鐵死亡與神經變性疾病的研究進展

李 海 董健健 程 楠

1)安徽中醫藥大學研究生院，安徽 合肥 230038 2)安徽中醫藥大學神經病學研究所附屬醫院，安徽 合肥 230061

·綜述·

鐵死亡與神經變性疾病的研究進展

李 海1，2)董健健2)程 楠2)

1)安徽中醫藥大學研究生院，安徽 合肥 230038 2)安徽中醫藥大學神經病學研究所附屬醫院，安徽 合肥 230061

鐵死亡；阿爾茨海默病；帕金森病；亨廷頓??；Friedreich共濟失調

鐵是人體必需的一種金屬微量元素，在體內參與DNA、RNA和蛋白質的生物合成，并作為多種關鍵酶或輔酶的重要因子，參與亞鐵血紅素和神經鞘磷脂的合成，對維持神經系統的正常結構和功能起重要作用。由于金屬鐵離子具有較強的氧化作用，各種原因所致的腦內鐵的蓄積可產生過量的過氧化物和氧自由基，引起脂質過氧化反應、DNA鏈斷裂以及蛋白質功能紊亂，并最終導致神經元變性、死亡。研究資料發現，鐵代謝的異常與阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)和帕金森病(Parkinson’s disease，PD)等多種神經變性疾病的發病密切相關，研究與之相關的病因病機對神經變性疾病的診療具有重要價值[1]。近年來，Dixon等[2]發現了一種與鐵代謝紊亂相關的非程序性細胞死亡，且這種細胞死亡的形式與AD、PD等神經變性疾病的發病密切相關，有望成為這一大類難治性中樞神經系統疾病新的治療靶點。本文就相關的研究進展綜述如下。

1 鐵死亡的概述

2012年，Dixon等[2]發現一種名為erastin的小分子化合物可以誘導RAS基因突變的腫瘤細胞發生一種非凋亡性的細胞死亡，其發生過程需依賴鐵的活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生，卻不受Caspase、BAX/BAK及鈣超載等經典細胞凋亡通路的調控。進一步的研究表明，去鐵胺(deferoxamine，DFO)等鐵離子螯合劑能抑制這一過程的發生，而凋亡、壞死和自噬抑制劑等則不影響該過程，其形態學特征為細胞內線粒體皺縮及雙層膜密度增高。Dixon等通過大量研究認識到這種新的細胞死亡形式是一種鐵依賴的、不同于凋亡、壞死和自噬等程序性細胞死亡的非程序性細胞死亡，并將其命名為“ferroptosis”，即鐵死亡。

目前鐵死亡的具體機制尚未完全闡明，但研究發現存在復雜的細胞內調控機制。首先，各種原因導致的轉鐵蛋白(transferrin，Tf)、轉鐵蛋白受體(transferrin receptor，TfR)、二價金屬轉運體1(divalent metal transporter 1，DMT1)等細胞內鐵代謝相關蛋白功能異?？蓪е妈F在細胞內的沉積、ROS增多并誘發鐵死亡，而熱休克蛋白β1(heat shock protein beta1，HSPB1)能減少鐵在細胞中的蓄積并抑制鐵死亡的發生[3]。研究還發現，細胞膜胱氨酸谷氨酸轉運受體(System Xc-)對維持細胞內谷胱甘肽(glutathione，GSH)水平和氧化還原平衡有重要意義：某些鐵死亡誘導劑(如erastin)通過抑制System Xc-減少細胞內胱氨酸的攝取而降低GSH的合成，使細胞內GSH含量下降，進而引起細胞內谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPXs)活性下降，導致脂質過氧化反應增加、細胞內ROS聚集，對細胞產生殺傷作用，沉默或過表達GPXs中一種重要的抑制脂質過氧化反應的蛋白- GPX4的基因，可以明顯改變細胞對鐵死亡誘導劑的敏感性，因此GPX4是調節鐵死亡的重要環節[4]。研究還發現，腫瘤抑制因子p53能夠通過抑制SLC7A11(System Xc-的關鍵組成部分)的表達，調節細胞胱氨酸代謝以及ROS應答而介導鐵死亡過程[5]。

