鐵死亡在糖尿病心腎并發癥中的作用研究進展

石彤彤 郭志新

糖尿病(diabetes mellitus,DM) 是21世紀全球最常見的慢性疾病之一,由于糖尿病管理的進步以及預期壽命的延長,糖尿病相關慢性并發癥如糖尿病心血管疾病和糖尿病腎臟疾病因其高患病率、高醫療成本和高病死率在國內獲得更多關注。鐵死亡是一種由脂質過氧化介導的鐵依賴性的新型細胞死亡模式,其實質是細胞內脂質氧化物代謝障礙,隨著對糖尿病發病機制的不斷深入探索,鐵死亡機制被證實參與糖尿病的發生、發展。β細胞功能缺失是引起1型糖尿病與2型糖尿病進展的關鍵機制,目前,細胞和動物實驗都表明,鐵死亡促進胰島β細胞損傷[1, 2]。在此,本文就鐵死亡及相關抑制劑在糖尿病心腎并發癥中的作用進行總結。

一、鐵死亡概述

鐵死亡的發生伴隨著特定的脂質過氧化和阻止過氧化脂質積累的天然防御機制受損。該過程依賴于過渡金屬鐵、活性氧(reactive oxygen species,ROS)積累,含有多不飽和脂肪酸鏈的磷脂(PUFA-PE)以及抗氧化體系表達的減弱:主要包括胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(xCT)、谷胱甘肽(glutathione,r-glutamyl cysteingl +glycine,GSH)、谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)。

正常情況下,進入循環的鐵以Fe3+的形式與轉鐵蛋白(tansferin,Tf)結合,運輸至各組織器官。隨后被金屬還原酶還原為Fe2+,通過二價金屬轉運蛋白1釋放到細胞質中的不穩定鐵池。細胞內的鐵輸出主要是由鐵轉運蛋白介導。鐵蛋白吞噬控制鐵蛋白的水平并進一步的調節Fe2+的豐度調控細胞鐵死亡[3]。當Fe2+過量時,通過芬頓反應產生大量的ROS和羥自由基,誘發細胞膜發生鐵死亡[4]。因此體內鐵攝入、儲存、利用和流出的不平衡影響細胞對鐵死亡的敏感度。

特定膜脂的過氧化作用驅動鐵死亡的發展。酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶3(LPCAT3)參與活化和整合多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)形成PUFA-PE,能量應激通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine activated protein kinase,AMPK)以及控制乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)限制PUFA生物合成。在不穩定鐵池或脂氧合酶、細胞色素p450氧化還原酶的作用下,PE-PUFA氧化為磷脂氫過氧化物(PLOOHs,一種基于ROS的脂質形式),其生成和累積導致膜結構發生快速且不可修復的損傷,這種連鎖反應進而引起細胞死亡[5]。

鐵死亡通過抑制依賴GPX4的經典調控機制和GPX4非依賴性途徑完成。GPX4是一種硒蛋白,是哺乳動物細胞中催化PLOOHs還原的主要酶。GSH是GPX4的必要輔助因子,由谷氨酸、甘氨酸和半胱氨酸3個亞基組成,半胱氨酸是GSH生物合成中的限速底物。半胱氨酸可以通過xCT(含有SLC7A11和SLC3A2亞單位的跨膜蛋白復合物)被氧化并從環境中吸收,或通過蛋氨酸和葡萄糖的轉硫途徑合成。研究篩選發現,Erastin和RSL3兩類化合物分別通過抑制xCT阻止胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)的攝取導致半胱氨酸生產減少、GSH消耗和直接抑制GPX4活性觸發鐵死亡的發生,而且在GPX4條件性敲除的小鼠中觀察到脂質過氧化和隨后的鐵死亡,充分證實GPX4是鐵死亡的關鍵調節因子[6, 7]。除了GPX4依賴系統,鐵死亡抑制蛋白1(FSP1)/輔酶Q10(CoQ10)、環GTP水解酶-1 (GCH1)/四氫生物蝶呤(BH4)、吲哚-3-丙酮酸等也參與鐵死亡調控。具有泛醌氧化還原酶活性的FSP1通過還原CoQ10能夠直接減少脂質自由基,終止脂質自氧化反應[8]。GCH1及其代謝衍生物BH4/BH2引起脂質重塑,通過其抗氧化作用來保護細胞免于鐵死亡,并且完全獨立于GPX4介導的鐵死亡保護[9]。氨基酸氧化酶白細胞介素4誘導因子1產生的代謝物吲哚-3-丙酮酸通過直接清除自由基和激活抗氧化基因表達程序兩種模式來對抗鐵死亡[10]。

