鐵死亡的發生機制及其在腦出血中的作用與相關藥物治療研究進展

魏陽陽， 王欽鵬， 蔡 珂， 李婷婷綜述， 梁 成審校

鐵死亡（ferroptosis）是一種與鐵代謝密切相關的程序性非凋亡性細胞死亡，是由鐵離子過量積累誘導質膜脂質發生過氧化，導致機體大分子物質被氧化破壞引起的細胞死亡［1］。越來越多的研究表明，鐵死亡與腦出血后繼發性損傷的病理過程密切相關。腦出血（intracerebral hemorrhage，ICH）是常見的腦卒中亞型，約占全球卒中死亡率近50%，占急性腦血管病的15%左右［2］。ICH 發病率高、預后差，約40%的患者在確診后1 年內死亡，大部分幸存者也遺留有嚴重的神經缺陷及認知功能障礙，嚴重影響患者生存質量［3］。ICH 的不良預后不僅歸因于血腫機械壓迫與高顱壓損傷，還包括以細胞毒性、血腦屏障破壞和細胞內代謝紊亂為特征的繼發性損傷（secondary brain injury，SBI）［4］。早期有創手術清除血腫同時予以對癥支持治療，可緩解血腫壓迫引起的原發性腦損傷，是目前緩解ICH 后原發性腦損傷的主要治療方法，但對于SBI 仍缺乏更精確有效的治療方法［5］。因此，針對ICH 繼發性損傷的特異性治療是很有必要的，深入研究腦出血后鐵死亡的發生機制及其藥物治療的前景，將為腦出血后繼發性腦損傷的診治提供新思路和新靶點。

1 鐵死亡的特征及機制

鐵死亡是2012 年由Dixon 團隊研究腫瘤治療時發現的、以鐵代謝紊亂為特征、受還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）-谷胱甘肽過氧化物酶4 （glutathione peroxidase 4，GPX4）軸調控的一種調節性細胞死亡［1］。形態學主要表現為線粒體體積萎縮、線粒體嵴減少、細胞核相對完整、不發生染色質凝聚、細胞膜密度增加等［6］；生化特點主要表現為胞內Fe2+、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、脂質過氧化物的積累、胱氨酸攝取減少、谷胱甘肽合成量下降而消耗增加、GPX4 活性下降等［1］。在基因水平上，受鐵代謝調控通路、脂質過氧化通路及氧化還原相關胱氨酸轉運通路的調節［6］。相關研究表明，鐵死亡病理過程主要與機體鐵代謝紊亂誘導脂質過氧化、GSHGPX4依賴性抗氧化防御系統的失活有關，是介導鐵死亡的重要環節，也是調控鐵死亡的潛在靶點［7］。越來越多的研究表明，鐵死亡與腦出血后繼發性損傷的病理過程密切相關［8，9］。

1.1 鐵代謝紊亂啟動脂質過氧化 鐵是機體維持正常生理過程的重要微量元素之一，參與體內多種代謝途徑。生理狀態下，機體攝取鐵主要是通過食物及衰老紅細胞回收利用鐵，從食物中攝取的大部分是三價鐵（Fe3+），不易被腸上皮吸收［10］。Fe3+可被鐵還原酶還原為二價鐵（Fe2+），通過小腸黏膜上皮細胞頂端膜中的二價金屬轉運蛋白1 轉運到細胞中，也可通過血紅素載體蛋白以血紅素形式吸收進入細胞，轉移到細胞中的血紅素在血紅素加氧酶1或2（HO-1/HO-2）的作用下釋放Fe2+［11］。吸收入血的Fe2+被銅藍蛋白氧化為Fe3+，與轉鐵蛋白結合形成復合物隨血液循環運輸到各個組織，通過組織細胞膜上轉鐵蛋白受體的介導進入組織細胞發揮作用，過多的鐵則儲存于鐵蛋白，還有小部分游離Fe2+通過基底膜一側的鐵轉運蛋白（ferroportin，FPN）從細胞中排泄出來，運輸到循環系統，防止過量游離鐵離子對細胞的毒性作用［12］。當機體鐵攝入不足時，Fe2+從復合物中緩慢釋放，并通過鐵蛋白輸送到循環系統，保持細胞內鐵穩態［13，14］。細胞內鐵的攝取、運輸、儲存和利用障礙將導致細胞內Fe2+沉積，通過芬頓反應生成大量ROS，從而啟動脂質過氧化反應［15］。生物膜磷脂中含有豐富的多不飽和脂肪酸，芬頓反應生成的ROS、自由基等能通過酶或非酶途徑攻擊含有碳碳雙鍵的脂質，誘導脂質發生過氧化而產生各種毒性產物，當鐵引起的脂質氧化反應超過細胞的抗氧化能力水平時，含有豐富多不飽和脂肪酸的生物膜會不斷被破壞，降低膜的穩定性和流動性，改變膜相關蛋白的生物活性，并誘導許多影響細胞活性和存活的物質滲透，誘導細胞死亡［16］。ROS 還可以攻擊DNA 和蛋白質，氧化堿基，破壞單鏈，并抑制關鍵的DNA修復途徑［17］。

