阿霉素誘導心肌細胞線粒體鐵死亡和心臟毒性的研究進展

蘇娜，陳日玲

(1.廣東醫科大學，廣東 湛江 524000； 2.廣東醫科大學順德婦女兒童醫院兒童血液腫瘤科，廣東 佛山 528300)

阿霉素是一種蒽環類化療藥物，廣泛用于白血病、淋巴瘤、肉瘤等惡性腫瘤的治療。阿霉素的體內毒素具有劑量依賴性和累積性，其原因是阿霉素對心肌細胞線粒體內膜上的心磷脂具有較高的親和力[1]。有研究發現，約26%的腫瘤患者在阿霉素累計劑量達到550 mg/m2時會發生阿霉素相關的心臟疾病[2]。此外，在接受阿霉素治療的老年淋巴瘤和兒童腫瘤幸存者中，超過50%的患者具有心臟毒性的發生風險，對患者遠期預后有較大影響[3]。因此，阿霉素引發的心臟損傷已成為目前亟待解決的問題。鐵死亡是一種依賴于活性氧類(reactive oxygen species，ROS)生成和鐵超載而形成的嚴重脂質過氧化，這種鐵依賴的細胞死亡形式在形態學、生物化學和遺傳學方面均不同于細胞凋亡、自噬和壞死[4]。鐵死亡的主要特征包括線粒體膜密度濃縮、體積縮小、線粒體嵴減少或消失以及外膜破裂[5-6]。由此可見，線粒體形態改變是鐵死亡的重要特征。線粒體是細胞內ROS產生的重要場所，也是細胞內鐵調節的主要細胞器。細胞內外信號紊亂可導致線粒體功能障礙，從而改變細胞的命運。因此，在應用阿霉素治療惡性腫瘤過程中，減少心臟毒性和鐵死亡的發生尤為重要。現就阿霉素誘導心肌細胞線粒體鐵死亡和心臟毒性的研究進展予以綜述。

1 阿霉素誘導心臟氧化應激與線粒體鐵代謝及心肌損傷的關系

1.1ROS 氧化應激是阿霉素誘導心肌細胞線粒體鐵死亡的一種潛在致病機制，主要由氧化劑與抗氧化劑失衡所致[7]。ROS主要由線粒體代謝產生，包括過氧化氫、超氧陰離子、羥基自由基和過氧亞硝酸鹽等[8]。在氧化應激條件下，ROS生成增加可激活細胞毒性信號通路、破壞DNA和蛋白質，導致膜脂過氧化、線粒體功能障礙以及心肌細胞線粒體鐵超載，最終致鐵死亡和心肌損傷[9]。而芬頓反應是鐵死亡發生過程中ROS的主要來源[10-11]。線粒體內生成的ROS通過阿霉素與三價鐵離子(Fe3+)結合丟失單個電子，形成阿霉素-二價鐵離子(Fe2+)半醌自由基，并于Fe2+與Fe3+間進行氧化還原循環，催化芬頓反應，產生高度不穩定且有毒的羥基自由基，將一個電子從還原化合物轉移至過氧化氫[5,12]。由此可見，阿霉素通過破壞電子傳遞鏈導致ROS生成增加，使線粒體膜電位發生去極化和線粒體腫脹，最終引起線粒體內鐵超載。而新一代線粒體靶向抗氧化劑XJB-5-131可通過阻斷線粒體ROS的產生，改善線粒體功能和細胞活力，減少鐵死亡的發生[5]。

1.2煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotina-mide adenine dinucleotide phosphate oxidase，Noxs) Noxs是一種多亞基跨膜酶，其可利用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸作為電子供體將氧還原并轉移至過氧化氫。在所有同源基因中，Nox4在心肌細胞中高表達，其可在特定刺激下(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸水平升高)使ROS的產生顯著增加，從而改變細胞內的氧化還原狀態和細胞功能[13]。心臟線粒體內的鐵轉運或輸出障礙均可導致鐵堆積，從而促進Nox4表達，引起脂質過氧化物過量產生、線粒體萎縮、心肌細胞損害[14]。Chen等[15]研究發現，Nox4激活可導致心力衰竭大鼠ROS生成增加，進而引起心肌細胞線粒體鐵代謝紊亂，促進阿霉素誘導的心力衰竭和鐵死亡，而Nox4敲除則可顯著減少心肌細胞死亡和鐵蓄積。表明Nox4靶向治療可抑制阿霉素誘導的ROS產生，維持心肌細胞線粒體鐵平衡，減少心肌細胞損傷和鐵死亡。

