鐵死亡與神經系統疾病

王 杰 吳 蔚

長沙市第一醫院藥劑科，湖南長沙 410000

細胞是生命的基本組織單位，在個體發育成熟的過程當中，細胞會經歷增殖、分化、衰老并最終走向死亡。其中死亡過程在細胞整個生命周期當中至關重要，了解并控制細胞死亡的機制將有助于人類解決其在各種疾病中的作用。一般來說，受損或衰老細胞會通過激活不同的細胞死亡方式被清除。在過去的幾十年里，細胞死亡的幾種形式被確定并歸類。2015 年細胞死亡命名委員會（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）根據功能方面的不同，將細胞死亡的類型分為意外性細胞死亡（accidental cell death，ACD）和調節性細胞死亡（regulated cell death，RCD），前者是一個被動過程，而后者則是一個主動的過程[1]。調節性細胞死亡可以通過一系列分子機制和信號通路介導，其中細胞凋亡是受調控的細胞死亡中最普遍，同時也是研究最為深入的形式，它主要是由caspase 家族蛋白酶的激活引發[2]。然而，在涉及感染、創傷或神經退行性疾病等情況下，細胞死亡主要通過其他非凋亡調節性細胞死亡途徑，包括壞死性凋亡、細胞焦亡、細胞自噬及鐵死亡等[3-6]。

鐵死亡是Dixon 等于2012 年首次確認并報道，其特征表現為鐵依賴性的有毒脂質活性氧（reactive oxygen species，ROS）積聚[7]。在隨后的幾年中，研究人員陸續在急性缺血性卒中及腦出血等急性腦損傷過程中發現鐵死亡可能是細胞死亡的重要機制，并可能在某些神經退行性疾病中發揮作用[8]。

在分子水平，鐵死亡是以鐵依賴型的脂質ROS積聚為特征，這一過程與不可修復的脂質損傷和膜透化作用相關[9]。形態學上鐵死亡的細胞表型主要是線粒體形態的改變，包括線粒體皺縮和線粒體嵴的消失[10]。導致這些改變的原因以及這種形態學的改變是否對鐵死亡的發生起關鍵作用仍不清楚，但其仍可以作為細胞發生鐵死亡的證據之一。

事實上鐵依賴型的細胞死亡并不是一個全新的概念，早在鐵死亡發現之前便有學者在神經退行性疾病和腦損傷過程中報道了許多與鐵或氧化應激相關的病理性細胞死亡事件。隨著鐵死亡的發現，對鐵死亡途徑有更好的理解有助于我們對神經系統或其他組織損傷尋找新的治療方法。本文回顧了鐵死亡的機制以及關于神經系統疾病與鐵死亡之間的關系。

1 鐵死亡的機制

1.1 鐵離子積聚

鐵需求增加是鐵死亡的顯著特征。鐵離子或亞鐵離子螯合劑可有效抑制鐵死亡的發生，而其他二價金屬離子螯合劑沒有這種作用[11]。另外由于鐵在血液中通過轉鐵蛋白運輸，研究人員通過敲低轉鐵蛋白后發現能夠阻止鐵死亡的發生，并且重新補充轉鐵蛋白而不是脫鐵轉鐵蛋白后可以重新誘導鐵死亡的發生[12]。

此外有文獻報道在分子水平沉默鐵代謝的關鍵基因鐵反應蛋白結合元件2（iron responsive element binding protein 2，IREB2）和轉鐵蛋白受體（transferrin receptor，TFRC）可以減少細胞對鐵的攝取同時可以顯著降低腫瘤細胞對鐵死亡的敏感性[13]。以上結果提示無論是直接減少局部鐵離子的攝取和積聚，亦或是減少鐵離子的運輸過程均能有效降低細胞對鐵死亡的敏感性。