1.2 GSH-GPX4 依賴性抗氧化防御系統的失活 GSH-GPX4 抗氧化系統相關的氨基酸代謝也與鐵死亡的發生密切相關。GPX4作為一種抗氧化酶，目前被認為是鐵死亡的中心抑制因子，其活性依賴于GSH 的輔助，而GSH 作為體內重要的還原劑，同樣能在GPX4 的催化下將脂質過氧化物轉化為無毒物質而平衡機體的氧化還原［18］。GSH 由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸合成，由于半胱氨酸在細胞中的濃度有限，半胱氨酸被認為是谷胱甘肽合成的限速前體［18］。細胞膜上廣泛存在的SystemXc-反轉運蛋白負責為合成GSH 提供原料，將細胞外的胱氨酸轉運到細胞內，進一步還原為半胱氨酸而參與GSH 的合成，同時將胞內谷氨酸轉運出去［19］。氨基酸反轉運蛋白、GSH、GPX4 都是生物抗氧化系統的重要成分，每一種缺陷都可能促進細胞發生鐵死亡［20］。當胞內GSH 含量減低或GPX4 活性下降時，細胞抗氧化能力降低，氧化還原失衡，對ROS和脂質過氧化物清除不足，誘發鐵死亡；氨基酸反轉運蛋白系統對胱氨酸、谷氨酸的反向轉運可以直接影響細胞內胱氨酸的含量進而影響GSH 的生成，影響GPX4 的活性，也發揮重要的作用［20］。當SystemXc-的功能被阻斷時，胱氨酸攝取減少而半胱氨酸含量不足，細胞內谷氨酸堆積、GSH 合成減少、GPX4 缺少GSH 的輔助而活性降低，細胞氧化應激受損加劇，促進細胞發生鐵死亡［21，22］。

2 腦出血后腦損傷的機制

ICH 導致神經細胞損傷的機制在超急性期（3 h內）、急性期（24 h 內）和晚期（3 d 后）可能不同，主要包括原發性損傷和繼發性損傷［4］。原發性腦損傷發生在ICH 后數小時內，腦血管破裂后局部形成血腫，可導致腦組織直接破壞，使神經元和神經纖維的聯系中斷，導致神經功能缺損；血腫的占位效應能明顯增高顱內壓，壓迫血腫周圍腦組織和神經傳導束，甚至導致腦疝形成，這是ICH 造成的原發性腦損傷［23］。繼發性損傷也在ICH 的最初幾個小時內發生，并在3 d后達到高峰，主要涉及血腦屏障破壞、腦水腫、炎癥、氧化應激等過程［24］。這些繼發性損傷過程與其預后不良密切相關，在ICH 晚期對上述病理機制進行干預將大大有利于腦出血患者的預后，被認為是腦出血治療的潛在靶點。

3 鐵死亡與腦出血

相關研究證明，在膠原酶誘導的小鼠ICH 模型中，可以觀察到鐵死亡的特征性形態學改變及分子學特征，并證實使用鐵抑素-1（Ferrostatin-1）可以減輕神經元鐵死亡，改善ICH 后腦損傷，為腦出血后神經元鐵死亡的發生提供了充分的證據［25］。

3.1 腦出血后神經元鐵死亡的過程 由于血腦屏障的存在，鐵進入大腦受到嚴格控制，鐵離子進入神經細胞的主要途徑是胞吞作用：血液中的Fe3+-轉鐵蛋白復合物在血液中運輸，到達腦組織后，轉鐵蛋白-鐵復合物與血腦屏障內皮上的轉鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TFR1）結合，觸發內吞作用進入腦細胞，腦出血后腦細胞代謝發生障礙，血液中pH 降低，誘導Fe3+從復合物中解離，解離后的Fe3+通過鐵還原酶還原為Fe2+，部分被細胞消耗利用，部分儲存于鐵池，過多的Fe2+則通過膜鐵轉運蛋白1（ferroportin1，Fpn1）轉運出細胞，由此維持細胞內外鐵離子的穩定［13］。腦脊液中的轉鐵蛋白飽和度遠高于血漿，當鐵過載時，這種差異可能會削弱大腦對鐵的調節，并使腦細胞容易發生病理生理事件，如鐵死亡［26］。而大腦的內源性抗氧化防御能力較差，這使其更容易受到氧化損傷［27］。此外，腦出血發生后，血紅蛋白從降解的紅細胞中釋放出來形成血腫，激活小膠質細胞，活化的小膠質細胞釋放趨化因子，將血液來源的巨噬細胞募集到出血區，吞噬沉積的血紅蛋白、受損和死亡的組織，代謝成鐵離子，隨后過量的Fe2+從小膠質細胞中轉運出去，通過轉鐵蛋白受體被轉運到神經元中，通過芬頓反應或哈勃-韋斯反應促進水和ROS 生成，并啟動脂質過氧化反應生成大量致命的脂質過氧化物，ROS 和脂質過氧化物隨后修飾和干擾蛋白質、脂質以及DNA 這些生物大分子，引起神經毒性和神經元死亡［28］。同時，機體會啟動抗氧化系統以清除過量的脂質過氧化物從而保護機體大分子物質免受損傷，消耗大量GPX4；另一方面，腦出血后神經細胞外谷氨酸高表達，SystemXc-受抑制，GSH 合成下降，GPX4-GSH 抗氧化防御系統進一步受抑制，細胞抗氧化能力下降而不足以抑制脂質過氧化，胞內氧化還原平衡被破壞，機體內脂質過氧化物不斷積累，引發脂質破壞的級聯反應，促進神經細胞發生鐵死亡［18，29］。