2 鐵死亡與神經系統變性疾病

雖然目前鐵死亡及其調控機制多源于腫瘤細胞的研究結果，但近來許多研究發現，PD、AD、Huntington病(Huntington's disease，HD)和Friedreich共濟失調(Friedreich ataxia，FRDA)等多種神經系統遺傳變性疾病的發病與鐵代謝異常相關的鐵死亡有著密切的關系。

2．1 PD與鐵死亡PD是一種多于中老年期緩慢起病的神經系統變性疾病，以黑質多巴胺能神經元的變性死亡和α- 突觸核蛋白(α- synuclein)的過度表達為主要病理特征，以靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態障礙為主要臨床表現。我國65歲以上人群PD的患病率約1.7%，患者總數不少于200萬[6]。PD具有患病率高、致殘率高和運動障礙形式復雜等特點，隨著人口老齡化，PD的防治正逐漸成為人口與健康領域被受關注的重要科學問題和社會問題。

經過長期的研究，人們從以下幾個方面認識到鐵在PD神經元損傷過程中扮演著重要的角色[7]：(1)PD患者腦內鐵水平增高的部位主要在黑質，而其他部位則不明顯(表1)；(2)PD患者的多巴胺能神經元鐵含量的增高尤為明顯；(3)鐵螯合劑驅鐵治療在PD動物模型中顯示有神經保護作用；(4)無銅藍蛋白血癥(aceruloplasminemia)等神經遺傳性疾病患者可出現腦中鐵的沉積，其臨床表現與PD類似。采用各種高靈敏度檢測方法的研究結果顯示，PD患者在發病早期即出現黑質神經元中鐵的沉積，且其含量與PD運動障礙的嚴重程度有相關性[8- 9]。PD的流行病學研究資料則表明，PD的發病率不僅與周圍環境中鐵含量的高低呈正相關，也與其飲食中鐵攝入的量有關[10]。因此，PD的發病與鐵的代謝障礙存在密切關系。

表1 正常人與PD患者黑質(SN)、蒼白球(GP)和腦脊液(CSF)的鐵含量[7]

注：/ 為未檢測出

研究表明，人體存在一個抗氧化和ROS產生的動態平衡，但大腦因能量代謝、合成髓鞘和神經遞質的需要，相對于其他組織器官需要消耗更多的氧和鐵，因此ROS的水平也明顯增高。由于PD患者神經元細胞(尤其是多巴胺能細胞)對鐵離子和ROS有較高的敏感性，因此更容易受到損傷，這個特點與鐵死亡的病理過程相契合。Kabiraj等[11]的研究證實，ferrostatin- 1(一種特異性鐵死亡抑制劑)能夠抑制魚滕酮(rotenone)誘導的多巴胺能神經元細胞SH- SY5Y的氧化應激反應、過量ROS的產生及α- 突觸核蛋白(α- synuclein)的聚集，提示鐵死亡參與PD的發病過程。另有研究發現，使用VK- 28、M30等多種能透過血腦屏障的鐵螯合劑對PD動物模型小鼠的治療具有明顯的神經保護作用[12]，而一項以鐵螯合劑DFO治療PD患者的II期臨床研究結果表明能有效緩解患者的運動障礙[13]。這些研究結果均提示提示鐵死亡有可能成為PD的潛在治療靶點。

2．2 AD與鐵死亡AD是一種常見的以漸進性記憶障礙、認知功能障礙、人格改變及語言障礙等神經精神癥狀為主要臨床表現的神經變性疾病，本病患者多于老年期起病，其社交、職業與生活功能受到嚴重影響，終至完全喪失生活自理能力。大腦皮質和海馬膽堿能神經元的β- 淀粉樣蛋白(amyloid- β protein，Aβ)沉積及其導致的神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFTs)形成是AD最主要的病理特征。