1.2 胱氨酸/谷氨酸反向轉運體（cystine/glutamate antiporter，System Xc-）功能障礙

System Xc-是存在于細胞膜上的一種轉運蛋白，其由調控亞基溶質載體家族3 成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）和溶質載體家族7 成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）組成[14]，小分子化合物Erastin 可顯著抑制其活性。在功能上System Xc-將細胞外的胱氨酸轉運進入細胞的同時，可以把細胞內的谷氨酸交換出去，這一過程是非三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）依賴性的，其主要由細胞內高濃度的谷氨酸介導，因此不同類型神經系統損傷所引起的細胞外高濃度的谷氨酸能顯著抑制這一過程[15]。

胱氨酸在進入細胞后立刻還原為半胱氨酸，隨后用于合成抗氧化劑谷胱甘肽（glutathione，GSH），研究人員在GSH 的3 種氨基酸中發現半胱氨酸含量最少，因此半胱氨酸也被認為是GSH 從頭合成的限速氨基酸。以上研究表明System Xc-活性對于GSH 的合成至關重要。有意思的是Sato等[16]在部分細胞中抑制System Xc-活性后發現其并不能誘導鐵死亡的發生，進一步研究發現在某些細胞中甲硫氨酸可通過轉硫作用合成半胱氨酸。盡管如此，胱氨酸轉運在大部分細胞中似乎是維持半胱氨酸和GSH 水平的最重要因素，因此維持System Xc-功能正常對預防鐵死亡的發生以及降低細胞對鐵死亡的敏感性至關重要。

1.3 脂質過氧化過程被激活

鐵死亡最重要的標志是鐵依賴性的有毒脂質ROS 積聚。其與質膜上的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）過度氧化有關[17]。

谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）可以使用GSH 作為輔因子將PUFAs 脂質過氧化物還原為脂質醇。因此脂質過氧化物和脂質醇之間通過GPX4 維持相對平衡。當GPX4 耗竭或失活時，脂質過氧化物積聚并超過正常水平，其在Fe2+作用下生成強氧化性的烷氧基團。這些基團能夠通過自由基介導的鏈式反應直接損傷鄰近的PUFAs，從而導致嚴重的膜損傷。以上結果表明鐵死亡的發生發展可能與GPX4 之間存在強烈的相關性。最直接的證據是研究人員在GPX4 抑制劑RAS 選擇性致死性小分子（RAS-selective lethal 3，RSL3）中被觀察到可以誘導鐵死亡的發生。進一步研究發現RSL3 可與GPX4 共價結合并直接導致其失活[18]。因此GPX4 功能缺失被認為是導致鐵死亡發生的關鍵因素。

2 鐵死亡與神經系統相關疾病

2.1 鐵死亡與腦卒中

腦卒中可分為缺血性卒中以及出血性卒中。Tuo等[19]通過建立暫時性大腦中動脈閉塞（transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO）模型發現受損半球神經元內鐵離子水平升高。另外其他研究也證實了GPX4 水平在腦缺血半影區皮層和海馬中顯著下調。另一個涉及鐵死亡的過程是腦出血性損傷，該過程主要與血液中血紅蛋白內的二價鐵釋放有關[20]。與在腦缺血性損傷中所觀察到的一致，研究人員發現GPX4 水平在出血性腦損傷區域顯著下降。

此外過表達GPX4 對于缺血性或出血性腦損傷均具有保護作用。鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 或liproxstatin-1 也被觀察到在tMCAO 誘導的腦損傷以及血紅蛋白或游離鐵誘導的腦片海馬區細胞死亡過程均有保護作用[21]。以上證據表明無論是在缺血性卒中還是出血性卒中導致的神經細胞損傷里，鐵死亡均發揮重要作用。

2.2 鐵死亡與創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）

TBI 包括原發性和繼發性損傷，可造成皮質或皮質下挫傷和撕裂傷、顱內出血和血腦屏障破裂。通過磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術，研究人員發現在TBI 患者的丘腦、蒼白球和深部灰質中鐵含量顯著升高，提示鐵離子參與TBI形成過程中的白質和皮質下灰質損傷[22]。因此鐵死亡與TBI 損傷可能密切相關。

在動物模型中，損傷1 h 后可以檢測到脂質ROS 水平升高，這與GPX4 功能被抑制有關。另外在損傷部位可觀察到與鐵死亡相一致的形態學證據，即線粒體皺縮。而給予ferrostatin-1 后可減少細胞死亡和相關的神經行為學改變。以上證據提示在TBI 損傷過程中存在鐵死亡的發生。

