鐵死亡及其在糖尿病并發癥中的作用研究進展

張瑤霞，周明生

（1.沈陽醫學院基礎醫學院病理學與病理生理學專業2020級碩士研究生，遼寧 沈陽 110034；2.生理學教研室）

鐵離子是一種脂質氧化的催化劑，鐵超載可增加活性氧（reactive oxygen species，ROS） 生成和積累，并引起脂質過氧化和細胞氧化損傷［1］。鐵死亡是一種鐵依賴性的、以脂質過氧化物積累為特征的細胞死亡新形式，主要是由于谷胱甘肽系統代謝受損、脂質過氧化和線粒體功能衰竭引起［2］。越來越多的研究表明，鐵死亡在糖尿病、腫瘤、神經系統疾病等多種疾病的病理生理過程中起著重要的作用，特別是在糖尿病及糖尿病各種并發癥中有重要作用。文獻報道鐵死亡誘導劑Erastin 可以使移植的胰島功能受損，用特異性鐵死亡抑制劑預處理胰島β 細胞可明顯降低Erastin 引起的胰島損傷［3-4］。此外，在骨骼肌、肝臟等傳統的糖代謝組織，高濃度的離子鐵可能催化骨骼肌和肝臟細胞脂質結構過氧化而損害胰島素調節糖代謝能力，引起胰島素抵抗，因此鐵死亡在糖尿病發病機制中有著重要作用［5］。本文就鐵死亡的調節機制以及在糖尿病并發癥包括糖尿病腎病（diabeticnephropathy，DN）、非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）、糖尿病心肌病和糖尿病視網膜病變（diabetic retinopathy，DR）等中的作用作一簡要綜述。

1 鐵死亡的特征和發病機制

1.1 鐵死亡的特征 鐵死亡概念最早由Dixon等［6］在研究小分子化合物Erastin抗致癌基因RAS突變的HT-1080 纖維肉瘤細胞的作用機制時發現并命名，以鐵穩態失衡和脂質ROS 積累為特征。鐵死亡在細胞形態和功能上與壞死、凋亡和自噬明顯不同。形態學上，鐵死亡主要發生在細胞內，表現為線粒體體積減小，雙層膜密度增加，線粒體嵴減少或消失但細胞膜完整，細胞核內的形態變化不明顯［7］；生化上，細胞內谷胱甘肽耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性降低，脂質過氧化物不能通過GPX4催化還原反應代謝，而鐵通過芬頓反應的方式氧化脂質，產生大量的ROS，促進鐵死亡［8］。從遺傳學角度看，鐵死亡其實是一個由多個基因調控的生物學過程［8-10］。

1.2 鐵死亡的發病機制

1.2.1 鐵穩態失衡 鐵穩態為各種生物反應過程所必需，對細胞的生存至關重要。正常情況下，細胞內外的鐵通過鐵轉運系統維持平衡。膳食鐵主要以Fe3+與轉鐵蛋白結合，通過膜上的轉鐵蛋白受體進入細胞［11］。隨后，Fe3+在細胞中還原成Fe2+，游離于胞質中或者與血清鐵蛋白結合形成鐵池。鐵池中的鐵蛋白可在核受體輔助激活蛋白4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）的介導下被自噬溶酶體包裹，進而降解、釋放出大量Fe2+［12］。改變這些鐵代謝相關蛋白的表達或功能可能引起細胞內鐵離子濃度失衡，導致鐵超載。過量的細胞鐵通過芬頓反應和ROS 的產生促進脂質過氧化，進而引發鐵死亡。此外，一些與鐵代謝相關的基因改變也可能引起鐵死亡，例如，敲除神經母細胞瘤細胞中的鐵蛋白基因，通過抑制鐵代謝促進Erastin誘導的鐵死亡［13］。血紅素加氧酶-1（HO-1）在鐵代謝的調節中起著重要作用，可通過促進血紅素分解、釋放鐵離子，誘發鐵死亡［14］。

