靶向抑制鐵死亡與阿爾茨海默病治療

孫會艷, 李 強,王洪權

(1. 赤峰學院醫學部,2. 內蒙古人類遺傳病研究自治區高等學校重點實驗室 內蒙古 赤峰 024000;3. 赤峰學院附屬醫院神經內科, 內蒙古 赤峰 024005;4. 天津醫科大學腫瘤醫院、天津醫科大學腫瘤研究所、國家癌癥臨床醫學研究中心、天津市腫瘤防治重點實驗室、天津市惡性腫瘤臨床醫學研究中心, 天津 300060)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD) 是最常見的癡呆神經變性病,表現為記憶、認知、語言和行為障礙以及人格改變等[1]。AD的典型病理特征為老年斑(senile plaques,SPs)和神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles,NFTs)。SPs由β-淀粉樣蛋白(β-amyloid, Aβ)細胞外沉積形成,而NFTs由tau蛋白過度磷酸化在細胞內聚集引起。AD目前尚缺乏緩解疾病進展的有效治療方法,給社會和家庭帶來了沉重負擔。大腦的區域性鐵負荷增加和體內鐵平衡失調、氧化應激、脂質氧化參與AD發病機制。鐵死亡(ferroptosis)是一種新發現的鐵依賴性、脂質過氧化(lipid peroxidation,LPO)驅動的調節性細胞死亡(regulated cell death,RCD),近幾年研究顯示鐵死亡參與AD的病理過程和發病機制,引起學者的日益熱切關注[2]。藥物靶向抑制鐵死亡可以緩解實驗性AD相關的病理改變,并在AD患者中顯示出潛在的臨床益處。本文系統總結了鐵死亡在AD發病過程中的作用機制進展,重點介紹了以藥物靶向抑制鐵死亡治療AD的最新進展,為未來靶向抑制鐵死亡防治AD提供有價值的信息。

1 鐵死亡

鐵死亡是一種由細胞膜中含有磷脂的多不飽和脂肪酸 (polyunsaturated-fatty-acid-containing phospholipids,PL-PUFA) 的過氧化損傷驅動的、鐵依賴性的RCD方式,主要包括鐵的聚集,鐵依賴的活性氧(reactive oxygen species,ROS)產生和LPO 3個過程[3]。這種特殊形式的細胞死亡不會被caspase依賴性凋亡、自噬以及其他細胞死亡形式的抑制劑所阻斷,而能夠被鐵螯合劑、親脂性抗氧化劑以及LPO抑制劑等顯著抑制。形態上鐵死亡的典型特征是線粒體固縮,嵴消失,雙層膜密度增加。生物化學上,細胞內谷胱甘肽(glutathione,GSH)的耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)的失活導致細胞鐵死亡。鐵死亡過程中的過氧化底物是多不飽和脂肪酸磷脂(polyunsaturated fatty acid-containing phospholipids,PL-PUFA),酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl coenzyme A synthetase long-chain family member 4,ACSL4)和溶血卵磷脂?；D移酶(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)促進PUFA與磷脂結合,形成PL-PUFA。一旦PL-PUFA被整合到膜環境中,鐵依賴性的酶和動態鐵(labile iron)利用分子氧(O2)對PL-PUFA進行過氧化反應,生成PL-PUFA-OOH。能驅動鐵死亡、依賴鐵的酶包括脂氧合酶(lipoxygenases,ALOX)和細胞色素P450氧化還原酶(cytochrome P450 oxidoreductase,POR)[4]。以上過程導致脂質過氧化物的積累,脂質過氧化物或其次級產物(如4-HNE和MDA)直接或間接誘導細胞膜上的孔隙形成,進而啟動鐵死亡,最終引發細胞死亡。

Tab 1 Emerging compounds targeted key regulators of ferroptosis to attenuate AD

目前研究顯示,鐵死亡的發生與以下3個因素密切相關[5-6](Fig 1):(1) 細胞內二價鐵離子(Fe2+)的升高:鐵在鐵死亡中起著核心作用。與運輸和結合鐵相關的轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TfR1)的增加以及鐵蛋白和鐵轉運蛋白(transferrin,Tf)的減少均會導致Fe2+的增加從而誘發鐵死亡。(2) 脂質過氧化物的過度產生:Fe2+又可以與 NADPH 氧化酶激活產生的過氧化氫通過芬頓反應產生脂質過氧化物的前體羥自由基。(3) LPO損傷修復機制的抑制:GPX4和胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體(system Xc-)對鐵死亡過程中LPO損傷的修復具有重要的作用。system Xc-是細胞膜上的一種氨基酸轉運體,由SLC7A11(又叫xCT)和SLC3A22組成,它負責細胞胱氨酸的輸入和谷氨酸的輸出,導致GSH的合成。xCT 可將細胞外的胱氨酸轉運到細胞內與谷氨酸合成GSH,進而GPX4利用產生的GSH將脂質過氧化物還原為相應的醇或水,對抗細胞的氧化應激完成LPO的修復。鐵死亡激活劑erastin或RSL3可以通過抑制xCT中GPX4活性,最終導致細胞鐵死亡。

