鐵死亡與心臟功能障礙的研究進展

海日汗，聶永禎

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引言

鐵是所有生物的基本元素。鐵密切參與廣泛的生物過程，包括紅細胞通過血紅蛋白進行的氧轉(zhuǎn)運、DNA合成、細胞呼吸和電子轉(zhuǎn)移，以及整體代謝。人體含有大約2-5g的總鐵，其中大部分是細胞內(nèi)的。其中約60%-80%與血紅蛋白和肌紅蛋白中的血紅素以及各種非血紅素酶和蛋白質(zhì)結(jié)合。此外，20%-40%的鐵與特殊的鐵儲存蛋白如鐵蛋白或含鐵血黃素結(jié)合。鐵代謝紊亂與最常見的人類疾病的病理機制有關(guān)，如2型糖尿病、肥胖和非酒精性脂肪肝，并加速動脈粥樣硬化的發(fā)展。鐵死亡作為一種常見的鐵代謝紊亂，參與了多種心臟疾病的發(fā)生，本文將對鐵死亡的發(fā)生機制作以及其與心臟疾病的關(guān)系作簡要的闡述。

1 鐵死亡：一種新型的的細胞死亡形式

鐵死亡是一種鐵依賴性的、過氧化反應(yīng)驅(qū)動的、完全區(qū)別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬的新型的細胞程序性死亡方式，Dixon等人[1]于2012年報告并正式命名。自那時起，已有多種心臟病理記錄，包括多柔比星誘導(dǎo)的心肌病[2]、無代謝障礙條件下的急性I/R損傷[3]、心梗后心力衰竭的早期和中期階段[4]和感染性心臟損傷[5]等。在細胞水平上，已經(jīng)在各種心肌細胞模型中發(fā)現(xiàn)了鐵死亡，例如在正常和高葡萄糖水平下做缺氧/復(fù)氧干預(yù)的H9c2細胞和大鼠心室肌細胞[6]。

鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)上不同于其他調(diào)節(jié)性細胞死亡的方式，它可由實驗小分子(如erastin、Ras選擇性致死小分子3和磺酰亞胺)和某些藥物(如柳氮磺吡啶、索拉非尼和青蒿琥酯)誘導(dǎo)[7]。erastin誘導(dǎo)鐵死亡最常見的途徑包括抑制胱氨酸/谷氨酸反轉(zhuǎn)運體攝取胱氨酸，從而抑制了谷胱甘肽的還原，引起抗氧化防御[8]。谷胱甘肽從還原形式(GSH)轉(zhuǎn)化為氧化形式(GSSG)，被谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4)用來將脂氧合酶(LOX)在膜磷脂中形成的多不飽和脂肪酸的氫過氧化物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的危害較小的脂質(zhì)醇[9]。各種內(nèi)源性分子(如硒、多巴胺、維生素E、輔酶Q10)和化學(xué)物質(zhì)(如fer-1、右丙亞胺)對GPX4的直接抑制或間接失活導(dǎo)致氧化應(yīng)激。在鐵積聚的情況下，這是LOX酶正常活性所必需的，這種GPX4抑制促進了壓倒性的脂質(zhì)過氧化，最終導(dǎo)致了鐵死亡[10]。磷脂酰乙醇胺已被確定為由于過氧化作用而導(dǎo)致鐵死亡的關(guān)鍵磷脂[11]。除了上述主要的調(diào)節(jié)機制，其他分子也可以影響脂質(zhì)過氧化。比如，硒是GPX4生物合成所必需的[12]，NADPH(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)是消除脂質(zhì)氫過氧化物所需的還原劑[13]，因此，它們也被認為是鐵死亡敏感性的生物標志物。同樣，由于輔酶Q10已被erastin等鐵死亡誘導(dǎo)劑耗盡，這種膜抗氧化劑也能調(diào)節(jié)細胞對鐵死亡的敏感性[14]。而另外一項研究中，Mancias等[15]運用凋亡、壞死以及自噬等途徑的特異性抑制劑處理發(fā)生鐵死亡的細胞，該細胞結(jié)構(gòu)與功能受損情況并未得到明顯改善；而利用鐵死亡抑制劑則能夠明顯改善細胞發(fā)生鐵死亡情況，由此證實鐵死亡是一種獨立于其他細胞死亡途經(jīng)的新型死亡形式。然而，鐵死亡與其他細胞死亡形式之間可能存在聯(lián)系，共同維系機體細胞生長及死亡間的平衡。

