鐵死亡在阿爾茨海默病中的作用機(jī)制及研究進(jìn)展

鄭梅 陸穎 木大為

1上海市松江區(qū)中心醫(yī)院檢驗(yàn)科，上海 201600； 2上海市松江區(qū)中心醫(yī)院質(zhì)控科，上海 201600； 3上海市松江區(qū)中心醫(yī)院醫(yī)務(wù)科，上海 201600

阿爾茨海默?。ˋD）是最常見的神經(jīng)退行性疾病，也是全世界老年人（65歲以上）殘疾和死亡的主要原因，現(xiàn)在還沒有有效的臨床藥物可以延緩其發(fā)展［1］。隨著全球罹患AD人數(shù)的不斷擴(kuò)增，患者、患者家庭及社會(huì)都承受著不可估量的負(fù)擔(dān)。鐵死亡是一種依賴于鐵離子的程序性細(xì)胞死亡形式，與AD密切相關(guān)［2］。

鐵死亡

Dixon等［3］研究鐵死亡誘導(dǎo)劑earstin殺死癌細(xì)胞的機(jī)制，并將這一細(xì)胞死亡過程正式命名為鐵死亡。鐵死亡是細(xì)胞中活性氧（ROS）在鐵的存在下，多不飽和脂肪酸（PUFAs）產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物（LPOs），從而引起膜損傷，造成一種獨(dú)特的細(xì)胞死亡方式。鐵死亡分子機(jī)制與鐵、ROS和LPOs、氨基酸代謝有關(guān)。

1.鐵代謝與鐵死亡

鐵是人體必需的微量元素，在細(xì)胞中以三價(jià)鐵離子（Fe3+）和二價(jià)鐵離子（Fe2+）兩種形式存在，F(xiàn)e3+是鐵的儲(chǔ)運(yùn)形態(tài)，F(xiàn)e2+可以轉(zhuǎn)移電子，參與各種氧化還原反應(yīng)，并作為反應(yīng)催化劑。Ma等［2］研究顯示，過量的鐵能通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS以及激活含鐵的酶（如脂氧合酶）來促進(jìn)脂質(zhì)過氧化而引發(fā)鐵死亡。細(xì)胞鐵代謝伴隨著轉(zhuǎn)鐵蛋白（Tf）、鐵蛋白和膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Fpn）等在內(nèi)的其他蛋白相互協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)表達(dá)。細(xì)胞由轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR）介導(dǎo)鐵代謝，鐵通過裝載Fe3+的Tf內(nèi)吞作用進(jìn)入胞內(nèi)，該Tf在嚴(yán)格調(diào)節(jié)的反饋控制下與其TfR1和TfR2相互作用，鐵調(diào)節(jié)蛋白1和2記錄胞內(nèi)鐵濃度，轉(zhuǎn)錄后調(diào)控鐵代謝基因的表達(dá)［4-5］。鐵蛋白的異常調(diào)節(jié)造成鐵代謝失衡可誘發(fā)鐵死亡［6］。核受體共激活因子4是一種細(xì)胞質(zhì)自噬受體，用于結(jié)合鐵蛋白，隨后通過鐵蛋白自噬降解，鐵蛋白自噬是自噬的一種選擇性形式，有助于鐵死亡發(fā)生，在鐵蛋白自噬過程中，儲(chǔ)存的鐵被釋放出來，用于生物合成途徑，但鐵蛋白自噬導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵以Fe2+的形式積聚，最終導(dǎo)致鐵死亡［7］。Fe2+含量過載和鐵調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白的異常表達(dá)在鐵死亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.脂質(zhì)代謝與鐵死亡