2 鐵死亡參與AD發病機制

在AD大腦中出現鐵穩態失調、氧化還原穩態(redox homeostasis)失衡和LPO途徑增強,這表明鐵死亡參與AD發病機制[7]。

2.1 鐵代謝穩態失衡導致AD發病機制20世紀60年代早期證實了大腦皮層鐵聚集與AD存在關聯。此后研究證實了游離鐵、氧化應激、LPO與神經元細胞死亡之間具有直接聯系性,AD患者腦內鐵的含量明顯增加,并與患者認知功能障礙正相關[7]。鐵與AD患者腦內Aβ斑塊和NFT病理相關。淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid-β precursor protein,APP)剪切生成Aβ。在APP/PS1轉基因小鼠模型,大腦皮質區Aβ斑塊形成后,游離鐵和鐵蛋白的聚集增加[8]。鐵沉積參與Aβ斑塊和NFT的錯誤折疊過程,而tau蛋白的過度磷酸化和聚集反過來導致具有神經毒性的鐵進一步聚集,從而形成惡性循環[9]。在高鐵飲食的大鼠中,Aβ沉積和tau過度磷酸化增加,鐵螯合劑能夠有效地減弱Aβ負荷和tau的聚集[10]。而tau缺失會損害APP介導的鐵輸出,而鐵螯合劑氯碘羥喹可以抑制這種改變,鐵同時能夠調控APP的表達和剪切過程,而APP可與細胞膜上的跨膜通道膜鐵轉運蛋白(ferroportin,FPN)結合促進鐵外流[11],因此APP基因敲除后腦內鐵轉運蛋白下調和鐵含量增加[12]。另外,腦內鐵能夠通過促進淀粉樣蛋白生成途徑功能增加,這一作用是通過促進 BACE-1 活性增加,進而使Aβ1-42產生增加實現的[13]。綜上所述,這些研究表明,鐵失調在AD中起著有害作用,靶向鐵代謝途徑可能是控制AD鐵死亡的有效方法。

2.2 氧化還原穩態失衡參與AD發病機制氧化還原穩態維持體內氧化還原反應平衡,是維持機體生理穩態的重要組成部分。GSH是主要的細胞抗氧化劑,它是谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸在谷氨酸半胱氨酸連接酶(glutamate-cysteine ligase,GCL)和谷胱甘肽合成酶(glutathione synthetase,GS)催化下反應形成的一種重要的細胞內非酶抗氧化劑,它是硒蛋白GPX4的主要底物。研究表明,GSH含量的改變損害了氧化還原穩態,并與AD鐵死亡的發生有關[14]。Aβ導致培養的神經元中GSH的消耗,相反給予GSH前體γ-谷氨酰半胱氨酸乙酯(γ-glutamyl-L-cysteinyl-glycine 3-ethyl ester,GCEE)可增加細胞內GSH水平,進而抑制Aβ介導神經毒性損傷,在AD發病和進展期間GSH水平降低,這些發現表明GSH內穩態的破壞參與AD發病機制[14]。除了GSH水平的改變,GSH相關的抗氧化酶谷胱甘肽S-轉移酶(glutathione S-transferases,GST)在AD中也發生了改變,GST催化GSH和4-HNE之間的反應, 因此恢復GSH水平是減緩AD進展的有效途徑。在AD的動物模型和尸檢標本中也存在GSH水平降低[15]。與正常小鼠相比,AD小鼠的GPX4水平也降低[16]。GPX4的過度表達抑制LPO,從而抑制Aβ誘導皮層神經元損傷[17]。GPX4基因敲除后會導致小鼠海馬區神經元丟失,并伴有星形膠質細胞活化,這表明GPX4在神經退行性疾病中發揮神經保護作用。條件性神經元特異性GPX4基因敲除小鼠表現出認知障礙,出現海馬神經元變性和鐵死亡的特征,而鐵死亡抑制劑liproxstatin-1(Lip-1)可以改善這些病理改變[14]。在5×FAD轉基因小鼠中GPX4過表達改善學習和記憶功能,降低神經變性、LPO水平和Aβ產生[18]。綜上所述,氧化還原穩態失衡參與AD發病機制。

