鐵死亡在阿爾茨海默病中的作用機制及研究進展

鄭梅 陸穎 木大為

1上海市松江區中心醫院檢驗科，上海 201600； 2上海市松江區中心醫院質控科，上海 201600； 3上海市松江區中心醫院醫務科，上海 201600

阿爾茨海默病（AD）是最常見的神經退行性疾病，也是全世界老年人（65歲以上）殘疾和死亡的主要原因，現在還沒有有效的臨床藥物可以延緩其發展［1］。隨著全球罹患AD人數的不斷擴增，患者、患者家庭及社會都承受著不可估量的負擔。鐵死亡是一種依賴于鐵離子的程序性細胞死亡形式，與AD密切相關［2］。

鐵死亡

Dixon等［3］研究鐵死亡誘導劑earstin殺死癌細胞的機制，并將這一細胞死亡過程正式命名為鐵死亡。鐵死亡是細胞中活性氧（ROS）在鐵的存在下，多不飽和脂肪酸（PUFAs）產生脂質過氧化物（LPOs），從而引起膜損傷，造成一種獨特的細胞死亡方式。鐵死亡分子機制與鐵、ROS和LPOs、氨基酸代謝有關。

1.鐵代謝與鐵死亡

鐵是人體必需的微量元素，在細胞中以三價鐵離子（Fe3+）和二價鐵離子（Fe2+）兩種形式存在，Fe3+是鐵的儲運形態，Fe2+可以轉移電子，參與各種氧化還原反應，并作為反應催化劑。Ma等［2］研究顯示，過量的鐵能通過芬頓反應產生ROS以及激活含鐵的酶（如脂氧合酶）來促進脂質過氧化而引發鐵死亡。細胞鐵代謝伴隨著轉鐵蛋白（Tf）、鐵蛋白和膜鐵轉運蛋白（Fpn）等在內的其他蛋白相互協調調節表達。細胞由轉鐵蛋白受體（TfR）介導鐵代謝，鐵通過裝載Fe3+的Tf內吞作用進入胞內，該Tf在嚴格調節的反饋控制下與其TfR1和TfR2相互作用，鐵調節蛋白1和2記錄胞內鐵濃度，轉錄后調控鐵代謝基因的表達［4-5］。鐵蛋白的異常調節造成鐵代謝失衡可誘發鐵死亡［6］。核受體共激活因子4是一種細胞質自噬受體，用于結合鐵蛋白，隨后通過鐵蛋白自噬降解，鐵蛋白自噬是自噬的一種選擇性形式，有助于鐵死亡發生，在鐵蛋白自噬過程中，儲存的鐵被釋放出來，用于生物合成途徑，但鐵蛋白自噬導致細胞內鐵以Fe2+的形式積聚，最終導致鐵死亡［7］。Fe2+含量過載和鐵調節相關蛋白的異常表達在鐵死亡中發揮關鍵作用。

2.脂質代謝與鐵死亡

脂質是構成細胞膜基礎結構的含碳氫生物分子［8］。脂質過氧化多在含磷脂膜結構中進行，位于細胞膜上的PUFAs，如花生四烯酸和腎上腺素酸，是鐵死亡過程中脂質過氧化的主要底物［9］。相比之下，單不飽和脂肪酸（MUFAs）由于其對脂質過氧化的結構抗性，通常在鐵死亡中起相反作用。PUFAs或MUFAs的產生及合成受多種酶的調控，特別是?；o酶A合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿?；D移酶3（LPCAT3），將PUFAs結合到膜磷脂中，在促進鐵死亡中起關鍵作用［10］。有研究發現，使用抑制劑抑制ACSL4和LPCAT3活性時，可降低細胞鐵死亡的敏感性［10-11］。硬脂酰輔酶A去飽和酶1（SCD1）可催化合成MUFAs，通過抑制SCD1介導MUFAs生成，可促進Ras選擇性致死小分子3（RSL3）誘導的細胞鐵死亡［12］。脂氧合酶（LOXs）作為重要脂質過氧化反應的催化酶，使用LOXs抑制劑可阻止Erastin和RSL3誘導的細胞鐵死亡［13］。由此可見，脂質代謝過程中，脂質過氧化是導致鐵死亡的核心因素。

