鐵死亡及其抑制劑在中樞神經系統疾病中的研究進展

王雅詩，華祚玉，張立新

（中國醫科大學附屬盛京醫院康復中心，沈陽 110134）

中樞神經系統由腦和脊髓組成，是神經系統最主體的部分［1］。中樞神經系統疾病包括創傷、感染、腦卒中、遺傳缺陷以及神經退行性疾病等，具有多種致病原因，且機制大多不明，對患者的危害較大，患者多預后不良。中樞神經系統損傷后自身修復能力相當有限，目前尚無有效的治療手段。

細胞死亡是一個正常的生理過程，正常的細胞死亡有利于生物體的增殖、分化、代謝和發育，而非正常的細胞死亡會誘發多種疾病的發生。因此，細胞死亡的精準調控可能會對一些疾病的發生、發展具有關鍵性意義［2］。鐵死亡是一種程序性細胞死亡形式，但其在特征、形態、生物化學等方面不同于壞死和凋亡。鐵死亡以鐵依賴性、活性氧和脂質過氧化物的積累為主要特征，作為細胞死亡的方式之一，越來越受關注。對鐵死亡進行進一步研究，可能為疾病提供更多新的治療靶點。

1 鐵死亡的分子機制

鐵死亡是一種鐵依賴的程序性死亡方式，在2012年由DIXON等［3］首次提出，用于表述由小分子erastin和RSL3誘導的細胞死亡形式，主要特征為鐵依賴的脂質過氧化物及脂質活性氧的積累［4-5］。鐵死亡在特征、形態、生物化學和基因表達方面不同于壞死、凋亡和自噬等已知的細胞死亡形式［6］。鐵死亡的標志性特征包括線粒體嵴減少或消失，線粒體外膜破裂、皺縮，鐵依賴性細胞核無破裂，細胞膜破裂，活性氧、脂質過氧化物升高等［4-6］。鐵死亡的研究集中在腫瘤［3］、腎損傷［7］和心臟缺血再灌注［8］等疾病。近年來，鐵死亡在神經退行性疾病［9-10］和急性中樞神經系統疾病如腦卒中［11］、外傷性腦損傷［12］和脊髓損傷［13］中的重要作用逐漸被發現，是神經細胞死亡的重要方式之一。

1.1 鐵在鐵死亡中的作用

鐵是機體生命活動必須的微量元素，在氧氣運輸、血液合成以及免疫等方面具有重要作用［14］。在生物體內，轉鐵蛋白和轉鐵蛋白受體從細胞外環境中輸入鐵，Fe3+在鐵還原酶的作用下轉化為Fe2+，Fe2+通過芬頓反應和哈伯-韋斯反應生成大量羥自由基［15］，催化活性氧的生成，進而導致脂質過氧化的發生。另一方面，鐵也是脂氧合酶催化亞基的重要組成部分。鐵是脂質過氧化物積累和發生鐵死亡的必要條件，因此，機體對鐵死亡的敏感性會被鐵的輸入、輸出、貯存和轉化影響。在幾乎所有神經系統疾病的神經病理學標本中都觀察到鐵的動態平衡，包括卒中、多發性硬化癥、阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）、帕金森病（Parkinson disease，PD）、共濟失調、癲癇和不寧腿綜合征等［15］。

1.2 鐵死亡的主要防御系統

1.2.1 胱氨酸/谷氨酸反向轉運體：氨基酸代謝與鐵死亡的調節密切相關。胱氨酸/谷氨酸反向轉運體由一條輕鏈亞基溶質載體家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和一條重鏈亞基溶質載體家族3成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）以二硫鍵的形式連接，以1∶1的比例攝入胱氨酸、排出谷氨酸［16］。攝入的胱氨酸被轉化為半胱氨酸后，參與谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成。GSH有還原型和氧化型2種形式，正常情況下，還原型GSH占絕大多數，可以與活性氧反應，起到抗氧化和保護作用，以抑制鐵死亡的發生［17］。研究［3］表明，抑制SLC7A11表達可誘導鐵死亡發生，將編碼SLC7A11的質粒轉染至HT-1080細胞后，細胞對erastin誘導鐵死亡的耐受增強，而小干擾RNA誘導的SLC7A11蛋白表達下降則使HT-1080細胞對鐵死亡更加敏感。p53是一種抑癌基因，研究［18］表明，p53可以通過下調SLC7A11的表達抑制細胞對胱氨酸的攝取，進而導致胱氨酸/谷氨酸反向轉運體被抑制、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）活性降低、細胞抗氧化能力降低、細胞對鐵死亡的敏感性增強。核因子E2相關因子2（nuclear factor erythroid2-related factor 2，Nrf2）作為內源性抗氧化防御系統，在生理狀態下控制機體活性物質的水平。研究［19］表明，Nrf2促進SLC7A11的表達，增加細胞內半胱氨酸池，從而增加細胞內GSH水平，進而抑制鐵死亡的發生。

