，GPX4還可將GSH轉換為氧化型谷胱甘肽（GSSG），并將脂質過氧化物（L-OOH）轉化為相應的醇（L-OH）。因此，GPX4失活會導致脂質過氧化，這也是鐵死亡的一個標志［3］。Yang等［20］用RSL3刺激COH BR1乳腺癌細胞，發(fā)現(xiàn)7α-膽固醇過氧化氫物不能被還原，GPX4活性被抑制，細胞發(fā)生鐵死亡，提示RSL3是一種鐵死亡誘導劑，它可以抑制GPX4的活性，降低細胞的抗氧化能力而發(fā)生鐵死亡。

2.2.Xc- Xc-是一種廣泛分布于磷脂雙層中的胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體［21］，是細胞內重要的抗氧化物質，是由溶質載體家族7成員11（SLC7A11）和溶質載體家族3成員2（SLC3A2）兩個亞單位組成的異二聚體［3］。研究發(fā)現(xiàn)，p53激活會抑制腫瘤細胞內SLC7A11表達，導致Xc-攝取胱氨酸減少，GSH合成下降、GPX4的活性降低，細胞發(fā)生氧化損傷和鐵死亡［22］。在Dixon等［4］的實驗中，erasin被證明是一種鐵死亡誘導劑，它與細胞內SLC7A5或SLC7A5/SLC3A2復合物結合可干擾胱氨酸的攝取，從而降低GSH水平，大量ROS產生，細胞發(fā)生鐵死亡。

2.3.核因子E2相關因子2（Nrf2） Nrf2是一種轉錄因子［23］，參與了鐵蛋白和膜鐵轉運蛋白（FPN）的轉錄，從而調節(jié)細胞內可變鐵水平［24］。此外，GSH合成過程所需的酶GSS、GCL受Nrf2控制，許多利用GSH或還原型煙堿酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的氧化還原酶也是Nrf2的靶點［16］。Kerins和Ooi［24］發(fā)現(xiàn)，Nrf2通過增強GSH合成過程中的基因表達，增加細胞內GSH水平，使細胞不易發(fā)生鐵死亡。Nrf2還促進SLC7A11的表達，增加細胞內半胱氨酸水平，促進細胞內GSH合成，因此推測Nrf2與鐵死亡過程有關。Sun等［25］在肝癌細胞中發(fā)現(xiàn)Nrf2通過調節(jié)與鐵代謝及與ROS產生有關的基因表達，比如醌氧化還原酶-1（NQO-1）、血紅素加氧酶-1（HO-1）、重鏈鐵蛋白1（FTH1），阻止肝癌細胞發(fā)生鐵死亡。

DKD與鐵死亡

1.腎臟與鐵代謝

腎臟中的鐵以轉鐵蛋白結合鐵（TBI）和非轉鐵蛋白結合鐵（NTBI）兩種形式存在［26］。TFR1表達于腎皮質近端小管腔面、髓質集合管和遠端小管的頂膜［27］。在生理條件下，TBI可以與TFR1結合后被近端小管上皮細胞攝取［5］。腎臟NTBI的攝取則依賴于腎小管上皮細胞的轉運蛋白，如ZIP8、ZIP14 和 DMT1［28］。Fujishiro 等［29］在小鼠體內發(fā)現(xiàn)DMT1表達于腎臟皮質近端小管上皮細胞的腔面和刷狀緣，參與了腎小管對鐵的重吸收，腎臟內鐵則通過近端小管上的FPN從細胞質內轉運到細胞外［5］。

2.腎小管與鐵死亡

近端小管富有線粒體、溶酶體等細胞器，是一種代謝旺盛、能量需求高的細胞。近年來研究發(fā)現(xiàn)糖尿病腎小管病變導致線粒體功能障礙，包括能量代謝、氧化應激、線粒體自噬等。在DKD早期，腎小管重吸收、糖異生等因素導致近端小管細胞缺氧、線粒體功能障礙，誘發(fā)和加重腎小管病變［30］。Wu 等［31］在 DKD 大鼠模型中檢測到近端小管中ZIP14表達上調，并且發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境下人近端腎小管上皮HK2細胞內ZIP14水平增加，鐵沉積增多，推測ZIP14可誘導近端小管上皮細胞發(fā)生鐵死亡，加重糖尿病腎臟損傷。

Kim 等［32］用轉化生長因子（TGF）-β1刺激大鼠NRK-52E腎小管上皮細胞，發(fā)現(xiàn)細胞內SLC7A11、GPX4表達下降，GSH濃度降低，細胞發(fā)生脂質過氧化。而鐵抑素-1（Fer-1）處理上述NRK-52E細胞后，細胞內SLC7A11、GPX4、GSH濃度水平增加，鐵水平降低，細胞不易發(fā)生鐵死亡。Huang等［33］實驗發(fā)現(xiàn)，在2型糖尿病小鼠模型中，腎小管細胞內GPX4、SLC7A11表達降低，且在電子顯微鏡下觀察到小鼠腎臟組織線粒體膜破裂、線粒體嵴消失。而腹腔注射達格列凈后，小鼠腎小管細胞內GPX4、SLC7A11表達增加，線粒體形態(tài)改變顯著改善。由此推測，鐵死亡在DKD腎小管損傷的進展中有重要的作用，達格列凈、Fer-1可抑制鐵死亡從而減輕腎小管損傷。