二、鐵死亡與糖尿病

DM是一種由遺傳因素和環境因素長期共同作用所致的慢性、全身性、代謝性、進展性疾病,其主要病理特征是胰腺β細胞衰竭和胰島素抵抗。值得注意的是,由于胰腺中ROS的高內源性產生和抗氧化酶的低表達,β細胞極易受到氧化應激的影響[11]。研究發現,鐵死亡誘導劑會損害體外人類胰島細胞的活力和功能,包括胰島β細胞,且在鐵死亡抑制劑的作用下有所恢復[12]。

獨立于促炎性細胞因子所致的細胞死亡,高糖刺激下鐵沉積、ROS/脂質ROS過量產生、GPX4軸紊亂促進β細胞鐵死亡,進而參與膜完整性的破壞導致胰島素分泌功能障礙[2]。體內鐵代謝與糖尿病進展有關,將體內鐵含量降低至適當水平可以改善糖尿病的狀況和發展[13]。在糖尿病細胞及動物模型中均觀察到ROS/脂質ROS表達量的增加,還發現細胞活力的降低和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、GSH、GPX4等抗氧化防御活性的變化[14]。Li等[14]研究結果支持槲皮素對長期糖毒性胰腺β細胞死亡的保護作用,該機制與鐵代謝、GSH消耗、GPX4失活和脂質過氧化有關。可見鐵死亡促進了胰腺β細胞的減少及胰島素分泌功能障礙,對與鐵死亡有關的因素進行監測與控制,可能對糖尿病及其并發癥早期診治有一定幫助。

三、鐵死亡與糖尿病心肌病

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)作為糖尿病最常見的心血管并發癥,逐步成為糖尿病患者死亡的主要原因之一。DCM在早期通常以心肌纖維化、左心室肥大、不良重構和舒張功能障礙為特征,晚期退化為收縮功能障礙和射血分數降低,最終導致心力衰竭。有研究表明,鐵死亡參與糖尿病心肌缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,IRI)的過程[15]。Li等[16]研究發現,在糖尿病心肌中鐵死亡與內質網應激(endoplasmic reticulum stress,ERS)之間存在著功能偶合,ROS和ERS相互關聯觸發鐵死亡,進一步導致IRI的發生,體內外實驗結果顯示鐵死亡抑制劑ferrostatin-1(Fer-1)能降低ERS和心肌損傷,反之鐵死亡激動劑Erastin的應用加重該損傷。棕櫚酸 (palmitic acid,PA) 誘導的心肌損傷被認為是肥胖和2型糖尿病相關心肌病發展的關鍵因素。Wang等[17]研究發現,熱休克因子1(HSF1)負調控PA誘導的細胞死亡和脂質過氧化,與HSF1+/+小鼠比較,PA攻擊的HSF1-/-小鼠通過增加SLC40A1和FTH1 mRNA 表達、降低GPX4和鐵轉運蛋白受體(TFRC)表達以及強化心臟中的ERS等方式呈現更為嚴重的鐵死亡現象。

表觀遺傳學中DNA甲基化和非編碼RNA(ncRNA)的研究使我們對糖尿病的發病機制和相關并發癥有新的認識。在糖尿病IRI期間抑制DNA (胞嘧啶-5)-甲基轉移酶1 (DNMT-1) 可降低核受體輔激活因子4 (NCOA4) 介導的鐵蛋白吞噬減輕細胞損傷程度[18]。Ni等[19]研究發現,抑制lncRNA-ZFAS1可能通過海綿化miR-150-5p激活細胞周期蛋白D2(CCND2)來減弱心肌細胞鐵死亡,從而緩解DCM心肌纖維化和心臟功能。由此可見,這些發現均強烈表明鐵死亡在DCM中起著至關重要的作用,抑制鐵死亡可對抗DCM改善其病理改變和心臟功能。

四、鐵死亡與糖尿病腎臟疾病

糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病嚴重的微血管并發癥,是終末期腎病的主要原因。高血糖、氧化應激、持續性慢性炎癥、晚期糖基化終產物積累、脂質代謝紊亂和誘導的異常過程影響多個腎細胞,導致不同的調節細胞死亡模式,引起腎臟結構和功能的破壞。鐵死亡被證實與DKD息息相關。Wang等[20]在DKD小鼠模型中發現GPX4表達水平降低,ACSL4表達水平升高、脂質過氧化產物和鐵含量增加。Kim等[21]從人體水平揭示鐵死亡與DKD的關聯,他們了評估DKD患者腎活檢組織中鐵死亡相關分子的變化,發現SLC7A11和GPX4 mRNA表達的減低。

