鐵死亡與心血管疾病的關系及其靶向治療

劉科成，姚靖燁，章海燕，魯翔

專家說：

鐵死亡是一種鐵依賴性的程序性細胞死亡方式，目前對于鐵死亡的研究尚處于相對早期的階段，其具體作用機制、調節因子和信號通路仍不十分明確。這篇綜述在關注鐵死亡經典的鐵代謝、脂質代謝、氧化-抗氧化失調的機制基礎上，著重分析了鐵蛋白自噬、脂肪自噬、線粒體代謝障礙、核因子E2相關因子2（Nrf2）基因調控和內體分揀轉運復合體Ⅲ（ESCRT-Ⅲ）介導的膜修復機制等在鐵死亡中的調控作用，以期為鐵死亡相關機制研究提供新思路。鐵死亡廣泛參與了癌癥、腎臟病、神經系統疾病和心血管疾病的發展。這篇綜述重點關注了心血管領域，分析了其在心肌缺血再灌注損傷、阿霉素的心肌毒性、心力衰竭、動脈粥樣硬化和主動脈瓣膜鈣化等方面的作用及其機制。各種類型的心血管疾病大多有著復雜的病理過程，凋亡、壞死、自噬等細胞死亡方式均參與其中，鐵死亡是否是這些疾病中的主要病理變化？在不同疾病的發生發展過程中，鐵死亡通路的具體調節機制及調節因子是否不同？這些均是在把鐵死亡作為藥物靶點時需要考慮的問題，本綜述只是針對現有的研究結果做了初步的總結與分析，期待有更多的基礎研究及臨床研究能對鐵死亡進行深入探索，以期為精準干預心血管疾病提供新思路。

鐵死亡由DIXON等［1］于2012年提出，是一種鐵依賴性的程序性細胞死亡方式，其在形態學、生物化學及基因調控等方面與壞死、凋亡、自噬和焦亡等細胞死亡方式均有所不同。研究發現，鐵死亡參與了腫瘤、神經退行性病變和腎損傷等疾病的發生發展［2］。心血管疾病是中國人死亡的主要原因之一［3］，但其發病機制復雜且目前仍不完全清楚，近年來鐵死亡在心血管疾病發生發展過程中的作用逐漸受到關注，且闡明鐵死亡與心血管疾病的關系對于探尋新的心血管疾病干預靶點與手段至關重要。本文綜述了鐵死亡相關機制、與心血管疾病的關系及其靶向治療研究進展，這對探尋新的干預靶點與手段以保護心肌細胞具有重要作用，可為心血管疾病的防控提供參考。

1 鐵死亡相關機制

1.1 鐵死亡的經典機制 鐵死亡的本質是細胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的積累過多，打破了細胞抗氧化體系維持的氧化還原平衡，從而引起細胞死亡［1］。一些親脂性還原劑和鐵離子螯合劑可以抑制鐵死亡，但細胞壞死、凋亡和自噬的抑制劑卻不能抑制鐵死亡。鐵死亡的經典機制包含鐵代謝、脂質代謝、氧化-抗氧化失調3個部分，這3個部分相互作用，最終引發鐵死亡。

1.1.1 鐵代謝失調 細胞質中存在含有游離鐵的鐵池，這些鐵可由轉鐵蛋白、非轉鐵結合蛋白等自細胞外轉運而來［4］，也可由血紅素加氧酶1（heme oxygenase 1，HMOX1）催化血紅素分解而來［5］；上述因子的功能障礙會引起鐵過載，最終通過芬頓反應促使脂質過氧化而導致鐵死亡［6］。

1.1.2 脂質代謝失調 脂質代謝是鐵死亡的核心過程，而鐵代謝中的芬頓反應可促使細胞生物膜內具有多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFA）的磷脂（phospholipids，PL）發生脂質過氧化，從而導致生物膜快速破裂，進而引發不可逆轉的細胞死亡［7］。其中合成PL-PUFA所需的?；o酶A合成酶長鏈家族（acyl-CoA synthetase long-chain family members，ACSL）是鐵死亡過程中的關鍵酶［8］；且PUFA中雙鍵的位置也與細胞對鐵死亡的敏感性相關［9］。

