鐵死亡在創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷治療中的研究進展

楊怡然，王純，鄧桑楊，江晨，吳海鷹，錢傳云

650000 云南省昆明市，昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院急診醫(yī)學(xué)科

創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)遭受機械暴力所致的損傷，在病理上可分為機械暴力直接作用于損傷局部的原發(fā)性損傷和損傷局部微環(huán)境改變引起一系列級聯(lián)反應(yīng)而導(dǎo)致幸存神經(jīng)組織再次受損的繼發(fā)性損傷，包括創(chuàng)傷性腦損傷和脊髓損傷［1］。創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷具有極高的致殘率和死亡率，巨額的醫(yī)療費用和后遺癥進一步加重了患者和家屬的經(jīng)濟負擔(dān)及心理負擔(dān)［2-3］。目前創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的治療方式主要包括手術(shù)減壓（開顱減壓、椎板減壓）、物理療法（高滲療法、低溫療法、高壓給氧）和糖皮質(zhì)激素、谷氨酸拮抗劑、自由基清除劑和黃體酮等藥物治療以及后期康復(fù)治療，但這些治療方式均不能取得理想的療效［3-4］。因此，開發(fā)新的治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷及其后遺癥的替代療法是目前亟待解決的問題。

鐵死亡是新近發(fā)現(xiàn)的細胞程序性死亡方式之一，區(qū)別于其他細胞死亡方式，受細胞內(nèi)鐵離子影響。在細胞核完整的情況下，線粒體特征性改變，導(dǎo)致高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體過氧化，并最終誘導(dǎo)細胞死亡［5］。2017 年有學(xué)者證實中樞神經(jīng)系統(tǒng)急性損傷后可誘導(dǎo)神經(jīng)元發(fā)生鐵死亡［6］。針對相關(guān)靶點也有藥物干預(yù)，但目前臨床轉(zhuǎn)化有限。本文通過總結(jié)既往抗中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷神經(jīng)元鐵死亡藥物研究成果，為臨床治療創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷提供新思路。

1 本文文獻檢索策略

檢索PubMed、Web of Science、中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，檢索時間為建庫至2023 年4 月，中文檢索詞包括“鐵死亡”“創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病”“創(chuàng)傷性腦損傷”“脊髓損傷”“治療”，英文檢索詞包括“ferroptosis”“traumatic central nervous system disease”“traumatic brain injury”“spinal cord injury”“treatment”。文獻納入標準：（1）鐵死亡與創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的臨床研究及病例分析；（2）基礎(chǔ)研究及會議報告。文獻排除標準：（1）與研究問題無關(guān)、重復(fù)發(fā)表、無法找到全文信息的文獻；（2）質(zhì)量差的文獻；（3）年代過于久遠的文獻。

2 鐵死亡

2.1 鐵死亡的定義

DIXON 等［5］研究表明Erastin 的抗癌活性依賴于一種新型細胞死亡誘導(dǎo)，其可以特異地被鐵螯合劑和親脂性抗氧化劑完全阻止，但不受凋亡抑制劑影響，因此將這種在形態(tài)、生化和遺傳上不同于凋亡、壞死和自噬而獨特的鐵依賴性的非凋亡性細胞死亡，命名為“鐵死亡”。STOCKWELL 等［6］認為鐵死亡是調(diào)節(jié)性細胞死亡形式，其特征在于細胞內(nèi)亞鐵離子和脂質(zhì)過氧化物的累積達到細胞致死水平。機體鐵死亡與許多生物過程緊密相關(guān)，包括鐵、氨基酸和多不飽和脂肪酸代謝，以及谷胱甘肽、還原型輔酶Ⅱ（NADPH）和輔酶Q10（CoQ10）的生物合成。根據(jù)2018 年細胞死亡命名委員會（NCCD）［7］的建議，鐵死亡是由細胞內(nèi)微環(huán)境的特定變化，特別是嚴重的脂質(zhì)過氧化引發(fā)的程序性細胞死亡方式之一，依賴于活性氧自由基的產(chǎn)生和鐵的活性，受谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）調(diào)控。

