鐵死亡相關機制及其在腎臟相關疾病中的研究進展

孫佳賓，岳明豪，劉 贊，夏舜堯，修有成

（哈爾濱醫科大學附屬第一醫院泌尿外科，哈爾濱 150001）

細胞死亡對機體正常生長發育、維持動態平衡和預防癌癥等增殖性疾病至關重要。研究人員曾經認為細胞凋亡是唯一的細胞死亡形式，但隨著研究的深入，他們又發現了不同于細胞凋亡的死亡形式，如凋亡、壞死性凋亡、細胞自噬、細胞焦亡以及鐵死亡（ferroptosis）［1］。鐵死亡是一種全新的細胞死亡形式，與之前發現的細胞死亡方式完全不同（表1），其主要特點為鐵離子累積與脂質過氧化的發生。近年來，越來越多的研究表明鐵死亡與多種疾病的發生發展有關，如帕金森病、缺血再灌注損傷等［2］，此外，鐵死亡與腎臟相關疾病有密切關系，但鐵死亡與腎臟相關疾病的確切機制尚未探明。本文將對鐵死亡相關機制及其在腎臟相關疾病中的研究進展進行綜述，并對其發展前景進行展望。

表1 五種細胞死亡形式的比較Tab. 1 Comparison of five types of cell death

1 鐵死亡的發現過程及其特點

在2003年的一項研究中，Dolma等［3］發現了Erastin和RAS選擇性致死蛋白3（RAS-selective lethality protein 3，RSL3）對RAS突變細胞具有選擇性致死作用。2007年，Yagoda等［4］發現由Erastin所導致的細胞死亡是與細胞凋亡、壞死和自噬不同的細胞死亡形式，其形態學特征主要為線粒體完整性的消失。2008年，Chen等［5］提出了該死亡形式與細胞內活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平升高有關，并發現該過程可通過抑制細胞攝取鐵來終止。2012年，Dixon等［6］正式命名了該種細胞死亡形式——鐵死亡。鐵死亡在形態學以及生化特征上與細胞凋亡等細胞死亡形式不同。在形態學上，鐵死亡主要表現為細胞膜斷裂和出泡、線粒體嵴縮小、線粒體雙層膜密度增加。在生化特征方面，鐵死亡主要表現為ROS的聚集、脂質過氧化物含量的增多以及細胞內鐵離子的累積［6］。

2 鐵死亡的相關機制

隨著研究的深入，人們發現鐵離子代謝紊亂、胱氨酸/谷氨酸反向轉運體（cystine/glutamate antiporter，system xc-）的抑制、脂質過氧化物的累積、谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的活性下降為鐵死亡的主要機制（圖1）。

圖1 鐵死亡發生的主要機制Fig. 1 Main mechanism of ferroptosis

2.1 鐵代謝異常

鐵在人體中是一種參與多項生理活動發生的重要元素，如同蛋白質形成血紅蛋白、參與氧的運輸、構成人體所必須的酶。鐵離子的累積是鐵死亡的主要特征之一。但是，目前鐵在鐵死亡發生過程中的具體機制尚未被完全揭示［5］。先前的研究證明，鐵螯合劑去鐵胺可以通過減少細胞內鐵離子含量進而抑制鐵死亡的發生［6］，而細胞內鐵離子含量的增多可促進鐵死亡的發生［7］，表明鐵離子累積在鐵死亡發生過程中起重要作用。Alvarez等［8］的研究發現，鐵硫簇生物合成酶（iron-sulfur cluster biosynthetic enzyme，NFS1）可以通過抑制細胞內鐵水平的升高進而抵抗鐵死亡的發生。鐵硫簇是細胞鐵水平的傳感器，在高氧條件下，鐵硫簇會快速降解，當細胞內鐵硫簇水平過低時，細胞內儲存鐵的分子會釋放更多的鐵，從而發生鐵死亡。而NFS1可以從半胱氨酸中吸收更多的硫元素，使鐵硫簇總量增加，進而抑制鐵離子的釋放，抑制鐵死亡的發生。Fang等［9］和Chang等［10］的研究中均觀察到，血紅素加氧酶1（heme oxygenase 1，HMOX1）可通過促進血紅素分解釋放鐵離子，從而誘發鐵死亡的發生。綜上可知，雖然鐵離子在鐵死亡中的作用機制仍不完全清楚，但鐵代謝紊亂在鐵死亡發生過程中的關鍵作用是毋庸置疑的。