1.1.3 氧化-抗氧化失調 正常情況下細胞中被氧化的脂質即脂質氫過氧化物可以被細胞中的抗氧化體系還原，從而避免細胞進一步損傷，這些抗氧化體系包含谷胱甘肽（glutathione，GSH）、輔酶Q10、四氫生物蝶呤等［10］，其中發揮主要作用的是溶質載體家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）-GSH-谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）軸，GPX4將GSH作為底物并還原脂質氫過氧化物，而SLC7A11則是胱氨酸/谷氨酸反向轉運體的關鍵亞基，可輔助轉運胱氨酸以用于合成GSH［11］。當鐵死亡誘導劑如Erastin抑制SLC7A11-GSH-GPX4軸時，脂質氫過氧化物不斷積累并觸發鐵死亡［1］。

1.2 鐵死亡的最新相關機制 人們對鐵死亡相關機制的認識還在不斷深入，在鐵死亡經典機制的基礎上，多項研究發現，鐵蛋白自噬、脂肪自噬、線粒體代謝障礙、核因子E2相關因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）基因調控和內體分揀轉運復合體Ⅲ（endosomal sorting complex required for transportⅢ，ESCRT-Ⅲ）介導的膜修復機制也參與了鐵死亡的調控過程［5，12-29］，這為治療與預防鐵死亡相關疾病提供了新見解。

1.2.1 自噬 細胞可以通過自噬降解一些分子與細胞器來維持內環境穩態，但自噬失調會引起細胞死亡，進而導致多種疾病的發生。研究發現，鐵蛋白自噬、脂肪自噬等一些自噬過程可以引起鐵死亡［12-16］。

生理情況下，細胞中過量的鐵可以由細胞中的鐵蛋白儲存。鐵蛋白是由鐵蛋白重鏈1（ferritin heavy chain 1，FTH1）和鐵蛋白輕鏈兩個亞單位構成的球殼狀蛋白，具有強大的鐵緩沖能力。鐵蛋白自噬可降解鐵蛋白，釋放其中游離鐵以調控細胞內鐵含量，而Erastin等可以過度激活鐵蛋白自噬，導致大量鐵被釋放，從而引起鐵死亡［12］。研究顯示，核受體共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）是介導鐵蛋白自噬的關鍵因子，而敲除NCOA4基因將會阻斷鐵蛋白的降解，并抑制Erastin誘導的鐵死亡［13］。研究發現，一種與質膜突起有關的膜糖蛋白——Prominin-2可以介導鐵蛋白通過外泌體而釋放到細胞外，降低細胞內鐵蛋白含量，進而使細胞對鐵死亡產生抗性［14］。

細胞內的脂質通常儲存在脂滴中，脂滴可以將游離的脂肪酸轉移至其核心，從而使PUFA免受氧化。研究發現，在人肝細胞和透明細胞癌細胞中，脂肪自噬可以降解脂滴，釋放PUFA，從而促進鐵死亡［15］。還有研究顯示，在耐藥的頭頸部腫瘤細胞中，鐵死亡誘導劑Erastin等也可以通過促進脂肪自噬而使癌細胞發生鐵死亡［16］。

1.2.2 線粒體代謝障礙 線粒體是細胞的能量工廠，也是細胞中ROS的主要來源，其代謝障礙在鐵死亡中有重要作用。在半胱氨酸缺失誘發的鐵死亡過程中，線粒體中三羧酸循環及氧化呼吸鏈等的代謝可加速GSH的耗竭，導致脂質氫過氧化物大量累積，從而引起鐵死亡；而通過線粒體自噬去除線粒體將使腫瘤細胞對鐵死亡的敏感性下降［17］。線粒體也是鐵代謝的主要場所，線粒體中的部分鐵儲存于線粒體鐵蛋白中，和細胞質中鐵蛋白一樣，線粒體鐵蛋白可以通過儲存鐵來幫助細胞抵抗鐵死亡［18］；而另一部分鐵則可以用來合成血紅素和鐵硫簇，其代謝紊亂會造成線粒體中鐵的聚集，進而增加細胞對鐵死亡的敏感性［5，19］。在脂質代謝方面，低能量情況下線粒體中的AMP激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）可以通過抑制乙酰輔酶A羧化酶活性來減少ATP的消耗，從而抑制PUFA的產生，進而阻斷鐵死亡［20］。

