鐵死亡在創傷性中樞神經系統損傷治療中的研究進展

楊怡然，王純，鄧桑楊，江晨，吳海鷹，錢傳云

650000 云南省昆明市，昆明醫科大學第一附屬醫院急診醫學科

創傷性中樞神經系統損傷是指中樞神經系統遭受機械暴力所致的損傷，在病理上可分為機械暴力直接作用于損傷局部的原發性損傷和損傷局部微環境改變引起一系列級聯反應而導致幸存神經組織再次受損的繼發性損傷，包括創傷性腦損傷和脊髓損傷［1］。創傷性中樞神經系統損傷具有極高的致殘率和死亡率，巨額的醫療費用和后遺癥進一步加重了患者和家屬的經濟負擔及心理負擔［2-3］。目前創傷性中樞神經系統損傷的治療方式主要包括手術減壓（開顱減壓、椎板減壓）、物理療法（高滲療法、低溫療法、高壓給氧）和糖皮質激素、谷氨酸拮抗劑、自由基清除劑和黃體酮等藥物治療以及后期康復治療，但這些治療方式均不能取得理想的療效［3-4］。因此，開發新的治療中樞神經系統損傷及其后遺癥的替代療法是目前亟待解決的問題。

鐵死亡是新近發現的細胞程序性死亡方式之一，區別于其他細胞死亡方式，受細胞內鐵離子影響。在細胞核完整的情況下，線粒體特征性改變，導致高爾基體、內質網和溶酶體過氧化，并最終誘導細胞死亡［5］。2017 年有學者證實中樞神經系統急性損傷后可誘導神經元發生鐵死亡［6］。針對相關靶點也有藥物干預，但目前臨床轉化有限。本文通過總結既往抗中樞神經系統損傷神經元鐵死亡藥物研究成果，為臨床治療創傷性中樞神經系統損傷提供新思路。

1 本文文獻檢索策略

檢索PubMed、Web of Science、中國知網（CNKI）數據庫，檢索時間為建庫至2023 年4 月，中文檢索詞包括“鐵死亡”“創傷性中樞神經系統疾病”“創傷性腦損傷”“脊髓損傷”“治療”，英文檢索詞包括“ferroptosis”“traumatic central nervous system disease”“traumatic brain injury”“spinal cord injury”“treatment”。文獻納入標準：（1）鐵死亡與創傷性中樞神經系統損傷的臨床研究及病例分析；（2）基礎研究及會議報告。文獻排除標準：（1）與研究問題無關、重復發表、無法找到全文信息的文獻；（2）質量差的文獻；（3）年代過于久遠的文獻。

2 鐵死亡

2.1 鐵死亡的定義

DIXON 等［5］研究表明Erastin 的抗癌活性依賴于一種新型細胞死亡誘導，其可以特異地被鐵螯合劑和親脂性抗氧化劑完全阻止，但不受凋亡抑制劑影響，因此將這種在形態、生化和遺傳上不同于凋亡、壞死和自噬而獨特的鐵依賴性的非凋亡性細胞死亡，命名為“鐵死亡”。STOCKWELL 等［6］認為鐵死亡是調節性細胞死亡形式，其特征在于細胞內亞鐵離子和脂質過氧化物的累積達到細胞致死水平。機體鐵死亡與許多生物過程緊密相關，包括鐵、氨基酸和多不飽和脂肪酸代謝，以及谷胱甘肽、還原型輔酶Ⅱ（NADPH）和輔酶Q10（CoQ10）的生物合成。根據2018 年細胞死亡命名委員會（NCCD）［7］的建議，鐵死亡是由細胞內微環境的特定變化，特別是嚴重的脂質過氧化引發的程序性細胞死亡方式之一，依賴于活性氧自由基的產生和鐵的活性，受谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）調控。

2.2 鐵死亡的特征

鐵死亡在形態學、生化和基因表達上均與其他程序性細胞死亡不同。形態學上，發生鐵死亡的細胞通常表現為線粒體特征性改變（線粒體水腫、膜密度增大、內嵴減少或缺失以及質膜破裂）［5］。生化特征主要包括細胞內鐵超載和脂質過氧化，鐵可通過芬頓反應直接產生過量的活性氧（ROS）（超氧化物、過氧化氫、脂質過氧化物或相應的羥基和過氧自由基）［8］，使得多不飽和脂肪酸（PUFA）等脂質過氧化，細胞氧化系統和抗氧化系統失衡，最終導致細胞鐵死亡。基因異常表達被認為是鐵死亡的特定生物標志物和驅動因素，如脂肪酸代謝相關酶長鏈脂酰輔酶A 合成酶4（ACSL4）［8］、抗氧化防御系統相關酶GPX4［9］、轉錄因子核因子E2相關因子（Nrf2）［10］和質膜修復相關分子內涵體分選復合物Ⅲ（ESCRT Ⅲ）［11］等過表達。