1.2.2 脂質代謝異常 鐵是生物體內酶、激素、維生素等的必要組成部分，不僅在調控細胞生成中具有重要作用，還通過參與氧化-還原反應影響組織的能量代謝和解毒等生理過程。動物實驗研究表明鐵失衡與血脂異常有密切關系［15］。多不飽和脂肪酸對脂質過氧化反應敏感，是引起鐵死亡的重要因素之一。研究表明，一些磷脂分子如含有花生四烯酸或其衍生物腎上腺素的磷脂酰乙醇胺在細胞鐵死亡中起著重要作用［16］。磷脂酰乙醇胺在脂氧合酶的催化下發揮氧化作用誘導細胞鐵死亡。酰基輔酶A 合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶3（LPCAT3）參與磷脂酰乙醇胺的生物合成和重構，激活多不飽和脂肪酸并影響其跨膜特性。減少ACSL4 和LPCAT3的表達可減少脂質過氧化物底物在細胞中的積累，從而抑制鐵死亡［17］。King 等［18］研究發現，對低鐵組年輕女性進行補充鐵劑治療期間，鐵蛋白逐漸升高的同時脂質過氧化的生物標記物也逐漸增加。過量的鐵離子使不飽和脂肪酸過氧化，產生過氧化自由基及終產物丙二醛，這些氧自由基攻擊細胞膜上脂質的不飽和鏈，啟動脂質過氧化。因此，脂質代謝異常可能影響鐵代謝，而鐵代謝失常反過來增加細胞ROS 和氧化應激反應，引起脂質氧化和細胞的氧化損傷，最終導致鐵死亡。

1.2.3 其他機制 電壓依賴性陰離子通道也稱為膜孔蛋白，主要分布于線粒體外膜上，真核細胞中鐵離子和代謝物可以通過此通道進行轉運。鐵死亡誘導劑可以結合線粒體外膜上的膜孔蛋白2和膜孔蛋白3，改變線粒體膜通透性，降低該離子通道對鐵離子的敏感性，限制線粒體中的物質外流，引起線粒體功能障礙和大量氧化物質的釋放，最終導致鐵死亡的發生［19］。研究發現甲羥戊酸經典脂代謝途徑產生的輔酶泛醌等也可能參與鐵死亡的發病機制［10］。鐵死亡與硒蛋白的相對含量有關［20］，甲羥戊酸可能通過參與硒蛋白的生物合成影響鐵死亡。

2 調控鐵死亡的關鍵信號通路

2.1 核因子紅細胞2 相關因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）通 路 Nrf2是一個重要的抗氧化核轉錄因子，也被認為是鐵死亡的一個重要調節因子。Nrf2通過調節谷胱甘肽和硫氧化蛋白抗氧化系統成分的轉錄，參與外源和內源性有毒物質的解毒、血紅素代謝酶的再生等生物反應，從而廣泛地參與細胞抗氧化和解毒效應。鐵螯合酶是一個直接的Nrf2靶基因，也是在原卟啉中插入亞鐵來完成血紅素生物合成最后一步的關鍵酶。Nrf2通過調控鐵離子代謝基因影響鐵代謝和鐵穩態，調控鐵死亡。研究發現改變Nrf2信號通路可能參與糖尿病和糖尿病并發癥，在糖尿病小鼠的腎細胞Nrf2表達降低，用Nrf2激動劑治療增加Nrf2表達的同時，可改善糖尿病腎損害并延緩DN的發展，體外敲除Nrf2可增加腎細胞對鐵死亡的敏感性［21］。降低Nrf2表達也發現在糖尿病心肌病變的心肌細胞，而Nrf2 激動劑治療可改善糖尿病心肌損害并抑制糖基化終產物誘導的心肌細胞鐵死亡［22］。Ma 等［23］研究表明褪黑素可通過激活Nrf2/HO-1通路降低成骨細胞鐵死亡，從而改善2型糖尿病引起的骨質疏松。

2.2 GPX4通路 GPX4是一種谷胱甘肽依賴的含硒酶。細胞內GPX4主要分布在胞質、線粒體、內質網和核內，參與細胞死亡、炎癥等多種信號通路的調控。從結構上看，GPX4是一種單體酶，其分子量小于GPXs的其它亞基，這種結構比其他谷胱甘肽過氧化物酶具有更廣泛的底物特異性，使得GPX4能夠高效地與膜中的脂質過氧化物直接反應防止ROS大量堆積所導致的鐵死亡［24］。在胚胎早期階段敲除GPX4基因會引起胚胎死亡，表明GPX4具有重要的生物學功能。GPX4在抗氧化系統中起著重要的作用，通過藥物或遺傳的方法滅活GPX4基因可引起細胞鐵死亡。GPX4是鐵死亡調控過程中的關鍵因子，通過利用谷胱甘肽作為底物來減少和防止脂質ROS 的積累，可以保護細胞免受氧化應激和脂質過氧化。研究發現抗糖尿病藥物二甲雙胍可增加血管平滑肌細胞GPX4表達，抑制棕櫚酸誘導的鐵死亡和血管平滑肌細胞鈣化［25］。最近的一項臨床研究顯示妊娠期糖尿病患者血清脂質過氧化物和GPX4水平降低并與妊娠婦女的代謝異常指標明顯關聯［26］。