2.2 鐵死亡的特征

鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生化和基因表達上均與其他程序性細胞死亡不同。形態(tài)學(xué)上，發(fā)生鐵死亡的細胞通常表現(xiàn)為線粒體特征性改變（線粒體水腫、膜密度增大、內(nèi)嵴減少或缺失以及質(zhì)膜破裂）［5］。生化特征主要包括細胞內(nèi)鐵超載和脂質(zhì)過氧化，鐵可通過芬頓反應(yīng)直接產(chǎn)生過量的活性氧（ROS）（超氧化物、過氧化氫、脂質(zhì)過氧化物或相應(yīng)的羥基和過氧自由基）［8］，使得多不飽和脂肪酸（PUFA）等脂質(zhì)過氧化，細胞氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，最終導(dǎo)致細胞鐵死亡?；虍惓１磉_被認為是鐵死亡的特定生物標志物和驅(qū)動因素，如脂肪酸代謝相關(guān)酶長鏈脂酰輔酶A 合成酶4（ACSL4）［8］、抗氧化防御系統(tǒng)相關(guān)酶GPX4［9］、轉(zhuǎn)錄因子核因子E2相關(guān)因子（Nrf2）［10］和質(zhì)膜修復(fù)相關(guān)分子內(nèi)涵體分選復(fù)合物Ⅲ（ESCRT Ⅲ）［11］等過表達。

3 鐵死亡與創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷

3.1 鐵死亡與創(chuàng)傷性腦損傷

創(chuàng)傷性腦損傷是我國乃至全球的重大公共衛(wèi)生健康問題之一，也是中青年死亡和致殘的最主要原因。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約5000 萬人患創(chuàng)傷性腦損傷，患者健康受到重創(chuàng)的同時還增加了家庭和社會的負擔(dān)［12］，此外，創(chuàng)傷性腦損傷也是各種神經(jīng)退行性疾病的潛在危險因素［13-15］。創(chuàng)傷性腦損傷病理損傷包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷，原發(fā)性損傷不可逆轉(zhuǎn)，減輕繼發(fā)性損傷是創(chuàng)傷性腦損傷當(dāng)今最重要的治療策略，而減少神經(jīng)元死亡是治療創(chuàng)傷性腦損傷繼發(fā)性損傷的關(guān)鍵［16-17］，調(diào)控神經(jīng)元鐵死亡來干預(yù)創(chuàng)傷性腦損傷的繼發(fā)性損傷逐步成為神經(jīng)科學(xué)界關(guān)注的焦點［18］。

