從Nrf2-鐵死亡途徑探討心力衰竭的發病機制

劉云璐，王 強，王承龍，史 航，楊 靜

心力衰竭是多數心血管疾病的終末期疾病，也是主要死因，指南中的治療措施雖然改善了心力衰竭病人生存質量，提高了生存率，但仍存在諸多問題，如副作用使藥物應用受限，因合并癥存在諸多用藥禁忌。

因此，探討心力衰竭發病的關鍵靶點，尋找改善病人預后和生存質量的輔助或替代療法具有重要的臨床意義。近年來，國內外關于心肌細胞鐵代謝及相關分子機制獲得了重大進展，鐵死亡是心力衰竭過程中心肌細胞死亡的重要形式，在鐵死亡過程中幾乎所有鐵死亡基因與核因子E2相關因子2(Nrf2)的調節有關，這一概念為研究心力衰竭機制、防治心力衰竭提供了新思路。鑒于鐵死亡在心力衰竭過程中重要的病理、生理改變和Nrf2對鐵死亡的調節作用相關研究較少。通過系統查閱和整理國內外相關文獻資料，對近年來關于鐵死亡對心血管病的作用機制及Nrf2在心力衰竭中對鐵死亡的調節機制進行綜述，以期為心力衰竭的發病機制提供新角度，為心力衰竭的預防和治療提供參考。

1 心力衰竭

1.1 流行病學 隨著人口老齡化加速，高血壓、糖尿病、高脂血癥等危險因素增加，心血管疾病發病率逐年升高，其中65歲以上人群發病率為1%[1-2]。心力衰竭是常見的心血管疾病發展的終末階段疾病，其中心力衰竭后1年死亡率為30%，5年死亡率為50%[3]，故心力衰竭又稱為心血管疾病中的惡性疾病，表現為高死亡率、高再住院率、高心血管事件發生率、較差的生活質量及高額的住院費用[4]。

1.2 病理基礎 心力衰竭的治療以改變衰竭心臟生物學性質，防止和延緩心肌重構發展為主，目的是抵消神經體液補償的持續增強及不良的病理結果，心力衰竭的機制主要包括心肌細胞死亡、線粒體功能異常、鈣調控失調、心肌纖維化和心肌肥大、交感神經和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)激活等[5]。心力衰竭的主要特征是由終末分化心肌細胞死亡引起細胞丟失。新的治療觀念不僅通過靶向治療外周，減輕心臟工作負荷，同時靶向治療衰竭心臟的結構和功能異常。因此，從細胞死亡引起細胞丟失的角度探討心力衰竭的發病機制尤為重要，Nrf2-鐵死亡途徑是針對心力衰竭發病過程中心肌細胞重要的病理生理改變。

2 鐵死亡是一種新的細胞死亡形式

2.1 傳統細胞死亡形式 目前已知的細胞死亡形式包括細胞凋亡、壞死和自噬。細胞凋亡是一種高度調控的程序性細胞死亡形式，細胞形態主要表現為細胞收縮、胞膜起泡及細胞凋亡小體形成。細胞壞死是在病理過程中發生不可逆細胞損害，細胞形態主要表現為細胞膜及細胞質受損，細胞器腫脹，導致細胞裂解，細胞內容物溢出。細胞自噬具有雙向作用，既對細胞有保護作用，同時可殺傷應激細胞，主要表現為胞漿空泡化、自噬小體形成及溶酶體清除[6-7]。

2.2 鐵死亡是鐵依賴性細胞死亡形式 鐵是機體生命活動必需的微量元素之一，是生物體內酶、激素、維生素等重要的組成部分，對細胞存活至關重要，不僅參與氧氣運輸、DNA生物合成及三磷酸腺苷(ATP)合成，通過催化氧化-還原反應參與機體組織的能量代謝、解毒等生理過程，而且是三羧酸循環和電子運輸鏈中各種蛋白質的輔助因子，因此，鐵在人體中發揮著重要的作用，無論是鐵缺乏或鐵過載均通過復雜機制參與心力衰竭[8]。Sullivan[9]在1981年首次提出了鐵含量與心臟病發病率之間的關系，為心血管疾病的研究提供了新方法。Dixon等[10]在2012年首次提出鐵死亡區別于其他類型細胞死亡形式，是鐵依賴性細胞死亡形式，主要引起鐵依賴性脂質過氧化物積累和脂膜不飽和脂肪酸消耗，是鐵離子和活性氧依賴的一種非凋亡程序性死亡途徑。細胞鐵死亡形態學特點為細胞膜完整，細胞聚集在一起，線粒體濃縮，線粒體膜增厚，線粒體嵴減小或消失，同時線粒體外膜破裂，細胞核大小正常，無染色體聚集。

