鐵死亡與糖尿病及其并發癥的研究進展

武攸，吳儀偉，張珂承，陳琰

(吉林大學第二醫院內分泌科，長春 130000)

鐵穩態的維持對于生命活動十分重要，缺鐵或鐵超載與代謝性疾病密不可分。人體內存在嚴格的鐵代謝機制，大部分以鐵蛋白的形式儲存在肝臟、脾臟中，少部分通過二價金屬轉運蛋白1的介導儲存在不穩定鐵池中，而細胞內鐵的輸出由鐵轉運蛋白1介導[1]。當鐵超載時，芬頓反應產生的超氧陰離子和羥自由基通過氧化作用損傷核酸、蛋白質和脂質。鐵死亡是近年的研究熱點，其與細胞內鐵超載密切聯系，參與多種疾病的發展，如神經退行性疾病(阿爾茨海默病、亨廷頓病、帕金森病)、癌癥、腦卒中、缺血再灌注損傷和哺乳動物的腎臟變性[2]，而抑制鐵死亡可為神經退行性疾病的防治提供策略。膳食鐵的攝入量與糖尿病的發生風險有關。國內的研究顯示，總鐵和非血紅素鐵攝入與糖尿病的發生風險有關，在男性中呈反向J型，即當非血紅素鐵和總鐵攝入量較低時，與糖尿病的風險呈負相關，當非血紅素鐵攝入量超過41 mg/d或總鐵攝入量超過46 mg/d，糖尿病的患病風險顯著增加，該曲線在女性中呈L型曲線，且曲線前半部分與男性曲線類似，但較高的鐵攝入量并不能顯著增加糖尿病的患病風險，故推測充分攝入非血紅素鐵或總鐵可預防糖尿病，而鐵攝入過量可增加男性糖尿病的發生風險[3]，提示鐵攝入過量與糖尿病存在關聯。鐵死亡與鐵攝入過量關系密切，然而目前關于鐵死亡與糖尿病及其并發癥的研究相對較少，甚至不同研究結論也不同?，F對鐵死亡與糖尿病及其并發癥的研究進展進行綜述，以為靶向防治及更深一步的研究提供參考依據。

1 鐵穩態與鐵死亡

1.1鐵死亡 鐵死亡是一種由鐵依賴性的脂質過氧化引起的調節性細胞死亡[4]，在形態學、生物化學、遺傳學上與凋亡、自噬、各種形式的壞死和自噬不同，這一過程的主要特點是致死性的脂質活性氧的累積[5]。鐵死亡細胞中可觀察到完整的細胞膜，細胞腫脹、線粒體嵴減少或消失，無核濃縮或染色質邊緣化[6]，細胞質透明、細胞核透明，核周間隙沒有擴張也是其病理特征[7]。鐵死亡受多層次的調節，包括鐵代謝、氨基酸代謝、多不飽和脂肪酸的代謝及谷胱甘肽的生物合成、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)的水平[8]。鐵死亡需要游離鐵的毒性、抗氧化劑谷胱甘肽的耗竭、膜脂質氧化損傷的累積共同作用才能發生，三者缺一不可[9]。研究表明，鐵螯合劑可在體內與體外阻斷鐵死亡，而不能被其他細胞死亡抑制劑逆轉，目前用于治療鐵超載性疾病[10]。

1.2鐵穩態與鐵死亡的關系 細胞內鐵穩態與鐵死亡關系密切，參與鐵攝取、儲存、利用、流出的多種調節因子均影響細胞對鐵死亡的敏感性。如細胞中不穩定鐵池中的Fe2+可通過芬頓反應產生大量的活性自由基，以促進鐵死亡[11]。鐵依賴性的脂氧合酶通過誘發脂質過氧化，進而誘發鐵死亡，同時其他鐵依賴性的酶也可誘發鐵死亡，如細胞色素P450還原酶[12]。近期研究發現，細胞色素P450還原酶缺失可促進細胞對鐵死亡的強烈抵抗，其在癌細胞系中高表達也支持其在脂質過氧化中的驅動作用[13]。除了脂氧合酶和細胞色素P450還原酶，其余含鐵酶類也參與調節鐵死亡，如通過鐵蛋白增加鐵的儲存或通過鐵轉運蛋白1促進細胞內鐵的流出，減少細胞內不穩定鐵的利用，進而抑制鐵死亡[14]。

