铁死亡与炎症反应的研究进展

李 维， 吕占云， 李道静， 李燕新综述， 郝延磊审校

铁死亡(Ferroptosis)是一种非凋亡形式的细胞死亡，其具有明确的铁依赖性且与脂质过氧化相关，谷胱甘肽过氧化物酶4(Glutathione peroxidase 4,GPX4)是铁死亡的关键调节基因。目前已知铁死亡参与多种疾病的发生发展，如组织缺血再灌注损伤、神经系统疾病和癌症等。研究发现，铁死亡细胞通过释放炎症相关的损伤相关分子从而触发固有免疫系统,免疫细胞通过识别不同模式细胞死亡的机制来激发炎症反应。脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和环氧化(Cyclooxygenase,COX)产物在炎症反应中发挥重要作用，其可能与铁死亡密切相关。本文就铁死亡的最新研究进展进行综述，浅析铁死亡与炎症免疫之间关系。

1 铁死亡途径

胱氨酸/谷氨酸逆向转运体(xc-系统)是一个广泛分布在磷脂双分子层的氨基酸逆向转运体，由轻链xCT(SLC7A11)和重链4F2(SLC3A2)组成[1]。胱氨酸与谷氨酸以1∶1的比例通过xc-系统在细胞内外进行交换。在细胞内，胱氨酸被谷胱甘肽(GSH)或硫氧还蛋白还原酶1还原为半胱氨酸，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶的作用下进一步合成谷胱甘肽(GSH)。GSH是谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的主要底物，GPX4是铁死亡的关键调节因子[2]，它可以将过氧化物还原成相应的醇。(1S,3R)-RSL3(RSL3)[3]，ML162[4]和altretamine[5]为GPX4抑制剂。GPX4的抑制导致大量的脂质过氧化物聚集，成为铁死亡的标志[6]。花生四烯酸(Arachidonic acid,AA)、含有磷脂酰乙醇胺的肾上腺素酸酯化为磷脂的量将影响磷脂氢过氧化物的生成，磷脂氢过氧化物是铁死亡的重要特征。多种酶促途径包括GPX4功能障碍、脂氧合酶(LOX)介导的氧化，以及非酶促途径如自由基介导的自动氧化等均可以促进磷脂氢过氧化物在细胞内积累[7]。铁死亡机制(见图1)。

2 铁死亡途径的影响因素

实验发现Gpx4敲除的小鼠会出现与铁死亡有关的急性肾功能衰竭，Alox15作为LOX亚型之一，单纯Alox15缺失无法抑制体内Gpx4基因敲除引起的急性肾功能衰竭，因此认为不是单个而是多个LOX亚型参与的多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA)过氧化反应最终导致小鼠肾脏细胞中的铁死亡[8]。Lip1、Ferrostatin-1(Fer1)以及维生素E家族(生育酚和生育三烯酚)和黄酮类化合物在一些情况下可以抑制LOX的活性，可作为铁死亡抑制剂。

酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member4,ACSL4)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(Lysophosphatidylcholine Acyltransferase 3,LPCAT3)，参与磷脂酰乙醇胺的生物合成和重塑，影响多不饱和脂肪酸的跨膜，降低其表达可减少脂质过氧化的底物在细胞内聚集从而抑制铁死亡。因此，ACSL4和LPCAT3的遗传缺失抑制了铁死亡[6]。以胰岛素增敏剂罗格列酮和吡格列酮为代表的噻唑烷二酮类化合物有效抑制ACSL4，因此可以抑制铁死亡[9,10]。

甲羟戊酸途径也与铁死亡的调节有关。辅酶Q10是线粒体电子传递链的一部分，经甲羟戊酸途径代谢合成，可作为铁死亡的内源性抑制剂[10]。铁死亡诱导剂FIN56可能会激活角鲨烯合成酶(SQS)导致辅酶Q10耗尽。此外，他汀类药物为HMG-CoA还原酶抑制剂，可能是通过消耗辅酶Q10或通过其对硒代半胱氨酸tRNA的异戊烯化作用，增加细胞对FIN56诱导铁死亡的敏感性而发挥作用。

铁自噬(Ferritinophagy)是一种由核受体共激活因子4(NCOA4)[11]介导调节细胞内铁代谢的选择性自噬[12]。铁以三价铁(Fe3+)的形式进入血液循环，与转铁蛋白结合后以转铁蛋白结合铁的形式存储，然后通过与转铁蛋白受体结合进入细胞内的内涵体，继而通过铁还原酶还原为Fe2+。最后，Fe2+从内涵体释放到细胞质内不稳定的铁池中，从动态铁池释放的Fe2+通过Fenton反应将膜氧化成PL-OOH，诱发铁死亡[10]。最近报道，FINO2及其类似物为新的一类铁死亡发起者，FINO2通过直接铁氧化，磷脂的广泛过氧化和GPX4间接失活的式诱导铁死亡，具体过程仍不了解。