Fig 1 Molecular mechanisms of ferroptosis

2.3 LPO途徑增強與AD決定LPO程度的PUFA豐度和定位對AD患者鐵死亡的發生至關重要。由于腦內存在大量PUFA,神經元可能更容易受到ROS攻擊,導致LPO發生,而后者反過來又促進產生更多ROS,形成惡性循環。在AD患者含有豐富SPs和NFT的特定腦區內膜磷脂和脂肪酸顯著減少,與LPO的發生相關。LPO產物與Aβ斑塊在AD患者大腦中具有共定位關系[19],Aβ導致LPO,而LPO產物促進APP剪切,從而產生更多的Aβ[20]。值得注意的是,催化PUFA脫氧的ALOX、環氧化酶(cyclooxygenases,COX)和POR這三類脂質氧化酶,在AD中發生了改變[21]。AD患者大腦中12/15脂氧合酶(12/15-LOX)的酶活性顯著增加,而其蛋白水平影響模型小鼠的記憶和學習能力,而12/15-LOX抑制劑可以逆轉這種AD表型[22]。包括丙二醛(malondialdehyde,MDA)、羥基壬醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)和丙烯醛 (acrolein)在內的LPO產物在AD大腦中水平明顯升高[23]。氘化PUFA(D-PUFA)飲食可防止LPO產物的形成,并降低APP/PS1轉基因小鼠中有毒Aβ的濃度[24]。綜上所述,LPO參與AD發病機制,而LPO也是鐵死亡途徑中的主要調節因子,因此,抑制AD LPO的抗鐵死亡治療能夠成為治療AD的潛在靶點。

3 靶向抑制鐵死亡與AD治療

研究表明,鐵死亡抑制劑對實驗性AD具有防治作用,靶向干預鐵死亡是AD的潛在治療靶點。具有抑制鐵死亡抗AD藥物總結見Tab 1。目前研究表明,靶向抑制鐵死亡的化合物主要通過抑制LPO/激活GPX4、單純抑制LPO和調控鐵代謝發揮對AD的治療作用。

3.1 抑制LPO和激活GPX4通路與AD治療在APP/PS1雙轉基因AD小鼠中,二苯乙烯苷(tetrahydroxy stilbene glycoside,TSG)可通過抑制鐵死亡改善AD癥狀,TSG上調GPX4、SOD、FTH1、CD98和 xCT,下調二價金屬離子轉運體 (DMT1)、ACSL4 和NCOA4,這表明TSG可以通過 xCT/GPX4通路、ACSL4通路和鐵代謝通路發揮抗LPO和鐵死亡的作用[25]。在AD的SAMP8快速老化小鼠中,銀杏內酯(ginkgolide B)通過上調GPX4、SOD和GSH、激活Nrf2、上調FTH1、下調TFR1和NCOA4,降低MDA和ROS生成,進而改善小鼠認知功能障礙[26]。γ-GC、新型硫辛酸煙酸二聚體 N2L、北美圣草素(friodictyol)和補充硒(selenium)均能通過抑制LPO和調控GPX4通路在AD中具有保護作用(見Tab 1)。

3.2 調控鐵與AD治療AD腦內存在鐵代謝異常的發現遠遠早于鐵死亡參與AD的發病機制,早期研究顯示調控腦內鐵代謝異常對AD具有治療作用。隨著鐵死亡概念的提出,近年來使抑制鐵毒性、進而抑制鐵死亡在AD中的治療作用再次興起。目前研究顯示,降低腦內鐵含量,進而抑制鐵死亡在AD中具有治療作用(見Tab 1)。這些化合物包括北美圣草素、氯碘羥喹、PPARα激動劑GW7647和α-硫辛酸,它們通過降低鐵含量進而抑制鐵死亡改善AD,但是它們具體機制目前仍研究不透徹,有待進一步深入研究。

3.3 抑制LPO與AD治療AD的氧化應激學說自從1997年提出后,針對抑制氧化應激損傷治療AD的研究如雨后春筍般出現。在AD中同時存在LPO損傷的增強,而鐵死亡的特點是LPO以來的細胞死亡,因此2012年鐵死亡概念提出之前的在AD中針對抑制LPO進而抑制AD發生的化合物,按照鐵死亡的概念可將它們歸類于通過抑制鐵死亡發揮對AD的治療作用。目前研究顯示,通過抗LPO進而抑制鐵死亡治療AD的這一類化合物最為多見,近3年來通過這一機制發揮對AD治療的化合物總結見Tab 1。目前這一類化合物發揮抗鐵死亡的機制更為研究得不透徹,目前的研究僅限于對LPO產物減少方面體現對鐵死亡的抑制作用,它們是否調控鐵代謝通路、GPX4通路、ACSL4通路等目前均不是很清楚,值得學者深入探索,以期闡明各個化合物是否通過多通路發揮抑制鐵死亡的作用機制。

4 結語

綜上所述,鐵死亡參與AD發病機制,通過藥物靶向抑制鐵死亡對AD中具有治療作用。但是目前關于鐵死亡在AD中的致病作用研究尚處于初級階段,對鐵死亡的各個通路在AD中的病理機制仍有待深入研究。另外,AD相關致病蛋白對鐵死亡的調控作用目前尚不清楚。在針對抑制鐵死亡對AD治療作用方面目前處于起步階段,而且大多數研究只是通過細胞模型或動物模型簡單探討抑制鐵死亡的效應觀察,缺乏足夠深度的機制探討。激活Nrf2通路能夠抑制鐵死亡,因此,探索Nrf2通路激活劑在AD中是否通過抑制鐵死亡也是未來研究方向。未來需繼續深入研究鐵死亡在AD中的作用機制和篩選針對抗鐵死亡治療AD的藥物,以期為AD患者提供治療新靶點。