2 鐵死亡與多種心血管疾病

2.1 鐵死亡與冠狀動脈硬化

近年來，有一系列報道表明鐵死亡可參與動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展過程。鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1能夠通過減輕ApoE-/-小鼠主動脈內(nèi)皮細胞的脂質(zhì)過氧化和內(nèi)皮功能障礙來減輕動脈粥樣硬化[16]。鐵死亡與炎癥和氧化應(yīng)激有關(guān)，損傷相關(guān)分子模式DAMP，包括HMGB1、ATP、核苷酸和促炎細胞因子（如干擾素-γ、白細胞介素-33和白細胞介素-1α）等可導(dǎo)致炎癥并觸發(fā)動脈粥樣硬化[17]。氧化應(yīng)激可上調(diào)促炎癥細胞因子和轉(zhuǎn)錄因子，導(dǎo)致炎癥細胞因子、抗炎分子和趨化因子的差異化表達[18]。此外，脂質(zhì)過氧化可增加內(nèi)皮活性氧，減少一氧化氮，通過巨噬細胞極化引發(fā)炎癥，并加速泡沫細胞的形成和動脈粥樣硬化病變的形成[19]。據(jù)報道，LDL-C（低密度脂蛋白膽固醇）的氧化也會導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙和巨噬細胞活化。氧化低密度脂蛋白（OX-LDL）可被巨噬細胞內(nèi)吞形成泡沫細胞，然后沉積在血管內(nèi)皮細胞上。泡沫細胞上調(diào)蛋白水解酶，如MMP（基質(zhì)金屬蛋白酶），并降解細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致冠狀動脈粥樣硬化斑塊破裂，導(dǎo)致一系列臨床急性心血管不良事件[20]。鐵通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)過氧化參與動脈粥樣硬化病變的進展。過量的鐵會加劇細胞內(nèi)的氧化應(yīng)激，并使一些炎癥因子過度表達，如ICAM-1（細胞間粘附分子-1）、VCAM-1（血管細胞粘附分子-1）和MCP1（單核細胞趨化蛋白-1），從而加劇內(nèi)皮損傷并加速脂質(zhì)沉積[21]。綜上，與鐵積聚、脂質(zhì)過氧化和炎癥密切相關(guān)的鐵死亡在動脈粥樣硬化過程中起著重要作用。

2.2 鐵死亡與心肌梗塞-缺血再灌注損傷

Holay等[22]研究發(fā)現(xiàn)，血清鐵蛋白水平、轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度與心肌梗死及外周血管病的發(fā)病率呈正相關(guān)。Park[4]等人的研究表明心肌梗塞時心肌細胞發(fā)生鐵死亡。通過左前降支結(jié)扎對心肌梗死后小鼠心臟組織進行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，結(jié)果顯示鐵死亡相關(guān)蛋白GPX4的水平在心肌梗死的早期和中期顯著下調(diào)。當谷胱甘肽水平因半胱氨酸而降低時，抑制GPX4可使原代新生大鼠心室肌細胞對鐵死亡敏感。與鐵死亡息息相關(guān)的Nrf2和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)被證實與心肌梗死有關(guān)聯(lián)。Nrf2是調(diào)節(jié)抗氧化反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子，通過保護細胞免受致死性ROS應(yīng)激而抑制各種類型細胞的鐵死亡。EMT可能與ZB1介導(dǎo)的脂肪重編程引起的鐵死亡敏感性有關(guān)。Hmox1活性在心肌梗死的早期和中期通過Nrf2/Hmox1途徑增強，導(dǎo)致鐵過量，從而導(dǎo)致心臟細胞發(fā)生鐵死亡。Friedmann等發(fā)現(xiàn)，敲除GPX4會導(dǎo)致病理相關(guān)形式的鐵死亡和自發(fā)性腎小管壞死，鐵死亡抑制劑liproxstatin-1可以減輕I /R誘導(dǎo)的組織損傷[23]。Gao等于2015年揭示了鐵死亡在心臟缺血再灌注中的作用，并證實抑制谷氨酰胺分解可以減少I /R損傷（IRI）引起的心臟損傷[24]。Li等研究了心臟移植后IRI后的無菌性炎癥，并觀察到鐵下垂通過toll樣受體4（TLR4）/TRIF途徑改善心臟組織中內(nèi)皮細胞的粘附功能，從而促進中性粒細胞的趨化，加重炎癥反應(yīng)，并加重移植后的IRI[25]。在小鼠心臟I/R模型中，在再灌注開始時給予鐵死亡抑制劑Lip-1，可減少缺血性梗死面積，改善線粒體結(jié)構(gòu)和功能。LIP-1通過抑制VDAC1的表達和增加GPX4的水平來保護心臟免受IRI的影響[3]。Tang建立大鼠心臟I /R模型，觀察鐵死亡的發(fā)生。同時，泛素特異性蛋白酶7（USP7）在大鼠心肌組織中的表達顯著上調(diào)，隨著心肌組織鐵下垂的嚴重程度，p53和TfR1的表達也顯著上調(diào)。他們提出USP7/P53/TfR1是調(diào)節(jié)心臟I /R引起的鐵死亡的一種新途徑[26]。Nishizawa發(fā)現(xiàn)，調(diào)控血紅素和鐵代謝的BACH1（BTB結(jié)構(gòu)域和CNC同源物1）通過抑制一系列保護基因（包括Slc7a11、Hmox1、Fth1等）加速鐵死亡[27]。與野生型小鼠相比，BACH1基因敲除小鼠的抗心肌梗死能力增強。調(diào)控BACH1基因是一種很有希望的治療鐵死亡引起的MI的方法。綜上所述，鐵死亡可影響組織I/R損傷的進展，并可能成為預(yù)防I/R損傷的潛在治療靶點。

