鐵死亡在癲癇發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展*

甘 靖,羅 歡 綜述,陳 俊△ 審校

(1.四川大學(xué)華西第二醫(yī)院兒科/出生缺陷與相關(guān)婦兒疾病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041;2.發(fā)育與婦兒疾病四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041)

癲癇是大腦神經(jīng)元過度同步放電導(dǎo)致的反復(fù)性、發(fā)作性、自限性中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙性疾病。長(zhǎng)期反復(fù)癲癇發(fā)作會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡,研究顯示癲癇患者過早死亡的風(fēng)險(xiǎn)是普通人群的3倍[1]。同時(shí)由于癲癇反復(fù)發(fā)作、嚴(yán)重的并發(fā)癥及抗癲癇藥物的副作用,導(dǎo)致患者在生活、教育、就業(yè)、婚姻和生育等方面面臨眾多困難,給家庭及社會(huì)造成了巨大的負(fù)擔(dān)。目前臨床上使用的抗癲癇藥物有20余種,然而仍有30%～40%的患者藥物治療失敗,這給癲癇的治療帶來了很大的挑戰(zhàn)[2]。因此,深入研究癲癇的發(fā)病機(jī)制,尋找更加精確的治療靶點(diǎn),對(duì)于控制癲癇發(fā)作,尤其是難治性癲癇的發(fā)作十分重要。

近年來,越來越多的研究表明鐵死亡在調(diào)節(jié)癲癇、阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、腦卒中、創(chuàng)傷性腦損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的神經(jīng)細(xì)胞死亡中起著重要作用[3]。這是一種在形態(tài)、生化和基因水平上均不同于細(xì)胞凋亡、壞死性凋亡、焦亡、自噬的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡形式,其形態(tài)特征包括線粒體變小、膜密度增加、嵴密度減少或消失、質(zhì)膜起泡及細(xì)胞質(zhì)和脂質(zhì)過氧化增加[4]。深入了解癲癇患者大腦中鐵代謝和鐵死亡的調(diào)控機(jī)制十分重要,這將為預(yù)防和治療癲癇提供新的途徑。本文概述了鐵死亡的調(diào)控機(jī)制及其在癲癇發(fā)病中的作用。

1 鐵代謝與鐵死亡

鐵是人體生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素,也是人體內(nèi)含量最豐富的微量元素,作為酶成分參與了體內(nèi)多種氧化還原反應(yīng)(氧轉(zhuǎn)運(yùn)、氧化磷酸化、三羧酸循環(huán))和DNA的生物合成,在神經(jīng)系統(tǒng)中還參與了兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)的代謝及髓磷脂的形成,由此可見,鐵對(duì)體內(nèi)的代謝和調(diào)節(jié)十分重要[5]。一般情況下,人體內(nèi)循環(huán)鐵以Fe3+的形式與轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin,TF)和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TFR1)形成TF-(Fe3+)2-TFR1復(fù)合物,在鐵氧還原酶(STEAP3)的作用下進(jìn)入細(xì)胞溶酶體后被還原為Fe2+,隨后Fe2+通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(DMT1)從核內(nèi)體釋放到細(xì)胞質(zhì)的動(dòng)態(tài)鐵池中。動(dòng)態(tài)鐵池廣泛存在于線粒體、溶酶體、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中,正常生理狀態(tài)下可以通過細(xì)胞中鐵的吸收、分布和輸出來調(diào)節(jié)鐵平衡,但當(dāng)鐵代謝異常導(dǎo)致鐵在組織器官中過量沉積時(shí)就會(huì)出現(xiàn)鐵過載,過量的Fe2+通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量活性氧 (reactive oxygen species,ROS),與細(xì)胞膜上的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)發(fā)生一系列過氧化反應(yīng)生成脂質(zhì)過氧化物,造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞并引起細(xì)胞鐵死亡[6]。作為鐵死亡誘導(dǎo)劑,RAS致癌基因選擇性致死小分子erastin能夠通過抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(簡(jiǎn)稱Xc-系統(tǒng))活性來抑制谷胱甘肽(glutathione,GSH)的合成,而谷胱甘肽有防止脂質(zhì)過氧化的重要作用,當(dāng)谷胱甘肽耗竭時(shí)會(huì)引起脂質(zhì)過氧化物集聚并誘發(fā)鐵死亡。鐵螯合劑和抗氧化劑可以抑制這一過程,隨后的研究也證實(shí)了鐵死亡的發(fā)生與細(xì)胞內(nèi)鐵過載及活性氧引起的脂質(zhì)過氧化密切相關(guān)[7]。表明鐵死亡是具有可調(diào)控性的,鐵死亡的發(fā)生與細(xì)胞內(nèi)鐵代謝水平、脂質(zhì)過氧化水平密切相關(guān),且受多條調(diào)控途徑調(diào)節(jié)。