2.3 鐵死亡的誘因及機制 鐵死亡概念被正式命名之前，采用“ferroptosis”一詞描述由鐵依賴性脂質氧化物的積累引起的細胞死亡形式。相關研究表明，索拉非尼、青蒿琥酯等化合物可誘導鐵死亡發生[11]，鐵死亡可被小分子激活劑或其他條件因素引發，主要特點是抑制谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成或抑制谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性，GSH在GPX4作用下還原為活性氧和活性氮，GPX4活性降低后不能抑制細胞內活性氧產生，導致脂質過氧化物和致死性活性氧聚集，從而引起細胞死亡。胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(cystine/glutamate transporter，System Xc-)是由二硫鍵連接的輕鏈亞基(Xct，SLC7A11)和重鏈亞基(CD98hc、SLC3A2)組成，是細胞內重要的抗氧化體系[12]，胱氨酸可用于細胞內GSH合成，System Xc-可將細胞外胱氨酸轉移至細胞內[13]。因此，System Xc-被一些化合物，如erastin和索拉非尼等抑制時，引起GSH合成減少，同時GPX4不能充分利用GSH將脂質過氧化物還原，因此誘發鐵死亡[11]。Xie等[14]研究表明，黃芩素作為一種新型天然鐵死亡抑制劑，療效優于典型的鐵死亡抑制劑(Fer-1)等，通過抑制GPX4降解，降低活性氧聚集，維持細胞內鐵穩態，抑制鐵死亡過程。相關研究顯示，通過敲除小鼠GPX4或直接使用GPX4抑制劑，觀察到脂質過氧化物及活性氧的堆積，因此推測GPX4是鐵死亡發生的關鍵上游調節因子[15-16]。

3 鐵死亡誘導心力衰竭的主要機制

心臟是一個高能量依賴性器官，心肌細胞作為一種終末分化細胞，出生后無法繼續分裂增生，細胞死亡直接導致心肌細胞數量減少，破壞心臟結構和功能，線粒體氧化磷酸化過程可為心肌細胞提供能量，因此，維持線粒體的功能和數量對心臟十分重要。線粒體氧化還原反應可清除谷胱甘肽過氧化物酶，從而抑制活性氧聚集，是消除活性氧的關鍵環節。

線粒體氧化損傷時，活性氧積累過多，無法進行正常的氧化還原反應[17]，導致脂質過氧化物堆積，發生鐵死亡，即發生心力衰竭，心肌細胞表現為特殊的線粒體形態，鐵死亡是心力衰竭過程中心肌細胞死亡的重要形式，線粒體氧化損傷是鐵死亡誘導心力衰竭的主要機制。高血壓、糖尿病、動脈粥樣硬化、缺血再灌注損傷等與線粒體功能失調、活性氧產生過多密切相關[18]。Koleini等[19]研究顯示，阿霉素可由于心肌細胞過度氧化應激、心臟毒性，造成小鼠心力衰竭，結果顯示，心肌細胞出現鐵死亡，并追蹤到線粒體處發生脂質過氧化物積累。有研究顯示，鐵死亡在多柔比星誘導的心力衰竭中發揮關鍵作用，多柔比星可誘導細胞內氧化磷脂的積累，通過Nrf2上調了血紅素加氧酶1(Hmox1)表達，導致心臟血紅素降解，游離鐵釋放，從而使終末分化的心肌細胞發生鐵死亡，導致心力衰竭，因此，抑制鐵死亡過程有助于預防鐵過載引起的心力衰竭[20]。有研究顯示，通過主動脈前降支結扎12周誘發大鼠壓力超負荷心力衰竭模型，葛根素治療可抑制脂質過氧化，降低活性氧含量，增加抗氧化酶GPX4表達[21]，具有抗心力衰竭、心臟保護作用，證實了在此過程中發生鐵死亡介導的心肌細胞死亡形式[22]。但葛根素如何作用于鐵死亡的調控機制尚不明確。

