铁死亡的调控机制及其在肝疾病中的作用研究进展

李余佳，王 玲，金 春，高俪原，梁宝瑜，王桭屹，张 峰，2，3，郑仕中，2，3

〔南京中医药大学1.江苏省中药药效与安全性评价重点实验室，2.江苏省中药功效物质重点实验室，3.中药品质与效能国家重点实验室（培育），江苏 南京210023〕

铁死亡是近年来提出的新型细胞死亡方式，与疾病密切相关，在多种疾病进程中都扮演着重要作用。目前发现，铁死亡在神经系统疾病、纤维化、肿瘤、缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤、糖尿病和动脉粥样硬化等疾病中发挥重要作用[1]。虽然铁死亡参与了诸多疾病进程，但深入机制还有待探究。作为困扰全球健康问题的肝疾病一直是研究的热点，而铁死亡的发现无疑为解决这一问题开辟了一条新的道路。

1铁死亡概述

1.1 铁死亡概念的提出

在铁死亡的概念提出之前，就已经发现了铁死亡的诱导剂。2003年，Dolma等[2]在使用高通量筛选化合物时，发现了一种新的化合物——爱拉斯汀（erastin），该化合物能够以一种非凋亡的形式选择性地杀死表达小T 癌蛋白和致癌ras 基因的细胞。接着，Yang等[3]又发现了含ras基因的癌细胞对ras选择性致死化合物（ras-selective-lethal compound，RSL3）和RSL5敏感性更高，并且凋亡、坏死和自噬抑制剂均不能抑制RSL3 和RSL5 诱导的细胞死亡，而抗氧化剂和铁螯合剂可以抑制这一过程。直到2012 年，Dixon 等[4]将这种依赖于铁的脂质过氧化和活性氧（reactive oxygen species，ROS）堆积而导致的细胞死亡命名为铁死亡。从此，铁死亡这一概念逐渐进入公众的视野，并发现铁死亡参与了多种病理进程。

1.2 铁死亡的机制

2018年，细胞死亡命名委员会建议将铁死亡定义为一种调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）[5]。在形态、生化特征和调控机制上，铁死亡都与其他死亡方式不同。铁死亡在形态学上表现为细胞膜不破裂但膜上起泡、线粒体变小、线粒体膜密度增加且外膜破裂、线粒体嵴减少或消失、细胞核大小正常但缺乏染色质凝聚[6]。在生化特征上，铁死亡表现为铁和ROS的增加和半胱氨酸摄取减少、花生四烯酸介导因子释放增多、线粒体膜电位降低等[7]。正是因为与传统的细胞死亡方式不同，铁死亡得到了越来越多的关注，通过深入了解铁死亡的调控机制，有望为疾病的治疗提供新的策略。

从铁死亡提出至今，对铁死亡机制探究的脚步从未停下。从目前的研究来看，铁代谢紊乱尤其是铁超载和脂质过氧化已逐渐被公认为是铁死亡的中心环节[8]。研究表明，对铁死亡敏感的细胞转铁蛋白受体1（transferrin receptor 1，TfR1）升高，而铁蛋白表达降低，导致铁吸收增加而铁储存减少，过多的铁就会通过芬顿反应和Haber-Weiss反应产生ROS从而诱导细胞铁死亡[3]。此外，铁死亡还受到system Xc-系统和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的严格调控。system Xc-是一种膜Na+依赖性胱氨酸-谷氨酸交换转运体，是由轻链亚基（xCT，SLC7A11）和重链亚基（CD98hc，SLC3A2）组成的二硫键异二聚体[9]。system Xc-将细胞外胱氨酸转运到细胞，再转化为半胱氨酸用于谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成[10]。细胞摄取半胱氨酸是GSH 合成的关键步骤，GSH的产生和维持是保护细胞免受氧化应激反应损伤的关键。当选择性抑制system Xc-时，会导致细胞内GSH 的合成减少，毒性ROS 积累，最终引起细胞死亡[11]。而GPX4 是一种将还原型GSH转化为氧化型GSH，同时将脂质过氧化氢还原为相应的醇或游离过氧化氢还原为水的酶[12]。一旦GPX4 受到抑制，脂质过氧化物将会积累，与此同时，细胞内的铁会将其催化为脂质自由基，产生细胞毒性，导致细胞死亡[12]。值得注意的是，线粒体在铁死亡中也有重要作用。最近的一项研究表明，线粒体在铁死亡中的作用取决于细胞所处的环境[13]。当半胱氨酸缺失时，细胞会通过谷氨酰胺分解来进行代谢，线粒体内三羧酸循环增强，脂质ROS 的产生增多，线粒体膜超极化并最终崩溃，从而诱导细胞铁死亡。但是如果直接抑制GPX4，细胞则会发生不依赖线粒体的铁死亡。