3.氨基酸代謝與鐵死亡

谷胱甘肽（GSH）由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸3種氨基酸構成，其中半胱氨酸是其形成的限制性底物。GSH是一種低分子量抗氧化劑，可以清除細胞代謝過程中產生的自由基。谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）以GSH為輔助因子直接還原有毒物質磷脂氫過氧化物，消除脂質ROS抑制鐵死亡，RSL3是一種鐵死亡誘導劑，直接通過抑制GPX4活性促進鐵死亡［14］。胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白（system Xc-）由兩個溶質載體組成，溶質載體家族3成員2（SLC3A2）和溶質載體家族7成員11（SLC7A11），通過system Xc-，谷氨酸和胱氨酸以等量離開和進入細胞，維持GSH生成，其中SLC7A11能特異性識別這兩種氨基酸，而SLC3A2則促進SLC7A11向胞膜運輸并增強穩定性［15］。Jiang等［16］研究表明，P53腫瘤抑制因子通過下調SLC7A11的表達抑制系統攝取胱氨酸，影響GSH生成，降低GPX4活性，導致細胞抗氧化能力降低，脂質ROS積累，最終發生鐵死亡。GSH的合成障礙、SLC7A11和GPX4低表達均可促進細胞鐵死亡。

4.其他調節途徑

4.1.鐵死亡抑制蛋白1（FSP1）/CoQ信號通路 有研究報道，FSP1/凋亡誘導因子線粒體相關因子2（AIFM2）在鐵死亡發生中的作用，揭示了調控鐵死亡的有效途徑，并重新引入凋亡誘導因子［17-18］。Bersuker等［17］研究發現，FSP1（以前稱為AIFM2）是一種有效抗鐵氧化因子。Doll等［18］研究表明，FSP1通過還原型輔酶Ⅱ催化輔酶Q10（CoQ10）再生，協同GPX4/GSH信號通路抑制脂質過氧化和鐵死亡。FSP1表達在抑制鐵死亡中的重要作用，可為后續治療疾病提供新的靶點。

4.2.二氫乳清酸脫氫酶（DHODH）/CoQ信號通路 Mao等［19］研究證實，DHODH與線粒體GPX4并行運作（但獨立于細胞質GPX4或FSP1），通過將線粒體中的CoQ還原為CoQH2來抑制線粒體內膜中的鐵死亡。線粒體作為細胞能量來源，在氧化磷酸化過程中極易發生ROS累積造成鐵死亡，該信號通路在抑制線粒體內膜脂質過氧化中發揮主要作用。

4.3.GTP環水解酶1（GCH1）/四氫生物蝶呤（BH4）信號通路 Kraft等［20］通過全基因組激活篩選，確定了一組對抗鐵依賴性細胞死亡的基因，包括GCH1及其代謝衍生物BH4/二氫生物蝶呤（BH2）。

鐵死亡在AD中的作用機制

AD是一種神經退行性和遺傳及年齡相關癡呆，其典型表現為健忘性認知障礙，病理特征是形成老年斑的β-淀粉樣蛋白（Aβ）細胞外沉積和構成神經原纖維纏結（NFTs）異常修飾的Tau蛋白積累，伴有突觸逐漸喪失和腦組織損傷［1］。隨著淀粉樣蛋白作為治療靶點的挑戰，AD的其他神經化學變化引起了越來越多的興趣，尤其伴隨鐵死亡概念的提出，很多研究證實鐵死亡相關機制與AD的病理生理學密切相關［2，21-23］。