脂質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞膜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的含碳?xì)渖锓肿樱?］。脂質(zhì)過氧化多在含磷脂膜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行，位于細(xì)胞膜上的PUFAs，如花生四烯酸和腎上腺素酸，是鐵死亡過程中脂質(zhì)過氧化的主要底物［9］。相比之下，單不飽和脂肪酸（MUFAs）由于其對(duì)脂質(zhì)過氧化的結(jié)構(gòu)抗性，通常在鐵死亡中起相反作用。PUFAs或MUFAs的產(chǎn)生及合成受多種酶的調(diào)控，特別是?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4（ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3（LPCAT3），將PUFAs結(jié)合到膜磷脂中，在促進(jìn)鐵死亡中起關(guān)鍵作用［10］。有研究發(fā)現(xiàn)，使用抑制劑抑制ACSL4和LPCAT3活性時(shí)，可降低細(xì)胞鐵死亡的敏感性［10-11］。硬脂酰輔酶A去飽和酶1（SCD1）可催化合成MUFAs，通過抑制SCD1介導(dǎo)MUFAs生成，可促進(jìn)Ras選擇性致死小分子3（RSL3）誘導(dǎo)的細(xì)胞鐵死亡［12］。脂氧合酶（LOXs）作為重要脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的催化酶，使用LOXs抑制劑可阻止Erastin和RSL3誘導(dǎo)的細(xì)胞鐵死亡［13］。由此可見，脂質(zhì)代謝過程中，脂質(zhì)過氧化是導(dǎo)致鐵死亡的核心因素。

3.氨基酸代謝與鐵死亡

谷胱甘肽（GSH）由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸3種氨基酸構(gòu)成，其中半胱氨酸是其形成的限制性底物。GSH是一種低分子量抗氧化劑，可以清除細(xì)胞代謝過程中產(chǎn)生的自由基。谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）以GSH為輔助因子直接還原有毒物質(zhì)磷脂氫過氧化物，消除脂質(zhì)ROS抑制鐵死亡，RSL3是一種鐵死亡誘導(dǎo)劑，直接通過抑制GPX4活性促進(jìn)鐵死亡［14］。胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（system Xc-）由兩個(gè)溶質(zhì)載體組成，溶質(zhì)載體家族3成員2（SLC3A2）和溶質(zhì)載體家族7成員11（SLC7A11），通過system Xc-，谷氨酸和胱氨酸以等量離開和進(jìn)入細(xì)胞，維持GSH生成，其中SLC7A11能特異性識(shí)別這兩種氨基酸，而SLC3A2則促進(jìn)SLC7A11向胞膜運(yùn)輸并增強(qiáng)穩(wěn)定性［15］。Jiang等［16］研究表明，P53腫瘤抑制因子通過下調(diào)SLC7A11的表達(dá)抑制系統(tǒng)攝取胱氨酸，影響GSH生成，降低GPX4活性，導(dǎo)致細(xì)胞抗氧化能力降低，脂質(zhì)ROS積累，最終發(fā)生鐵死亡。GSH的合成障礙、SLC7A11和GPX4低表達(dá)均可促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡。

4.其他調(diào)節(jié)途徑

4.1.鐵死亡抑制蛋白1（FSP1）/CoQ信號(hào)通路 有研究報(bào)道，F(xiàn)SP1/凋亡誘導(dǎo)因子線粒體相關(guān)因子2（AIFM2）在鐵死亡發(fā)生中的作用，揭示了調(diào)控鐵死亡的有效途徑，并重新引入凋亡誘導(dǎo)因子［17-18］。Bersuker等［17］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SP1（以前稱為AIFM2）是一種有效抗鐵氧化因子。Doll等［18］研究表明，F(xiàn)SP1通過還原型輔酶Ⅱ催化輔酶Q10（CoQ10）再生，協(xié)同GPX4/GSH信號(hào)通路抑制脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。FSP1表達(dá)在抑制鐵死亡中的重要作用，可為后續(xù)治療疾病提供新的靶點(diǎn)。

4.2.二氫乳清酸脫氫酶（DHODH）/CoQ信號(hào)通路 Mao等［19］研究證實(shí)，DHODH與線粒體GPX4并行運(yùn)作（但獨(dú)立于細(xì)胞質(zhì)GPX4或FSP1），通過將線粒體中的CoQ還原為CoQH2來抑制線粒體內(nèi)膜中的鐵死亡。線粒體作為細(xì)胞能量來源，在氧化磷酸化過程中極易發(fā)生ROS累積造成鐵死亡，該信號(hào)通路在抑制線粒體內(nèi)膜脂質(zhì)過氧化中發(fā)揮主要作用。