長期以來，許多學者嘗試采用各種策略清除腦內的Aβ以阻止NFTs的形成，從而達到防治AD的目的。但到目前為止，多個與之相關的動物和臨床試驗均宣告失敗，即使成功清除了腦內的Aβ，仍不能阻止病情的發展。因此，有學者認為，僅用Aβ沉積不足以解釋AD的發病機制，而各種金屬元素(尤其是鐵)的穩態失衡及其導致的神經膠質細胞功能異常、炎癥反應、線粒體損傷和氧化應激在AD的發病作用應受到重視[14- 15]。

基于此，有學者采用MRI等技術研究發現AD患者頂葉、皮質運動區和海馬等部位存在鐵的沉積[16]。Ayton等[17]以67例AD患者和114例輕度認知功能障礙(mild cognitive impairment，MCI)患者為研究對象，并以91例健康人為對照，以腦脊液鐵蛋白水平為研究指標，通過7 a的觀察發現其與認知能力存負相關，而與具有APOE- ε4等位基因的AD患者呈正相關，并認為腦內鐵的升高是具有APOE- ε4等位基因遺傳背景的AD患者的重要發病機制。最近的研究則發現，未與鐵離子結合的Aβ并不對機體產生損傷，僅在其與鐵離子結合后才能催化氧化自由基反應而具有神經毒性[15]。另有研究發現，除了Aβ，鐵也可與tau結合，影響其磷酸化過程并導致過磷酸化的tau蛋白聚集，引發過氧化反應和線粒體損傷，而鐵螯合劑可以阻斷這一過程[15]。近年來多項應用DFO及其他以缺氧誘導因子脯氨酰羥化酶(hypoxia- inducible factor prolyl hydroxylases，HIF PHDs)為靶點的動物和臨床試驗均表明能夠在一定程度上延緩病情的發展。這些研究提示，以鐵離子和ROS為核心的鐵死亡參與了AD的發病過程，以鐵死亡及其調控通路作為治療靶點具有良好的應用前景[18- 21]。

2．3 HD與鐵死亡HD是一種較為常見的常染色體顯性遺傳神經變性疾病，臨床以緩慢加重的舞蹈樣動作、認知功能障礙為主要特征，嚴重者在晚期發展至癡呆，喪失生活自理能力。HD因位于4p16.3的IT15基因5’端編碼區內CAG的異常擴增，引致Huntington蛋白功能異常(包括蛋白的異常聚集、轉錄表達功能異常、鐵的蓄積、氧化應激水平增高、能量代謝障礙和免疫反應等)，并最終導致大腦皮質和紋狀體神經元的損傷、壞死。

多個動物和臨床實驗的研究結果表明，由于IT15基因動態突變引致Huntington蛋白功能障礙的過程中，氧化應激和ROS水平增高是其最顯著的特征，因此也被作為HD可能的治療切入點[22]。Niatsetskaya等[23]以DFO處理敲入Huntington突變基因的小鼠紋狀體神經元，發現能阻斷復合體Ⅱ阻滯劑3- 硝基丙酸(3- nitropropionic acid，3- NP)所誘導的細胞毒性，而3- NP的作用靶點正是HIF PHDs。Skouta等[24]則發現用特異性的鐵死亡阻滯劑Ferrostatin- 1(Fer- 1)能減少敲入Huntington基因第1外顯子異常擴增片段的小鼠皮質紋狀體神經元的細胞死亡數量，初步展示了基于鐵死亡的治療方案在神經遺傳變性疾病的治療價值。

2．4 FRDA與鐵死亡FRDA是最常見的常染色體隱性遺傳型共濟失調，多于青少年期起病，臨床表現為逐漸加重的步行困難和肢體動作的不協調，其病因為位于9q13- 21.1的frataxin基因內含子區GAA重復異常擴增導致脊髓神經元frataxin蛋白表達減少和功能喪失而致病。

