鐵死亡機制及其在動脈粥樣硬化中的應用研究進展

蔡婉綜述 王婧，池浩審校

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)的機制比較復雜，涉及氧化應激、炎性反應、鈣超載、線粒體功能障礙等，但無論哪種原因最終都會對血管內皮細胞產生損害。既往研究認為，凋亡是唯一受調控的細胞死亡方式，而壞死是不受調控的。然而，最新研究認為，細胞壞死是一種可調控的和高度有序的死亡方式，統稱為細胞程序性死亡。目前，細胞程序性死亡主要包括凋亡、自噬、程序性壞死、焦亡和鐵死亡[1]。鐵死亡作為新發現的一種調節性細胞死亡，是指鐵離子依賴的脂質過氧化物增多導致的一種新的細胞死亡形式。在鐵死亡發生的過程中，細胞死亡不能被凋亡、焦亡及自噬抑制劑所調控，但可以被親脂性抗氧化劑和鐵螯合劑有效抑制，同時存在明顯的鐵積累現象[2]。其機制尚未明確，但其分子機制主要依賴細胞內兩個相互抗衡的生化過程，即脂質過氧化物的產生和消除。因此，鐵死亡作為一種新的調節細胞死亡形式進入大家的視野，成為細胞死亡方向的研究熱點。目前研究主要認為，細胞中過多的鐵離子能夠通過Fenton反應催化其產生羥自由基，同時不飽和脂肪酸被進一步羥化，促進脂質過氧化物和氫過氧化物的大量產生，對細胞膜的結構和功能造成嚴重破壞，引起細胞內氧化失衡，從而發生鐵依賴性的脂質過氧化死亡[3]。加強對鐵死亡的研究，詳細地了解鐵死亡的機制，無疑會促進對動脈粥樣硬化的防治，為動脈粥樣硬化的治療提供新思路。

1 鐵死亡概述

鐵死亡是由鐵依賴的脂質過氧化物累積而最終導致細胞死亡的過程。這一概念在2012年首次提出[4]，其特征在于脂質活性氧的累積。鐵死亡完全不同于壞死、凋亡及細胞自噬，是一種新的細胞死亡方式。沒有細胞質和細胞器腫脹及細胞膜破裂的典型細胞壞死特征；也缺少細胞萎縮、染色質凝集，凋亡小體等細胞凋亡的特點；同時也不同于自噬形成的典型自噬泡。以獨特的線粒體明顯收縮，膜密度增加，線粒體嵴減少或消失為特點。鐵死亡由多個基因調控，主要涉及鐵穩態及脂質過氧化代謝的變化，具體的調控機制有待進一步研究。

2 鐵死亡調節機制

鐵死亡的分子機制主要依賴細胞內兩個相互抗衡的生化過程，即脂質過氧化的產生和消除。鐵和多聚不飽和脂肪酸作為脂質過氧化的原料推動鐵死亡的發生，而以還原性谷胱甘肽(GSH)作為底物的GPX4則反向調控鐵死亡。當細胞無法有效通過抗氧化機制將細胞內多余的活性氧進行有效清除時，積累的氧化性脂類物質則會誘發鐵死亡。諸多生理過程參與調控這一死亡方式[5]。如鐵離子代謝、脂質代謝、氨基酸代謝等。

2.1 鐵離子代謝 鐵死亡的關鍵誘因之一是Fe2+/Fe3+通過酶促反應或者非酶促反應參與活性氧的形成。鐵是影響活性氧(ROS)產生的直接因素。細胞內鐵的儲存在無害的鐵蛋白中，游離的亞鐵離子是有毒的。鐵蛋白發生自噬降解的過程稱為鐵蛋白自噬，核受體共激活因子4介導這一過程，過表達核受體共激活因子4會增加鐵蛋白的降解，鐵濃度上升，導致鐵死亡的發生；下調可抑制鐵蛋白的降解，同時降低細胞對氧化損傷的敏感性。鐵蛋白作為核轉錄因子Nrf2的下游調控基因，受p62-Keap1-Nrf2信號通路的調控[6]。