1.3鐵死亡標志物和調節機制 鐵死亡在許多代謝途徑中同時起作用，主要代謝標志物有谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPX)4、p62 Kelch樣ECH相關蛋白1、核轉錄因子紅系2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)、花生四烯酸脂氧合酶、長鏈脂酰輔酶A合成酶4等[15]。最常見的鐵死亡調節機制為：①谷氨酸-胱氨酸反向轉運體/還原型谷胱甘肽(glutathione，GSH)/GPX4軸，谷氨酸-胱氨酸反向轉運體作為調節鐵死亡的中心樞紐，是一種由溶質載體家族7成員11和溶質載體家族3成員2組成的異二聚體氨基酸轉運蛋白，逆向轉運谷氨酸和胱氨酸，胱氨酸隨即進入細胞內被還原為半胱氨酸，參與GSH的合成。當細胞內向轉運的胱氨酸減少時，細胞內GSH水平降低，抗氧化能力減弱，可誘導鐵死亡的發生。Erastin與柳氮磺胺吡啶均通過上述途徑誘導細胞發生鐵死亡，但其具體機制仍有待研究。有數據表明，Erastin可直接抑制溶質載體家族7成員11[16]。此外，GPX4的活性也影響鐵死亡的發生，GPX4通過將毒性脂質氫過氧化物還原為相應的醇類負向調控鐵死亡，而硒代半胱氨酸在GPX4的活性中心起重要作用[17]。RSL3可通過不可逆地抑制GPX4的活性誘導鐵死亡[18]。②NADPH/鐵死亡抑制蛋白1/輔酶Q10，輔酶Q10可捕獲介導脂質過氧化的自由基，鐵死亡抑制蛋白1可通過NADPH酶催化輔酶Q10的再生，并通過α-生育酚循環間接減少自由基的生成，以抑制鐵死亡。鐵死亡抑制蛋白1的藥理學靶向性與GPX4抑制劑具有協同作用，在許多癌癥中誘導鐵死亡。總之，NADPH/鐵死亡抑制蛋白1/輔酶Q10作為一個獨立的平行系統存在，與GPX4和GSH共同抑制脂質過氧化和鐵死亡[19]。③GTP環水解酶-1/四氫生物蝶呤系統，近年新發現的GTP環水解酶-1/四氫生物蝶呤可獨立于GPX4系統抑制鐵死亡，四氫生物蝶呤具有生成輔酶Q10減少氧化損傷和引起脂質重塑的雙重作用；此外，當單不飽和脂肪酸插入磷脂中時通過未知的機制抑制鐵死亡[20-21]。

2 鐵死亡在糖尿病中的作用

胰島β細胞可表達低水平的抗氧化酶類，如超氧化物歧化酶、GPX和過氧化氫酶[22]，因此其易受到氧化應激的影響?；钚匝跻子诜e累，且其積累可引發多種形式的細胞死亡，包括鐵死亡。研究表明，鐵死亡的誘導可導致胰島功能受損，但糖尿病鐵死亡的分子機制仍不明確[23]。1型糖尿病作為一種自身免疫性疾病，由胰島β細胞的選擇性破壞引起，而胰腺移植是一種具有應用前景的治療方法。近年研究發現，鐵死亡與移植的胰島β細胞數目減少和功能障礙有關，膽紅素可顯著減輕離體胰島β細胞的鐵死亡，同時降低氧化應激[24]。除了胰島素抵抗，糖毒性和脂毒性所造成的胰島β細胞分泌胰島素減少也是2型糖尿病進展的主要機制之一。胰腺特別是胰島中存在鐵沉積，故推測鐵死亡也可通過脂質過氧化在胰島β細胞功能喪失和數目減少中起重要作用[25]。體內實驗中，RNA干擾沉默GPX4可導致大鼠胰島β細胞鐵死亡，表現為脂質過氧化增加、GSH水平降低和GPX4降解，而GPX4過表達可顯著減少胰島β細胞死亡[26]。體外實驗中，鐵死亡誘導劑Erastin和RSL3處理的胰島在培養24 h后均發生顯著死亡，而經鐵抑素或去鐵胺預處理的胰島死亡情況得到改善[23]。因此，鐵死亡與胰島素分泌障礙有關，監測鐵死亡相關因素有助于2型糖尿病的早期診斷和治療。