2.2 GPX4

GPX4是已知的唯一能夠直接清除脂質過氧化物的酶，可以谷胱甘肽為輔助因子將有害的脂質過氧化物還原為無害的物質，從而打斷脂質過氧化反應的發生，進而抑制鐵死亡［11］。其具體化學機制為GPX4在脂質過氧化物中發生親核取代，將脂質過氧化物還原為脂質醇，從而抑制脂質過氧化的發生［12］。Yang等［13］證明了GPX4是鐵死亡的關鍵調節因子，并且可以在小鼠腫瘤移植瘤中通過抑制GPX4誘導鐵死亡。Gaschler等［14］的研究發現，五元環過氧化物1，2可以通過間接失活GPX4來增加細胞對鐵死亡的敏感性。由此可見，GPX4是鐵死亡的調控過程中的重要因子。

2.3 脂質過氧化

脂質過氧化在鐵死亡發生過程中起驅動作用，可以通過非酶促的方式完成，也可通過酶促反應發生。例如，鐵可以通過增加花生四烯酸脂加氧酶（arachidonate lipoxygenase，ALOX）的活性來引起鐵死亡。ALOX是一類非血紅素的含鐵酶，可以催化多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）的氧化生成丙二醛和4-羥基壬烯醛等產物，進而促進細胞鐵死亡的發生［15］。Imai等［11］在研究中使用經過降低PUFAs含量處理的細胞誘導鐵死亡，發現經過處理后的細胞脂質過氧化水平降低會導致其鐵死亡敏感性大幅度降低。Yan等［16］發現，位于內質網上的氧化還原酶原葉綠素酸酯氧化還原酶和細胞色素B5還原酶1將來源于還原型輔酶2［NAD（P）H］的電子傳給氧氣生成過氧化氫，并同二價鐵離子發生了芬頓反應，形成了活躍的羥基自由基，造成了脂質過氧化，導致了細胞膜的破壞，從而發生鐵死亡，揭示了鐵死亡發生過程中膜損傷的機制。Doll等［17］發現長鏈酯酰輔酶A合成酶4（long-chain acyl-CoA synthetase 4，ACSL4）是GPX4失活時發生鐵死亡的關鍵物質。在GPX4失活的情況下，ACSL4仍然可以促進脂質過氧化，從而促進細胞鐵死亡的發生。因此，脂質過氧化是驅動鐵死亡的關鍵因素。

2.4 system xc-

system xc-是一種細胞表面鈉離子非依賴性的胱氨酸-谷氨酸逆向轉運蛋白，由12次跨膜轉運蛋白溶質載體家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）通過二硫鍵連接到單次跨膜調節亞基溶質載體家族3成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）上組成，可介導胱氨酸和谷氨酸以1∶1的比例在細胞內外交換。胱氨酸在細胞內被還原為半胱氨酸之后合成谷胱甘肽，谷胱甘肽在谷胱甘肽過氧化物酶的作用下還原活性氧和活性氮。Erastin可通過抑制system xc-介導的胱氨酸攝取損害細胞的抗氧化防御，從而促進ROS的累積，進而促進鐵死亡的發生［3］。Chang等［10］通過研究發現，SLC7A11的增加能夠明顯抑制鐵死亡的發生。在另一項研究中，Liu等［18］則發現抑制SLC7A11的表達能夠使細胞對鐵死亡更加敏感。隨著研究的深入，研究人員發現轉錄激活因子3［19］、beclin1［20］、卵巢腫瘤相關蛋白酶B1［21］等因子同樣可通過抑制system xc-促進ROS的累積，進而促進鐵死亡的發生。由此可見，system xc-在鐵死亡的發生過程中起重要作用。