4 Nrf2-鐵死亡途徑對心力衰竭的調節作用

4.1 Nrf2是鐵死亡的關鍵參與者 Nrf2是一種轉錄因子，在肌肉、心臟、血管、肝、腎、腦、肺、皮膚和消化道等氧耗器官中廣泛表達[23]，分子量為66 kDa的多肽。鐵死亡過程中，幾乎所有調節鐵死亡的基因均與Nrf2的調節有關，主要包括GSH調節的基因，對GPX4活性至關重要的NADPH再生和鐵的調節[24-27]。Nrf2可調節線粒體抗氧化，與線粒體物理結合，監測并響應線粒體功能變化。Nrf2通過與過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1)相互作用，調節線粒體動力學，包括生物發生[28-31]，通過P62、PINK1/Parkin機制調節線粒體自噬，敲除小鼠的Nrf2基因，線粒體功能受損，而Nrf2基因的激活可增強線粒體功能和對壓力源的抵抗力[32]。Nrf2直接或間接參與鐵死亡的調控及對線粒體功能的作用，是氧化與抗氧化平衡的重要調節因子。

4.2 Nrf2對心力衰竭的調節作用 正常條件下，Nrf2與負調節因子Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1)結合在細胞質中。Keap1通過持續泛素化和蛋白酶體降解作用于Nrf2，從而將Nrf2的信號維持在較低水平。氧化應激增加，促進Nrf2從Keap1中解離，促進Nrf2核轉位。細胞核中Nrf2與抗氧化反應元件(antioxidant response element，ARE)在靶基因的啟動子區域相互作用導致轉錄激活[33]，從而參與調節心肌細胞氧化損傷、心肌缺血損傷、心肌缺血再灌注損傷、糖尿病心肌病、心肌重塑、心肌梗死等[34]。有研究顯示，通過結扎小鼠冠狀動脈左前降支術后進行心臟重塑，構建心力衰竭模型，模型組敲除Nrf2基因的小鼠可快速發展為心力衰竭，且心臟心房利鈉因子及腦鈉肽水平升高，表明Nrf2具有保護心肌細胞免受損傷的作用[35]。

4.3 Nrf2-鐵死亡途徑對心力衰竭的調節機制 Nrf2-鐵死亡途徑調節心力衰竭的機制主要是通過Hmox1(一種心臟保護蛋白，其過表達使小鼠發生心力衰竭)介導的。阿霉素導致的心力衰竭可激活Nrf2，轉運到細胞核后與ARE結合啟動轉錄，從而上調Hmox1，催化心臟血紅素的降解，釋放心臟中的游離鐵，堆積在線粒體中，導致脂質過氧化物累積，引發鐵死亡，最終導致心力衰竭。Fang等[20]研究顯示，阿霉素誘導的小鼠鐵死亡模型由Hmox1介導，Hmox1表達是受多個轉錄因子(如Nrf2、AP-1、YY1等)調控的，Nrf2介導的調控過程顯示出對鐵死亡的抵抗性，因此，抑制鐵死亡或控制Hmox1的上調有利于緩解阿霉素誘導的心力衰竭。心力衰竭過程中，活性氧產生增多，通過壞死和凋亡損傷心臟功能，增加心律失常可能。

5 小 結

目前已明確鐵死亡在心力衰竭過程中重要的病生理改變及Nrf2對鐵死亡的調節作用，不斷深入探討鐵死亡的研究及認識，存在一些問題亟待解決，如鐵死亡的細胞死亡形式與傳統的細胞死亡形式之間是否存在交叉重疊部分？若存在，是否可以找到交叉部分的共同靶點，利用這一靶點調控細胞死亡進程？鐵死亡發生在心力衰竭的哪個階段，臨床上如何通過抑制鐵死亡途徑緩解心力衰竭進程？若可精確鐵死亡發生的時間，提前干預疾病發生，對保護心肌細胞及心臟功能有重要的作用。Nrf2與鐵死亡直接調控蛋白System Xc-/GSH/GPX4之間的調節作用是如何發生的？目前關于心力衰竭過程中Nrf2的調控機制報道較少。鐵死亡作為一種細胞死亡方式，對研究心血管疾病心肌損傷具有重要的作用，隨著對Nrf2-鐵死亡途徑深入研究心力衰竭，可能為心血管疾病心肌損傷的病理機制和臨床治療提供新策略。