3 鐵死亡在糖尿病并發癥中作用

3.1鐵死亡與微血管病變

3.1.1鐵死亡與糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是2型糖尿病的主要并發癥，可導致不可逆的心肌損傷甚至心力衰竭，是2型糖尿病患者死亡的主要原因。鐵死亡與心肌缺血再灌注損傷和心肌梗死有關，其與糖尿病心肌病的關系尚不明確[27]。糖尿病心肌病的臨床特征主要是心肌肥厚和纖維化，其發病機制復雜，受到多種因素的影響，其中氧化應激是公認的糖尿病心肌病的發病機制[28]。鐵死亡過程中產生大量的活性氧，故推測鐵死亡產生的活性氧與糖尿病心肌病相關。近年研究表明，Nrf2表達和轉錄活性的升高可通過抑制鐵死亡預防糖尿病心肌病的發生[29]，但在糖尿病心肌病的發病和進展中，激活的Nrf2改變鐵死亡的機制尚不清楚，Nrf2通?？赏ㄟ^抗氧化以及調節鐵、脂質代謝調控鐵死亡[30]。Nrf2被認為是抗氧化的主要調節因子，故可能作為糖尿病心肌病等氧化應激相關疾病的藥物靶點。Ni等[31]的動物實驗發現，抑制鐵死亡可抑制糖尿病心肌病的心肌纖維化，進一步佐證了鐵死亡參與糖尿病心肌病。

3.1.2鐵死亡與糖尿病腎病 糖尿病腎病已成為終末期腎病的主要原因，延緩其進展仍是一個世界性問題。低鐵飲食或鐵螯合劑可延緩糖尿病腎病的進展，然而過量的鐵促進糖尿病腎病發展的確切機制尚未闡明[32]。既往研究認為，鐵的積累可通過增加氧化應激或降低抗氧化能力而增加糖尿病的腎損傷[33]。由于鐵死亡過程會產生大量的活性氧，而腎臟富含線粒體結構更易受到氧化應激的損傷，提示鐵死亡與糖尿病腎病可能相關。例如，在糖尿病腎病小鼠中，鐵死亡途徑脂質過氧化產物丙二醛水平增加，抗氧化酶水平降低[34]。動物實驗顯示，糖尿病腎病小鼠鐵死亡相關標志物顯著變化，長鏈脂酰輔酶A合成酶4表達水平升高以及GPX4表達水平降低，同時糖尿病腎病小鼠脂質過氧化產物和鐵含量增加，而長鏈脂酰輔酶A合成酶4抑制劑羅格列酮可抑制糖尿病腎病的發展，降低脂質過氧化產物丙二醛和鐵含量[35]。Li等[32]的研究證實，糖尿病小鼠腎臟和高糖培養的人腎近端小管細胞中存在鐵超載，且伴有大量活性氧的生成和脂質過氧化，在進一步轉化生長因子刺激的近端腎小管上皮細胞及糖尿病小鼠模型的研究中發現，腎小管細胞內谷胱甘肽水平降低，脂質過氧化增強，鐵抑素作為一種鐵死亡抑制劑，可減輕轉化生長因子誘導的腎小管細胞鐵死亡，糖尿病小鼠模型檢測到與腎小管細胞類似的變化，腎臟GPX4的表達和GSH水平降低，脂質過氧化增加，而鐵抑素治療后，上述變化減輕。因此，鐵死亡過程中產生的大量活性氧可通過氧化應激造成糖尿病腎病腎損傷，抑制鐵死亡可能是糖尿病腎病的一種治療選擇[36]。

3.1.3鐵死亡與糖尿病視網膜病變 糖尿病視網膜病變主要包括非增殖性和增殖性兩個階段，這兩個階段的發生機制均涉及視網膜毛細血管內皮細胞的功能障礙和通透性增加，目前的治療只能部分緩解疾病的嚴重程度。糖尿病視網膜病變的發生發展是多元醇通路活性增加、自由基氧化作用等因素共同作用的結果?？寡趸瘎┛杀Ｗo視網膜內皮細胞免受氧化應激的損害，糖尿病視網膜病變中氧化應激水平升高，故推測活性氧的積累可能觸發視網膜內皮細胞鐵死亡[37]。以往研究提示，鐵螯合劑對視網膜的光感受器有保護作用[38]，而近年研究則發現，鐵死亡參與糖尿病視網膜病變的發展，尤其損傷視網膜內皮細胞[39]，因此抑制鐵死亡可作為抗糖尿病視網膜病變的新療法。