1.3 铁死亡诱导剂和抑制剂

在对铁死亡机制的探索过程中，对铁死亡诱导剂和抑制剂的研究也没有停止。其中美国FDA 已批准铁死亡诱导剂柳氮磺吡啶（sulfasalazine）和索拉非尼（sorafenib）进入临床使用，并且取得了较好的效果[14]。甲磺酸去铁胺是一种通过螯合铁和抑制铁的芬顿反应来阻止脂质过氧化发生的铁死亡抑制剂，目前临床主要用于治疗慢性铁负荷过重[15]。除此以外，已知的铁死亡诱导剂有FIN56、FINO2、GSH 和半胱氨酸合酶等；铁死亡抑制剂有ferrostatins、liproxstatins、环己酰亚胺和β-巯基乙醇等[16]。本文主要介绍一些与铁死亡相关的中药成分。一项研究表明，包括青蒿素在内的10种青蒿素衍生物可以改变与铁死亡相关的基因，从而诱导细胞铁死亡[17]；荜茇酰胺可以通过提高ROS 水平，调节铁代谢来诱导铁死亡，发挥抗肝癌的作用，并且其对正常细胞没有影响，是非常有前景的化合物；葛根素能够降低ROS、调节铁稳态、抑制铁过载，从而抑制细胞铁死亡；糙米提取物可以改善GPX4 敲低诱导的脂质过氧化、细胞毒性和延迟增殖，提示糙米可作为铁死亡抑制剂从而发挥作用[18]；黄芩苷通过抑制脂质过氧化，阻止铁沉积从而抑制铁死亡，且其抑制作用明显优于一些典型的铁死亡抑制剂，有望成为一些由铁死亡引起的疾病的有效治疗药物[19]。虽然对中药及其活性成分调节铁死亡的研究起步晚，积累少，但其调节靶点多、结构稳定、安全性高和廉价易得的一些特点使中药在铁死亡调节的研究中占有重要的一席之地。

2 铁死亡与肝疾病的关系

肝疾病是一种常见的危害极大的疾病，通常多见如肝炎、酒精性肝损伤、脂肪肝、肝纤维化、肝硬化和肝癌。目前，肝疾病是困扰全球健康的一大难题，其治疗难度高，且尚无有效的特异性治疗手段，只能采取保守治疗，寻找有效的治疗方法解决这一难题迫在眉睫。近年来，许多研究都表明，铁死亡与肝疾病密切相关。与正常状态下的肝相比，发生病变的肝内铁离子和脂质ROS增多，提示铁死亡可能在肝疾病中扮演着重要的角色。所以，调控铁死亡可能会成为治疗肝疾病的一种新的策略，深入了解铁死亡的调控机制将会为肝疾病的治疗带来新的希望。

2.1 铁死亡在肝损伤中的作用

2.1.1 血色素沉着症相关肝损伤

血色素沉着症尤其是遗传性血色素沉着症（hereditary hemochromatosis，HH）会导致过量的铁储存在肝、心脏和胰等器官中，最终导致器官衰竭。研究表明，所有HH障碍均表现为铁调素-铁转运蛋白稳态失调，由此导致的过剩的铁通过芬顿反应产生ROS，从而导致细胞死亡和全身氧化损伤，最终导致严重的慢性并发症，包括肝硬化、糖尿病和心脏病[20]。目前对血色素沉着症相关肝损伤的治疗选择相对较少，因此，寻找铁相关病理过程的新的治疗靶点对于治疗血色素沉着症相关肝损伤至关重要。浙江大学的研究人员发现，铁含量过高及HH可诱发肝细胞及巨噬细胞发生铁死亡，同时，胱氨酸-谷氨酸转运体中的轻链亚基（xCT，SLC7A11）可抑制肝铁死亡[21]。因此，通过靶向铁-ROS-SLC7A11网络抑制由铁超载引起的铁死亡可能会为治疗血色素沉着症相关肝损伤提供新的策略。

2.1.2 缺血再灌注性肝损伤

I/R 可导致多种器官损伤，如心脏、肝和肾等。已有研究表明，抑制铁死亡可以改善I/R 引起的心肌和肾损伤。而I/R性肝损伤是肝手术的主要并发症，深入研究I/R 性肝损伤的病理生理机制及寻找各种抗I/R性肝损伤策略一直是肝研究领域的重要方向。虽然关于铁死亡在I/R 性肝损伤中研究较少，但已有的研究表明，铁死亡在I/R性肝损伤中也发挥重要作用，使用铁死亡抑制剂Liproxstatin-1可以抑制脂质过氧化从而减轻I/R 带来的肝损伤[22]。因此，靶向铁死亡这一非凋亡途径可能有助于改善I/R性肝损伤。