去鐵胺（deferoxamine，DFO）通過清除損傷細胞內(nèi)鐵離子和抑制損傷腦區(qū)鐵蛋白重鏈（FTH）和鐵蛋白輕鏈（FTL）高表達減少鐵沉積發(fā)揮神經(jīng)保護作用，可緩解大鼠創(chuàng)傷性腦損傷后腦組織局部缺損和相關(guān)認知障礙［19］。Fer-1 作為人工合成的抗氧化劑，可抑制質(zhì)膜損傷從而抑制細胞鐵死亡，XIE 等［20］在創(chuàng)傷性腦損傷小鼠側(cè)腦室注射Fer-1，發(fā)現(xiàn)小鼠腦損傷后細胞內(nèi)鐵沉積減少、退化神經(jīng)元數(shù)量減少、損傷體積減小，長期預(yù)后得到改善。Lip-1 又稱為“活性氧捕捉劑”，可激活GPX4 抑制鐵死亡，在RUI 等［21］的一項研究中，Lip-1下調(diào)了創(chuàng)傷后鐵死亡相關(guān)蛋白與基因的表達和轉(zhuǎn)錄，并阻止創(chuàng)傷性腦損傷誘導(dǎo)的皮質(zhì)神經(jīng)元谷胱甘肽（GSH）水平下調(diào)、脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物累積和鐵沉積，減少神經(jīng)元死亡，改善運動表現(xiàn)。褪黑素是松果體分泌的一種激素，可以減少創(chuàng)傷性腦損傷神經(jīng)元鐵沉積和死亡數(shù)量，改善神經(jīng)功能。同時，研究發(fā)現(xiàn)褪黑素對FTH 敲除小鼠致高敏感性鐵死亡的神經(jīng)保護微弱，這表明褪黑素的神經(jīng)保護作用是通過抑制FTH 介導(dǎo)的神經(jīng)元鐵死亡［21］。XIAO 等［22］通過RNA 測序發(fā)現(xiàn)褪黑素通過相關(guān)信號通路降低脂質(zhì)過氧化顯著降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和鐵死亡。miR-212-5p 在創(chuàng)傷性腦損傷小鼠損傷腦組織胞外囊泡中低表達，有學(xué)者證實miR-212-5p 靶向調(diào)控PTGS2 減輕創(chuàng)傷性腦損傷后神經(jīng)元鐵死亡，發(fā)揮神經(jīng)保護作用［22］。黃芩素是脂氧合酶的抑制劑，可以阻止GPX4 特異性抑制劑RSL3 和機械牽拉所致的海馬細胞死亡，同時減輕創(chuàng)傷性腦損傷小鼠體內(nèi)磷脂酰乙醇胺的氧化，減少鐵死亡蛋白表達和神經(jīng)細胞死亡，改善創(chuàng)傷性腦損傷預(yù)后［23］。前動力蛋白2（Prok2）是黑色曼巴毒液和青蛙皮膚的組成部分，也是原激素家族的一員，已被證明可以上調(diào)Fbox10 的表達，并促進ACSL4 的泛素化和降解。側(cè)腦室內(nèi)注射Prok2 過表達腺病毒（AAV-Prok2）可增加GPX4 的表達，降低ACSL4 水平和病變體積，進而提高腦損傷后的運動能力和學(xué)習(xí)能力。這種Prok2 驅(qū)動的級聯(lián)反應(yīng)減輕了鐵死亡，并保護線粒體和神經(jīng)元免受損傷［24］。白藜蘆醇苷是一種天然植物提取物，可以抑制創(chuàng)傷性腦損傷后一系列細胞鐵死亡反應(yīng)（鐵死亡相關(guān)基因表達、鐵沉積以及脂質(zhì)過氧化），且該藥物比Fer-1具有更高的改善GPX4 活性的能力［25］。魯索替尼是一種口服JAK1 和JAK2 酪氨酸激酶抑制劑，臨床上用作骨髓纖維化治療藥物，相較Fer-1 能顯著逆轉(zhuǎn)GPX4 在創(chuàng)傷性腦損傷神經(jīng)中的低表達，此外，其還可以減少創(chuàng)傷后的神經(jīng)退行性病變、腦水腫、運動功能障礙、記憶缺陷和焦慮行為［26］。以上研究均證明干預(yù)神經(jīng)元鐵死亡治療創(chuàng)傷性腦損傷的有效性，具體機制見表1。

表1 抗創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷鐵死亡藥物匯總Table 1 Summary of anti-traumatic central nervous system injury ferroptosis drugs

3.2 鐵死亡與脊髓損傷

脊髓損傷是臨床常見中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷性疾病之一，同時因其高殘疾率和高死亡率成為目前具有挑戰(zhàn)性的醫(yī)療問題之一［27］。全球有超過2700 萬人患有脊髓損傷，每年約有100 萬新發(fā)病例，其中跌倒和車禍是主要病因［28］，發(fā)病趨勢是30 歲以下的年輕人［2］。脊髓損傷后不可逆的運動和感覺障礙影響身心健康［29］，許多研究也表明脊髓損傷患者比正常人更容易遭受抑郁或焦慮［30-32］。此外，每個脊髓損傷患者的經(jīng)濟負擔(dān)通常較高［33］。因此，脊髓損傷會給患者的身體、心理和經(jīng)濟上帶來嚴重的負擔(dān)。然而，目前已知脊髓損傷的病理機制復(fù)雜且不明確，臨床診斷主要依靠體格檢查、影像學(xué)及相關(guān)生化指標［34］。最重要的是，脊髓損傷的治療是有限的，目前主要集中在手術(shù)緩解壓迫，減少繼發(fā)性病理，以及使用激素藥物來減少炎癥和腫脹［35］。因此，識別和研究脊髓損傷的發(fā)病機制是提高臨床療效的重要途徑。