2 阿霉素誘導脂質過氧化與線粒體鐵代謝及心肌損傷的關系

2.1谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4) GPX4是一種鐵死亡核心調控蛋白，可特異性清除有害超氧化物、過氧化物和羥基自由基，減少細胞膜上多不飽和脂肪酸的過氧化作用。GPX4主要位于線粒體，其表達水平隨著脂質過氧化物的積累而下調，而脂質過氧化代謝產物主要包括丙烯醛和丙二醛。Tadokoro等[7]研究表明，線粒體中的阿霉素-Fe2+復合物可誘導經阿霉素處理的小鼠心肌細胞GPX4活性降低，導致脂質過氧化蓄積及丙二醛水平顯著升高，最終引起心肌萎縮、心臟收縮功能受限和心肌細胞線粒體鐵死亡；研究還發現，在體外培養的心肌細胞中，GPX4過表達可抑制阿霉素誘導的心臟毒性、減少心肌細胞線粒體鐵死亡；而GPX4敲除則可加速心臟收縮功能障礙、心肌損傷和鐵死亡的發生；此外，使用Fe2+螯合劑還可顯著降低經阿霉素處理的小鼠心肌細胞線粒體的鐵水平，并抑制阿霉素誘導的脂質過氧化和鐵死亡；使用Fe3+螯合劑也可降低線粒體的鐵水平，但不能阻止阿霉素誘導的脂質過氧化和心肌細胞死亡。以上研究表明，線粒體是阿霉素誘導的鐵死亡中脂質過氧化物產生的主要細胞器；Fe2+螯合劑在阿霉素誘導心肌細胞中線粒體鐵代謝起重要作用。

2.2酰基輔酶A硫酯酶1(acyl-CoA thioesterase 1，Acot1) Acot1是脂肪酸代謝中的一種重要酶，可催化脂肪酰基輔酶A轉化為輔酶A-SH和非酯化脂肪酸。線粒體是脂質過氧化的主要來源之一，而脂質過氧化可增加心肌細胞ROS的產生。Acot1可降低心肌細胞的氧化應激，減少心臟功能損傷，包括脂多糖誘導的心臟損傷和糖尿病性心肌病；Acot1過表達可抑制阿霉素的細胞毒性，減少心肌細胞脂質過氧化，并防止心肌細胞鐵死亡；敲除Acot1后，則心肌細胞阿霉素毒性的敏感性增強[9]。

鐵抑制素-1是一種鐵死亡抑制劑，其抗鐵死亡活性與清除脂質過氧化氫中的亞鐵產生的烷氧基自由基有關[16]。鐵抑制素-1可通過下調線粒體脂質氧化水平，降低阿霉素誘導的心臟毒性和患者病死率[7]。鐵抑制素-1還可通過抑制Acot1下調，減少阿霉素引起的鐵死亡和心肌細胞壞死[9]。通過透射電鏡觀察發現，經阿霉素處理的小鼠鐵死亡形態學主要表現為心臟線粒體嵴減少或消失以及線粒體外膜破裂，而應用鐵抑制素-1治療可減輕這些病理變化[17]。阿霉素可誘導心肌細胞鐵死亡，而鐵抑制素-1可有效防止心臟損傷以及心肌細胞線粒體的超微結構改變，表明Acot1可能是阿霉素治療中鐵死亡的潛在保護因子，這種保護作用可能與其塑造心肌細胞脂質組成的能力有關。因此，Acot1可能成為鐵死亡抑制劑預防心臟損害的潛在治療靶點。