2.5 p53

p53是一種重要的抑癌基因，其所介導的細胞周期停滯和細胞凋亡在阻礙癌癥發生的過程中起重要作用。雖然p53的一些靶點已被確定，但目前p53抑制腫瘤的機制還不完全清楚［18］。Jiang等［22］的研究發現，p53可通過抑制SLC7A11的表達來抑制胱氨酸的攝取，使谷胱甘肽生成量大量減少，從而促進細胞鐵死亡。Chu等［23］研究發現，敲除花生四烯酸12后鐵死亡的發生被特異性阻斷，因此可以證明，p53通過抑制SLC7A11間接激活了ALOX12的功能，從而導致ROS應激后花生四烯酸12依賴性的鐵死亡。其他研究表明，p53能抑制鐵死亡的發生，如使用nutlin3恢復野生型p53活性可以使纖維肉瘤、腎癌和骨肉瘤免于抑制System xc-所致的鐵死亡［24］。Xie等［25］的研究發現，p53可通過阻斷二肽基肽酶-4的活性抑制Erastin誘導的腫瘤細胞的鐵死亡敏感性。綜上可知，p53在鐵死亡中起重要作用，其機制較為復雜，亟待深入研究。

2.6 其他機制

電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs）是位于線粒體外膜的一種通道蛋白，在線粒體和其他細胞器通信過程中起重要作用［26］。Yagoda等［4］發現，Erastin可通過直接與VDAC2/3結合改變線粒體膜外膜的通透性，從而降低NADH的氧化速率，進而誘導細胞鐵死亡。

鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein1，FSP1）在既往的研究中被認為具有促進細胞凋亡的作用。Doll等［27］研究發現，FSP1豆蔻酰化后可通過NAD（P）H還原輔酶Q10抑制脂質過氧化，從而抑制鐵死亡的發生。此外pi3k-akt-mtor［28］、p62-Keap1-NRF2 ［17］信號通路也在鐵死亡發生過程中起到負性的調控作用。

綜上可知，鐵死亡的相關研究尚處于初步階段，鐵死亡的具體機制尚未完全清楚，后續研究可以著手于探究鐵死亡的具體機制，進而找到更多調控鐵死亡發生的方式，以期應用于臨床。

3 鐵死亡在腎臟相關疾病中的研究

先前的研究表明，鐵死亡在多種疾病中起重要作用［29］。同樣，在腎臟相關疾病中也有鐵死亡的發生。本文對鐵死亡在不同腎臟疾病進展中作用的最新研究進行總結，為這些疾病的治療和預防提供更多信息。

3.1 腎癌

腎細胞癌簡稱腎癌，是腎最常見的惡性腫瘤，占腎惡性腫瘤的85%～90%，根據病理分型可分為透明細胞癌、嫌色細胞癌、腎乳頭狀細胞癌、髓樣癌以及未分化癌［30］。據流行病學相關數據統計，腎細胞癌的發病率僅次于膀胱腫瘤，在我國泌尿生殖系統腫瘤中排第二位，且呈逐年上升趨勢［31］。腎細胞癌的主要治療方法為手術治療以及放化療。雖然近來在腎細胞癌的治療方法上取得了一定的進步，但預后仍不甚理想，因此迫切需要探索其治療的新靶點。大量研究表明，誘導細胞鐵死亡可能是腎細胞癌治療的新方向。Yang等［13］在研究中檢測了117種癌細胞對Erastin誘導的鐵死亡的敏感性，發現彌漫性大B細胞淋巴瘤和腎透明細胞癌（clear cell renal cell cancer，ccRCC）對GPX4調節的鐵死亡特別敏感。Zou等［32］研究發現，GPX4抑制劑對透明細胞癌殺傷性較強，GPX4的減少是鐵死亡發生的關鍵因素。他們進一步研究發現，腎癌細胞中高表達的缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，HIF）通路中的低氧誘導因子2α通過hilpda富集不飽和脂肪酸進而增強ccRCC的鐵死亡敏感性，希佩爾林道（von hippel-lindau，VHL）基因是ccRCC中主要的抑癌因子。Miess等［33］發現，外源性高表達細胞內VHL基因能夠減少細胞內脂質氧化物，從而抑制鐵死亡的發生。該研究證實了VHL是調控ccRCC鐵死亡敏感性的重要基因，證明了VHL誘導的鐵死亡是治療ccRCC的潛在靶點。Mou等［34］通過生物信息學手段發現，ccRCC中核受體輔激活蛋白4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）的表達降低，并與ccRCC患者不良預后相關，而NCOA4與鐵轉運密切相關，其減少將導致腫瘤細胞對鐵死亡的敏感性降低。因此，通過靶向NCOA4促進鐵死亡可能是治療ccRCC的有效方法。然而該結論僅僅通過生物信息分析論證，并不完全可靠，需要進一步的試驗論證其有效性。青蒿琥酯（artesunate，ART）是一種來源于中藥青蒿的化學物質，在多種腫瘤中顯示出抗腫瘤作用［35］。Markowitsch等［36］的研究發現，ART可通過誘導耐藥腎癌細胞鐵死亡，顯著抑制腎癌細胞的進展。這表明ART有希望作為一種有效的用于耐藥腎細胞癌患者治療的新藥物，以解決腎細胞癌耐藥的問題。