3 鐵死亡與創傷性中樞神經系統損傷

3.1 鐵死亡與創傷性腦損傷

創傷性腦損傷是我國乃至全球的重大公共衛生健康問題之一，也是中青年死亡和致殘的最主要原因。據統計，全球每年約5000 萬人患創傷性腦損傷，患者健康受到重創的同時還增加了家庭和社會的負擔［12］，此外，創傷性腦損傷也是各種神經退行性疾病的潛在危險因素［13-15］。創傷性腦損傷病理損傷包括原發性損傷和繼發性損傷，原發性損傷不可逆轉，減輕繼發性損傷是創傷性腦損傷當今最重要的治療策略，而減少神經元死亡是治療創傷性腦損傷繼發性損傷的關鍵［16-17］，調控神經元鐵死亡來干預創傷性腦損傷的繼發性損傷逐步成為神經科學界關注的焦點［18］。

去鐵胺（deferoxamine，DFO）通過清除損傷細胞內鐵離子和抑制損傷腦區鐵蛋白重鏈（FTH）和鐵蛋白輕鏈（FTL）高表達減少鐵沉積發揮神經保護作用，可緩解大鼠創傷性腦損傷后腦組織局部缺損和相關認知障礙［19］。Fer-1 作為人工合成的抗氧化劑，可抑制質膜損傷從而抑制細胞鐵死亡，XIE 等［20］在創傷性腦損傷小鼠側腦室注射Fer-1，發現小鼠腦損傷后細胞內鐵沉積減少、退化神經元數量減少、損傷體積減小，長期預后得到改善。Lip-1 又稱為“活性氧捕捉劑”，可激活GPX4 抑制鐵死亡，在RUI 等［21］的一項研究中，Lip-1下調了創傷后鐵死亡相關蛋白與基因的表達和轉錄，并阻止創傷性腦損傷誘導的皮質神經元谷胱甘肽（GSH）水平下調、脂質過氧化產物累積和鐵沉積，減少神經元死亡，改善運動表現。褪黑素是松果體分泌的一種激素，可以減少創傷性腦損傷神經元鐵沉積和死亡數量，改善神經功能。同時，研究發現褪黑素對FTH 敲除小鼠致高敏感性鐵死亡的神經保護微弱，這表明褪黑素的神經保護作用是通過抑制FTH 介導的神經元鐵死亡［21］。XIAO 等［22］通過RNA 測序發現褪黑素通過相關信號通路降低脂質過氧化顯著降低內質網應激和鐵死亡。miR-212-5p 在創傷性腦損傷小鼠損傷腦組織胞外囊泡中低表達，有學者證實miR-212-5p 靶向調控PTGS2 減輕創傷性腦損傷后神經元鐵死亡，發揮神經保護作用［22］。黃芩素是脂氧合酶的抑制劑，可以阻止GPX4 特異性抑制劑RSL3 和機械牽拉所致的海馬細胞死亡，同時減輕創傷性腦損傷小鼠體內磷脂酰乙醇胺的氧化，減少鐵死亡蛋白表達和神經細胞死亡，改善創傷性腦損傷預后［23］。前動力蛋白2（Prok2）是黑色曼巴毒液和青蛙皮膚的組成部分，也是原激素家族的一員，已被證明可以上調Fbox10 的表達，并促進ACSL4 的泛素化和降解。側腦室內注射Prok2 過表達腺病毒（AAV-Prok2）可增加GPX4 的表達，降低ACSL4 水平和病變體積，進而提高腦損傷后的運動能力和學習能力。這種Prok2 驅動的級聯反應減輕了鐵死亡，并保護線粒體和神經元免受損傷［24］。白藜蘆醇苷是一種天然植物提取物，可以抑制創傷性腦損傷后一系列細胞鐵死亡反應（鐵死亡相關基因表達、鐵沉積以及脂質過氧化），且該藥物比Fer-1具有更高的改善GPX4 活性的能力［25］。魯索替尼是一種口服JAK1 和JAK2 酪氨酸激酶抑制劑，臨床上用作骨髓纖維化治療藥物，相較Fer-1 能顯著逆轉GPX4 在創傷性腦損傷神經中的低表達，此外，其還可以減少創傷后的神經退行性病變、腦水腫、運動功能障礙、記憶缺陷和焦慮行為［26］。以上研究均證明干預神經元鐵死亡治療創傷性腦損傷的有效性，具體機制見表1。

表1 抗創傷性中樞神經系統損傷鐵死亡藥物匯總Table 1 Summary of anti-traumatic central nervous system injury ferroptosis drugs

