巨噬細胞鐵超載在動脈粥樣硬化中的研究進展*

巴靜靜， 于楊， 李元民△

［1山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院），山東 濟南 250117；2山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）實驗動物學(xué)院（省實驗動物中心），山東 濟南 250117；3山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院心內(nèi)科，山東 泰安 271000］

動脈粥樣硬化性心血管疾?。╝therosclerotic cardiovascular disease， ASCVD）是目前全球主要死因之一，據(jù)世界衛(wèi)生組織報告估計，每年有1 790萬人死于心血管疾病，占所有死亡人數(shù)的32%［1-2］。動脈粥樣硬化（atherosclerosis， AS）是ASCVD最主要的病理學(xué)改變。它的發(fā)生和發(fā)展涉及脂質(zhì)堆積、氧化應(yīng)激、炎癥以及血管和血細胞功能障礙，最終可能導(dǎo)致其臨床并發(fā)癥-諸如心肌梗死和中風(fēng)等［3-5］。

巨噬細胞是AS病變中的主要免疫細胞，其增殖、聚集、衰老和死亡在AS的發(fā)生和發(fā)展中起關(guān)鍵作用［6］。在斑塊內(nèi)，巨噬細胞通過吞噬修飾的低密度脂蛋白（low density lipoprotein， LDL）形成泡沫細胞參與AS病變的進展［7］。鐵是生理條件下參與巨噬細胞不同功能的必需礦物質(zhì)。鐵死亡是一種不同于細胞壞死和自噬的非凋亡性細胞死亡形式，已被證明通過多種信號通路參與AS的形成和發(fā)展［8］。鐵死亡的主要特征是高水平的Fe2+通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species， ROS），造成脂質(zhì)過氧化物積聚，從而引起氧化應(yīng)激，繼而導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷［9］。巨噬細胞鐵死亡在AS斑塊的不穩(wěn)定性中起著關(guān)鍵作用。巨噬細胞鐵超載是鐵死亡的直接原因，因此，調(diào)節(jié)巨噬細胞鐵代謝可能是穩(wěn)定斑塊和抑制AS進展的重要途徑［10］。本文從鐵代謝的角度介紹了巨噬細胞鐵超載和鐵死亡對AS的影響。

1 巨噬細胞中的鐵調(diào)節(jié)

鐵是許多細胞和生物過程（包括氧運輸和能量代謝）的重要調(diào)節(jié)劑。循環(huán)中鐵主要以與轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin， Tf）結(jié)合、血紅蛋白和鐵蛋白的形式存在，保護細胞免受鐵誘導(dǎo)的氧化損傷。90%的鐵通過網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)從衰老的紅細胞中回收，用于骨髓造血，或者儲存在肝臟中。

巨噬細胞攝取鐵的主要途徑是來自老化的紅細胞或凋亡細胞以及轉(zhuǎn)鐵蛋白介導(dǎo)的攝取［11］。紅細胞在ROS和水解酶作用下消化成血紅素，血紅素氧合酶1（heme oxygenase-1， HO-1）將血紅素裂解成Fe2+、一氧化碳和膽綠素［12］。三價鐵（Fe3+）與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合形成Tf-Fe2，通過轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TFR1）進入巨噬細胞，在內(nèi)體被鐵還原酶還原為Fe2+后，通過二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1（divalent metal transporter1， DMT1）儲存在鐵蛋白和的不穩(wěn)定鐵池（labile iron pool， LIP）中。大部分Fe2+被運輸?shù)骄€粒體，以協(xié)助電子傳遞鏈產(chǎn)生能量［13］，過量的Fe2+通過鐵轉(zhuǎn)運蛋白（ferroportin， FPN）釋放到細胞外［14］。Fe2+在胞外釋放之前需要被具有鐵氧合酶活性的CP蛋白氧化成Fe3+的形式［15］（圖1）。