3 铁死亡与炎症反应

炎症反应是机体根据细胞内外环境变化做出的免疫应答,适度的免疫反应对于机体具有保护作用，过度的免疫应答会对机体造成伤害。铁死亡的过程则多伴炎症性的表现。使用晶体(草酸盐)和叶酸诱导的急性肾损伤(AKI)模型以及他莫昔芬诱导的全身GPX4缺失的基因敲除小鼠模型，在其肾脏中可观察到与铁死亡相关的坏死性炎症[13]。在他莫昔芬诱导的Gpx4fl/fl-RosaCreERT2小鼠中，大量肾小管细胞死亡导致急性肾功能衰竭和敲除小鼠的早期死亡。在组织病理水平上，可以观察到破裂的细胞释放细胞碎片、线粒体甚至细胞核进入肾小管腔。这很可能与经典损伤相关分子模式(DAMP)有关系[14]。在铁死亡组织中，通过F4/80免疫荧光染色显示有显著激活巨噬细胞[8]，释放促炎物质，引发一系列炎症反应。以上表明了铁死亡与炎症免疫有密切联系。

铁死亡组织中存在某些过氧化物代谢和花生四烯酸代谢产生的炎性介质。花生四烯酸代谢产生炎性介质的途径有:通过酯氧化酶(LOX)途径生成白三烯以及其他脂质过氧化物以及通过环氧化酶(COX)途径生成前列腺素(PG)[15]。在LOX通路中，LOX除在氧化酯化PUFAs中作为铁死亡过程的信号外，还通过LOX衍生的促炎因子代谢物(包括白三烯、HETEs和oxoeicosanoids)激活先天免疫细胞，间接地促进了铁死亡，实验证明LOX亚型12/15-LOX特异性抑制剂可以抑制由他莫昔芬诱导Gpx4缺失导致的细胞死亡。在另一条通路，AA经COX通路生成PGE，PGE在免疫系统中扮演重要角色。PGE可以调节炎症过程中免疫细胞的分化(可以促进Naiive T细胞向T辅助细胞Thl或者Th2分化)以及促进细胞因子的表达(PGE的刺激能够诱导树突状细胞中TNF超家族分子的分泌，进一步激活T细胞)，促进炎症反应的发生[16]。

固有免疫系统的细胞通过分泌白三烯、hepoxilins等使COX和LOX与炎症状态持续存在，并且最终通过分泌resolvins和lipoxin来消除炎症。这种自发放大循环既能发生在损伤的组织和衰竭的器官中，也发生在包括坏死性凋亡等具有免疫反应的背景下。LOX和COX家族在受损组织和先天免疫细胞中在对铁死亡致敏和DAMP释放过程中的时空表达和活化是多层次的，具体机制仍需探索。

图1 铁死亡的机制

图中缩略词：TF：转铁蛋白；TFR：转铁蛋白受体；Fenton reaction：芬顿反应；PUFA(PE):多不饱和脂肪酸(磷脂乙醇胺)；Xc-系统：胱氨酸/谷氨酸逆向转运体，由细胞膜上SLC7A11和SLC3A2两个亚基组成；ACSL4:酰基辅酶A合成酶长链家族成员4；LPCAL3：溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3；LOX：脂氧合酶；GSH:还原性谷胱甘肽；GSSH:氧化型谷胱甘肽：GPX4：谷胱甘肽过氧化物酶；L-OOH(L-OH):脂质过氧化物(及其相对应的醇)；CoQ10:辅酶Q10；VE:VE家族；flavonoids：黄酮类化合物；铁死亡抑制剂：Lip1、Fer1、RSL3、ML162、altretamine(阿曲明)；Mevalonate pathway：甲羟戊酸途径：Selenocysteine：硒代半胱氨酸

4 铁死亡与炎症的相关性在疾病中的研究

4.1 神经退行性病变 神经炎症是指发生在中枢及周围神经系统中由促炎因子介导的炎症反应。大量的研究发现，多种神经退行性疾病的发生与神经炎症密切相关，如阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、亨廷顿病(Huntington disease,HD)等[17,18]。相关研究表明，Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)家族成员在炎性免疫细胞周围表达显著升高，其中TLR2和TLR4参与了由脂质过氧化物引起的神经细胞凋亡的过程。同时，许多退行性疾病与铁死亡有关，通过敲除小鼠GPX4可促进脂质过氧化、胞内活性氧的堆积、神经元丢失以及星形胶质细胞激活，而GPX4是铁死亡发生的关键调控者，因此我们推测在神经系统退行性疾病中，铁死亡与神经炎症存在一定联系。