2 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制

2.1 Cys-GSH-GPX4調(diào)控途徑

谷胱甘肽作為細(xì)胞內(nèi)最主要的抗氧化劑,是人體內(nèi)清除活性氧的主要物質(zhì),由胱氨酸(Cys)、谷氨酸(Glu)和甘氨酸(Gly)組成[8]。谷胱甘肽的合成主要是由Xc-系統(tǒng)介導(dǎo)的,構(gòu)成Xc-系統(tǒng)的胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一種跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,由輕鏈xCT(SLC7A11)和重鏈4F2hc(SLC3A2)兩個(gè)亞基組成,從細(xì)胞外攝取胱氨酸的同時(shí)輸出Glu(以1∶1的比例進(jìn)行交換)。其中輕鏈xCT可增強(qiáng)對(duì)胱氨酸攝取以促進(jìn)谷胱甘肽的合成,從而抑制氧化應(yīng)激和鐵死亡[9]。某些小分子(如erastin)對(duì)Xc-系統(tǒng)活性的抑制能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平下降,從而導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[10]。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)作為一種能夠特異性催化谷胱甘肽并將脂質(zhì)過氧化物轉(zhuǎn)化為類脂醇的硒蛋白,其功能活性主要取決于谷胱甘肽的生物合成,當(dāng)谷胱甘肽過度消耗時(shí)會(huì)導(dǎo)致GPX4失活,引發(fā)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化和鐵死亡[11]。另外,轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子2(Nrf-2)的激活也能夠通過增加谷胱甘肽的表達(dá)水平來升高GPX4活性和鐵儲(chǔ)存能力,通過蛋白激酶B(AKT)/Nrf2/GPX4信號(hào)通路來調(diào)控鐵死亡[12]。

2.2 FSP1-CoQ10-NADPH調(diào)控途徑

除了Cys-GSH-GPX4調(diào)控途徑外,鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)和輔酶Q10(CoQ10)介導(dǎo)的FSP1-CoQ10-NADPH途徑也是調(diào)控鐵死亡的重要途徑之一,不同的是,前者主要影響細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化水平,而后者則主要影響細(xì)胞膜上氧自由基的水平,二者共同阻止脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的發(fā)生[13]。FSP1可將細(xì)胞膜上的輔酶Q10轉(zhuǎn)化為還原型的輔酶Q10來抑制過氧化反應(yīng),同時(shí)FSP1又通過還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)催化輔酶Q10的再生[14]。輔酶Q10作為線粒體呼吸鏈的一部分,不僅參與呼吸鏈中的電子傳遞,還通過捕獲自由基中間體來抑制線粒體外的脂質(zhì)過氧化,因此,輔酶Q10的缺乏可能會(huì)使細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感[15]。

2.3 GCH1-BH4-DHFR調(diào)控途徑

四氫生物蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)是人體內(nèi)重要的的小分子自由基捕獲抗氧化劑,具有強(qiáng)有效的防止脂質(zhì)過氧化作用,它還參與了中樞神經(jīng)系統(tǒng)多種神經(jīng)遞質(zhì)包括多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素的合成。鳥苷三磷酸環(huán)化水合酶(guanosine triphosphate cyclohydrolase 1,GCH1)是BH4合成的限速酶,GCH1基因的表達(dá)與BH4水平直接相關(guān),GCH1基因過表達(dá)可以促進(jìn)BH4生成并選擇性地保護(hù)PUFA免于被氧化降解,以抑制脂質(zhì)過氧化過程,同時(shí)BH4還可通過將苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為酪氨酸來促進(jìn)輔酶Q10的合成,進(jìn)一步抑制了脂質(zhì)過氧化及活性氧的產(chǎn)生,降低細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性[16]。BH4通過二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)進(jìn)行氧化還原循環(huán),DHFR的基因或藥理學(xué)阻斷與GPX4表達(dá)受限會(huì)協(xié)同誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[17]。

2.4 自噬調(diào)控途徑

起初鐵死亡被認(rèn)定為是一種不依賴自噬的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡,而最新研究表明,自噬可以通過影響鐵代謝來調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。自噬通過將核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator4,NCOA4)作為選擇性受體來識(shí)別鐵蛋白并通過溶酶體將其降解,這個(gè)過程稱為鐵蛋白自噬(ferritinophagy),它會(huì)促進(jìn)鐵蛋白的降解,導(dǎo)致細(xì)胞不穩(wěn)定鐵水平的增加及隨后的氧化損傷和鐵死亡[18]。雙氫青蒿素(dihydroartemisinin,DHA)能夠通過AMP激酶的蛋白激酶(AMPK)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70S6k信號(hào)通路誘導(dǎo)鐵蛋白自噬并促進(jìn)鐵蛋白降解,增加了不穩(wěn)定鐵離子的水平導(dǎo)致鐵過載,促進(jìn)細(xì)胞活性氧的積累并最終誘導(dǎo)鐵死亡[19]。除NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬外,鐵死亡還與許多自噬相關(guān)途徑有關(guān),包括脂質(zhì)自噬、生物鐘自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬CMA等[20]。

3 鐵死亡與癲癇

癲癇患者神經(jīng)元異常放電會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞水平的各種病理變化,而過度氧化應(yīng)激就是最典型的病理變化之一[21]。頻繁、長(zhǎng)時(shí)間的癲癇發(fā)作會(huì)導(dǎo)致過度的氧化應(yīng)激反應(yīng),由于人類大腦中富含PUFA和鐵,很容易發(fā)生氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化反應(yīng),癲癇的病理過程與鐵死亡存在密切聯(lián)系[22]。谷胱甘肽和GPX4作為鐵死亡中最重要的自由基清除物和生理調(diào)節(jié)劑,在減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用,而癲癇患者的谷胱甘肽和GPX4水平較健康人低,二者持續(xù)低水平可導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞興奮性變化、海馬神經(jīng)元丟失和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生。在紅藻氨酸(kainic acid,KA)誘導(dǎo)的顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy,TLE)小鼠模型中也檢測(cè)到谷胱甘肽消耗、GPX4表達(dá)減少及脂質(zhì)過氧化物和鐵的累積[23]。YüREKLI等[24]也證實(shí)了癲癇的特征是氧化應(yīng)激增加和谷胱甘肽、GPX4及維生素E減少,并發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充硒和使用托吡酯可增加癲癇患者紅細(xì)胞谷胱甘肽和GPX4水平,降低紅細(xì)胞脂質(zhì)過氧化水平和活性氧的產(chǎn)生,以阻止或抑制由氧化應(yīng)激引起的癲癇發(fā)作。有研究通過觀察維生素E對(duì)癲癇大鼠海馬神經(jīng)元纖維毒性的影響,發(fā)現(xiàn)維生素E能夠降低脂氧合酶15(lipoxygenase 15,15-LOX)的表達(dá)來抑制丙二醛和鐵的積累,同時(shí)增加GPX4和谷胱甘肽的表達(dá),從而減少神經(jīng)元細(xì)胞鐵死亡和癲癇發(fā)作[25]。抗癌藥拉帕替尼也可以通過恢復(fù)GPX4活性來預(yù)防紅藻氨酸誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作和鐵死亡[26]。另有研究證實(shí)輔酶Q10可通過減弱脂質(zhì)過氧化反應(yīng)來改善紅藻氨酸誘導(dǎo)的TLE大鼠模型的癲癇發(fā)作并抑制海馬神經(jīng)元丟失[27]。因此,可以通過抑制脂質(zhì)過氧化、減少活性氧的產(chǎn)生以降低細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性,從而控制癲癇發(fā)作。

目前已知鐵過載是出血性腦卒中和外傷后發(fā)生難治性癲癇的重要原因。當(dāng)機(jī)體發(fā)生出血性皮質(zhì)梗死或外傷所致的顱內(nèi)出血后,紅細(xì)胞破壞分解導(dǎo)致含鐵血黃素釋放進(jìn)入腦組織,引起動(dòng)態(tài)鐵池失衡造成鐵過載,通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量活性氧后誘發(fā)鐵死亡及癲癇發(fā)作[28]。有研究[29]對(duì)315例腦卒中患者進(jìn)行回顧性分析,其中95例患者發(fā)生了腦卒中后癲癇發(fā)作,通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)癲癇發(fā)作的患者的出血轉(zhuǎn)化分級(jí)、含鐵血黃素沉積比例均明顯高于未出現(xiàn)癲癇發(fā)作的患者,造成鐵離子在腦組織中大量沉積導(dǎo)致鐵過載。另有研究通過將血紅蛋白或氯化鐵(FeCl3)注射到大鼠的大腦皮層中成功建立了外傷性癲癇動(dòng)物模型,隨后觀察到大鼠出現(xiàn)慢性癲癇發(fā)作,并檢測(cè)到神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)氧自由基的增加,而使用抗氧化劑能夠減輕這一過程[30]。此外,去鐵胺、右雷佐生及去鐵酮等鐵螯合劑也可通過減少局部轉(zhuǎn)鐵蛋白、降低鐵利用率來治療FeCl3誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作[31]。為了驗(yàn)證鐵過載易導(dǎo)致癲癇的假設(shè),有研究檢測(cè)了130例癲癇患者的轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度,結(jié)果表明癲癇患者的平均轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度明顯高于健康人群[32]。以上研究表明,癲癇患者大腦中鐵代謝異常出現(xiàn)鐵過載是誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生及造成癲癇發(fā)作難以控制的重要原因。

綜上所述,鐵死亡與癲癇的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切,靶向調(diào)控鐵代謝水平及脂質(zhì)過氧化水平可能是抑制鐵死亡、控制癲癇發(fā)作的有效治療方法。

4 總結(jié)與展望

鐵死亡是多種生物途徑同時(shí)作用的結(jié)果,歸因于由鐵過載和活性氧引起的嚴(yán)重脂質(zhì)過氧化,在包括癲癇在內(nèi)的多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)現(xiàn),靶向調(diào)控鐵死亡有助于控制癲癇發(fā)作及減少神經(jīng)元細(xì)胞死亡。雖然目前鐵代謝途徑和鐵死亡的調(diào)控途徑在癲癇中的具體作用機(jī)制尚未完全明確,仍需要更系統(tǒng)的深入研究,但鐵死亡作為一種新的細(xì)胞調(diào)節(jié)性死亡方式,為癲癇、難治性癲癇的治療提供了一種新的思路,具有廣泛的研究?jī)r(jià)值和意義。