Figure 1. Iron metabolism of macrophages. The binding of Fe3+to transferrin （Tf） leads to the formation of Tf-Fe2，which subsequently enters macrophages through transferrin receptor 1 （TFR1）. Iron reductase facilitates the reduction of Fe3+ to Fe2+ within the endosome， enabling its subsequent transport into the cytoplasm of macrophages via DMT1. Following phagocytosis by macrophages， the red blood cells are digested into Hb， driven by the concerted actions of reactive oxygen species （ROS） and hydrolase. The resultant breakdown products of Hb are then released into phagocytic vacuoles. Subsequently， Fe2+ is generated from heme under the action of heme oxygenase-1（HO-1）. Fe2+ has four main pathways. It may be stored within the labile iron pool （LIP）， transported to mitochondria for energy generation， stored as Fe3+ in ferritin （FT）， or released to the extracellular environment through ferroportin （FPN）. Prior to extracellular release， Fe2+ must be oxidized to Fe3+ by ceruloplasmin （CP）， a protein with ferric oxidase activity. Iron overload provokes the upregulation of scavenger receptors， namely， SR-A1 and CD36， while simultaneously exerting a downregulating effect on cholesterol export proteins， namely， ABCA1 and ABCG1， resulting in lipid accumulation and consequent foam cell formation. Glutathione peroxidase 4（GPX4） requires glutathione （GSH） as a cofactor to catalyze the reduction of potentially toxic polyunsaturated fatty acid hydroperoxides （PUFAs-OOH） in the cell membrane to non-toxic polyunsaturated fatty acid hydroxides （PUFAs-OH）.圖1 巨噬細胞的鐵代謝

全身鐵穩(wěn)態(tài)由各種鐵加工組織和細胞（包括巨噬細胞、紅細胞、肝細胞和十二指腸上皮細胞）的相互作用精密控制，并由鐵調(diào)素-鐵轉(zhuǎn)運蛋白軸調(diào)節(jié)。FPN是唯一已知的鐵輸出蛋白［16］。細胞內(nèi)和循環(huán)鐵水平由鐵調(diào)素維持，鐵調(diào)素是由肝細胞產(chǎn)生，通過調(diào)節(jié)腸細胞、肝細胞和巨噬細胞表面的FPN量，從而調(diào)控循環(huán)中鐵的濃度［17］。Ox-LDL和鐵的沉積觸發(fā)鐵調(diào)素的自分泌，并加重AS。研究表明，鐵可通過細胞因子IL-6和IL-1激活巨噬細胞，并上調(diào)鐵調(diào)素的表達［18］。鐵調(diào)素通過降解FPN增加巨噬細胞內(nèi)的鐵聚集，F(xiàn)e2+通過參與Fenton反應(yīng)提供電子促進脂質(zhì)過氧化，產(chǎn)生ROS從而促進AS斑塊進展［14］。此外，核受體共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）介導(dǎo)的鐵自噬對維持細胞和全身鐵穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要［19］。鐵蛋白是細胞內(nèi)的鐵儲存蛋白，NCOA4將鐵蛋白轉(zhuǎn)運到溶酶體或蛋白酶體進行降解，釋放Fe2+。過度激活鐵自噬將導(dǎo)致巨噬細胞的鐵超載，從而減少谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4， Gpx4）和谷胱甘肽（glutathione， GSH），最終引起巨噬細胞鐵死亡［20］。

2 巨噬細胞鐵超載可導(dǎo)致AS

鐵是動脈粥樣硬化的驅(qū)動因子，是一種能夠引起脂質(zhì)氧化和組織損傷的促氧化劑。研究表明，與正常動脈壁相比，AS病變中鐵的含量增加，促進脂質(zhì)過氧化，而鐵螯合劑去鐵胺可抑制這種作用［21］。在AS斑塊中，鐵、巨噬細胞、凋亡細胞共定位，表明巨噬細胞鐵超載與細胞凋亡和AS有關(guān)［22］。

大量流行病學(xué)研究報告表明，血清鐵濃度升高與動脈粥樣硬化嚴(yán)重程度增加有關(guān)［23-24］。同時，實驗證明通過靜脈切開術(shù)、獻血或應(yīng)用鐵螯合劑去鐵胺等策略可降低動脈粥樣硬化的風(fēng)險［25-27］。已有研究表明，鐵超載可通過氧自由基和脂質(zhì)過氧化損傷血管內(nèi)皮細胞，而鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin引起的鐵死亡相關(guān)蛋白Gpx4的下調(diào)和ACSL4的上調(diào)通過引起內(nèi)皮細胞的鐵死亡而加劇AS的發(fā)展［28］。此外，鐵超載可通過促進AS中泡沫細胞的形成和炎癥反應(yīng)以及損傷平滑肌細胞而加劇AS斑塊的形成和降低斑塊的穩(wěn)定性［29］。Luo等［30］研究顯示，在鐵含量為200 mg/kg的高脂飲食組動脈粥樣硬化斑塊中有大量的鐵沉積，<20 mg/kg的高脂飲食組斑塊中沒有觀察到鐵沉積。研究表明，斑塊中鐵滯留通過誘導(dǎo)巨噬細胞泡沫化促進AS［18］，而低鐵飲食通過減少巨噬細胞和紊亂平滑肌細胞的聚集來改善AS。此外，鐵絡(luò)合劑去鐵蛋白原抑制了AS飲食中ApoE-/-小鼠的斑塊脂質(zhì)氧化和斑塊形成［31］。以上實驗研究都說明了鐵超載在促進AS過程中的重要作用。