4.3.GTP環(huán)水解酶1（GCH1）/四氫生物蝶呤（BH4）信號(hào)通路 Kraft等［20］通過全基因組激活篩選，確定了一組對(duì)抗鐵依賴性細(xì)胞死亡的基因，包括GCH1及其代謝衍生物BH4/二氫生物蝶呤（BH2）。

鐵死亡在AD中的作用機(jī)制

AD是一種神經(jīng)退行性和遺傳及年齡相關(guān)癡呆，其典型表現(xiàn)為健忘性認(rèn)知障礙，病理特征是形成老年斑的β-淀粉樣蛋白（Aβ）細(xì)胞外沉積和構(gòu)成神經(jīng)原纖維纏結(jié)（NFTs）異常修飾的Tau蛋白積累，伴有突觸逐漸喪失和腦組織損傷［1］。隨著淀粉樣蛋白作為治療靶點(diǎn)的挑戰(zhàn)，AD的其他神經(jīng)化學(xué)變化引起了越來越多的興趣，尤其伴隨鐵死亡概念的提出，很多研究證實(shí)鐵死亡相關(guān)機(jī)制與AD的病理生理學(xué)密切相關(guān)［2，21-23］。

1.鐵代謝紊亂與AD

鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)維持正常的腦功能很重要，而大腦鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。Ashraf等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在AD死后的大腦中，大腦皮層中鐵含量升高。Ramos等［25］通過與對(duì)照組相比，AD患者大腦海馬和基底節(jié)區(qū)的鐵水平升高，大腦腦干和小腦的鐵水平較低。鐵代謝的平衡依賴于各種鐵代謝相關(guān)蛋白的協(xié)同作用，F(xiàn)pn是將鐵離子運(yùn)出細(xì)胞的主要蛋白，Bao等［21］在Fpnfl/fl/NEXcre小鼠模型（新皮質(zhì)和海馬主要神經(jīng)元Fpn基因缺失的小鼠模型）和AD小鼠中觀察到典型的鐵死亡形態(tài)學(xué)和分子特征。Aβ由淀粉樣前體蛋白（APP）產(chǎn)生，APP是在大腦中高水平表達(dá)的單代跨膜蛋白，通過將Fe3+加載到Tf上，穩(wěn)定鐵輸出通道Fpn，從而保護(hù)細(xì)胞免受鐵催化的氧化應(yīng)激。Duce等［26］研究證實(shí)，APP敲除小鼠的皮層神經(jīng)元中，F(xiàn)pn水平降低，與年齡相關(guān)的鐵積累水平升高，并伴有氧化應(yīng)激。因此，APP可能在正常衰老過程中抑制腦鐵升高，在AD患者腦中促進(jìn)鐵的升高［27-28］。當(dāng)鐵蓄積時(shí)，可促進(jìn)APP mRNA翻譯，在β和γ-分泌酶剪切作用下，APP水解形成的Aβ在大腦內(nèi)聚集［29］。Fe3+通過與Tau蛋白使其磷酸化，導(dǎo)致高磷酸化的Tau蛋白聚集，從而促進(jìn)NFTs形成，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡［30］。在AD患者中，APP異常加工可能會(huì)促進(jìn)腦鐵積累，過量鐵又會(huì)誘導(dǎo)Aβ在大腦中的沉積，并促進(jìn)NFTs形成。由此可見，鐵含量的增加導(dǎo)致鐵死亡可能是AD發(fā)病的關(guān)鍵因素。