1.2.2 谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）：GPX4也被稱為磷脂過氧化氫GSH-Px，是含硒GSH-Px家族的第4位成員，分子量約為20×103～21×103，約由197個氨基酸組成［20］。GPX4作為鐵死亡核心調控因子，被認為是細胞鐵死亡研究中的重要靶點［21］。GPX4的酶活性對細胞至關重要，可對多種脂質過氧化物進行解毒。RSL3是重要的鐵死亡誘導劑，用熒光素標記的RSL3處理細胞后進行篩選，發現GPX4是RSL3的靶蛋白，RSL3通過抑制GPX4的活性，導致細胞抗氧化能力下降，脂質活性氧含量升高，最終引起鐵死亡。研究［22］表明，使用小干擾RNA誘導的GPX4蛋白表達下降足以誘導鐵死亡的發生，GPX4高表達的HT-1080細胞對鐵死亡耐受，而GPX4低表達的細胞對鐵死亡更加敏感。

2 鐵死亡與中樞神經系統疾病

2.1 鐵死亡與腦卒中

卒中定義為由血管引起的中樞神經系統急性局灶性損傷引起的神經功能缺損［23］。腦卒中分為缺血性卒中和出血性卒中，臨床上表現為突發局灶性或彌散性神經功能缺失，是全球死亡和殘疾的主要原因［24］。目前，盡管有手術和其他保守治療方法，但一些卒中患者的預后仍然很差。因此，應從新的角度去研究腦卒中的發生、發展，提出臨床治療思路。鐵死亡是最近發現的一種細胞死亡形式，可導致缺血性卒中后的神經元死亡。研究［25］表明，大腦中動脈閉塞后小鼠表現出脂質過氧化增加，GSH水平降低，而鐵死亡抑制劑利普司他丁-1（liproxstatin-1，Lip-1）和鐵抑素-1（ferrostatin-1，Fer-1）可預防小鼠發生缺血再灌注損傷。CUI等［11］揭示了決定鐵死亡敏感性的多不飽和脂肪酸代謝的重要同工酶酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）在缺血性卒中中的作用，缺血后早期ACSL4的表達被抑制，而低氧誘導因子-1α介導了這種抑制。注射ACSL4過表達和敲低病毒能夠分別加重和減輕缺血性腦損傷。ACSL4通過增強脂質過氧化促進神經元死亡，進而通過促進鐵死亡誘導的腦損傷和神經炎癥來加劇缺血性卒中。以上研究都表明了鐵死亡在腦卒中中的關鍵作用，對鐵死亡的干預可能為腦卒中提供潛在的治療靶點。

2.2 鐵死亡與脊髓損傷

脊髓損傷是脊柱損傷最嚴重的并發癥，會導致感覺、運動和自主神經功能喪失［26］。脊髓損傷致殘率非常高，給患者及其家庭和醫療系統帶來巨大的經濟負擔。目前，脊髓損傷尚無有效的治療和康復方法。因此，脊髓損傷后神經和功能的恢復一直是研究難題。

近年來，有研究［13］發現脊髓損傷大鼠的脊髓組織中鐵死亡標志物發生明顯變化，利用透射電鏡觀察到鐵死亡線粒體特征性變化，從而證實了鐵死亡在脊髓損傷中起重要作用。脊髓損傷后，一方面，紅細胞的破壞釋放大量游離鐵，被神經元及其他非神經細胞攝取，局部鐵超負荷；另一方面，應激和鐵過載激活了大量的活性氧，增加了谷氨酸的興奮性毒性，致使胱氨酸/谷氨酸反向轉運體超負荷，谷氨酸入胞，GSH-GPX4抗氧化通路過載。鐵死亡中的關鍵誘導因素鐵過載和脂質過氧化已在脊髓損傷的病理機制研究中被廣泛研究，GALLUZZI等［27］在脊神經細胞培養皿中加入亞鐵離子，觀察到脂質過氧化代謝產物的量與鐵水平成正比，并與神經元失活呈正相關。采用免疫組織化學方法檢測脊髓損傷后鐵蛋白的含量，發現脊髓損傷組織中鐵蛋白表達增加，并與脊髓損傷的程度呈正相關。YAO等［13］發現，鐵死亡抑制劑去鐵胺可以保護神經元，促進運動功能恢復。在脊髓損傷模型大鼠中，實驗組大鼠腹腔注射去鐵胺后運動功能恢復較好，鐵濃度降低，GPX4、SLC7A11和GSH的表達明顯較高。同時，去鐵胺增加神經元存活率，并抑制神經膠質細胞增殖。鐵死亡的另一重要誘導因素脂質過氧化在繼發性脊髓損傷中也起重要作用，損傷的脊髓組織中多不飽和脂肪酸含量升高，脂質過氧化標志物丙二醛和4-羥基壬烯醛水平明顯增高［28］。此外，有研究［29］深入探討了脊髓損傷急性期和亞急性期不同時間點鐵死亡基因的表達模式，并分析了鐵死亡相關基因和信號通路。這些研究結果為脊髓損傷鐵死亡的病理機制以及脊髓損傷診斷和治療的潛在策略提供了思路。