3 巨噬細胞鐵超載導(dǎo)致AS進展的機制

3.1 巨噬細胞鐵超載導(dǎo)致鐵死亡 鐵死亡是依賴于細胞內(nèi)鐵濃度引起毒性脂質(zhì)過氧化物蓄積的調(diào)節(jié)性細胞死亡形式［32］。鐵死亡可能是GSH耗竭、鐵超載和ROS過度生成共同作用的后果［14］。斑塊內(nèi)巨噬細胞清除紅細胞后Fe2+含量增加，過量的Fe2+通過Fenton反應(yīng)與H2O2相互作用，生成羥基自由基（andhydroxyl radicals， HO.），導(dǎo)致細胞內(nèi)ROS累積以及細胞死亡。ROS包括超氧化物、H2O2和HO.［33］。細胞HO.將多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFAs）氧化成PUFAs-OOH，脂質(zhì)過氧化物的過量產(chǎn)生使細胞膜的流動性和通透性發(fā)生改變，導(dǎo)致巨噬細胞損傷以及鐵死亡［34］（圖1）。鐵沉積和脂質(zhì)過氧化是人類AS斑塊晚期的常見病理特征［35］。

巨噬細胞鐵超載及其產(chǎn)生的ROS通過催化細胞膜中磷脂的氧化直接誘導(dǎo)細胞的鐵死亡［8，36］。鐵超載的巨噬細胞Fe2+通過FPN以Fe3+的形式釋放到細胞外。此外，巨噬細胞鐵死亡后細胞膜破裂，細胞內(nèi)鐵蛋白、Fe2+、ox-LDL以及促炎細胞因子釋放到斑塊中，誘發(fā)促炎反應(yīng)［37］，放大斑塊中氧化應(yīng)激環(huán)境，從而促進斑塊的不穩(wěn)定性［10，38］。斑塊中的ROS可以從鐵蛋白中釋放鐵［39］，將Fe3+還原成Fe2+。Fe2+通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生ROS，增加斑塊內(nèi)氧化應(yīng)激，從而導(dǎo)致組織損傷（圖2）。

Figure 2.Iron overload and ferroptosis of macrophages promote the progression of AS. The presence of Fe2+ within macrophages stimulates the production of reactive oxygen species（ROS） via Fenton reaction， thereby triggering lipid peroxidation and potential ferroptosis.Fe2+-induced oxidation of low-density lipoproteins （ox-LDL） promotes endothelial dysfunction， and stimulates an inflammatory response to recruit macrophages to the affected area. Following phagocytosis of ox-LDL by macrophages， Lipid deposition formed foam cells. Iron-overloaded macrophages exert a destabilizing influence on the plaques through up-regulating proteolytic enzymes. Within the atherosclerotic plaque， Fe2+ generates harmful ROS via Fenton reaction， which contributes to a pro-oxidative microenvironment within the plaque， and can stimulate smooth muscle cell （SMC） proliferation， migration as well asendothelial dysfunction-collectively promoting the progression of AS.圖2 巨噬細胞鐵超載與鐵死亡促進AS進展

大量的ROS可導(dǎo)致巨噬細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡。GSH是體內(nèi)主要的抗氧化劑［40］，而Gpx4是唯一能夠直接將細胞膜中有毒的PUFAs-OOH還原成無毒的PUFAs-OH，去除多不飽和脂肪酸的過氧化，同時將GSH轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽［41］。GSH的耗竭會導(dǎo)致Gpx4失活和脂質(zhì)過氧化物的增加，最終導(dǎo)致鐵死亡。因此，清除多余的鐵和減少ROS的產(chǎn)生可能是未來治療和預(yù)防AS的新策略。

3.2 巨噬細胞鐵超載促進脂質(zhì)沉積 在生理狀態(tài)下，巨噬細胞中的游離膽固醇與膽固醇酯處于動態(tài)平衡。天然的LDL與LDL受體結(jié)合，內(nèi)吞入巨噬細胞，膽固醇酯被溶酶體酶水解成游離膽固醇和游離脂肪酸，游離膽固醇通過轉(zhuǎn)運蛋白運輸?shù)桨?。由于LDL受體隨著細胞內(nèi)膽固醇水平增高而減少，巨噬細胞攝取LDL不會引起膽固醇酯在細胞內(nèi)堆積［42］。