遺傳性平滑肌瘤病腎癌是一種延胡索酸水化酶（fumarate hydratase，FH）胚系突變來源的常染色體顯性遺傳病。其發病率低，多為單發，但多半在首診時即出現轉移，中位生存率為24個月［37］。雖然在其發病機制等方面取得了一定進展，但其治療手段仍以手術治療為主，且治療效果較差，因此尋找更佳的治療手段對延長病人生存期非常重要。Michael等［38］的研究發現，遺傳性平滑肌瘤病腎癌細胞由于FH的失活，其中的GPX4會琥珀酸化，進而其活性降低，同時細胞內核因子E2相關因子2（nuclear factor E2 related factor，NRF2）活性增加，從而避免鐵死亡的發生。研究人員提出，未來的研究可以探索可應用于人體的NRF2活性抑制劑，或者研發出針對琥珀酸化的GPX4的抑制劑，促使遺傳性平滑肌瘤病腎癌細胞的鐵死亡，誘導腎癌細胞鐵死亡，為治療該疾病提供更好的選擇。這可能是精準治療腎癌的新方向。

3.2 多囊腎

常染色體顯性遺傳性多囊腎病（autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD）是最常見的遺傳性腎病。多囊腎的典型表現是患者雙側腎出現大量腎囊腫，且囊腫隨著年齡增長不斷擴大，壓迫正常的腎臟組織，導致50%以上的患者發展為終末期腎病［39］。目前多囊腎的治療手段為對癥治療，并不能延緩病情進展，因此，找到針對多囊腎發病機制的治療手段尤為重要。Schreiber等［40］發現多囊腎上皮分泌氯化物，氯化物通道的囊性纖維化跨膜電導調節劑（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）和跨膜蛋白16A（transmembrane protein 16A，TMEM16A）促進脂質氧化，從而促進多囊腫的增大，而GPX4等活性氧清除劑可使多囊腎增長速度減慢，鐵抑素-1同樣也能顯著地延緩囊腫的擴大。該試驗證實了在多囊腎發展過程中鐵死亡起促進作用。

3.3 急性腎損傷

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是一種可由多種原因導致的以急性腎功能不全為主要特點的疾病。盡管最近在治療方面取得了進展，但其發病率以及死亡率仍然很高，目前尚無預防及治療AKI的特效藥物，因此探明其發病機制，找到合適靶點，對AKI的治療極為重要。Zuk等［41］發現鐵死亡在AKI過程中起促進作用。Friedmann等［42］發現GPX4表達缺陷的小鼠兩周內會死于急性腎損傷，而減少小鼠體內的脂質可延長小鼠的生存期，根據先前研究推測，GPX4所致的鐵死亡可能在小鼠急性腎損傷的發生過程中起了重要作用。15-脂氧合酶（15-lipoxygenase，15-LO）氧化多不飽和磷脂酰乙醇胺（phosphatidylerhanolamine，PE）可實現鐵死亡，但15-LO通常以游離多不飽和脂肪酸為底物。Wenzel等［43］發現蛋白激酶抑制劑磷脂酰乙醇胺結合蛋白（phosphatidylerhanolamine binding protein1，PEBP1）與兩種15-LO亞型（15-LO-1和15-LO-2）形成復合物，并改變它們的底物以產生氫過氧化物-PE，促進腎細胞的鐵死亡。由此可見，PEBP1/15-LO復合物作為鐵死亡的主要調節因子對人類疾病有著深遠的影響，是開發治療AKI藥物的新靶點。多種小分子物質可以通過調控鐵死亡的發生來抑制AKI的發生。Martin-Sanchez等［44］的研究發現，鐵死亡經典抑制劑3-氨基-4-環己基氨基苯甲酸乙酯（ferrostain-1，FER1）可抑制葉酸所致的AKI發生，進一步表明了鐵死亡在AKI發生過程中的重要性。研究表明，茯苓酸（pachymic acid，PA）可能直接或間接激活NRF2，上調下游鐵死亡相關蛋白GPX4、SLC7A11和血紅素加氧酶（hemeoxygenase1，HO-1）的表達，抑制鐵死亡發生，從而對缺血再灌注所致的小鼠急性腎損傷起保護作用［42］，但其具體機制尚未探明，需要進一步試驗證實其有效性。Zhang等［45］研究發現，鳶尾素可通過上調GPX4改善由缺血再灌注導致的急性腎損傷，提出了鳶尾素可以通過抑制鐵死亡治療AKI。Hu等［46］的研究表明，維生素D受體可以通過上調GPX4表達水平抑制鐵死亡的發生，從而緩解順鉑誘導的AKI。