1.鐵代謝紊亂與AD

鐵穩態調節對維持正常的腦功能很重要，而大腦鐵穩態失調會導致氧化應激和炎癥反應，導致細胞損傷，最終導致神經退行性疾病。Ashraf等［24］研究發現，在AD死后的大腦中，大腦皮層中鐵含量升高。Ramos等［25］通過與對照組相比，AD患者大腦海馬和基底節區的鐵水平升高，大腦腦干和小腦的鐵水平較低。鐵代謝的平衡依賴于各種鐵代謝相關蛋白的協同作用，Fpn是將鐵離子運出細胞的主要蛋白，Bao等［21］在Fpnfl/fl/NEXcre小鼠模型（新皮質和海馬主要神經元Fpn基因缺失的小鼠模型）和AD小鼠中觀察到典型的鐵死亡形態學和分子特征。Aβ由淀粉樣前體蛋白（APP）產生，APP是在大腦中高水平表達的單代跨膜蛋白，通過將Fe3+加載到Tf上，穩定鐵輸出通道Fpn，從而保護細胞免受鐵催化的氧化應激。Duce等［26］研究證實，APP敲除小鼠的皮層神經元中，Fpn水平降低，與年齡相關的鐵積累水平升高，并伴有氧化應激。因此，APP可能在正常衰老過程中抑制腦鐵升高，在AD患者腦中促進鐵的升高［27-28］。當鐵蓄積時，可促進APP mRNA翻譯，在β和γ-分泌酶剪切作用下，APP水解形成的Aβ在大腦內聚集［29］。Fe3+通過與Tau蛋白使其磷酸化，導致高磷酸化的Tau蛋白聚集，從而促進NFTs形成，最終導致神經元死亡［30］。在AD患者中，APP異常加工可能會促進腦鐵積累，過量鐵又會誘導Aβ在大腦中的沉積，并促進NFTs形成。由此可見，鐵含量的增加導致鐵死亡可能是AD發病的關鍵因素。

2.脂質過氧化與AD

氧化應激在許多神經退行性疾病中起重要作用，其中脂質過氧化是主要過程，這是由于大腦膜結構中含有高水平的PUFAs和高氧消耗［31］。Ferré-González等［32］研究發現，在AD患者大腦中LPOs水平升高。丙二醛（MDA）及4-羥基壬烯醛（4-HNE）是氧化應激誘導的脂質過氧化標志物，4-HNE隨著年齡增長而增加，影響神經系統正常功能，可能與AD病變相關［33］。Dare等［34］研究發現，AD患者ACSL4水平升高，在多個腦區可檢測到高濃度的游離MDA及4-HNE，且GPX4表達下調。既往研究表明，AD患者腦內脂質過氧化產物增加［32-34］。作為鐵死亡的驅動力，高水平的脂質過氧化會破壞細胞功能［35］。Park等［22］研究發現，在AD患者和攜帶APP/突變的早老素1（PS1）雙轉基因AD小鼠模型的大腦皮層受損星形膠質細胞中，NADPH氧化酶4（NOX4）蛋白、MDA及4-HNE水平均升高，證實NOX4通過損傷AD患者的線粒體代謝，通過氧化應激誘導的脂質過氧化作用促進星形膠質細胞鐵死亡。Bok等［36］研究證實，磷酸化Tau蛋白與細胞膜脂質雙分子層中磷脂可相互結合，形成具有細胞毒性的Tau-磷脂復合物，但二者間的具體作用機制尚未闡明。AD重要病理產物與鐵死亡脂質過氧化過程間可能相互影響，脂質過氧化所致鐵死亡可能是AD發病的潛在機制，但具體作用機制尚需研究［35］。

3.氨基酸代謝紊亂與AD

system Xc-作為中樞神經系統中一種重要的谷氨酸轉運體，功能發生障礙時可誘導AD的興奮性毒性神經元變性［37］。谷氨酸是中樞神經系統中重要的興奮性遞質，對維持正常腦功能和中樞神經系統發育至關重要，高濃度的細胞外谷氨酸破壞system Xc-，從而誘導死亡。D'Ezio等［38］研究發現，Aβ25-35能夠通過誘導核因子2相關因子2抗體（Nrf2）通路激活和System Xc-上調來激活星形膠質細胞的抗氧化反應，然而，system Xc-上調可增加細胞外谷氨酸釋放，并可能導致興奮性毒性，同時特異的System Xc-抑制劑磺胺吡啶阻止了神經元病死率和細胞外谷氨酸水平增加。GPX4-GSH信號通路是細胞鐵死亡的關鍵調節通路，Hambright等［23］研究發現，大腦中GPX4基因敲除的小鼠模型出現一系列與AD病理相關的特征，如認知障礙和海馬神經退行性變。連翹苷A通過提高GPX4和GSH含量，抑制APP/PS1轉基因小鼠AD模型鐵死亡及Aβ沉積和Tau蛋白水平，并改善記憶和認知障礙［39］。黃連素（BBR）慢性治療可減輕AD模型小鼠的認知障礙，同時BBR通過調節Nrf2轉錄水平提高GPX4、SLC7A11的表達水平，從而抑制鐵死亡［40］。以上研究可證實，system Xc-的穩定調節與AD神經元變性關系密切。system Xc-上調可致神經元毒性，加重AD進程；system Xc-低表達又會導致GSH-GPX4信號通路受限，促進腦細胞鐵死亡。