羅格列酮是一種ACSL4抑制劑，它可以與ACSL4發(fā)生反應減少膜磷脂的生成［34］。在鏈脲佐菌素（STZ）誘導的DKD小鼠模型中，腎小管ACSL4表達上調，GPX4表達下調，脂質過氧化產物和鐵含量增加，而予以羅格列酮灌胃后，小鼠體內腎小管細胞鐵死亡減輕。因此推測ACSL4為鐵死亡的作用靶點，DKD的發(fā)病機制與鐵死亡有關［35］。HO-1可將血紅素降解為鐵和膽綠素，體內HO-1蓄積可導致氧化應激［36］，且HO-1的表達受缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）的調節(jié)［37］。Feng等［38］發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠模型的腎小管HIF-1α和HO-1表達水平增高，HO-1可導致細胞內鐵含量增加，腎小管發(fā)生氧化應激和脂質過氧化，造成鐵死亡，而HIF-1α的表達上調可導致小鼠腎臟纖維化。這表明，鐵死亡加重糖尿病腎小管損傷、加速腎臟纖維化，促進DKD的發(fā)展。向小鼠腹腔內注射Fer-1后發(fā)現(xiàn)腎小管中HIF-1α和HO-1水平下降，腎小管損傷和腎臟纖維化減輕，進一步表明脂質過氧化誘導的鐵死亡參與了DKD發(fā)生發(fā)展，F(xiàn)er-1可能改善這一進程。

3.腎小球與鐵死亡

腎小球系膜擴張和足細胞丟失是DKD的重要特征［39］，DKD患者的大量蛋白尿與足細胞的功能和形態(tài)改變有關［40］。關錫梅等［41］發(fā)現(xiàn)，高糖誘導的腎小球MPC5足細胞GPX4表達降低、ACSL4表達增加、GSH耗竭、ROS水平升高，電子顯微鏡下觀察到線粒體體積縮小，雙層膜密度增加、線粒體嵴減少或消失，提示足細胞內存在鐵死亡。將上述細胞用小檗堿（60 μmol/L）處理后，細胞內Nrf2、HO-1、GPX4蛋白表達增加，線粒體病變減輕，據(jù)此推測小檗堿可能通過Nrf2/HO-1/GPX4信號通路抑制足細胞鐵死亡。

過氧化物酶原6（Prdx6）被認為是鐵死亡的一種負調節(jié)因子［42］。Prdx6是一種含有半胱氨酸的過氧化物酶，它利用GSH作為還原劑參與氧化還原反應［43］。轉錄因子特異性蛋白1（Sp1）是鋅指家族，研究已經確認Sp1可以直接與Prdx6啟動子的GC盒結合，進而明顯減輕氧化應激［43］。在高糖環(huán)境下，足細胞內鐵蓄積，SLC7A11、GPX4及Prdx6、Sp1表達下調。而Prdx6過表達時MPC5足細胞內鐵水平下降，SLC7A11、GPX4表達增加，推測Prdx6減輕高糖誘導的足細胞功能障礙，Sp1介導Prdx6表達上調可以減輕氧化應激和鐵死亡［44］。

系膜細胞是一種特殊的平滑肌細胞，位于腎小球毛細血管之間。DKD的系膜細胞損傷以細胞凋亡增加、大量炎癥因子產生和細胞外基質合成為特征［45］。高遷移率族蛋白1（HMGB1）是一種參與染色質重塑、DNA重組和修復過程的轉錄因子［46］。Wu等［47］通過培養(yǎng)系膜SV40-MES13細胞發(fā)現(xiàn)，HMGB1在腎小球系膜細胞中具有調節(jié)鐵死亡的作用：抑制HMGB1表達可促進細胞增殖，減少ROS及ACSL4生成，提高系膜細胞的GPX4水平。此外，實驗還觀察到了Nrf2靶基因（NQO-1、HO-1）的下調，提示系膜細胞內HMGB1依賴于Nrf2信號通路調節(jié)鐵死亡，阻斷HMGB1可以預防DKD的發(fā)展。

小結與展望

目前，DKD的治療包括改善不良生活方式、營養(yǎng)調整、控制蛋白尿和強化降糖等［48］。然而，現(xiàn)有治療臨床效益有限，許多患者仍將發(fā)展為ESRD，所以尋找新的干預途徑對減緩DKD的進展至關重要。鐵死亡是一種由鐵離子、自由基及脂質過氧化物介導的非凋亡性程序性細胞死亡方式，目前腎臟疾病領域中絕大多數(shù)的鐵死亡相關研究集中在急性腎損傷和腎細胞癌，隨著對鐵死亡在DKD研究的不斷深入及其機制的闡明，未來將會對DKD的防治提供新的干預靶點。

作者貢獻聲明蔡榮丹：文獻查閱、起草文章；劉建帥：資料整理；馮俊霞：獲取研究經費、支持性貢獻；張云芳：支持性貢獻；劉云啟：對文章的內容作批判性審閱；王雅寧：思路設計，對文章的內容作批評性審閱，獲取研究經費，行政、技術或材料支持