3.2 鐵死亡加重腦出血后腦損傷 腦出血后繼發性腦損傷的發生機制包括腦水腫、神經炎癥反應、氧化應激、細胞自噬跟凋亡等方面，神經細胞發生鐵死亡可以通過加重上述過程誘導加重腦損傷。腦出血后產生的血紅蛋白、鐵等物質可激活小膠質細胞，使炎癥因子、炎癥介質表達增加，誘導神經炎癥［30］；過量的Fe2+通過芬頓反應促進水和ROS 生成，并啟動脂質過氧化反應，使細胞內羥基自由基、脂質過氧化物等大量堆積，打破細胞原有氧化還原平衡，加速蛋白質、脂質以及DNA 這些生物大分子氧化破壞，加重氧化應激的過程［30］；芬頓反應生成的水可直接加重出血部位腦細胞水腫，而產生的活性氧會抑制細胞膜上Na+-K+泵、Ca2+泵的活性，影響離子的轉運，使胞內離子代謝紊亂、酸中毒，導致細胞毒性腦水腫［31］；此外，鐵過載在引發鐵依賴性脂質過氧化過程的同時，脂質過氧化產物還可以誘導細胞的凋亡和自噬［32］，加重腦損傷。

4 鐵死亡抑制劑對腦出血的治療作用

腦出血后鐵死亡與鐵代謝、谷胱甘肽依賴性抗氧化防御和脂質過氧化密切相關，這些病理事件可以激活炎癥反應并引起神經元損傷。因此，針對這些代謝通路分子的藥物治療為抑制鐵死亡、減輕腦損傷提供了新的靶點。

4.1 鐵離子積累抑制劑 Ferrostatin-1 是一種鐵死亡的特異性抑制劑，研究表明，在體內和體外給與Ferrostatin-1 后，可使活性氧、脂質過氧化物的產生減少，抑制神經元死亡，改善神經功能［25］。鐵離子螯合劑能與游離鐵離子結合，形成穩定絡合物而降低鐵離子的毒性。去鐵胺、去鐵酮（deferarox，DFR）、VK28、氯碘羥喹都是常見的鐵離子螯合劑，可減少鐵離子沉積，抑制小膠質細胞活化，減輕紅細胞溶血帶來的鐵過載和氧化應激，抑制神經元鐵死亡［33-35］。氯碘羥喹還可通過上調Fpn1 的表達水平，將鐵離子轉出細胞，從另一途徑抑制鐵死亡［36］。米諾環素也被證實可以作為鐵螯合劑緩解腦出血誘導的老年雌性大鼠的腦損傷，但其機制尚不清楚［37］。這些藥物對腦出血更確切的治療效果仍需進一步臨床研究證實。吡哆醛異煙酰腙（pyridoxal isonicotinoyl hydrazone，PIH）是一種親脂性鐵絡合劑，能有效降低血腫周圍組織總鐵、ROS 和脂質過氧化物含量，使GPX4表達增加，有效促進小膠質細胞由M1 向M2 表型轉化，降低炎癥因子的表達而抑制炎癥反應，發揮腦保護作用，從多個靶點抑制腦出血后神經元鐵死亡［38］。