3.2 鐵死亡與脊髓損傷

脊髓損傷是臨床常見中樞神經系統損傷性疾病之一，同時因其高殘疾率和高死亡率成為目前具有挑戰性的醫療問題之一［27］。全球有超過2700 萬人患有脊髓損傷，每年約有100 萬新發病例，其中跌倒和車禍是主要病因［28］，發病趨勢是30 歲以下的年輕人［2］。脊髓損傷后不可逆的運動和感覺障礙影響身心健康［29］，許多研究也表明脊髓損傷患者比正常人更容易遭受抑郁或焦慮［30-32］。此外，每個脊髓損傷患者的經濟負擔通常較高［33］。因此，脊髓損傷會給患者的身體、心理和經濟上帶來嚴重的負擔。然而，目前已知脊髓損傷的病理機制復雜且不明確，臨床診斷主要依靠體格檢查、影像學及相關生化指標［34］。最重要的是，脊髓損傷的治療是有限的，目前主要集中在手術緩解壓迫，減少繼發性病理，以及使用激素藥物來減少炎癥和腫脹［35］。因此，識別和研究脊髓損傷的發病機制是提高臨床療效的重要途徑。

DFO 是一種鐵螯合劑，可增加GPX4、xCT 和GSH的表達，抑制膠質細胞增生，最終恢復長期運動功能［36］。此外，DFO 還可以減少脊髓損傷后的運動皮質神經元鐵超載和神經元鐵死亡，并有助于運動功能的恢復［37］。SRS 16-86 是一種在血漿和肝臟中具有高穩定性的新型鐵死亡抑制劑，在脊髓損傷模型中可提高GPX4、GSH和xCT，減少脂質氧化、膠質細胞增生和神經元損傷［37］。原花青素是一種葡萄種子中常見的強效自由基清除劑，可以降低鐵和硫代巴比妥酸反應物質的水平，降低花生四烯酸-15-脂加氧酶（ALOX15）和酰基輔酶A 合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）的表達，同時提高血紅素加氧酶1（HO-1）、Nrf2、GSH 和GPX4 的濃度，改善損傷小鼠運動能力［38］。此外，Fer-1 抑制膠質細胞的活化從而降低損傷后局部鐵聚集，降低鐵死亡相關基因表達和線粒體特征性改變，有利于恢復脊髓損傷后神經功能［39］。研究發現，金屬離子鋅增加鐵死亡保護性通路Nrf2/HO-1 的表達，降低損傷后細胞鐵死亡中間代謝產物［GSH、超氧化物歧化酶（SOD）、GPX4、ROS和丙二醛（MDA）］水平，同時逆轉損傷的線粒體和炎癥［39］。脂氧素A4 是一種抗炎遞質，可通過調節Akt/NRF2/HO-1 信號通路，誘導脊髓損傷后的神經保護和功能改善［40］，在原代脊髓神經元中，通過相同的信號通路，脂氧素A4 也可以抑制Erastin 誘導的鐵死亡［41］。有實驗用依達拉奉治療大鼠脊髓損傷，發現損傷組織內鐵死亡抑制蛋白GPX4 和xCT 表達增多，而促進鐵死亡的ACSL4 和ROS 明顯降低，說明其可能改善大鼠脊髓損傷急性期鐵死亡［42］。上述鐵死亡抑制劑發揮神經保護作用的具體機制見表1。

4 小結與展望

創傷性中樞神經系統損傷給患者帶來了嚴重的精神打擊，且目前治療效果不理想。由游離鐵超載、脂質過氧化和鐵死亡相關蛋白過表達所致的鐵死亡在中樞神經系統創傷后的繼發性損傷中起著重要作用。鐵死亡在繼發的神經炎性反應、免疫反應、神經膠質細胞的激活及其他程序性細胞死亡中發揮關鍵作用。針對鐵死亡發生機制研發的化合物主要分為鐵離子螯合劑、脂質過氧化抑制劑、抗氧化劑、自由基清除劑等，其可能影響鐵代謝、脂質氧化和氧化還原反應，從而用于抑制鐵死亡。鐵死亡在神經系統中普遍存在，從神經發生到變性，從急性損傷到慢性預后。然而，目前關于鐵死亡抑制劑治療創傷性中樞神經系統損傷的臨床研究較少，唯一的臨床研究主要集中在生物標志物的識別上，相關藥物臨床轉化有限。不過在基礎實驗中，抑制鐵死亡在創傷性中樞神經系統損傷方面顯示出了顯著的保護作用，未來中樞神經系統損傷治療的新策略可以聚焦減少鐵死亡，誘導級聯反應，從而最終達到神經元的重聯和功能的重建。對神經損傷中鐵死亡的進一步研究將為今后的臨床治療提供新的途徑。

作者貢獻：楊怡然提出研究命題，負責論文設計、起草、論文撰寫；王純、鄧桑楊負責全文校對；江晨、吳海鷹負責表格編輯整理；錢傳云對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。