2.3 鐵死亡與神經退行性病變

2.3.1 阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD） AD是目前世界上最常見的神經退行性疾病，占癡呆病例的60%～80%，臨床上表現為記憶減退和認知功能下降[23]。在AD 患者損傷腦區中還發現了鐵離子水平的異常升高，這提示AD 的發生可能與鐵死亡存在關聯。研究人員通過對成年小鼠大腦神經元中定向敲除GPX4 后發現可導致AD 樣認知功能障礙，同時這一癥狀可通過鐵死亡抑制劑減輕[24]。另外由于神經細胞膜富含PUFAs，易于被氧化，因此脂質過氧化可能導致氧化應激相關的神經退行性病變。

以上證據均提示靶向鐵死亡過程可能對AD 的治療具有一定的意義。在一項臨床試驗中，口服去鐵酮（deferiprone，DFP）被證明可以減輕AD 患者神經功能評分并改善鐵死亡相關的神經癥狀[25]，因此鐵螯合劑可以作為治療AD 的潛在藥物。

2.3.2 帕金森病（Parkinson’s disease，PD） PD是僅次于AD 的第二大神經退行性疾病，其典型特征仍與運動表現有關，如運動遲緩、靜息性震顫和肌強直[26]。PD 的病理生理特征是黑質多巴胺能神經元的進行性退化，這與鐵離子積聚有關，其后果是細胞內出現以聚集的α-突觸核蛋白為主要成分的Lewy 小體[27]。Lewy 小體會導致ROS 的產生，隨后發生脂質過氧化，進而導致細胞死亡。

研究人員在小鼠PD 模型中用去鐵肽治療發現可以顯著降低氧化應激細胞中的鐵離子水平并改善運動功能，同時提高紋狀體多巴胺水平。同時研究發現ferrostatin-1 和去鐵胺（deferoxamine， DFO）等鐵死亡抑制劑可以阻斷神經毒素誘導的多巴胺能神經元死亡[28]。

另外在PD 進展過程中，氧化應激、脂質過氧化和線粒體功能障礙的增加也與GPX4 的消耗有關，這也支持了鐵死亡參與的PD 的發病機制。

2.3.3 亨廷頓病（Huntington’s disease，HD） HD是常染色體顯性遺傳的神經退行性疾病[29]。雖然HD 的病理機制非常復雜，但越來越多的證據表明氧化應激是引起HD 的初始因素。

研究人員在HD 小鼠模型和HD 患者的死亡神經元中觀察到高水平的脂質過氧化，另外Kumar等[30]的研究表明在HD 患者大腦皮層、紋狀體和海馬中檢測到GSH 顯著減少。以上結果提示在HD 的發展過程中，GSH 耗竭導致脂質ROS 積聚，隨后引發的鐵死亡過程可能是最主要的細胞死亡方式。

此外MRI 顯示HD 患者紋狀體中有過多的鐵沉積，通過體內研究發現增加鐵含量后進一步降低了HD 小鼠的紋狀體體積，同時使神經功能評分進一步惡化[31]。以上結果提示鐵離子積聚在HD 發展過程中發揮重要作用。

3 展望

目前對鐵死亡研究主要集中在腫瘤相關疾病，美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）已經批準使用的六甲密胺（Altretamine）、索拉非尼（Sorafenib）等藥物被發現可以誘發腫瘤細胞鐵死亡，這對腫瘤相關疾病的干預具有重要臨床意義[32]。但目前關于非腫瘤疾病如神經系統疾病的相關研究仍然較少。

與誘導腫瘤細胞鐵死亡的目標不同，我們在神經系統疾病中的目標是盡可能使損傷的神經細胞盡可能恢復正常，目前在基礎研究中已經發現包括抗氧化劑及鐵螯合劑可以作為一種潛在的替代手段來緩解各種類型神經系統損傷中的鐵死亡過程。因此在這一領域繼續深入研究并開發相關藥物可能為神經系統非腫瘤疾病的發生發展提供潛在的干預手段。