研究表明，frataxin蛋白主要位于線粒體，參與鐵硫簇(iron- sulfur clusters)、血紅蛋白等的合成，此外，作為線粒體內重要的鐵結合蛋白，參與鐵的儲存和運輸。由于frataxin基因的動態突變，FRDA患者可出現神經元細胞內鐵的異常沉積，誘發氧化應激和ROS水平升高，并最終導致神經元的變性和壞死[25]?；诖耍袑W者以DFO分別處理雙氧水誘導的FRDA成纖維細胞和FRDA淋巴母細胞，結果在兩種FRDA細胞模型中鐵含量和ROS水平均顯著下降[26- 27]。由于DFO是一種重要的鐵死亡抑制劑，這些研究提示基于鐵死亡的治療策略是治療FRDA應考慮的方向。

3 小結與展望

綜上所述，作為一種新發現的非程序性細胞死亡形式，鐵死亡與多種神經變性疾病的病因病機存在密切關系，動物實驗和部分前瞻性臨床實驗的結果初步表明，干預鐵死亡的相關環節可有效延緩病情進展并在一定程度上改善臨床癥狀[28]。因此，明確鐵死亡的具體機制及其主要的調控通路和作用環節，有望為神經變性疾病這一大類難治性神經系統疾病的治療提供新的治療切入點和藥物治療靶點，對改善患者病情、促進大眾健康具有重要的理論價值和現實指導意義。

[1] Singh N，Haldar S，Tripathi AK，et al．Brain iron homeostasis：From molecular mechanisms to clinical signifi- cance and therapeutic opportunities[J]．Antioxid Redox Signal，2014，20(8)：1 324- 1 363．

[2] Dixon SJ，Lemberg KM，Lamprecht MR，et al．Ferroptosis：An iron- dependent form of nonapoptotic cell death[J]．Cell，2012，149(5)：1 060- 1 072．

[3] Sun X，Ou Z，Xie M，et al．HSPB1 as a novel regulator of ferroptotic cancer cell death[J]．Oncogene，2015，34(45)：5 617- 5 625．

[4] Yang WS，SriRamaratnam R，Welsch ME，et al．Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4[J]．Cell，2014，156(1- 2)：317- 331．

[5] Jiang L，Kon N，Li T，et al．Ferroptosis as a p53- mediated activity during tumour suppression[J]．Nature，2015，520(7 545)：57- 62．

[6] Ma CL，Su L，Xie JJ，et al．The prevalence and incidence of Parkinson’s disease in China：a systematic review and meta- analysis[J]．J Neural Transm，2014，121(2)：123- 134．

[7] Jiang H，Wang J，Rogers J，et al．Brain Iron Metabolism Dysfunction in Parkinson’s Disease[J]．Mol Neurobiol，2017，54(4)：3 078- 3 101．

[8] Martin WR，Wieler M，Gee M．Midbrain iron content in early Parkinson disease：a potential biomarker of disease status[J]．Neurology，2008，70(16 Pt2)：1 411- 1 417．

[9] Wu SF，Zhu ZF，Kong Y，et al．Assessment of cerebral iron content in patients with Parkinson’s disease by the susceptibility- weighted MRI[J]．Eur Rev Med Pharma- col Sci，2014，18(18)：2 605- 2 608．

[10] Powers KM，Smith- Weller T，Franklin GM，et al．Dietary fats，cholesterol and iron as risk factors for Parkinson’s disease[J]．Parkinsonism Relat Disord，2009，15(1)：47- 52．

[11] Kabiraj P，Valenzuela CA，Marin JE，et al．The neuroprotective role of ferrostatin- 1 under rotenone- induced oxidative stress in dopaminergic neuroblastoma cells[J]．Protein J，2015，34(5)：349- 358．

[12] Bar- Am O，Amit T，Kupershmidt L，et al．Neuroprotective and neurorestorative activities of a novel iron chelator- brain selective monoamine oxidase- A/monoamine oxidase- B inhibitor in animal models of Parkin- son's disease and aging[J]．Neurobiol of Aging，2015，36(3)：1 529- 1 542．