DFO 是一種鐵螯合劑，可增加GPX4、xCT 和GSH的表達，抑制膠質(zhì)細胞增生，最終恢復(fù)長期運動功能［36］。此外，DFO 還可以減少脊髓損傷后的運動皮質(zhì)神經(jīng)元鐵超載和神經(jīng)元鐵死亡，并有助于運動功能的恢復(fù)［37］。SRS 16-86 是一種在血漿和肝臟中具有高穩(wěn)定性的新型鐵死亡抑制劑，在脊髓損傷模型中可提高GPX4、GSH和xCT，減少脂質(zhì)氧化、膠質(zhì)細胞增生和神經(jīng)元損傷［37］。原花青素是一種葡萄種子中常見的強效自由基清除劑，可以降低鐵和硫代巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)的水平，降低花生四烯酸-15-脂加氧酶（ALOX15）和?；o酶A 合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）的表達，同時提高血紅素加氧酶1（HO-1）、Nrf2、GSH 和GPX4 的濃度，改善損傷小鼠運動能力［38］。此外，F(xiàn)er-1 抑制膠質(zhì)細胞的活化從而降低損傷后局部鐵聚集，降低鐵死亡相關(guān)基因表達和線粒體特征性改變，有利于恢復(fù)脊髓損傷后神經(jīng)功能［39］。研究發(fā)現(xiàn)，金屬離子鋅增加鐵死亡保護性通路Nrf2/HO-1 的表達，降低損傷后細胞鐵死亡中間代謝產(chǎn)物［GSH、超氧化物歧化酶（SOD）、GPX4、ROS和丙二醛（MDA）］水平，同時逆轉(zhuǎn)損傷的線粒體和炎癥［39］。脂氧素A4 是一種抗炎遞質(zhì)，可通過調(diào)節(jié)Akt/NRF2/HO-1 信號通路，誘導(dǎo)脊髓損傷后的神經(jīng)保護和功能改善［40］，在原代脊髓神經(jīng)元中，通過相同的信號通路，脂氧素A4 也可以抑制Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡［41］。有實驗用依達拉奉治療大鼠脊髓損傷，發(fā)現(xiàn)損傷組織內(nèi)鐵死亡抑制蛋白GPX4 和xCT 表達增多，而促進鐵死亡的ACSL4 和ROS 明顯降低，說明其可能改善大鼠脊髓損傷急性期鐵死亡［42］。上述鐵死亡抑制劑發(fā)揮神經(jīng)保護作用的具體機制見表1。

4 小結(jié)與展望

創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷給患者帶來了嚴重的精神打擊，且目前治療效果不理想。由游離鐵超載、脂質(zhì)過氧化和鐵死亡相關(guān)蛋白過表達所致的鐵死亡在中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷后的繼發(fā)性損傷中起著重要作用。鐵死亡在繼發(fā)的神經(jīng)炎性反應(yīng)、免疫反應(yīng)、神經(jīng)膠質(zhì)細胞的激活及其他程序性細胞死亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。針對鐵死亡發(fā)生機制研發(fā)的化合物主要分為鐵離子螯合劑、脂質(zhì)過氧化抑制劑、抗氧化劑、自由基清除劑等，其可能影響鐵代謝、脂質(zhì)氧化和氧化還原反應(yīng)，從而用于抑制鐵死亡。鐵死亡在神經(jīng)系統(tǒng)中普遍存在，從神經(jīng)發(fā)生到變性，從急性損傷到慢性預(yù)后。然而，目前關(guān)于鐵死亡抑制劑治療創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的臨床研究較少，唯一的臨床研究主要集中在生物標志物的識別上，相關(guān)藥物臨床轉(zhuǎn)化有限。不過在基礎(chǔ)實驗中，抑制鐵死亡在創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷方面顯示出了顯著的保護作用，未來中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷治療的新策略可以聚焦減少鐵死亡，誘導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)，從而最終達到神經(jīng)元的重聯(lián)和功能的重建。對神經(jīng)損傷中鐵死亡的進一步研究將為今后的臨床治療提供新的途徑。

作者貢獻：楊怡然提出研究命題，負責(zé)論文設(shè)計、起草、論文撰寫；王純、鄧桑楊負責(zé)全文校對；江晨、吳海鷹負責(zé)表格編輯整理；錢傳云對文章整體負責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。