1.2.3 Nrf2基因調控 Nrf2能夠與抗氧化反應元件結合，調控一系列抗氧化損傷基因的表達，在細胞抗氧化方面起重要作用。Nrf2調控的許多基因均可以阻止脂質過氧化的發生，其可以通過增加GSH的合成并上調GPX4的表達來促進SLC7A11-GSH-GPX4軸發揮抗氧化作用［21］。Nrf2還可以通過調控醛酮還原酶和NADPH氧化酶的活性來增加NADPH的合成，進而促進還原性GSH的生成［22-23］。同時，Nrf2也在鐵與血紅素的代謝中起關鍵作用，其可上調鐵蛋白和HMOX1的表達［5，24］。其中HMOX1在鐵死亡中具有雙重作用：在阿霉素誘導的心肌細胞鐵死亡中，HMOX1可促進鐵死亡［5］；而在腎近端小管細胞中，敲除HMOX1基因會使細胞對鐵死亡誘導劑Erastin更敏感，因而HMOX1也可抑制鐵死亡［25］。因此Nrf2對鐵死亡的作用還有待進一步研究。

1.2.4 ESCRT-Ⅲ介導的膜修復機制 鐵死亡中脂質過氧化可導致生物膜破裂，繼而導致細胞死亡，研究發現，ESCRT-Ⅲ在生物膜修復過程中具有重要作用，其可以延緩細胞死亡［26］。鐵死亡時，細胞膜損傷可使細胞質中的鈣離子水平上升，從而觸發ESCRT-Ⅲ膜修復機制，而ESCRT-Ⅲ可以介導受損的細胞膜脫落并被捕獲到細胞內或細胞外的囊泡中，從而抑制細胞膜受損導致的炎癥因子釋放及相關免疫反應激活，進而保護細胞［27］。鐵死亡誘導劑可以使細胞膜中ESCRT-Ⅲ的帶電荷的多泡體蛋白（charged multivesicular body protein，CHMP）5和CHMP6等組分增加，而敲除CHMP5、CHMP6基因將會使細胞對鐵死亡更敏感［28］。近來研究還發現，鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1，FSP1）除了參與輔酶Q10的抗氧化過程外，還通過參與激活ESCRT-Ⅲ介導的膜修復機制來抑制鐵死亡［29］。

2 鐵死亡與心血管疾病的關系

2.1 心肌缺血再灌注損傷 急性心肌梗死和心臟移植術后缺血心肌的血液灌注和氧供恢復反而會造成心肌進一步損傷，誘發心律失常、再灌注性心肌頓抑和微血管功能障礙，形成心肌缺血再灌注損傷。FANG等［5］研究顯示，心肌缺血再灌注損傷模型小鼠心肌非血紅素鐵含量上升，鐵死亡的標志物前列腺素內過氧化物合酶2（prostaglandin-endoperoxide synthase 2，Ptgs2）mRNA表達上調，而鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1和右丙亞胺均可以緩解心室的重塑及損傷，表明心肌缺血再灌注損傷模型小鼠心肌細胞發生了鐵死亡。TANG等［30］研究發現，小鼠發生心肌缺血時，與鐵死亡有關的ACSL4、GPX4、鐵和丙二醛水平均沒有明顯變化，但心肌再灌注后，ACSL4、鐵和丙二醛水平上升，而GPX4水平下降，表明鐵死亡主要發生在再灌注時期。且再灌注時，心肌細胞中轉鐵蛋白受體1（transferrin receptor protein 1，TfR1）被活化且鐵蛋白自噬增多，導致細胞中鐵沉積［31］。以上研究均表明，心肌細胞鐵死亡是心肌缺血再灌注損傷的重要過程，但其具體機制還有待進一步研究。