2.3 胱氨酸/谷氨酸鹽反轉運系統通路 胱氨酸/谷氨酸鹽反轉運系統（Xc-系統）是一種由溶質載體家族3 成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）和溶質載體家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）組成的鈉依賴性反轉運體，它們將細胞外胱氨酸交換并轉化成為細胞內谷氨酸。由于在細胞外環境中半胱氨酸的化學性質不穩定，細胞從微環境中攝入在化學結構上穩定的氧化型胱氨酸，然后在細胞內將胱氨酸還原為半胱氨酸以合成谷胱甘肽，谷胱甘肽可以減少ROS 和活性氮的產生，是哺乳動物對抗氧化應激的關鍵物質。Erastin可通過阻斷Xc-系統介導的半胱氨酸依賴的谷胱甘肽合成，損害細胞的抗氧化防御能力，從而促進ROS 的積累，誘導細胞發生鐵死亡。Chang 等［27］報道提高SLC7A11的表達能顯著抑制鐵死亡的發生。

3 鐵死亡與糖尿病

胰島β細胞功能衰竭和外周組織胰島素抵抗是糖尿病二個最主要的病理表現。1型糖尿病主要是由于胰島β細胞破壞引起胰島素絕對分泌不足所引起。研究表明，胰島β細胞的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶等的表達水平較低，它們容易受到氧化應激攻擊，導致ROS 積聚，增加氧化應激，促進β 細胞鐵死亡［5］。一項研究表明，用鐵死亡誘導劑Erastin處理的人胰島β 細胞，其葡萄糖刺激的胰島素分泌（GSIS）能力顯著降低。而用鐵死亡抑制劑Fer-1或DFO 進行預處理可抑制Erastin 引起的GSIS 損傷［4］。有證據表明，長期接觸砷可增加2型糖尿病的發病，其機制也可能與增加胰島β細胞鐵死亡有關。一項使用小鼠胰島β細胞系MIN6細胞的實驗表明，砷可以提高β 細胞中的ROS 濃度，增加細胞內鐵濃度和脂質過氧化物積累，導致胰島β細胞鐵死亡［28］。流行病學研究揭示了體內鐵儲存過量與2 型糖尿病之間有潛在關聯［29］。目前的假設是，人體鐵儲存量越高，患2型糖尿病的風險就越高。例如，鐵超載引起的遺傳性血色素沉著癥小鼠可增加骨骼肌的鐵沉積和脂肪酸氧化并降低葡萄糖氧化能力，增加胰島素抵抗。所以血色素沉著癥增加糖尿病風險可能與其異常的鐵代謝有關。

4 鐵死亡與糖尿病并發癥

4.1 鐵死亡與DN DN 是糖尿病常見的微血管并發癥之一，糖尿病可引起脂質謝紊亂、胰島素抵抗和脂肪細胞分泌脂肪因子異常等。這些細胞代謝功能的改變可能增加腎細胞ROS 的積累和鐵超載，從而促進DN發生。DN有GPX4的表達水平下降以及脂質過氧化產物和腎組織鐵含量升高［30］。Wang 等［1］通過鏈脲佐菌素和db/db 小鼠建立DN模型，發現DN 小鼠模型的鐵死亡相關標記物如ACSL4表達水平升高，GPX4表達水平降低，而ACSL4抑制劑則可提高小鼠的存活率和腎功能，降低脂質過氧化產物MDA和鐵含量。因此以鐵依賴性脂質過氧化為特征的鐵死亡可能在DN 發生、發展中起著重要作用，抑制鐵死亡有望成為治療DN的一個潛在靶點。