2.脂質(zhì)過氧化與AD

氧化應(yīng)激在許多神經(jīng)退行性疾病中起重要作用，其中脂質(zhì)過氧化是主要過程，這是由于大腦膜結(jié)構(gòu)中含有高水平的PUFAs和高氧消耗［31］。Ferré-González等［32］研究發(fā)現(xiàn)，在AD患者大腦中LPOs水平升高。丙二醛（MDA）及4-羥基壬烯醛（4-HNE）是氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化標(biāo)志物，4-HNE隨著年齡增長(zhǎng)而增加，影響神經(jīng)系統(tǒng)正常功能，可能與AD病變相關(guān)［33］。Dare等［34］研究發(fā)現(xiàn)，AD患者ACSL4水平升高，在多個(gè)腦區(qū)可檢測(cè)到高濃度的游離MDA及4-HNE，且GPX4表達(dá)下調(diào)。既往研究表明，AD患者腦內(nèi)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物增加［32-34］。作為鐵死亡的驅(qū)動(dòng)力，高水平的脂質(zhì)過氧化會(huì)破壞細(xì)胞功能［35］。Park等［22］研究發(fā)現(xiàn)，在AD患者和攜帶APP/突變的早老素1（PS1）雙轉(zhuǎn)基因AD小鼠模型的大腦皮層受損星形膠質(zhì)細(xì)胞中，NADPH氧化酶4（NOX4）蛋白、MDA及4-HNE水平均升高，證實(shí)NOX4通過損傷AD患者的線粒體代謝，通過氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化作用促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞鐵死亡。Bok等［36］研究證實(shí)，磷酸化Tau蛋白與細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層中磷脂可相互結(jié)合，形成具有細(xì)胞毒性的Tau-磷脂復(fù)合物，但二者間的具體作用機(jī)制尚未闡明。AD重要病理產(chǎn)物與鐵死亡脂質(zhì)過氧化過程間可能相互影響，脂質(zhì)過氧化所致鐵死亡可能是AD發(fā)病的潛在機(jī)制，但具體作用機(jī)制尚需研究［35］。

3.氨基酸代謝紊亂與AD

system Xc-作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一種重要的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，功能發(fā)生障礙時(shí)可誘導(dǎo)AD的興奮性毒性神經(jīng)元變性［37］。谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的興奮性遞質(zhì)，對(duì)維持正常腦功能和中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育至關(guān)重要，高濃度的細(xì)胞外谷氨酸破壞system Xc-，從而誘導(dǎo)死亡。D'Ezio等［38］研究發(fā)現(xiàn)，Aβ25-35能夠通過誘導(dǎo)核因子2相關(guān)因子2抗體（Nrf2）通路激活和System Xc-上調(diào)來激活星形膠質(zhì)細(xì)胞的抗氧化反應(yīng)，然而，system Xc-上調(diào)可增加細(xì)胞外谷氨酸釋放，并可能導(dǎo)致興奮性毒性，同時(shí)特異的System Xc-抑制劑磺胺吡啶阻止了神經(jīng)元病死率和細(xì)胞外谷氨酸水平增加。GPX4-GSH信號(hào)通路是細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)通路，Hambright等［23］研究發(fā)現(xiàn)，大腦中GPX4基因敲除的小鼠模型出現(xiàn)一系列與AD病理相關(guān)的特征，如認(rèn)知障礙和海馬神經(jīng)退行性變。連翹苷A通過提高GPX4和GSH含量，抑制APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠AD模型鐵死亡及Aβ沉積和Tau蛋白水平，并改善記憶和認(rèn)知障礙［39］。黃連素（BBR）慢性治療可減輕AD模型小鼠的認(rèn)知障礙，同時(shí)BBR通過調(diào)節(jié)Nrf2轉(zhuǎn)錄水平提高GPX4、SLC7A11的表達(dá)水平，從而抑制鐵死亡［40］。以上研究可證實(shí)，system Xc-的穩(wěn)定調(diào)節(jié)與AD神經(jīng)元變性關(guān)系密切。system Xc-上調(diào)可致神經(jīng)元毒性，加重AD進(jìn)程；system Xc-低表達(dá)又會(huì)導(dǎo)致GSH-GPX4信號(hào)通路受限，促進(jìn)腦細(xì)胞鐵死亡。

4.其他調(diào)節(jié)途徑與AD

FSP1和DHODH作為獨(dú)立GPX4的鐵死亡調(diào)控基因，均通過將CoQ10還原為更具活性的CoQ10H2，發(fā)揮抗氧化和抗鐵死亡的功能［17-19］。Momiyama［41］研究證實(shí)，在普通人群中，較低的血清CoQ10水平與較高的癡呆風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。CoQ10是一種抗炎和抗氧化應(yīng)激補(bǔ)充劑，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@示，CoQ10治療AD可以改善AD相關(guān)的炎癥和氧化應(yīng)激，提高認(rèn)知和記憶能力［42］。由CoQ10介導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激作用，不僅在抑制鐵死亡過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，也在緩解AD神經(jīng)損害中扮演重要角色。因此，CoQ10治療AD的潛在作用值得未來投入更多研究。