2.3 鐵死亡與PD

PD是最常見的神經系統疾病之一，影響大約0.1%～0.2%的普通人群和1%的60歲以上人群［30］。PD是一種緩慢進展的神經退行性疾病，具有運動和非運動的表現，主要為運動遲緩、靜止性震顫和肌強直［31］。與PD相關的非運動癥狀受到了更多關注。PD的非運動癥狀包括嗅覺障礙、便秘、疼痛、焦慮、抑郁和可發展為癡呆的認知障礙等［30］。PD的病理生理特征包括中腦黑質多巴胺能神經元緩慢、進行性退化，與鐵的進行性積累有關，導致紋狀體多巴胺耗竭、神經黑色素消失和出現以聚集的α-突觸核蛋白為主要成分的細胞內路易體［32］。在PD進展期間，與GSH系統中抗氧化酶消耗相關的氧化應激、脂質過氧化和線粒體功能障礙增加。所有這些相關因素都會導致神經元死亡和機體功能障礙。

鐵死亡對PD的發病有重要影響［33］。自2000年以來，研究者在PD患者的大腦中發現鐵水平升高，但當時尚未提出鐵依賴性細胞死亡機制。一些關于PD的研究描述了脂質過氧化的存在、GPX4活性的降低和GSH系統的衰竭，這與氧化應激增加有關。此外，在小鼠模型中觀察到鐵死亡參與多巴胺能細胞死亡，其中特定的鐵死亡抑制劑Fer-1抑制了毒性。最后，通過器官切片培養物也證實了鐵死亡調節多巴胺能細胞死亡。以上研究表明，鐵死亡的調節可以作為PD的治療靶點［34］。

2.4 鐵死亡與AD

AD是最普遍的與年齡相關的神經退行性疾病，在全球影響超過4 400萬人［35］。在AD中，β淀粉樣蛋白（amyloid β，Aβ）斑塊和神經原纖維纏結的形成與進行性皮質和海馬神經元功能障礙以及死亡有關［36］。過去的AD病理學研究探討了許多細胞死亡機制，Aβ的聚集與神經元中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3依賴性細胞凋亡、自噬缺陷、壞死和炎癥小體通路的小膠質細胞依賴性激活有關［37］。除了細胞凋亡和壞死外，鐵死亡是一種鐵依賴性和脂質過氧化驅動的細胞死亡，似乎與AD相關［10］。鐵死亡的標志如鐵水平升高和氧化應激，在AD患者大腦中早已被觀察到［38］。此外，鐵水平與AD患者的認知能力下降呈正相關，而GPX4在AD小鼠模型中具有保護作用［39］。GPX4缺陷的轉基因小鼠中，GPX4減少75%～85%會導致海馬神經元丟失、脂質過氧化、神經炎癥和空間學習缺陷［10］。AZHAAR等［40］的研究表明，AD患者發生了鐵穩態異常、SLC7A11上調、GSH代謝受損和脂質過氧化。這也提示了在AD的治療中，抑制鐵死亡可能有益。

更好地理解AD中鐵死亡的潛在機制可能會促進抗鐵死亡策略的開發和應用，以減緩或預防AD的進展。雖然已知AD患者大腦表現出鐵死亡特征，但尚不清楚AD與鐵死亡間的因果關系，還需進行進一步的研究。

3 鐵死亡抑制劑在中樞神經系統疾病中的應用

越來越多的研究表明，抑制鐵死亡可能對中樞神經系統疾病有效。研究鐵死亡抑制劑可能會對疾病的治療提供新的思路，目前已知的鐵死亡抑制劑主要通過減少游離鐵、清除活性氧、抑制脂質過氧化等途徑發揮作用［41］。

3.1 去鐵胺

去鐵胺是一種鐵螯合劑，已被美國食品藥品監督管理局認證并廣泛用于治療鐵過載疾病，在多種體外、體內模型中被驗證可抑制鐵死亡。VOGELAAR等［42］發現，去鐵胺能夠在體外抑制轉化生長因子-β誘導的瘢痕形成，而在脊髓損傷大鼠體內，去鐵胺也能抑制脊髓損傷后瘢痕的形成，增加損傷中心皮質脊髓束的再連接，從而促進脊髓損傷大鼠運動功能的恢復。另有研究［43］表明，去鐵胺治療后脊髓損傷大鼠運動功能明顯改善，保留神經組織增加，電生理傳導改善，進一步表明去鐵胺在脊髓損傷中的主要藥理作用是促進新生血管形成。去鐵胺在PD治療中也有一定的意義，ZENG等［44］的研究表明，去鐵胺降低了PD體外模型中活性氧的釋放水平，并通過抑制鐵死亡途徑保護細胞免受損傷。