4.2 鐵死亡與NAFLD NAFLD 與肥胖、糖尿病有密切關系，為2型糖尿病常見的并發癥。研究發現在高脂飲食喂養的NAFLD小鼠一些鐵死亡的生化標記物如鐵超載、轉鐵蛋白受體-1（TFR1）明顯增加，并伴有鐵蛋白重鏈-1（FTH1）下調，脂質過氧化和Nrf2 活性抑制，從而降低GPX4和HO-1水平，用銀杏內酯B治療可抑制高脂飲食誘導的小鼠NAFLD 模型中的鐵死亡［31］。鐵依賴性脂質過氧化物的積累是NAFLD 的重要原因之一，研究表明脫氫樅酸可通過激活Keap1/Nrf2-ARE 信號通路降低脂質過氧化來減輕鐵死亡，從而改善NAFLD［32］。

4.3 鐵死亡與糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是糖尿病和心力衰竭患者發病率和死亡率增加的主要原因。有研究表明在糖尿病的情況下，缺血-再灌注損傷的心肌具有較高的鐵死亡和鐵蛋白吸收［33］。有證據表明，鐵死亡是心肌細胞死亡的一種重要形式，Ni等［34］的研究表明抑制長鏈非編碼RNA-ZFAS1 可以減輕鐵死亡從而對抗糖尿病心肌病。

4.4 鐵死亡與DR DR 是糖尿病的一種慢性并發癥。視網膜是一個氧耗量和代謝率很高的組織，高血糖時，線粒體中超氧陰離子生成過多，導致組織細胞中發生氧化應激，而氧化應激可引起多元醇通路的激活、糖基化終末產物的形成、蛋白激酶C 途徑及氨基己糖途徑的激活，引起細胞代謝功能紊亂。Fe2+在氧化過程中產生自由基所造成的氧化損傷被認為是DR的一個主要發病機制。糖尿病患者眼內鐵水平的升高會導致光感受器氧化損傷，錐狀體的損傷大于桿狀體［35］。在高糖狀態下，還原性谷胱甘肽等抗氧化劑會被大量消耗，與其他器官相比，視網膜更容易受到氧自由基損傷。Nrf2 分子是體內重要的抗氧化應激物質，研究發現激活Nrf2通路可以保護糖尿病患者的視網膜組織［2，36-37］。因此，通過增加抗氧化系統的功能來抑制鐵死亡治療可能成為治療DR的一個新方向。

4.5 鐵死亡與胰島素抵抗 胰島素抵抗是指胰島素在周圍組織攝取和清除葡萄糖的能力低下，是肥胖和糖尿病引起代謝功能紊亂的一個核心機制。脂肪、肝和骨骼肌是糖代謝調控的重要器官，鐵離子是一種脂質氧化的催化劑，可以增加脂質氧化，特別是游離脂肪酸的氧化，游離脂肪酸的氧化增加會減少肌肉組織對葡萄糖的利用，增加肝臟的葡萄糖異生，導致胰島素抵抗的發生［38］。Gotardo 等［39］研究表明用鐵螯合劑—去鐵胺治療自發性肥胖小鼠2周，可改善代謝狀況，減少肥胖。

5 小結與展望

鐵死亡作為一種新的細胞程序性死亡方式，其細胞死亡既不是通過常規的細胞凋亡、壞死，也不是通過自噬，而是通過細胞內鐵代謝異常，導致鐵依賴性細胞脂質結構過氧化引起的細胞死亡。越來越多的證據表明，鐵死亡與糖尿病各種并發癥有密切關系［40］。目前鐵死亡與糖尿病及其并發癥的研究尚處于早期階段，大部分研究主要集中揭示在各種糖尿病并發癥中存在鐵死亡現象，對糖尿病及其并發癥發生鐵死亡的機制研究還不夠深入，有許多問題目前還沒有答案，比如，糖尿病是如何引起細胞鐵死亡？鐵死亡又是如何反過來進一步影響糖尿病及其并發癥的發生、發展等的機制還沒有得到完全闡明。鐵死亡與許多信號通路改變有關［41］，在不同組織和不同糖尿病并發癥中引起鐵死亡的機制可能不盡相同。因此，深入研究鐵死亡及其在糖尿病并發癥中的發生機制、闡明其相關信號通路有可能為糖尿病及其并發癥的治療提供新的分子靶點。