鐵死亡在腦缺血/再灌注損傷的研究進展

羅偉志，王翔宇，代閱

（三峽大學第三臨床醫學院 國藥葛洲壩中心醫院，湖北 武漢 430000）

0 引言

中風是由心血管系統破裂或阻塞引起的一種常見且嚴重的神經系統疾病。它每年造成數百萬人死亡和殘疾，給人類帶來巨大負擔。血栓、高血壓、高血脂、高血糖、吸煙、高齡等均可誘發。根據病因不同，腦卒中一般可分為出血性腦卒中和缺血性腦卒中，其發病機制和治療方法有較大差異。鐵死亡是2012年首次定義的一種新型細胞死亡，其特點是非凋亡、鐵依賴性和過度積累的脂質過氧化物。鐵死亡已被證明在腫瘤、神經系統疾病、腎損傷和缺血再灌注損傷。鐵死亡也與中風的發病機制密切相關。在許云飛等人綜述[1]中總結了鐵死亡在腦卒中發病機制中的參與和作用，并預測了鐵死亡在腦卒中治療中的潛力。中風會導致鐵過載和脂質代謝紊亂，升高的鐵催化脂質過氧化并最終引發鐵死亡。鐵代謝和脂質過氧化是鐵死亡的兩大主要作用。本文是對鐵死亡機制及在腦缺血/再灌注損傷的中的發病機制和潛在治療靶點展開敘述討論，旨在為臨床和實驗提供參考。

1 鐵死亡機制

目前研究發現鐵死亡可能有如下相關機制[2-5]：(1)鐵代謝異常：鐵離子的過度積累是鐵中毒的關鍵特征。腸道吸收或血液中紅細胞降解產生的Fe2+可被氧化為Fe3+，與細胞膜受體TfR1識別的轉鐵蛋白結合，形成Tf-TfR1復合物[6]。在Tf-tfr1內吞作用后，Fe3+從Tf中釋放出來，被酸性核內體中的一種金屬離子還原酶還原為Fe2+。然后，Fe2+通過二價金屬轉運1或鋅-鐵轉運體ZIP8和zip14轉運到細胞質中[7]。多余的鐵儲存在鐵蛋白復合物鐵蛋白中，而鐵蛋白由鐵蛋白輕鏈和重鏈組成，后者具有鐵氧化酶活性，可以催化Fe2+氧化為Fe3+[8]，提供鐵穩定地結合到鐵蛋白殼中，從而維持不穩定鐵池的平衡。這一鐵代謝途徑嚴格控制鐵穩態，一旦失衡，可導致鐵過度積累和鐵死亡；(2)系統Xc-：氨基酸逆向轉運系統Xc-以1:1的比例調節細胞外胱氨酸和細胞內谷氨酸在質膜上的交換[9]。在細胞內，胱氨酸被還原為半胱氨酸，然后用于蛋白質合成和一種重要的抗氧化劑非核糖體三肽谷胱甘肽的生物合成，是GSH合成一個速率限制因素；在許多其他細胞中，輸入胱氨酸是維持半胱氨酸和谷胱甘肽水平所必需的。谷胱甘肽可作為谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4)的基本輔助因子，催化脂質過氧化物的還原。系統Xc-的抑制會導致GSH和GPX4活性降低，脂質過氧化降低，最終導致鐵離子的死亡[10]。(3)GPX4：GPX4是一種在哺乳動物細胞中表達的硒依賴性谷胱甘肽過氧化物酶，通過降低脂質過氧化物的數量，在調控鐵中毒中發揮關鍵作用；它是一種獨特的酶，可以通過將GSH轉化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)，將氧化型脂質還原為無害的脂醇(L-OH)[11]。GPX4對于防止大腦、皮膚和內皮等器官的細胞死亡和組織損傷至關重要。藥物抑制GPX4活性、GPX4降解或基因消融可導致鐵死亡[12]。谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4)和Xc-系統是鐵信號通路的刺激因子。Xc-系統是異二聚體氨基酸抗轉運蛋白家族的一部分，該體系的功能是合成GSH作為抗氧化劑所必需的。Erastin是一種鐵誘導劑，抑制Xc-系統活性，降低GSH，最終使GPX4失活；GPX4失活會導致脂質過氧化物的積累，導致ROS的產生增加。鐵死亡過程中產生的過量脂質活性氧最終導致細胞氧化死亡[13]。(4)脂質過氧化作用：脂質過氧化的最終產物，4-羥基壬烯醛和丙二醛，經常被用作氧化應激的一般標記物，脂質過氧化與鐵中毒密切相關，可作為調控死亡過程的工具[4]。(5)線粒體：線粒體可通過氧化磷酸化合成ATP，產生副產物ROS，這是鐵死亡所必需的[14]。腫瘤抑制因子p53可能以雙向方式調控鐵下垂。一方面，p53可以抑制SLC7A11的表達，降低Xc-系統對胱氨酸的攝取，從而下調GPX4和細胞的抗氧化活性，導致ROS積累和鐵細胞凋亡，另 一 方 面，TAZ-ANGPTL4-NOX2、p62-Keap1-NRF2 和谷氨酰胺解通路也可能在鐵死亡中揮調控作用；6.其他因素：鉤鐵抑制蛋白1 (FSP1)在這一過程中的特殊作用，提示鉤鐵抑制蛋白1的調控機制與GPX4類似，細胞鐵下垂的發生也受硫酸化途徑的調控[15-16]。