4.其他調節途徑與AD

FSP1和DHODH作為獨立GPX4的鐵死亡調控基因，均通過將CoQ10還原為更具活性的CoQ10H2，發揮抗氧化和抗鐵死亡的功能［17-19］。Momiyama［41］研究證實，在普通人群中，較低的血清CoQ10水平與較高的癡呆風險相關。CoQ10是一種抗炎和抗氧化應激補充劑，實驗模型顯示，CoQ10治療AD可以改善AD相關的炎癥和氧化應激，提高認知和記憶能力［42］。由CoQ10介導的抗氧化應激作用，不僅在抑制鐵死亡過程中發揮關鍵作用，也在緩解AD神經損害中扮演重要角色。因此，CoQ10治療AD的潛在作用值得未來投入更多研究。

潛在抑制鐵死亡治療AD的藥物

1.鐵鰲合劑

鐵螯合劑是一種對鐵離子具有親和力的成分，可以通過螯合鐵來調節鐵依賴性蛋白的表達，從而減緩AD的病理過程［43］。去鐵素（DFP）是一種臨床上可用的鐵螯合劑，最近在體內動物模型中確定了對AD的有效性。Nolan等［44］研究表明，在東莨菪堿誘導的AD大鼠模型中，DFP通過抗氧化作用抑制認知障礙，DFP預處理可減弱東莨菪堿誘導的大鼠海馬和皮質乙酰膽堿酯酶活性升高，減少Aβ和鐵沉積。這一發現表明，鐵螯合劑能有效緩AD中鐵代謝失調引起的鐵死亡和神經元死亡，可能是臨床治療AD的潛在藥物。

2.抗氧化劑

抗氧化劑已被廣泛用于治療AD，其中許多抗氧化劑可抑制脂質過氧化，從而抑制鐵死亡。維生素E是一種常見的脂溶性抗氧化劑，可以調節鐵死亡。Nolan等［44］臨床研究證實，維生素E的干預處理有助于改善AD患者的癥狀，提高其生活質量。隨機試驗發現，維生素E對AD或輕度認知障礙患者沒有任何益處［45-46］。由此可見，維生素E在AD中的使用仍然值得懷疑，還需更多研究來確定其效果。

α-硫辛酸（α-LA）是一種天然存在的酶輔助因子，由于其抗氧化和鐵螯合劑的特性，在AD中具有神經保護作用。Zhang等［47］研究證實，α-LA有效抑制AD相關位點的Tau過度磷酸化，阻斷了Tau誘導的鐵過量、脂質過氧化和炎癥。因此，α-LA可能有助于開發以抑制鐵死亡為靶點的AD治療方法。Greenough等［48］研究發現，家族性阿爾茨海默病引起的早老素突變使細胞對鐵死亡敏感，硒的攝取被早老素突變破壞，抑制GPX4的表達。Kryscio等［46］研究證實，硒與控制AD病程的進展并無益處?？傊?，未來還需更多的臨床研究來證明硒在AD患者中有效治療機制。

小結和展望

因為全球人口正在迅速老齡化，AD作為最常見的癡呆癥類型，已成為社會面臨的重大挑戰。鐵死亡作為一種新型細胞程序性死亡方式，涉及機制較為復雜，現已從鐵代謝、脂質代謝和氨基酸代謝等途徑證實鐵死亡在AD發病機制中的作用，為預防和治療AD提供更嚴謹的理論依據。鐵螯合劑和抗氧化劑已被發現具有緩解鐵代謝失調和預防鐵死亡的潛力，并在AD的治療中展現積極作用。但是，鐵死亡在AD不同階段的作用機制還需繼續挖掘；針對鐵死亡的單一藥物或干預是否可以避免、減少或逆轉AD，未來還需大量深入探索。因此，研究人員可繼續以鐵死亡為靶點，為防治AD找到新的策略和方法，為廣大患者帶來福音。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明鄭梅：起草文章，對文章的知識性內容作批評性審閱；陸穎、木大為：對文章的知識性內容作批評性審閱