[13] Devos D，Moreau C，Devedjian JC，et al．Targeting chelatable iron as a therapeutic modality in Parkinson’s disease[J]．Antioxid Redox Signa，2014，21(2)：195- 210．

[14] Morris GP，Clark IA，Vissel B．Inconsistencies and controversies surrounding the amyloid hypothesis of Alzheimer's disease[J]．Acta Neuropathol Commun，2014，2：135- 155．

[15] Belaidi AA，Bush AI．Iron neurochemistry in Alzheimer's disease and Parkinson's disease：targets for thera- peutics[J]．J Neurochem，2015，139(Suppl 1)：179- 197．

[16] Langkammer C，Ropele S，Pirpamer L，et al．MRI for iron mapping in Alzheimer's disease[J]．Neurodegener Dis，2014，13(2/3)：189- 191．

[17] Ayton S，Faux NG，Bush AI．Ferritin levels in the cerebrospinal fluid predict Alzheimer's disease outcomes and are regulated by APOE[J]．Nat Commun，2015，6：6 760．

[18] Guo C，Wang T，Zheng W，et al．Intranasal deferoxa- mine reverses iron- induced memory deficits and inhibits amyloidogenic APP processing in a transgenic mouse model of Alzheimer's disease[J]．Neurobiol Aging，2013，34(2)：562- 575．

[19] Fine JM，Renner DB，Forsberg AC，et al．Intranasal deferoxamine engages multiple pathways to decrease memory loss in the APP/PS1 model of amyloid accumulation[J]．Neurosci Lett，2015，584：362- 367．

[20] Crapper McLachlan DR，Dalton AJ，Kruck TP，et al．Intramuscular desferrioxamine in patients with Alzheimer’s disease[J]．Lancet，1991，337(8 753)：1 304- 1 308．

[21] Ritchie CW，Bush AI，Mackinnon A，et al．Metal- protein attenuation with iodochlorhydroxyquin(clioquinol) targeting Abeta amyloid deposition and toxicity in Alzheimer disease：a pilot phase 2 clinical trial[J]．Arch Neurol，2003，60(12)：1 685- 1 691．

[22] Kumar A，Ratan RR．Oxidative stress and Huntington's disease：The good，the bad，and the ugly[J]．J Huntingtons Dis，2016，5(3)：217- 237．

[23] Niatsetskaya Z，Basso M，Speer RE，et al．HIF prolyl hydroxylase inhibitors prevent neuronal death induced by mitochondrial toxins：therapeuticimplications for Huntington's disease and Alzheimer's disease[J]．Antioxid Redox Signal，2010，12(4)：435- 443．

[24] Skouta R，Dixon SJ，Wang J，et al．Ferrostatins inhibit oxidative lipid damage and cell death in diverse disease models[J]．J Am Chem Soc，2014，36(12)：4 551- 4 556．

[25] Tamarit J，Obis，Ros J．Oxidative stress and altered lipid metabolism in Friedreich ataxia[J]．Free Radic Biol Med，2016，100：138- 146．

[26] Wong A，Yang J，Cavadini P，et al．The Friedreich’s ataxia mutation confers cellular sensitivity to oxidant stress which is rescued by chelators of iron and calcium and inhibitors of apoptosis[J]．Hum Mol Genet，1999，8(3)：425- 430．

[26] Li K，Besse EK，Ha D，et al．Iron- dependent regulation of frataxin expression：implications for treatment of Friedreich ataxia[J]．Hum Mol Genet，2008，17(15)：2 265- 2 273．

[27] Speer RE，Karuppagounder SS，Basso M，et al．Hypoxia- inducible factor prolyl hydroxylases as targets for neuroprotection by “antioxidant” metal chelators：From ferroptosis to stroke[J]．Free Radic Biol Med，2013，62：26- 36．

10.3969/j.issn.1673- 5110.2017.20.028

國家自然科學基金面上項目(81573954，81673948)

李海，醫師，碩士研究生。研究方向：神經內科。Email：1094177965@qq.com

R742.5

A

1673- 5110(2017)20- 0113- 04

(收稿2017- 02- 12)

關慧