2.2 脂質代謝 脂質過氧化物作為細胞內ROS的一員，是鐵死亡的最終執行者，被認為是鐵死亡的標志性事件[7]。ROS是帶有部分還原氧的分子物質，包括自由基、過氧化物、超氧化物等，通過損傷DNA、RNA和脂質分子引起細胞死亡[8]。有研究稱脂質過氧化物以多種形式對細胞造成損傷。一是進一步分解成ROS，放大脂質過氧化過程；二是改變細胞膜的結構或釋放有害物質，擾亂細胞內代謝；三是在脂質過氧化過程中的產物如MDA、4-HNE會對細胞造成損傷[9]。

2.3 氨基酸代謝 GSH作為GPX4的底物參與細胞內抗氧化系統是鐵死亡發生的關鍵因素。而GSH進出細胞需要胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體(system Xc-)。由SLC3A2和SLC7A11通過二硫鍵連接形成[10]。細胞依靠system Xc-介導細胞外的胱氨酸和細胞內的谷氨酸進行交換。胱氨酸進入細胞合成GSH調節脂質過氧化，抑制system Xc-系統可影響GSH的合成從而引發鐵死亡[4]。半胱氨酸可以限制谷胱甘肽的生物合成。當細胞處于還原性的環境中，半胱氨酸可直接通過丙氨酸—絲氨酸—半胱氨酸(ASC)系統轉運至細胞內，抑制鐵死亡[11]。此外，胱硫醚是半胱氨酸的另一來源，細胞利用反向轉硫途徑將甲硫氨酸合成胱硫醚，轉變為半胱氨酸。合成的GSH在GPX4的作用下作為電子供體將磷脂過氧化物轉化為磷脂醇和氧化型谷胱甘肽、RSL3、六甲蜜胺或通過遺傳學方式干擾GPX4的表達都能誘導鐵死亡的發生[12-16]。

2.4 其他 除了鐵離子代謝、脂質代謝、氨基酸代謝等，鐵死亡抑制蛋白、Nrf2、熱休克蛋白(HSP)、線粒體等都能調控鐵死亡[17-23]，但其在鐵死亡過程中的關鍵分子研究有待于進一步分析。

3 鐵死亡在動脈粥樣硬化中的應用

3.1 動脈粥樣硬化發病機制 動脈粥樣硬化(AS)是一種以血管內皮細胞穩態失衡為始動，伴隨血管收縮舒張功能障礙、脂質代謝紊亂和炎性因子釋放等綜合病變；可能引起各種疾病，如腦卒中、冠狀動脈疾病(CAD)、外周動脈疾病(PAD)和其他腦血管疾病[24]；其中，腦卒中和冠心病被認為是世界范圍內最常見的致殘和死亡原因之一。因此，治療及延緩動脈粥樣硬化進程至關重要。AS的特點是脂質積聚，在動脈壁形成粥樣硬化斑塊時，使動脈管腔變窄[25-26]。氧化應激是血管損傷的內在基礎。因此，維持細胞內氧化還原平衡對抵抗AS，保護心血管系統至關重要。脂質過氧化是脂質氧化降解的反應，主要產物為脂質過氧自由基和過氧化氫[27]。這些氧化脂質參與氧化應激反應，導致血管內皮障礙，促使動脈粥樣硬化進展，在AS的發病機制中起著重要作用。因此，脂質過氧化、斑塊內出血、鐵沉積是AS斑塊的特征，這是AS中鐵死亡發生的間接證據。

3.2 動脈粥樣硬化與鐵死亡 鐵死亡是一種鐵依賴的氧化性細胞死亡，其特征是細胞內鐵的增加和抗氧化能力的降低導致過氧化脂質的致死性積累。過量的鐵通過Fenton反應促進ROS的產生，加速脂質過氧化[28-29]。GPX4是體內抗脂質過氧化最重要的途徑，SLC7A11是胱氨酸/谷氨酸逆向轉運系統的一個組成部分，抑制SLC7A11可以抑制GSH的產生，導致GPX4失活。鐵死亡已被報道參與許多病理過程，包括癌癥發展、創傷性腦損傷、神經退行性疾病、葉酸誘導的腎損傷和冠心病[30-31]。有研究表明[32]，AS的發病過程中存在鐵死亡，但鐵死亡在AS發病機制中的作用尚不清楚。隨著AS的發生發展，泡沫細胞在動脈內膜堆積形成脂質斑塊，當動脈壁中脂質斑塊發生破裂，繼發血栓形成，是導致壞死核心形成和斑塊不穩定的主要因素。脂質過氧化是導致AS的關鍵因素。鐵積累和脂質過氧化是鐵死亡發生的重要機制，也是AS發病的危險因素。因此探究鐵死亡與AS的關系，對于AS的機制研究與防治具有重要意義。