2.1.3 对乙酰氨基酚诱导的肝损伤

药物性肝损伤已成为近年来的热门话题。对乙酰氨基酚（acetaminophen，APAP）的肝毒性是引起急性肝衰竭的重要因素。研究表明，在APAP诱导的肝损伤进程中，肝脂质过氧化显著增加，并伴随着细胞内大量的铁沉积，这与铁死亡的特征高度契合。进一步的研究发现，（+）-黄皮酰胺可能通过增加谷胱甘肽巯基转移酶（glutathione S-transferase，GST）的活性抑制铁死亡从而保护肝免受APAP诱导的肝损伤[23]。在对方剂扶正养肝合剂的研究中发现，该方剂可以通过下调前列腺素内过氧化物酶基因2 mRNA水平，上调SLC7A11和GPX4蛋白水平来抑制铁死亡，从而保护肝免受APAP 诱导的肝损伤[24]。

2.2 铁死亡在肝纤维化中的作用

肝纤维化是指由各种致病因子所致肝内结缔组织异常增生，大量研究表明其发生的中心环节是肝星状细胞（hepatic stellate cell，HSC）的活化[25]。目前改善肝纤维化手段有改善炎症、抑制血管重构等，其中抑制HSC 的活化，并诱导其死亡是核心手段。研究表明，HSC 中储存有大量的铁离子[26]，这就为HSC 可能发生铁死亡提供了条件。Wang等[27]研究发现，在蒿甲醚诱导HSC发生铁死亡的过程中，P53 发挥了关键的作用。蒿甲醚可诱导P53上调，抑制SLC7A11，从而导致GSH 耗尽、GpX4缺失和ROS过表达，最终诱导HSC发生铁死亡，阻止肝纤维化的继续发展。Sui 等[28]研究发现，异甘草酸镁可诱导血红素氧合酶1上调，铁转运蛋白、铁转运蛋白受体和铁蛋白重链1 过表达，铁转运蛋白缺失，导致铁聚集，氧化还原稳态失衡，脂质过氧化增加，从而诱导HSC 发生铁死亡，最终抑制肝纤维化发生过程中HSC 的活化。最近Zhang 等[29]研究发现，诱导HSC中储铁蛋白自噬，释放出铁离子，游离的铁通过芬顿反应产生过多的ROS，进而诱导HSC发生铁死亡。而最新的研究发现，青蒿琥酯可以通过铁自噬诱导HSC铁死亡[30]，为中药抗肝纤维化的研究又添上了新的一笔。关于HSC 如何发生铁死亡有待更深入的研究，现有的研究也为通过诱导HSC铁死亡治疗肝纤维化提供了研究基础。目前关于肝纤维化的治疗药物多数为中药，明确中药治疗肝纤维化的分子机制有助于更好地治疗肝纤维化。

2.3 铁死亡在肝癌中的作用

肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是我国最常见的癌症之一[31]。目前，多激酶抑制剂索拉非尼（sorafenib）是晚期肝癌患者唯一的一线药物[32]。索拉非尼通过抑制位于细胞表面的酪氨酸激酶（如血管内皮生长因子受体、血小板衍生生长因子受体β）和诱导HCC 氧化应激，抑制HCC 的信号转导、增殖和血管新生，并诱导HCC 凋亡[33]。但是，越来越多的研究表明，索拉非尼的抗癌作用与铁死亡有很大的关系。Louandre等[34]研究发现，使用铁螯合剂铁氧胺（deferoxamine，DFX）实现的细胞内铁储存的耗竭阻止了索拉非尼在肝癌细胞中诱导氧化应激，有效地保护肝癌细胞免受索拉非尼的细胞毒性作用。在对索拉非尼的耐药研究中发现，金属硫蛋白（metallothionein，MT）-1G 是肝癌细胞对索拉非尼耐药的关键调控因子，而MT-1G在索拉非尼耐药中作用的分子机制包括抑制铁死亡[35]。虽然索拉非尼通过多种途径诱导肝癌细胞发生不同形式的死亡，从而发挥抗癌作用，但从目前的研究来看，索拉非尼更易诱发HCC 发生铁死亡[33]，并且通过抑制核转录相关因子2（nuclear transcription related factor 2，NRF2）[36]或下调成视网膜细胞瘤（retinoblastoma，RB）蛋白[37]可显著提高HCC对铁死亡的敏感性，更有利于索拉非尼发挥抗癌作用。除此以外，氟哌啶醇可显著提高索拉非尼处理的肝癌细胞中的铁离子、GSH和脂质过氧化水平，增强索拉菲尼的抗癌作用[38]。