2.3 鐵死亡與心力衰竭

心力衰竭是繼發(fā)于多種病因?qū)е碌男呐K功能損害的共同慢性期，心臟泵送血液至身體其他部位的能力嚴重受損。在其病理生理過程中，終末分化心肌細胞的減少是個致命因素，但機制尚不清楚。雷帕霉素的哺乳動物靶點通過抑制脂質(zhì)驅(qū)動的活性氧的產(chǎn)生，在保護心肌細胞免受過量鐵和鐵死亡方面具有重要意義[28]。Chen等通過研究主動脈環(huán)扎小鼠模型中不穩(wěn)定鐵和脂質(zhì)過氧化物含量的增加，推測出心力衰竭是與高度鐵代謝依賴性脂質(zhì)過氧化物過程相關(guān)，并證實TLR4（toll樣受體4）/NOX4（NADPH氧化酶4）參與了HF的自噬和鐵死亡介導(dǎo)的心肌細胞死亡過程[29]。Liu等[30]觀察到，葛根明顯阻斷了心衰小鼠模型和與異丙腎上腺素孵育的H9c2細胞的脂質(zhì)過氧化和鐵超載。葛根素治療可減輕線粒體萎縮，抑制心力衰竭大鼠心肌細胞數(shù)量的減少。心肌細胞的鐵死亡詳細分子機制仍需進一步研究。

2.4 鐵死亡與心肌肥厚

心肌肥厚是心力衰竭的病理基礎(chǔ)之一，因此抑制病理性心肌肥厚在心衰的防治中具有不可替代的作用。在壓力超負荷誘導(dǎo)的大鼠心肌肥厚模型中，MAP3K家族成員混合譜系酶3（MLK3）的表達量增加并可通過JNK/p53信號通路調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的鐵死亡[31]。Yin等人發(fā)現(xiàn)，Beclin1單倍體缺乏的小鼠能夠抵抗低溫誘導(dǎo)的心肌肥厚[32]。為了探索其具體機制，進行了體內(nèi)外實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，低劑量的Beclin1可以上調(diào)SLC7A11和GPX4，下調(diào)NCOA4，而NCOA4的增加是可以促進鐵死亡的[33]。心肌肥厚的加重與自噬密切相關(guān)，自噬進一步揭示了鐵死亡的重要調(diào)節(jié)機制。