4.2 脂質過氧化抑制劑 研究發現，長鏈非編碼RNA H19（lncRNA H19）可以通過調節miR-106b-5p/ACSL4 軸來促進腦微血管內皮細胞鐵死亡，lncRNA H19 的敲除可以增加SLC7A11 和GPX4 的mRNA 表達，并下調轉鐵蛋白受體的水平，抑制鐵死亡［39］。丹皮酚是從芍藥屬中分離得到的天然產物，可以介導HOTAIR/UPF1/ACSL4軸，能在體內外腦出血模型中抑制神經細胞發生鐵死亡，改善神經功能，抑制鐵死亡的進展［40］。抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（N-acetyl-cysteine，NAC）可以中和由花生四烯酸鹽依賴的脂氧合酶活性產生的有毒脂質，抑制ALOX5的毒性花生四烯酸產生來抑制鐵死亡，保護神經元，最終改善小鼠腦出血的預后［41］。N-羥基-N'-（4-N-丁基-2-甲基苯基）-二甲基苯胺（HET0016）也被發現可抑制花生四烯酸代謝產物20-羥基四烯酸的合成，證明其在腦出血后具有保護作用［42］。liproxstatin-1 是一種螺環座喔咻胺衍生物，已被證明能通過抑制ROS水平和激活Nrf2/HO-1信號通路來抑制鐵死亡，通過恢復記憶功能、調節腦萎縮、改善神經缺損癥狀來發揮長期的神經保護作用［43］。

4.3 增強細胞抗氧化相關藥物 GPX4-GSH軸是鐵死亡相關機制中研究最多的抗氧化途徑之一，在腦出血急性期，GSH治療可增強細胞抗氧化能力，減少腦出血模型小鼠腦損傷的體積、減輕神經功能缺損癥狀、降低死亡率，表現出強烈的神經保護作用［44］；作為一種抗氧化劑，N-乙酰半胱氨酸在腦出血后的神經保護作用部分是由于GSH 水平的增加，從而中和由花生四烯酸鹽依賴的ALOX5 活性產生的有毒脂質，減輕細胞損傷［41］；硒作為GPX4 所必需的微量元素之一，會驅動抗氧化酶GPX4 表達上調，可以阻斷鐵死亡，改善腦功能并治療腦出血［45］。黃芩苷、姜黃素、表兒茶素、異尖葉鉤藤堿是天然植物的提取成分，既往研究表明，黃芩苷、姜黃素、表兒茶素、異尖葉鉤藤堿均能通過提高細胞內GPX4 或SLC7A11的表達水平，增強細胞的抗氧化能力，改善腦出血后鐵死亡，但這些中藥成分的作用通路不同［43-46］。姜黃素納米顆粒的抗鐵死亡作用主要通過調節NRF2/HO-1 通路產生［46］；表兒茶素EC 主要對小鼠早期出血性腦損傷有保護作用，其保護作用主要是通過Nrf2依賴性途徑增強細胞抗氧化以及通過nrf2 非依賴性途徑降低血紅素加氧酶-1 的誘導和腦細胞鐵沉積［47］；異尖葉鉤藤堿主要通過作用于miR-122-5p/TP53/SLC7A11 通路，上調miR-122-5p 和SLC7A11 mRNA 的表達，抑制TP53，從而抑制鐵死亡［48］；此外，黃芩苷還可抑制鐵轉運蛋白SLC11A2的表達，通過調節鐵的轉運減輕鐵沉積，抑制鐵死亡，可在體內、外對腦出血后腦損傷發揮強烈的保護作用［49］。

5 問題與展望

鐵死亡最初是在研究腫瘤治療時發現的，作為一種獨特的細胞死亡方式，近年來，鐵死亡參與各個臟器病理過程的機制逐漸被闡述，對于鐵死亡在臨床疾病中的研究也越來越多。由于參與鐵死亡的信號傳導通路很多，其發生過程也在多個層面受到嚴格調控，靶向相關通路信號分子的藥物將為疾病的臨床治療和干預提供新的思路。

鐵死亡在腦出血后的腦保護和改善神經功能方面具有很大的探索價值，許多研究證實，通過抑制腦出血后鐵死亡，患者將獲得顯著的益處，并解決腦出血后高死亡率的問題。鐵離子螯合劑、脂質過氧化相關酶抑制劑以及一些能增強細胞抗氧化能力的天然藥物有望為腦出血后繼發性腦損傷的治療提供新的方向。

目前，對鐵死亡發生機制的研究已成為熱點，涉及多種通路及分子，盡管對鐵死亡發生機制的研究已經很豐富，但仍有許多機制和調節因子有待發現；許多研究成果證實了鐵死亡與腦出血具有密切的關系，但是鐵死亡促進腦出血發展的具體通路和調節機制如何、是否與其他細胞死亡方式存在相互作用等這些問題尚未得到解答，仍有待進一步探索；尋找拮抗鐵死亡過程的藥物將為腦出血的治療提供新的思路，如何將這些基礎研究成果轉化為臨床應用并減少相關的不良反應，還需要更深入的研究。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：魏陽陽負責論文設計、擬定寫作思路、撰寫論文；蔡珂、李婷婷負責文獻收集；王欽鵬負責論文修改；梁成負責指導撰寫論文并最后定稿。