目前研究普遍認為,腎小球是DKD的主要損傷部位,系膜細胞和足細胞功能障礙是糖尿病介導的腎組織破壞的重要病理事件。一項研究結果顯示,在DKD患者中觀察到血清鐵蛋白、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)、ROS和高遷移率族蛋白1(high mobility group protein 1,HMGB1)水平顯著升高及鐵死亡相關分子的失調;經過體外測定表明高糖介導的HMGB1在系膜細胞中易位并通過核因子E2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信號調節鐵死亡,敲除HMGB1可恢復細胞增殖、抑制高糖誘導的Toll樣受體4(TLR4)/核因子κB(NF-κB)軸激活、促進Nrf2及其下游靶點的表達對抗鐵死亡,并減少暴露于高葡萄糖的系膜細胞中的促炎性細胞因子[22]。過氧化物酶6(PRDX6)是鐵死亡的負調節因子。轉錄因子特異性蛋白1(specificity protein 1,Sp1)可與PRDX6啟動子中的3個Sp1反應元件結合調節轉錄激活PRDX6,PRDX6過表達抑制HG誘導的足細胞氧化應激和鐵死亡,沉默Sp1則逆轉了PRDX6對HG環境下足細胞功能的影響,STZ誘導的DKD小鼠的體內研究同樣驗證了PRDX6在DKD中的保護作用[23]。

此外,腎小管細胞鐵死亡也參與DKD的發生、發展。Feng等[24]研究已表明,鐵死亡可能通過缺氧誘導因子1α(HIF-1α)/血紅素加氧酶(HO-1)途徑影響DKD的進展并損傷腎小管。Kim等[21]研究發現,轉化生長因子β1(TGF-β1)刺激的腎小管細胞和糖尿病小鼠的腎臟中GSH水平顯著降低,同時伴隨著xCT和GPX4表達降低以及脂質過氧化的顯著增加。使用Fer-1處理可以明顯改善上述變化及減輕糖尿病小鼠的腎臟病理損傷。總之,鐵死亡通過足細胞、系膜細胞和腎小管細胞中的多種機制促進 DKD。深入研究鐵死亡的病理機制,有助于及時、合理地通過靶向鐵死亡防治DKD。

五、糖尿病及心腎并發癥中的鐵死亡抑制劑

隨著鐵死亡機制探索的不斷深入,目前已發現多種鐵死亡特異性抑制劑,如Fer-1、去鐵胺、維生素E等。糖尿病及并發癥中的鐵死亡抑制亦有較多研究報道。研究顯示,某些藥物可抑制鐵死亡繼而有利于糖尿病及并發癥的治療。非諾貝特作為第3代貝特酸衍生物被廣泛應用于治療血脂異常的患者,可通過上調Nrf2基因恢復鐵死亡相關改變,延緩DKD的進展[25]。羅格列酮是最強的ACSL4抑制劑,通過維持腎功能和通過阻斷腎小管細胞鐵死亡來抑制促炎性細胞因子的產生來改善DKD[26]。達格列凈是臨床上用于治療糖尿病的降糖藥物之一,其主要功能是通過鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2減少近端小管中的葡萄糖重吸收。近年來研究發現,達格列凈和SLC40A1相互結合減少泛素化降解,通過穩定SLC40A1緩解糖尿病腎小管鐵死亡[27]。

從天然產物中提取的一些化合物已被開發用來保護細胞免受鐵死亡的侵害。前文提到槲皮素通過抑制胰腺鐵沉積和胰腺β細胞鐵死亡對T2DM發揮有益作用[14]。Zhou等[28]研究發現,隱綠原酸也可通過激活胱氨酸/xCT/Gpx4/Nrf2和抑制糖尿病中的核受體輔激活因子4來削弱鐵死亡而保護糖尿病β細胞功能。姜黃素是從姜黃植物的根莖中提取的一種多酚類化合物,具有廣泛的生物活性,可促進Nrf2核易位,增加血紅素加氧酶等氧化清除因子表達,減少Gpx4過度丟失,抑制糖誘導心肌細胞鐵死亡[29]。來源于黃連根莖中的小檗堿可能介導Nrf2/HO-1/Gpx4通路調節DKD足細胞中鐵死亡相關蛋白水平緩解足細胞質膜和線粒體改變[30]。這類天然產物擁有潛在的抗鐵死亡特性,但該類化合物的作用靶點和臨床試驗有待進一步研究討論。

綜上所述,糖尿病可通過調控鐵代謝、抗氧化系統和脂質氧化途徑3個方面誘導靶細胞發生鐵死亡,而鐵死亡的發生加劇糖尿病及并發癥損害。研究已經證實,糖尿病及心腎并發癥和鐵死亡之間存在關聯。盡管對鐵死亡的研究還不夠深入,其在糖尿病及糖尿病并發癥的具體作用機制還有待于進一步探討,但是鐵死亡這一潛在的糖尿病治療靶點或許會給臨床防治工作帶來新思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。