除了索拉非尼，研究人员还发现了其他可以诱导HCC铁死亡的药物。由低密度脂蛋白-二十二碳六烯酸（low density lipoprtein-docosahexaenoic acid，LDL-DHA）重组而成的纳米颗粒可选择性地杀灭肝癌细胞，并减慢大鼠原位肝肿瘤的生长，肝癌细胞在摄取LDL-DHA 纳米颗粒后，细胞内的脂质ROS会升高，而GSH和GPX4降低，从而发生铁死亡[39]。纳米颗粒药物具有多种优势，尤其是可以靶向定位，为原位诱导癌细胞铁死亡提供了新的方向。

值得注意的是，最近一项研究表明，长链脂酰辅酶A合成酶4（long-chain acyl-CoA synthetases 4，ACSL4）是HCC发生铁死亡的必需基因[40]。ACSL4通过5 羟基二十碳四烯酸介导的脂毒性在促进erastin 诱导的铁死亡中起关键作用。ACSL4 不仅是铁死亡的敏感监测指标，也是引起铁死亡的重要因素。更有研究发现，与正常组织相比，ACSL4 在肝、肾、结肠直肠和头颈癌等多种癌症中均有过表达[41]，因此诱导铁死亡可能是一种安全性较高的抗癌方法。除此以外，Yuan等[42]研究发现，线粒体外膜铁-硫（2Fe-2S）蛋白质1（iron sulfur domain 1 protein，CISD1）会负调控铁死亡，并且在HCC 中，抑制CISD1 有助于erastin 诱导的铁死亡。而P53在诱导HCC 发生铁死亡的过程中也有至关重要的作用。众所周知，Ser46 的磷酸化对于维持P53 的肿瘤抑制功能十分重要[43]。Jennis等[44]研究发现，突变型P53 和Pro47 失去使Ser46 磷酸化的功能，后者被称为Ser 47（S47），可抑制HCC 中的铁死亡。综上所述，诱导铁死亡可能是未来治疗HCC的新策略。

2.4 铁死亡在其他肝疾病中的作用

慢性肝病的病程长、发病机制不明确是慢性肝病治疗的绊脚石。深入探究铁死亡在慢性肝病发病过程中的机制，有助于慢性肝病的治疗。研究发现，酒精性脂肪肝患者体内铁调素明显下调，从而导致十二指肠中铁转运蛋白表达的上调，血清中铁以及铁蛋白水平显著升高[45]。非酒精性脂肪肝患者的血清铁蛋白显著升高，而且转铁蛋白饱和度也呈现升高趋势[46]。肝炎患者尤其是丙肝患者因丙型肝炎病毒介导组蛋白乙酰化来降低铁调素水平从而诱导肝内铁积累[47]。此外自身免疫性肝病患者血清中铁调素的浓度明显低于正常人，最终导致肝内铁过载[48]。虽然无直接证据表明铁死亡参与到这些肝病，但这些肝病的发病过程中都表现出了铁死亡的关键特征，提示铁死亡可能参与了这些疾病的发病。综上所述，深入研究铁死亡和肝疾病之间的关系，有望为肝疾病提供新的治疗方法。

3 结语

目前对铁死亡的研究尚处于起步阶段，其特异性信号通路和标志性分子的研究还不成熟，尤其是国内对铁死亡的研究还比较少，并且很少涉及到传统中药。而现在对肝疾病的治疗还比较保守，主要以药物尤其是中药保肝为主。铁死亡的提出为中药保肝机制的探索提供新的研究方向和思路，并且调控铁死亡可能成为治疗目前尚无成功治疗方法的某些肝疾病的新策略。

铁死亡是一把双刃剑，在不同的病理状态下起着不同的作用。若是肝细胞发生铁死亡，将会导致疾病恶化；若是HSC 或肝癌细胞发生铁死亡，则可能会减慢疾病的进程。因此，在肝疾病的治疗中，先确认铁死亡的作用是至关重要的一步，对于肝损伤我们应以抑制铁死亡为主，而对于肝纤维化和肝癌，应以诱导铁死亡为主，这样才能达到治疗疾病的目的。

综上所述，铁死亡作为一种新提出的细胞死亡方式，对其机制的深入研究将会为肝疾病的治疗提供新的希望。