3.3 抑制鐵死亡與動脈粥樣硬化的治療 在人和動物模型中，動脈粥樣硬化病變中的鐵含量均顯著高于健康動脈組織中的鐵含量[33]。慢性鐵超載可以通過誘導氧化應激和內皮功能障礙而加重載脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠AS[34]。此外，內皮功能障礙在AS的發生和發展中也起著重要作用。鐵超載通過增強內皮細胞的氧化反應和炎性反應而引起內皮功能障礙[32]。有研究表明，用高脂飲食(HFD)在體內誘導ApoE-/-小鼠AS，并用鐵死亡特異性抑制劑Ferrostatin-1治療ApoE-/-小鼠，可以減緩 AS病變，對脂質過氧化有抑制作用[35]。在動脈粥樣硬化過程中鐵死亡是重要抑制因素，亞鐵離子蓄積可以誘導氧化應激和脂質過氧化導致內皮細胞功能障礙，導致動脈粥樣硬化的形成。此外抑制鐵死亡的發生可以減輕脂質過氧化及血管內皮功能損傷，減輕動脈粥樣硬化的進程。因此鐵死亡在動脈粥樣硬化中的進一步研究，可能會給AS的治療靶點提供一個潛在的研究方向。

3.4 鐵死亡調節劑在動脈粥樣硬化治療中的應用 鐵死亡是一種獨特的調節性死亡模式，越來越多的研究表明，鐵死亡是多種疾病治療發展的新機遇[34-35]。其中鐵死亡抑制劑靶標為脂質過氧化及亞鐵離子兩部分。臨床研究表明，AS發病過程中，會出現氧化應激、炎性反應及鐵蓄積等現象，他汀類藥物是減輕AS的最有效藥物[33]，研究發現，他汀類藥物可以減輕AS斑塊中脂質過氧化物，從而減輕內皮細胞中鐵死亡的發生。使用鐵螯合劑、抗氧化劑和自由基清除劑等藥物能夠降低ApoE-/-小鼠AS病變，對脂質過氧化有抑制作用。最近研究發現[35]，體外血管內皮細胞經ox-LDL處理后具有鐵死亡的特征，使用鐵死亡抑制劑后能夠明顯逆轉細胞死亡。表明鐵死亡對AS具有關鍵作用，抑制鐵死亡能夠逆轉及延緩AS病變。因此，針對鐵死亡的發生機制，通過抑制游離亞鐵離子蓄積，降低脂質過氧化積累等方法抑制血管內皮細胞鐵死亡可為AS的治療提供新思路。

4 總結與展望

鐵死亡作為一種新發現的調節性細胞死亡方式，是指鐵離子依賴的脂質過氧化增多而導致的細胞死亡，主要涉及脂質過氧化物的產生和消除。涉及氨基酸代謝、脂質代謝、鐵離子代謝等多種生理機制，但脂質過氧化是鐵死亡的最終執行者。動脈粥樣硬化主要是脂質過氧化物導致的細胞內皮功能障礙及炎性反應，已有研究表明，鐵超載可加重動脈粥樣硬化的發生，鐵死亡特異性抑制劑可減緩動脈粥樣硬化病變的發展，對脂質過氧化有一定的抑制作用。但鐵死亡在動脈粥樣硬化發生機制中的作用尚未明確，并且與包括AS在內的多種相關性疾病有關，近幾年來，鐵死亡成為新的研究熱點，然而目前對鐵死亡與AS治療的研究主要集中在體外和動物實驗，臨床試驗數據很少，并且關于鐵死亡對AS具體調控機制仍有待于進一步闡明。此外，AS的鐵死亡是否與壞死、凋亡等有相互干擾作用，以及鐵死亡抑制劑是否特異性地調節鐵死亡而不針對其他形式的細胞死亡也有待于進一步研究。但鐵死亡作為一種新的細胞死亡方式，靶向鐵死亡的藥物勢必會給動脈粥樣硬化治療提供新的治療策略。