2.2 阿霉素的心肌毒性 以阿霉素為代表的蒽環類藥物在惡性腫瘤的治療中被廣泛應用，但其可以以劑量依賴的方式引起心肌毒性，進而威脅患者生命［32］。FANG等［5］研究發現，只有鐵死亡抑制劑能明顯減少由阿霉素的心肌毒性導致的小鼠死亡，但其他程序性細胞死亡抑制劑的效果不明顯；其進一步研究發現，阿霉素可引起細胞核中Nrf2的積累，促進HMOX1表達，引起血紅素降解和心臟中游離鐵釋放，進而引起鐵死亡。TADOKORO等［33］研究發現，阿霉素可以直接與鐵蛋白中的三價鐵離子結合而形成復合物，該復合物以氧濃度依賴的方式被還原為阿霉素二價鐵離子復合物并產生羥基自由基，進而導致脂質過氧化，引起鐵死亡。研究表明，線粒體在阿霉素誘導的心肌細胞鐵死亡中有重要作用：阿霉素會聚集于心肌細胞的線粒體，導致線粒體中鐵沉積并產生大量ROS［34］；心肌細胞的脂質過氧化主要發生在線粒體上，而阿霉素不僅會升高線粒體中脂質過氧化產物4-羥基壬烯醛表達水平，而且會降低GPX4尤其是線粒體中GPX4的表達水平，進而引發鐵死亡［35］；靶向線粒體的抗氧化劑比非特異性抗氧化劑能更好地緩解阿霉素誘導的脂質過氧化，從而抑制鐵死亡［5，33］。綜上，阿霉素誘導的心肌細胞鐵死亡在心肌毒性的發生發展過程中起到了極其重要的作用。

2.3 心力衰竭 心力衰竭是高血壓、心臟瓣膜病等眾多心血管疾病的終末期臨床表現，以心肌肥大和纖維化為主要特征，而心肌細胞鐵死亡參與了某些情形下心力衰竭的發病過程。研究發現，在主動脈束帶引起的心力衰竭模型小鼠中，心肌細胞中脂質氫過氧化物和不穩定鐵池增加，GPX4和鐵蛋白的表達下調，表明心肌細胞發生了鐵死亡［36］。FANG等［37］用高鐵飲食誘導心肌細胞鐵蛋白基因敲除小鼠發生心力衰竭，結果顯示，小鼠心肌細胞中鐵死亡標志物Ptgs2 mRNA水平明顯上升且SLC7A11-GSH-GPX4軸受損。ZHANG等［38］研究發現，敲除胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白會加重血管緊張素Ⅱ介導的心肌纖維化、心肌肥大和心肌功能障礙。上述研究均表明，在心力衰竭發生過程中存在心肌細胞鐵死亡現象，而鐵死亡與其他細胞死亡在心力衰竭中的相互作用與相關分子機制還有待進一步研究。

2.4 動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是心血管系統常見的疾病，其發病機制還未被完全闡明，其主要病理變化為血管內皮細胞損傷、脂質沉積與過氧化、血管平滑肌細胞增殖和巨噬細胞轉化［39］，而鐵死亡參與了上述病理變化過程。在內皮細胞損傷過程中，BAI等［40］研究發現，氧化低密度脂蛋白可以誘導動脈粥樣硬化模型小鼠主動脈內皮細胞中鐵的沉積和脂質過氧化，導致內皮細胞發生鐵死亡。在脂質沉積與過氧化過程中，VINCHI等［41］研究發現，動脈中膜和斑塊中的鐵沉積可導致動脈粥樣硬化模型小鼠斑塊中脂滴數量增加，過量的鐵也可通過芬頓反應加速脂質過氧化［40］。在血管平滑肌細胞增殖方面，鐵沉積可以使血管平滑肌細胞轉化為類似巨噬細胞的表型，并且促使血管平滑肌細胞遷移［41］。在巨噬細胞轉化方面，MALHOTRA等［42］通過抑制鐵調素活性降低了巨噬細胞中的鐵含量，使促炎表型巨噬細胞減少，緩解了小鼠動脈粥樣硬化癥狀；而YU等［43］研究發現，高尿酸血癥可以降低動脈粥樣硬化模型小鼠巨噬細胞中Nrf2、SLC7A11、GPX4水平，促進巨噬細胞來源的泡沫細胞形成，增加細胞中鐵與脂質的沉積，導致巨噬細胞發生鐵死亡。由此看來，鐵死亡在動脈粥樣硬化的發生發展過程中具有重要作用，鐵死亡有望成為動脈粥樣硬化預防與治療的新靶點。

2.5 主動脈瓣膜鈣化 主動脈瓣膜鈣化是最常見的心臟瓣膜疾病，其病理機制一直不明確，也缺乏有效的藥物干預手段。既往研究發現，內皮細胞損傷可導致紅細胞進入主動脈瓣間質，引起鐵沉積并促進主動脈瓣間質細胞向成骨細胞表型分化，最終導致主動脈瓣膜鈣化［44］。XU等［45］研究表明，主動脈瓣膜鈣化患者的瓣膜出血區細胞發生了鐵死亡，且主動脈瓣膜鈣化與SLC7A11表達降低相關，其在體外實驗中進一步發現，降低瓣膜間質細胞中SLC7A11表達水平可促使瓣膜間質細胞向成骨細胞表型分化。綜上，鐵死亡參與了主動脈瓣膜鈣化的過程，抑制鐵死亡可能是緩解主動脈瓣膜鈣化新的治療策略，但其具體機制還不明確。