2.3血紅素加氧酶-1 血紅素加氧酶-1的表達是由核因子紅系2相關因子2的激活引起[18]。核因子紅系2相關因子2轉位至細胞核后，與抗氧化基因(包括血紅素加氧酶-1)上游啟動子區域的抗氧化反應元件結合，從而啟動轉錄[19]。目前研究者對血紅素加氧酶-1的認識仍存在爭議。有研究認為，血紅素加氧酶-1過表達可保護小鼠心臟免受損傷[20]；也有研究發現，過表達血紅素加氧酶-1的轉基因小鼠(非野生型的幼仔)在1歲時發生了自發性心力衰竭[21]。另外，血紅素加氧酶-1活性的改變對博萊霉素誘導的肺損傷[22-23]和腦出血后的腦損傷[24]均具有保護作用，表明血紅素加氧酶-1在多種組織中發揮不同的致病作用。研究發現，阿霉素誘導的核因子紅系2相關因子2激活可導致小鼠血紅素加氧酶-1表達上調，進而使心臟血紅素降解、游離鐵釋放并在線粒體中積累，從而導致脂質過氧化、鐵死亡，最終導致心肌病；而下調血紅素加氧酶-1的表達則可減少阿霉素誘發的鐵死亡和心臟損傷；研究還發現，血紅素加氧酶-1抑制劑或鐵螯合劑均可保護心肌細胞線粒體免受阿霉素損害，且與應用血紅素加氧酶-1抑制劑或鐵螯合劑相比，應用凋亡抑制劑、壞死抑制素-1的小鼠存活率未見顯著升高[25]。因此，血紅素加氧酶-1抑制劑可有效預防鐵離子蓄積于心肌細胞，從而誘發鐵死亡。

3 阿霉素破壞線粒體鐵代謝相關基因與鐵死亡及心臟毒性的關系

3.1鐵的轉運、儲存和利用 鐵是生命必需的微量元素之一，食物中的Fe3+在小腸吸收后被還原為Fe2+，與轉鐵蛋白結合形成轉鐵蛋白-Fe，轉鐵蛋白-Fe再與細胞表面的轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)結合。一方面，鐵離子通過細胞基底膜上的鐵轉運蛋白(參與細胞鐵外排的蛋白)輸出至細胞外[5]。另一方面，Fe2+通過二價金屬離子轉運蛋白和線粒體內部的鐵轉運蛋白-2介導，將細胞質中的游離鐵運送至線粒體基質，用于合成血紅素和鐵硫簇或儲存于線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin，FtMt)中；細胞內的這一系列鐵代謝過程均受到與RNA結合的鐵調節蛋白(iron regulatory protein，IRP)1/2調控；而鐵硫簇主要通過線粒體內膜的ATP結合盒轉運蛋白(ATP-binding cassette transporter protein，ABC)B8將轉運蛋白轉運出去，若線粒體內的鐵未及時用于血紅素和鐵硫簇的合成或儲存于FtMt中，則可導致線粒體鐵蓄積[26]。阿霉素可誘導心臟毒性，導致線粒體功能障礙和細胞內鐵積累，從而引發鐵轉運、儲存和輸出紊亂，最終導致鐵代謝失調[7]。

3.2IRP1、IRP2和TfR1 細胞中的鐵水平受IRP1和IRP2調節，而IRP1和IRP2可控制鐵代謝基因的轉錄后表達。IRP通過與其信使RNA中的鐵反應元件(iron-responsive elements，IRE)結合調節鐵的攝取、儲存和輸出[27]。當IRP與5′非翻譯區IRE結合時，IRP的翻譯被抑制，而IRP與TfR1信使RNA 3′非翻譯區的IRE相互作用則可阻止IRP降解；IRP對鐵蛋白和TfR1表達的同向與反向調節作用確保了細胞有足夠的鐵供應，同時也防止了潛在的毒性鐵的積累[28]。阿霉素可通過激活IRP1和抑制IRP2兩種方式調節大鼠H9C2心肌細胞IRP水平，其中IRP2下調涉及ROS介導的蛋白質降解，IRP1激活是由阿霉素的次生代謝物阿霉素醇引起，而急性治療則可促進阿霉素轉化為糖苷配基[29-30]。經阿霉素治療的小鼠心臟鐵蛋白合成增加、TfR1和IRP2表達下調、IRP1活性增加，導致心肌細胞內游離鐵水平降低，減輕對抗心臟氧化損傷，從而減少鐵死亡、心臟損傷[28,30]。當細胞處于缺鐵狀態時，IRP與IRE結合，阻止鐵蛋白翻譯并下調其表達，從而減少鐵儲存，避免鐵死亡發生；當細胞處于鐵超載狀態時，IRP不能與IRE結合，導致鐵蛋白的翻譯抑制被解除，進而導致細胞中鐵超載[31]。