3.2 Fer-1

Fer-1是一種特異性鐵死亡抑制劑，能夠防止erastin或RSL3誘導的脂質活性氧的積累，抑制HT-1080細胞鐵死亡［3］。Fer-1比酚類抗氧化劑更有效地抑制鐵死亡，在還原鐵存在的情況下，Fer-1可消除脂質過氧化物，產生與GPX4相同的抗鐵死亡作用［45］。此外，研究［3］表明，Fer-1在各種細胞疾病模型中抑制細胞死亡，如亨廷頓病、急性腦損傷和腦室周圍白質軟化等。XIE等［12］研究了Fer-1對小鼠創傷性腦損傷后鐵死亡和組織損傷的影響，結果表明，通過腦室注射給予Fer-1可顯著減少鐵沉積和神經元變性，同時減輕腦組織損傷，并改善長期運動和認知功能。

3.3 Lip-1

Lip-1是通過高通量文庫篩選出的可以抑制鐵死亡的螺喹喔啉類化合物，它可以抑制脂質活性氧的積累，并在體外抑制erastin或RSL3誘導的鐵死亡。CAO等［46］研究了選擇性鐵死亡抑制劑Lip-1對蛛網膜下腔出血的影響，結果發現，Lip-1通過保護線粒體功能和改善脂質過氧化來保護小鼠海馬神經元HT-22細胞免受血紅素誘導的損傷，Lip-1可減輕神經功能缺損和腦水腫，減少神經元細胞死亡，并恢復蛛網膜下腔出血后的氧化還原平衡。

3.4 多酚類天然化合物

近年來，多酚類天然化合物被發現具有抑制鐵死亡的作用，這類化合物可以通過多種途徑發揮抗鐵死亡作用。天麻素是天麻的一種成分，在神經退行性疾病中具有很強的抗氧化活性。JIANG等［47］研究了天麻素對谷氨酸誘導HT-22細胞鐵死亡的神經保護作用，天麻素預處理使HT-22細胞中的鐵離子濃度正常化，并發現天麻素增加了Nrf2的核轉位，在用谷氨酸處理后，上調了HT-22細胞中下游血紅素加氧酶1（heme oxygenase 1，HO-1）蛋白的表達。天麻素通過調節Nrf2/HO-1信號通路，保護HT-22細胞免受谷氨酸誘導的鐵死亡。

黃芩素是黃芩中含量最高的黃酮類化合物之一。研究［48］表明，黃芩素具有一系列關鍵藥理特性，如減少氧化應激，抗炎特性，抑制疾病特異性淀粉樣蛋白的聚集，抑制興奮性毒性，刺激神經發生和分化作用，以及抗細胞凋亡作用。黃芩素可以通過抑制GSH、GPX4降解以及脂質過氧化而抑制erastin誘導的細胞鐵死亡，還能激活Nrf2通路，抑制氧化損傷。黃芩素在治療AD和PD上顯示出巨大的潛力［49］。此外，研究［50］發現，黃芩素可以顯著抑制氯化鐵誘導的小鼠創傷后癲癇。黃芩素的神經保護作用也在檸檬酸鐵銨誘導的神經元損傷模型中得到驗證。

3.5 其他

氮氧化物可以阻斷芬頓反應，抑制羥基自由基的產生，減少鐵死亡的發生；曲格列酮通過抑制ACSL4減少脂質過氧化的發生，也有抑制鐵死亡的作用。目前，很多體外實驗發現鐵死亡抑制劑具有神經保護作用，其修復損傷的機制可能是通過抑制鐵死亡通路實現的。然而，研究尚在起步階段，以上抑制劑體內抑制鐵死亡通路的作用機制有待進一步驗證。

4 結論與展望

鐵死亡這種獨特的細胞死亡途徑，將闡明氧化應激在神經系統疾病中的作用。鐵死亡已成為一種獨特的、氧化應激誘導的細胞死亡途徑，對創傷性腦損傷、出血性卒中、AD、癌癥、腎缺血和植物熱應激等多種疾病都有影響。本文總結了鐵死亡在中樞神經系統疾病中的潛在作用機制及鐵死亡抑制劑在中樞神經系統疾病中的應用，鐵死亡在中樞神經系統疾病中的作用機制以及鐵死亡抑制劑展現出的顯著神經保護作用可能會為中樞神經系統疾病的治療提供新的靶點和機遇。