2 鐵死亡在缺血性腦卒中的機制

鐵是腦組織穩態的一把雙刃劍。一方面，鐵在催化生成大量ATP以維持正常大腦功能方面是不可或缺的;另一方面，大腦對鐵依賴的氧化應激非常脆弱[3]；鐵死亡缺血性腦卒中發病機制中的作用：（1）鐵的積累與再分配：血液中的鐵可以通過血腦屏障的破裂進入腦組織，導致鐵在神經元細胞中過度積累，導致神經元細胞的鐵死亡，細胞內鐵積聚可能是鐵死亡的直接原因[17-19]；（2）谷氨酸：谷氨酸作為一種興奮性神經遞質在生理狀態下對神經功能的維持起著重要作用；在缺血性中風中，谷氨酸釋放增加和細胞再攝取受損導致其在大腦中積累，導致神經細胞損傷和死亡；谷氨酸誘導的神經元鐵下垂的調節機制可能與一種重要的轉錄因子ATF4有關[20]；（3）氧化應激：氧化應激是由細胞中促氧化劑的積累和抗氧化劑物種的損失引起的，這導致DNA、脂質和蛋白質的損傷，從而產生病理狀態[21]；在缺血再灌注過程中，缺血半暗帶神經元細胞可能會受到活性氧和活性氮引起的氧化應激，而絲裂原活化蛋白激酶途徑介導活性氧誘導的細胞死亡發揮著重要作用[22]；抗氧化劑的喪失是導致氧化應激的另一個關鍵因素，缺血性卒中后內源性抗氧化劑水平下降，抗氧化劑通過將ROS/RNS轉化為無害分子來防止細胞損傷能力下降，導致氧化應激[23]。（4）脂質過氧化是鐵死亡的直接誘導因子，氧化應激促進了脂質過氧化，但是其具體發病機制目前尚不清楚；研究表明，鐵下垂與動脈粥樣硬化的發病機制有關，通過減少脂質過氧化抑制鐵下垂可以緩解動脈粥樣硬化的發病機制，miR-17-92的過度表達可通過直接結合鋅脂蛋白的mRNA并抑制A20生物合成，從而降低ACSL4的表達，從而降低脂質過氧化，從而保護內皮細胞免受鐵死亡影響[24-25]。（5）表觀遺傳調控：表觀遺傳機制是調節腦卒中相關基因表達的新基礎因素，與鐵死亡關系密切；目前已經發現Sp1抑制劑MTM可以靶向氧化應激介導的神經細胞死亡的幾種途徑，包括ERK、c-Src、HIF1α和p21waf1/ cip1 ，HDAC抑制劑、谷氨酰胺轉胺酶、谷氨酰胺轉胺酶抑制劑在介導鐵中毒死亡中具有重要作用[26]。

3 潛在治療靶點

近十年來，研究表明，鐵死亡是缺血性器官損傷相關細胞死亡的重要誘因，抑制鐵死亡可有效改善臨床前動物的缺血性器官損傷，鐵死亡還可累及其他器官功能障礙類型和退行性疾病[13]。科學家通過調控鐵死亡成功干預了動物模型的腦卒中過程，表明鐵死亡是治療腦卒中的一個新的潛在靶點[27]。在莊麗華等人[28]研究中發現納米氧化鐵增強磁共振成像可作為監測腦缺血-再灌注損傷急性期炎癥反應的有效手段。Tuo等人[29]研究發現在幼年動物中，Tau抑制對缺血再灌注損傷有神經保護作用，但僅限于幼年，隨著年齡增長，tau基因敲除小鼠中發生顱內鐵蓄積，因此Tau在年輕時具有神經保護作用，但隨著年齡的增長，它會加劇神經毒性鐵的積累；