缺血再灌注損傷是導致AKI的主要原因之一，更好地理解其機制將為 AKI 的預防和治療提供更多可能。研究表明，鐵死亡在缺血再灌注損傷中起關鍵作用［47］。肝再生增強因子（augmenter of liver regeneration，ALR）是一種廣泛分布的多功能生長因子，在包括腎臟在內的所有哺乳動物組織中都有表達，其主要功能是促進肝細胞增殖和肝再生［48］。Huang等［49］發現，在缺血再灌注腎損傷小鼠模型中，ALR可以通過GSH-GPX4調節鐵死亡的發生，表明ALR可能是防治缺血再灌注所致的AKI的重要靶點。Ding等［50］研究發現，微小RNA（miRNA，microRNA）也可參與鐵死亡的調控。在缺血再灌注腎損傷的模型中，miR182-5p、miR-373-3p表達明顯增高，并通過與mRNAGPX4和SLC7A11的3'UTR結合下調GPX4和SLC7A11的表達，從而促進鐵死亡的發生。這反映了表觀遺傳調控修飾在鐵死亡中的作用。XJB-5-131是新一代抗氧化劑，具有線粒靶向和自由基清除的雙重作用。Zhao等［51］研究證實，XJB-5-131可通過抑制脂質過氧化特異性抑制鐵死亡，從而緩解缺血再灌注損傷后的急性腎損傷。該研究體現出XJB-5-131在預防缺血灌注性損傷所致的AKI中的潛力。因此，以誘導鐵死亡為目標可能為AKI提供新的預防及治療手段。但以上研究不足之處在于其多基于嚙齒類動物模型，未來可進行體外、哺乳動物以及臨床試驗，從而將研究結果應用于臨床。

4 總結與展望

鐵死亡是一種可通過多種機制調控的，以鐵離子催化的、脂質過氧化為特征的程序性死亡形式。目前關于鐵死亡與腎臟疾病的研究主要集中在腎癌以及AKI上，尚無關于慢性腎臟病（chronic kidney disease，CKD）的研究。大量研究證明，鐵死亡在慢性病（如冠心病、阿爾茨海默癥）中起重要作用［1］，提示鐵死亡在CKD中的研究具有廣泛前景。在表觀遺傳修飾調控鐵死亡方面，目前僅知道少數的微小RNA可調控鐵死亡的發生［52］，但其他非編RNA在調控中的作用尚無研究。此外，目前發現了大量小分子藥物可用于鐵死亡的誘導與抑制，然而這些藥物并未轉化為臨床應用使患者受益。我們認為，接下來的研究可以著手于以下幾個方面：1）對鐵死亡的發生機制進一步闡明，尋找更多針對鐵死亡重要靶點的調節劑；2）繼續探究鐵死亡調控機制與腎臟相關疾病的關系，研究鐵死亡在慢性腎臟病中的作用；3）探索表觀遺傳修飾介導的鐵死亡調控；4）轉化目前可用于調控鐵死亡的小分子藥物，將其用于臨床。

該綜述闡述了鐵死亡的發生機制與其在腎臟相關疾病的研究進展，為腎臟相關疾病的治療、診斷以及相關研究提供了堅實的基礎。