Fe2+通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的ROS將LDL氧化為ox-LDL，導(dǎo)致內(nèi)皮細胞功能障礙，同時誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)募集巨噬細胞［43］。Ox-LDL主要通過清道夫受體依賴的吞噬和胞飲作用進入巨噬細胞內(nèi)，清道夫受體包括SR-A1、CD36和LOX-1［44］，其表達不受細胞內(nèi)膽固醇水平的負反饋調(diào)節(jié)。

巨噬細胞不受限制的吞噬ox-LDL，導(dǎo)致膽固醇的攝取和外排的動態(tài)平衡失衡，后脂質(zhì)沉積于細胞內(nèi)形成泡沫細胞［45］。Ox-LDL在巨噬細胞溶酶體中被水解成游離膽固醇和游離脂肪酸，過多的游離膽固醇被乙酰輔酶A乙酰轉(zhuǎn)移酶1（acetyl coenzyme a acetyltransferase1， ACAT1）轉(zhuǎn)化為膽固醇酯，膽固醇酯以脂滴的形式儲存在細胞中。中性膽固醇酯水解酶（nCEH和NCEH1）能將膽固醇酯水解成游離膽固醇，然后通過膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白ATP結(jié)合盒（ABC）A1介導(dǎo)膽固醇流出至載脂蛋白A1（ApoA1）［46］，通過ABCG1和SR-BI介導(dǎo)膽固醇流出至HDL［47］。

鐵超載的巨噬細胞清道夫受體SR-A1和CD36表達增加，促進其吞噬ox-LDL［48］，此外，膽固醇輸出者（ABCA1和ABCG1）在鐵超載的巨噬細胞中受到抑制，導(dǎo)致脂質(zhì)堆積形成泡沫細胞，泡沫細胞的聚集成為AS斑塊的脂質(zhì)核心［49］（圖1）。鐵超載的巨噬細胞通過上調(diào)蛋白水解酶，釋放MMP降解細胞外基質(zhì)，導(dǎo)致斑塊穩(wěn)定性下降［37］。此外，炎癥刺激可上調(diào)清道夫受體與ACAT1的表達，抑制膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白ABCA1和ABCG1以及NCEH的表達，增加脂質(zhì)攝取，而膽固醇逆轉(zhuǎn)運途徑受限，導(dǎo)致游離和酯化膽固醇在巨噬細胞中沉積并產(chǎn)生泡沫細胞［50-51］。

因此，鐵超載導(dǎo)致的巨噬細胞中膽固醇的積累是促進AS斑塊生長的關(guān)鍵過程，也是決定斑塊穩(wěn)定性的主要因素［52］。

3.3 巨噬細胞鐵超載促進其極化 巨噬細胞可以分化為M1或M2表型，M1在斑塊進展中占主導(dǎo)地位，M2在斑塊消退中發(fā)揮關(guān)鍵作用［53］。M1是脂核中的主要炎性巨噬細胞群［54］。在AS病變中，巨噬細胞在膽固醇晶體、促炎細胞因子和ox-LDL等作用下極化成M1型巨噬細胞［55］，通過分泌促炎細胞因子如TNF-α、IL-1和IL-6等，加速AS的形成和發(fā)展［56-57］。此外，M1巨噬細胞可通過釋放MMP降解纖維帽內(nèi)的細胞外基質(zhì)，降低斑塊的穩(wěn)定性。

M2巨噬細胞在細胞因子IL-4和IL-13的作用下被極化，并分泌抗炎細胞因子，如IL-10、轉(zhuǎn)化生長因子β和膠原［58-59］。與M1型相比，M2型巨噬細胞表達更多數(shù)量的清道夫受體（如CD36）［60］，通過吞噬作用清除凋亡或死亡的細胞，并產(chǎn)生膠原蛋白以增厚纖維帽，從而穩(wěn)定斑塊［61］。除M1和M2表型外，斑塊中還觀察到其他極化的細胞，如M（Hb）、MHEM、Mox和M4［7］。M（Hb）和MHEM型與M2型巨噬細胞一樣具有抗炎作用，可產(chǎn)生IL-10等抗炎細胞因子，從而阻止斑塊進展。Mox和M4型產(chǎn)生IL-6和TNF-α等促炎細胞因子，促進AS的進展［62-63］。巨噬細胞的不同表型對AS的形成有著不同的作用，將巨噬細胞由促炎轉(zhuǎn)化為抗炎表型有助于抗AS。