楊麗等人研究[30]中發現酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）是一種調節脂質組成的關鍵酶，已被證明有助于鐵死亡的發生，再灌注前ACSL4抑制對鐵死亡和細胞死亡有保護作用；而特殊蛋白1 (Sp1)是一個關鍵的轉錄因子，通過與ACSL4啟動子區結合來增加ACSL4的轉錄；為缺血再灌注損傷的預防和治療提供了一種獨特而有效的機制；馮燕生等人[31]研究中首次發現Lip-1可以減少心肌梗死體積和維持線粒體結構完整性和功能來保護心臟，lip -1誘導的心臟保護作用是通過降低VDAC1水平和寡聚化來實現的，而不是通過降低VDAC2/3來實現的。Lip-1也降低了線粒體活性氧的產生，挽救了缺血再灌注損傷應激引起的抗氧化劑GPX4的降低。路晶晶等人[32]發現AIS患者血漿中PVT1水平上調，miR-214水平下調，miR-214過表達顯著降低PVT1水平。PVT1沉默或過表達miR-214可能通過降低體內外脂質過氧化和鐵沉積而顯著抑制鐵死亡。文章中還發現miR-214被驗證能與PVT1、p53和TFR1結合，p53的上調顯著降低了SLC7A11的表達，PVT1通過miR-214介導的p53和TFR1調控鐵細胞凋亡，因而PVT1和miR-214作為缺血再灌注損傷的潛在靶點；在孫光池等人[33]的研究中發現核受體共激活因子4（NCOA4 ）缺失顯著消除了由缺血再灌注損傷引起的鐵蛋白吞噬，從而抑制了鐵死亡；該研究還發現通過上調泛素特異性肽酶14(USP14)，NCOA4通過受損神經元中的去泛素化過程，可以通過抑制USP14有效降低NCOA4水平以保護神經元免受鐵蛋白吞噬介導的鐵死亡。Pushkar等人[34-35]研究中發現NL-1降低了神經元細胞過氧化氫生成，NL-1主要功能有助于改善線粒體呼吸，而在發生缺血后可能出現大量ATP缺失的細胞中，NL-1有可能改善線粒體呼吸和ATP生成，因此，NL-1有作為新型線粒體藥物治療腦卒中再灌注損傷的潛在可能性。

鐵螯合劑通過誘導HIF-1和ATF-1/CREB等轉錄因子以及上調p21waf1/cip1和促紅細胞生成素等糖解酶，對谷胱甘肽消耗誘導的毒性具有神經保護作用；朱婷等人研究[36]中發現三七皂苷可以經NG-R1途徑可減少大腦中動脈閉塞后再灌注損傷大鼠的梗死體積和神經功能缺損、手術后7天的神經元損失，NG-R1抑制神經元凋亡和星形膠質細胞激活，減少MCAO/R術后7d葡萄糖和檸檬酸的異常積累；增加MCAO/R術后7d谷氨酸和蘋果酸-天冬氨酸穿梭組分的含量，增加MCAO/R術后7d的ATP代謝，增加MCAO/R術后7d的抗氧化劑含量，維持MCAO/R術后7天內Na+和K+的穩態以及改變MCAO/R術后7d的磷脂含量，從而減少了梗死面積并改善了神經功能缺損；關學英等人研究[37]中香芹酚可降低缺血沙土鼠腦組織脂質過氧化物水平，香芹酚通過增加谷胱甘肽過氧化物酶4（GPx4）的表達來減少細胞死亡，并抑制鐵死亡；這項研究表明，香芹醇可能是治療腦缺血的一種有價值的藥物。Jin等人[38]研究法相骨形態發生蛋白（BMP）拮抗劑noggin有利于有髓軸突數量和髓鞘厚度增加，其主要是將反映性小膠質細胞中的鐵狀態從鐵儲存轉變為鐵釋放表型，從而通過提供鐵來促進髓磷脂的合成；吳夢榮、Tatiana等人[39-40]首次發現注射間充質干細胞被輸送到脈絡叢的證據，MSCs可分泌趨化因子、生長因子和細胞因子和招募免疫細胞；CP分泌物參與神經發生和MSC增殖；間充質干細胞與脈絡叢相互作用所產生的分泌因子具有促進缺血性腦卒中后腦功能恢復的治療潛力；趙亞碩等人研究中發現納米脂質體（LLYC）通過抑制MAPK-JNK降低氧化酶的蛋白質水平，增加Bcl-2水平，降低caspase-3，并抑制細胞凋亡；L-LYC還抑制了鐵調素介導的FPN1的降低，并使鐵水平正常化；L-LYC顯著提高缺血半暗帶的總SOD、GSH和CAT水平，顯著降低了脂質過氧化最終產物甲烷二羧酸醛（MDA）的水平；L-LYC有效地抑制IL-6表達和STAT3磷酸化。納米脂質體包封顯著提高了缺血再灌注損傷的神經元保護作用。

4 小結

綜上所述，鐵死亡在腦缺血/再灌注損傷生理、病理機制非常復雜，從物質的吸收、轉運，蛋白的編碼、翻譯，基因的調控、表達，其中的信號通道，到目前為止，其中鐵死亡所介導的細胞死亡方式及信號通道，仍不是很清楚；本文簡單總結了鐵死亡的可能機制、鐵死亡在腦卒中缺血/再灌注損傷中的可能發病機制以及未來潛在的靶向治療位點；腦缺血/再灌注損傷的病理生理機制非常復雜，單純干預任何一條途徑，可能難以獲得良好的效果；從目前來看，鐵死亡與腦缺血再灌注損傷關系密切，未來將很大可能成為卒中后再灌注損傷的一種靶向治療方向。