2.5 鐵死亡與其他心血管疾病

Bai等人[34]的研究表明，erastin通過啟動鐵調(diào)素損傷心肌細胞。Erastin迅速增加H9c2細胞中活性氧的水平，這可能被Fer-1抑制。Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡也可以通過ENPP2的過度表達來抑制，ENPP2是一種產(chǎn)生脂質(zhì)介質(zhì)溶血磷脂酸的酶(LPA)。LPA是一種生物活性磷脂，通過激活G蛋白偶聯(lián)受體作為自分泌/旁分泌信使。LPA調(diào)節(jié)心肌細胞中脂蛋白脂酶的增加，并在急性和慢性缺血性心臟損傷中發(fā)揮重要作用。ENPP2的過表達促進H9c2細胞的遷移和增殖，減少erastin誘導(dǎo)的活性氧的產(chǎn)生。ENPP2因此被證明可以保護心肌細胞免受erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。

Sampilvanjil等人[35]發(fā)現(xiàn)香煙煙霧提取物(CSE)導(dǎo)致大鼠血管平滑肌細胞(VSMCs)的鐵死亡，并且CSE誘導(dǎo)的細胞毒性可以通過鐵死亡抑制劑來減輕。與其他血管壁細胞相比，血管平滑肌細胞對CSE誘導(dǎo)的細胞毒性更敏感。CSE導(dǎo)致GHS耗竭并誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化，從而引發(fā)室間隔細胞的鐵死亡。通過分餾CSE，Noya等人[36]確定丙烯醛和甲基乙烯基酮是導(dǎo)致CSE誘導(dǎo)的室間隔細胞鐵沉積的主要細胞毒性因子。

Li等人[37]報道了鐵死亡與膿毒癥誘導(dǎo)的心臟損傷有關(guān)。通過注射脂多糖(LPS)建立膿毒性心肌病模型，并用于確定鐵死亡抑制劑和鐵死亡誘導(dǎo)劑對LPS誘導(dǎo)的肌成纖維細胞的影響。鐵死亡抑制劑Fer-1減輕了LPS誘導(dǎo)的細胞損傷，而鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin和索拉非尼加重了LPS誘導(dǎo)的細胞損傷，證實鐵死亡在LPS誘導(dǎo)的肌成纖維細胞中被激活。

3 鐵死亡是一種潛在的新的臟保護靶點

如上所述，鐵死亡已被發(fā)現(xiàn)是由急性和慢性缺血再灌注、心力衰竭和各種類型的心肌疾病引起的致命心臟損傷的基礎(chǔ)。相反，靶向性鐵死亡被認為是處理這些心臟病變的可行方法。鐵死亡信號傳導(dǎo)中的遺傳操作，如胱氨酸-谷氨酸反轉(zhuǎn)運體的關(guān)鍵成分Slc7a11的過表達[38]，調(diào)節(jié)HO-1表達的Nrf2的敲除和GPX4的缺失，已被證明能增加對鐵死亡的抵抗力并減輕心臟和心肌細胞的損傷。與這些結(jié)果一致，藥物干預(yù)，如鐵螯合，也顯示出對細胞死亡的鐵依賴性過程的有效保護。經(jīng)研究證明，鐵螯合劑右丙氧烷(DZX)作為一種線粒體可滲透的金屬螯合劑，可減少自由基的產(chǎn)生，并改善離體大鼠心臟的缺血/再灌注后血流動力學(xué)[39]。此外，DZX保護小鼠免受DOX誘導(dǎo)的鐵死亡，并減少致死性心臟損傷和缺血再灌注后的心肌功能障礙。去鐵胺(DFO)是最廣泛使用的無毒鐵螯合劑，用于治療與鐵超載相關(guān)的不同疾病的患者。此外，DFO已被證明能減少大鼠心肌細胞中活性氧的生成[40]。鐵死亡抑制劑fer-1也在其他過量鐵誘導(dǎo)的細胞死亡和鐵代謝模型中顯示了保護作用[41]。

4 結(jié)論

鐵是一種人體所必需的礦物質(zhì)，在正常的生理過程和各種疾病的病理機制中起著關(guān)鍵作用。雖然研究不斷帶來新的發(fā)現(xiàn)，涉及了鐵及鐵死亡對心臟有害的作用機制，這些作用與活性氧的產(chǎn)生和對心肌損傷的易感性增加有關(guān)。但鐵死亡作為一種危險因素與部分心血管疾病之間的聯(lián)系仍需進一步探索和研究。這必會為開發(fā)新的和更有效的心血管疾病鐵靶向治療起到助力作用。