鐵超載不僅可以通過誘導(dǎo)巨噬細胞積聚和炎癥反應(yīng)促進動脈粥樣硬化，還可以通過增強糖酵解誘導(dǎo)巨噬細胞向M1型極化［64-66］。細胞內(nèi)鐵超載能夠增加M1巨噬細胞的數(shù)量并誘導(dǎo)M2型巨噬細胞向 M1表型轉(zhuǎn)換［67］。M1巨噬細胞表達高水平的鐵蛋白和低水平的FPN，鐵輸出減少，導(dǎo)致巨噬細胞內(nèi)的鐵含量增加。細胞內(nèi)鐵蓄積可通過上調(diào)CD36等清道夫受體增加ox-LDL的攝入，促進泡沫細胞形成，并通過TLR-4途徑激活促炎的M1巨噬細胞［68］。M1巨噬細胞具有強大的吞噬活性并分泌促炎細胞因子，如TNF-α［69］。長期被炎癥因子持續(xù)滲透的血管容易發(fā)生LDL聚集和氧化，以及AS斑塊的鐵沉積，促進AS斑塊中巨噬細胞的鐵死亡［5］。總之，鐵超載可通過促進ROS的產(chǎn)生、炎癥反應(yīng)、泡沫細胞的形成和巨噬細胞極化改變巨噬細胞功能。

3.4 巨噬細胞鐵超載參與內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞激活促進AS 血管內(nèi)皮細胞是鐵超載損傷的主要靶細胞之一，鐵超載通過其促炎和促氧化作用導(dǎo)致內(nèi)皮細胞功能障礙，直接導(dǎo)致AS進展［70］。Fe2+誘導(dǎo)產(chǎn)生的ox-LDL通過激活炎性轉(zhuǎn)錄因子NF-κB促進內(nèi)皮功能障礙［43］。受NF-κB調(diào)控的靶基因包括血管黏附分子-1、細胞間黏附分子-1及單核細胞趨化蛋白-1等，這些細胞因子均參加單核細胞的浸潤和遷移［29］。此外，鐵超載通過上調(diào)促炎細胞因子的表達降低內(nèi)皮型一氧化氮合酶的活性，從而降低血管內(nèi)皮的舒張功能［71］?？傊?，鐵超載能通過增加氧化應(yīng)激、降低NO生物利用度、促進炎癥反應(yīng)等導(dǎo)致內(nèi)皮細胞受損而推動AS進展［72］。

巨噬細胞鐵超載引起斑塊中鐵含量增加，F(xiàn)e2+通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生ROS，增加斑塊促氧化微環(huán)境，可引起SMCs增殖、凋亡、表型轉(zhuǎn)換和鈣化等功能障礙［73］。鐵超載促進巨噬細胞向M1型極化，M1型巨噬細胞通過產(chǎn)生轉(zhuǎn)化生長因子-β或血小板源生長因子促進SMCs增殖以及向血管內(nèi)膜遷移。SMCs可分化為巨噬細胞樣SMCs吞噬脂質(zhì)后形成泡沫細胞，從而降低斑塊穩(wěn)定性并推動AS的發(fā)展［74］。此外，鐵刺激還可以通過激活BMP2和IL-24途徑誘導(dǎo)SMCs 鈣化［72］。鐵超載以及各種因素的刺激會使SMCs異常增殖、鈣化，最終導(dǎo)致血管管腔狹窄。

4 總結(jié)與展望

鐵死亡是一種由鐵依賴性氧化還原失衡引起的調(diào)節(jié)性細胞死亡方式。許多研究證明鐵超載通過促進炎癥反應(yīng)、ROS產(chǎn)生、巨噬細胞極化和泡沫細胞形成來改變巨噬細胞的功能，從而促進AS斑塊的形成。此外，鐵超載還可導(dǎo)致內(nèi)皮細胞功能障礙，破壞SMCs，刺激免疫細胞聚集，加速AS的進展。因此，在AS的診斷和治療中需要考慮鐵對AS的影響，這表明鐵死亡可以成為治療心血管疾病的潛在靶點。鑒于大多數(shù)心血管疾病是慢性的，心血管疾病的藥物調(diào)節(jié)應(yīng)長期使用，需要關(guān)注用藥安全性；據(jù)報道，一些鐵死亡抑制劑如去鐵胺具有耳毒性和神經(jīng)毒性［75］。此外，鐵死亡誘導(dǎo)劑能有效地抑制癌癥［76-77］，使用鐵死亡抑制劑治療心血管疾病時，可能會增加癌癥發(fā)生的風(fēng)險。因此，需要深度探討巨噬細胞鐵死亡在心腦血管疾病中的作用及機制，以期為ASCVD患者提供治療新靶點。