3.2鐵死亡與動脈粥樣硬化性心臟病 最初認為，鐵死亡是糖尿病所致動脈粥樣硬化性疾病病理改變中細胞死亡的一種重要形式。既往動物實驗顯示，鐵死亡可導致糖尿病動脈粥樣硬化，而鐵抑素可有效減輕糖尿病動脈粥樣硬化，逆轉動脈粥樣硬化所致的內皮細胞活力下降[40]。內皮細胞功能障礙往往是發生糖尿病心血管并發癥的關鍵機制和起始因素。在糖尿病心血管并發癥中，內皮功能障礙主要表現為氧化應激增強、炎癥因子增加、一氧化氮釋放減少、內皮修復受損等[41]。細胞內過量的鐵可通過芬頓反應造成血管內皮細胞氧化還原失衡，脂質過氧化增強、細胞抗氧化能力減弱，而鐵死亡的主要特征是由活性氧誘導的致死性脂質過氧化物的形成，但目前對于鐵死亡在糖尿病誘導的內皮功能障礙中的作用及機制的認識有限。p53-谷氨酸-胱氨酸反向轉運體-GPX軸激活在內皮細胞鐵死亡和功能障礙中起關鍵作用，近期研究表明，抑制p53表達可減輕血管內皮細胞抗氧化系統的抑制和糖尿病患者的內皮細胞損傷[42]。有研究發現，靶向激活Nrf2可抑制氧化型低密度脂蛋白誘導的人冠狀動脈內皮細胞鐵死亡，抑制動脈粥樣硬化進展，因此，充分保護血管內皮細胞免受氧化應激導致的細胞損傷似乎是維持細胞內穩態和改善動脈粥樣硬化的策略之一[43]。糖尿病患者的急性缺血性腦卒中的患病風險是無糖尿病患者的2～6倍，由于鐵死亡參與阿爾茨海默病等神經退行性疾病的病理生理，推測鐵死亡觸發的神經元炎癥可導致糖尿病患者發生腦卒中后認知功能障礙[44]。

3.3鐵死亡與糖尿病周圍神經病變(diabetic peri-pheral neuropathy，DPN) DPN是最常見的一種糖尿病神經系統并發癥，其與鐵死亡的關系尚不明確，且目前鐵與DPN的研究結論尚不統一。在小鼠模型中，鐵缺乏與DPN的風險相關，而Kim等[45]的研究顯示，高膳食鐵攝入與DPN有關，由于氧化應激在DPN發生中處于關鍵地位，故推測鐵死亡很可能與DPN相關。另有研究表明，血紅素加氧酶的抗氧化能力對糖尿病神經病變有保護作用，因此推測鐵死亡過程中產生的活性氧可能造成神經組織的損傷[46]。

3.4鐵死亡與糖尿病足 隨著糖尿病足病程進展，可出現潰瘍、感染甚至深部組織損傷，已成為糖尿病患者遠期截肢風險的最主要原因，糖尿病患者傷口的愈合不遵循正常的生理過程，糖尿病足的持續慢性炎癥可破壞巨噬細胞的吞噬功能，晚期可阻止成纖維細胞的功能，進而延緩傷口愈合[47]。近期研究發現，在糖尿病大鼠模型中，鐵抑素可通過抗磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路抑制糖尿病患者傷口的炎癥細胞浸潤，降低氧化應激和炎癥標志物[48]。由于糖尿病足后期往往存在皮膚破潰，抑制鐵死亡有可能促進傷口愈合，降低感染和遠期截肢的發生風險。

4 小 結

鐵死亡的確切生理功能尚未證實，但其在人類疾病中的作用已逐漸確定。通過抑制或刺激這種獨特的細胞死亡方式，可能對某些疾病產生臨床益處。如鐵死亡在癌癥發展和治療中的作用正在顯現，索拉非尼通過抑制鐵死亡治療肝癌[12]。對于糖尿病，鑒于目前尚無藥物可逆轉其發生及發展，故認識其機制預防其進展顯得尤為重要，鐵死亡在其各種并發癥中的作用也逐漸顯現，相信將來會有更多的研究揭示鐵死亡與代謝性疾病的機制，從而明確治療靶點。