3.3ABCB8 ABCB8是ABCB蛋白家族的一員，通過協調線粒體內鐵的輸出維持線粒體鐵平衡及鐵/硫蛋白成熟。Ichikawa等[32]發現，經阿霉素處理的新生鼠心肌細胞線粒體內鐵蓄積，ABCB8信使RNA及其蛋白質水平均降低；通過細胞活力測定實驗和DNA斷裂的原位末端標記法染色評估發現，與普通新生鼠相比，經阿霉素處理的ABCB8表達下調的新生鼠心肌細胞鐵水平顯著升高；另一方面，在體內和體外轉基因小鼠心臟中，ABCB8過表達可降低阿霉素誘發的心肌細胞線粒體鐵超載和心肌細胞死亡，因此阿霉素引起的心肌細胞線粒體鐵代謝紊亂及心肌病均與ABCB表達受到抑制有關；研究還發現，無論在體外還是體內阿霉素均可顯著降低ABCB信使RNA和蛋白水平，同時線粒體鐵轉運蛋白-2水平無顯著變化，但鐵存儲相關的FtMt及其信使RNA水平則顯著升高，這可能是機體對線粒體鐵水平增加的代償反應。表明阿霉素引起的心肌細胞鐵代謝失衡可能由鐵輸出減少所致，而不是由鐵輸入增加導致。

3.4FtMt FtMt具有抗氧化特性，可保護線粒體免受鐵介導的氧化損傷，同時降低線粒體游離鐵水平和ROS形成，FtMt通過誘導具有抗氧化功能的超氧化物歧化酶2的過度激活而發揮抗氧化活性[33-35]。阿霉素可通過氧化還原循環促進心臟氧化應激，使超氧化物歧化酶2失活，從而降低FtMt表達，導致線粒體內鐵積累，出現心臟損害[35]。研究發現，FtMt過表達可抑制阿霉素對鐵失衡的作用，抵抗過氧化氫誘導的氧化損傷，減少ROS生成，從而導致線粒體內鐵水平降低，進而避免鐵死亡、心功能損害的發生[33]。Maccarinelli等[36]發現，敲除FtMt可導致經阿霉素處理的小鼠心臟纖維紊亂、線粒體損傷甚至死亡。表明FtMt可抑制鐵進入氧化還原循環，保護細胞免受阿霉素誘導的細胞毒性，維持線粒體內鐵代謝，從而預防鐵死亡的發生。

4 小 結

阿霉素可治療多種腫瘤疾病，但心臟毒性限制了其在臨床的廣泛應用。阿霉素誘導的鐵死亡及心臟損傷由多種機制共同作用導致，除ROS生成增加、脂質過氧化外，阿霉素還可通過影響心肌細胞線粒體鐵代謝相關基因的表達，導致鐵代謝紊亂，最終致鐵死亡和心肌細胞不可逆損傷。而鐵螯合劑、血紅素加氧酶-1抑制劑、線粒體特異性抗氧化劑等均可預防或減輕阿霉素引起的鐵死亡、心臟毒性。因此，未來還應進一步深入研究阿霉素誘導心肌細胞線粒體鐵死亡的機制，探索新的干預方法和治療策略，以減少患者心臟毒性的發生。