3 以鐵死亡為靶點防治心血管疾病

針對鐵死亡的干預有望成為緩解心肌缺血再灌注損傷的可能方向。研究顯示，在鐵代謝通路中，花青素-3-葡萄糖苷可以下調TfR1、NCOA4水平以減少鐵的輸入和鐵蛋白自噬，并上調FTH1的表達以促進鐵蛋白對鐵的儲存，從而減少細胞內鐵含量，進而減少再灌注時心肌細胞的鐵死亡［46］。在脂質代謝通路中，黃芩苷可以通過抑制ACSL4的表達來抑制鐵死亡［31］。在抗氧化調節中，泛素特異肽酶22去泛素化可以升高SLC7A11表達水平，促進GSH的合成，進而抑制鐵死亡［47］。

對于阿霉素的心肌毒性，目前臨床上正在使用的右丙亞胺就是以鐵死亡為靶點的藥物。右丙亞胺是一種鐵離子螯合劑，其可以降低心肌細胞內尤其是線粒體內鐵離子水平［34］；右丙亞胺對心肌的保護作用也可能與高遷移率族蛋白1（high mobility group box 1 protein，HMGB1）的調控有關，HMGB1可促進阿霉素誘導的心肌細胞鐵死亡，而右丙亞胺可以抑制HMGB1表達并逆轉心肌細胞中GPX4和FTH1的下降［35］。近來研究表明，紅景天苷可以激活AMPK，從而調節異常脂質代謝并維持線粒體功能，降低阿霉素引起的心肌細胞鐵死亡［48］。

目前在其他心血管疾病中針對鐵死亡靶點的防治研究并不豐富。對于心力衰竭，研究顯示葛根素可以緩解主動脈束帶引起的心力衰竭模型小鼠心肌細胞的鐵死亡［36］；FANG等［37］和ZHANG等［38］研究結果均顯示，Ferrostatin-1可以抑制心力衰竭模型小鼠心功能的下降。關于動脈粥樣硬化，BAI等［40］研究發現，Ferrostatin-1和右丙亞胺可減輕動脈粥樣硬化模型小鼠主動脈內皮細胞中的鐵沉積和脂質過氧化，上調SLC7A11、GPX4水平，進而抑制鐵死亡。而對于主動脈瓣膜鈣化，目前的研究尚無靶向鐵死亡的有效干預方法。

綜上，鐵死亡是防治心肌缺血再灌注損傷、阿霉素的心肌毒性、心力衰竭和動脈粥樣硬化等心血管疾病的重要潛在靶點，而目前靶向鐵死亡的防治方法還大多停留在基礎研究階段，其在心血管疾病防治中的作用還有待進一步研究證實。

4 小結及展望

目前，距鐵死亡被發現和定義已有十余年，鐵死亡分子機制與調控方面的研究已取得重大進展。細胞的鐵代謝、脂質代謝、氧化-抗氧化代謝失調與鐵死亡有關，在此基礎上，鐵蛋白自噬、脂肪自噬、線粒體代謝障礙、Nrf2基因調控和ESCRT-Ⅲ介導的膜修復機制等也參與了鐵死亡的調控過程。鐵死亡也被發現與心血管疾病的發生發展密切相關，提示其有望成為心血管疾病的重要干預靶點。但目前關于心血管疾病中鐵死亡的機制及靶向治療研究大多集中在缺血再灌注損傷、蒽環類藥物的心肌毒性、心力衰竭和動脈粥樣硬化等方面，鐵死亡在瓣膜鈣化等其他心血管疾病中的作用及其干預靶點還需更多研究證實。此外，作為一個潛在的干預靶點，對鐵死亡進行干預還需要進一步的臨床證據，其確切機制也需要更多研究進一步證實。

作者貢獻：劉科成進行文章的構思與撰寫；姚靖燁進行文獻資料搜集；劉科成、姚靖燁進行論文修訂；章海燕、魯翔負責文章的質量控制及審校，并對文章整體負責、監督管理。

本文無利益沖突。