潛在抑制鐵死亡治療AD的藥物

1.鐵鰲合劑

鐵螯合劑是一種對(duì)鐵離子具有親和力的成分，可以通過螯合鐵來調(diào)節(jié)鐵依賴性蛋白的表達(dá)，從而減緩AD的病理過程［43］。去鐵素（DFP）是一種臨床上可用的鐵螯合劑，最近在體內(nèi)動(dòng)物模型中確定了對(duì)AD的有效性。Nolan等［44］研究表明，在東莨菪堿誘導(dǎo)的AD大鼠模型中，DFP通過抗氧化作用抑制認(rèn)知障礙，DFP預(yù)處理可減弱東莨菪堿誘導(dǎo)的大鼠海馬和皮質(zhì)乙酰膽堿酯酶活性升高，減少Aβ和鐵沉積。這一發(fā)現(xiàn)表明，鐵螯合劑能有效緩AD中鐵代謝失調(diào)引起的鐵死亡和神經(jīng)元死亡，可能是臨床治療AD的潛在藥物。

2.抗氧化劑

抗氧化劑已被廣泛用于治療AD，其中許多抗氧化劑可抑制脂質(zhì)過氧化，從而抑制鐵死亡。維生素E是一種常見的脂溶性抗氧化劑，可以調(diào)節(jié)鐵死亡。Nolan等［44］臨床研究證實(shí)，維生素E的干預(yù)處理有助于改善AD患者的癥狀，提高其生活質(zhì)量。隨機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，維生素E對(duì)AD或輕度認(rèn)知障礙患者沒有任何益處［45-46］。由此可見，維生素E在AD中的使用仍然值得懷疑，還需更多研究來確定其效果。

α-硫辛酸（α-LA）是一種天然存在的酶輔助因子，由于其抗氧化和鐵螯合劑的特性，在AD中具有神經(jīng)保護(hù)作用。Zhang等［47］研究證實(shí)，α-LA有效抑制AD相關(guān)位點(diǎn)的Tau過度磷酸化，阻斷了Tau誘導(dǎo)的鐵過量、脂質(zhì)過氧化和炎癥。因此，α-LA可能有助于開發(fā)以抑制鐵死亡為靶點(diǎn)的AD治療方法。Greenough等［48］研究發(fā)現(xiàn)，家族性阿爾茨海默病引起的早老素突變使細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感，硒的攝取被早老素突變破壞，抑制GPX4的表達(dá)。Kryscio等［46］研究證實(shí)，硒與控制AD病程的進(jìn)展并無益處?？傊磥磉€需更多的臨床研究來證明硒在AD患者中有效治療機(jī)制。

小結(jié)和展望

因?yàn)槿蛉丝谡谘杆倮淆g化，AD作為最常見的癡呆癥類型，已成為社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)。鐵死亡作為一種新型細(xì)胞程序性死亡方式，涉及機(jī)制較為復(fù)雜，現(xiàn)已從鐵代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝等途徑證實(shí)鐵死亡在AD發(fā)病機(jī)制中的作用，為預(yù)防和治療AD提供更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)。鐵螯合劑和抗氧化劑已被發(fā)現(xiàn)具有緩解鐵代謝失調(diào)和預(yù)防鐵死亡的潛力，并在AD的治療中展現(xiàn)積極作用。但是，鐵死亡在AD不同階段的作用機(jī)制還需繼續(xù)挖掘；針對(duì)鐵死亡的單一藥物或干預(yù)是否可以避免、減少或逆轉(zhuǎn)AD，未來還需大量深入探索。因此，研究人員可繼續(xù)以鐵死亡為靶點(diǎn)，為防治AD找到新的策略和方法，為廣大患者帶來福音。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明鄭梅：起草文章，對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱；陸穎、木大為：對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