PD的典型病变为调节运动功能的黑质致密区中的神经元缺失。PD的运动症状通常表现为：静止性震颤、肌强直、运动迟缓、姿势障碍等[19]。在PD患者脑组织标本中通常可以观察到GSH耗竭，脂质过氧化、ROS水平以及致密区铁升高。实验表明，铜蓝蛋白基因缺失的小鼠在大脑中出现铁的沉积，且出现与PD相类似的临床表现，而铁螯合剂的应用可以减少铁的沉积，改善PD的运动症状[20]。研究发现，铁死亡是多巴胺能神经元的关键细胞死亡途径，通过体内和体外实验证实Fer-1可减少神经元死亡。因此，铁死亡与PD的病理过程密切相关。

AD是由学习和记忆所需的神经元变性引起的退行性疾病。在AD患者的尸检的脑组织标本中可以观察到脂质过氧化和铁质失调。在最近的一项研究中，具有特定大脑皮质和海马神经元GPX4敲除的小鼠在水迷宫测试中显示出明显的认知障碍，以及海马神经元的变性[21]。一项研究表明，tau的过度表达和过度磷酸化诱导了神经细胞发生铁死亡，α-硫辛酸通过下调铁转铁蛋白受体，降低磷酸化P38水平，上调xCT和GPX4表达来挽救神经元[22]。这些研究表明，铁死亡可能会影响对学习和记忆有重要意义的神经元。由此我们推断，铁死亡与AD的病理过程有关。

HD是另一种进行性神经退行性疾病。在HD动物模型和HD患者中已经注意到运动和痴呆[23]、氧化损伤、脂质氧化[24]、铁积累、GSH失调和GPX活性降低。铁螯合剂的使用已被证明可以改善HD小鼠的认知功能。以上证据表明铁死亡可能在HD的进行性神经变性中起作用。

4.2 肿瘤 铁死亡首先在非小细胞肺癌细胞系HT-1080中被发现。尽管许多研究证实铁死亡与多种肿瘤发病相关，但铁死亡在中枢神经系统肿瘤中的作用少有研究。铁死亡途径相关的脂质代谢酶在肿瘤的发病过程中扮演重要角色。相对于正常细胞，肿瘤细胞内ROS水平通常较高[25]，由于肿瘤细胞中抗氧化作用较弱，许多化疗药物就是通过铁死亡途径的氧化应激产生ROS对肿瘤细胞进行杀伤。许多物质可以通过抑制xc-系统间接增加过氧化导致铁死亡，研究发现高浓度(>200 μmol)柳氮磺胺吡啶是一种抑制胶质瘤生长的xc-系统抑制剂，通过诱导胶质瘤细胞死亡，降低肿瘤体积[26]。在肺癌细胞系、膀胱癌细胞和其他癌细胞系中研究发现AFT4、Nrf2可通过上调xCT表达以及Nrf2信号传导的激活来增加瘤细胞系对铁死亡的抵抗[27]。因此，肿瘤与铁死亡关系密切。脂氧合酶(LOX)是一类能够催化花生四烯酸等多不饱和脂肪酸生成有具有生物活性的代谢产物的过氧化物酶,它主要参与机体的炎症反应和免疫反应，同时也是铁死亡的必备条件[28]。

近年研究发现5-LOX、12-LOXs在多种肿瘤细胞中高表达，其代谢通路产物参与肿瘤细胞增殖、侵袭、转移等过程。由于LOX在铁死亡和炎症中均起到重要作用，因此，肿瘤与铁死亡以及炎症反应密切相关。

5 结 论

综上所述，铁死亡作为一种与铁离子有关依赖脂质过氧化的的程序性细胞死亡形式，它与多种疾病的病因病机存在密切关系。越来越多的证据表明，铁死亡的过程多伴有炎症的表现，细胞通过铁死亡分泌强烈激活固有免疫系统的因子，发挥调控细胞炎症、信号转导和细胞生长的作用，当炎症反应超过一定限度时，大量释放的促炎细胞因子，将导致机体损害。铁死亡与坏死性炎症的研究仍处于早期阶段，还有很多问题等待解决，如：铁死亡细胞释放的DAMP的机制是什么？导致免疫细胞活化的机制是什么？在发生铁死亡前受损的GSH/GPX4轴是否通过增加的LOX/PTGS信号促进固有免疫系统的激活？对铁死亡的深入研究将有助于更加充分认识多种疾病的发生进展机制并治提供新思路。