铁死亡在炎症性疾病中的研究进展

李福兴, 谢可心, 张玉琳综述, 赵卫东审校

0 引 言

炎症性疾病(inflammatory diseases, ID)是一系列以炎症反应为特征的疾病，广义上包括感染性疾病、自身免疫性疾病、恶性肿瘤、心血管疾病和糖尿病等[1]。对于众多ID而言，其发生发展机制尚不明确，因此深入了解ID的发病机制，寻找疾病治疗的新靶点至关重要。目前已有研究发现，铁死亡是一种新型细胞死亡方式，能触发机体固有免疫，释放IL-1β、IL-18等炎症介质，激活机体炎症反应，另外可通过脂氧合酶(lipoxygenase, LOX) 和环氧化(cyclooxygenase, COX) 产物参与炎症反应进程。因此，铁死亡与ID的发生发展密切相关[2]。在此，本文将对铁死亡的机制及其在ID中的最新研究进展进行综述。

2 铁死亡

铁死亡是一种铁依赖性的，以细胞内活性氧堆积为特征的非细胞凋亡形式的细胞死亡，主要受膜脂修复酶-谷胱甘肽过氧化物酶 4(glutathione peroxidase 4, GPX4)基因的调控[3]，而人成纤维细胞特异蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1, FSP1)与GPX4起相似的作用，是平行于GPX4的全新铁死亡效应蛋白[4]，铁死亡这一现象于2003年首次被发现，并于2012年最终命名[5]。铁死亡有明显区别于细胞凋亡的形态学特征，如线粒体明显皱缩并伴有膜密度增加等[6]。铁死亡的生化特征则表现为活性氧、铁离子的聚集，激活丝裂原活化蛋白激酶系统，进而引起胱氨酸摄取减少、谷胱甘肽耗竭，抑制细胞膜胱氨酸/谷氨酸反向转运体(System Xc-)[7]。铁死亡的实质是细胞内脂质氧化物代谢障碍，在铁离子催化作用下代谢发生异常，当细胞抗氧化能力减弱，脂质活性氧堆积，使细胞内氧化还原失衡，诱导细胞死亡[8]，这也是铁死亡与细胞坏死、凋亡及自噬等途径本质上的不同。

2 铁死亡机制

2.1 脂质代谢在铁死亡中的作用脂质过氧化物蓄积诱导细胞发生铁死亡。多不饱和脂肪酸 (poly-unsaturated fatty acid-phosphatidyl ethanolamine, PUFA-PE)的过氧化能促进铁死亡的发生，PUFA-PE以花生四烯酸及肾上腺素为主要原料，生成PUFA酰基辅酶A后进而生成PUFA-PE[9]，其过氧化的过程在质膜及内质网上完成，最终产物为脂质氢过氧化物[10]，有研究发现这可能是因为多不饱和脂肪酸存在双烯丙基质子，因此使其对氧化损伤更敏感[11]。细胞内活性氧同样在铁死亡中发挥重要作用，活性氧在与多聚不饱和脂肪发生反应后所形成脂质活性氧能导致细胞膜损伤或细胞死亡[12]，此外铁介导的芬顿(Fenton)反应也能诱导脂质活性氧的产生[13]。最新研究表明经铁死亡诱导剂erastin处理的癌细胞可因铁依赖性脂质氧化物的蓄积而死亡，抑癌基因P53的负调节因子MDM2和MDMX能通过PPARα介导的脂代谢促进细胞铁死亡[14]，还有研究证实FPS1能促进脂质活性氧累积导致铁死亡的发生[15]。

2.2铁代谢在铁死亡中的作用铁代谢途径与铁死亡发生密切相关。铁是人体必需的微量元素之一，正常情况下机体从食物中吸收的主要是Fe3+，被十二指肠色素细胞还原为Fe2+后，在二价铁离子转运体1的帮助下，运输至小肠上皮细胞，才能最终在十二指肠和空肠上段被吸收[16]。吸收的这部分Fe2+一部分形成了铁蛋白，然后储存在肝或巨噬细胞中，还有一部分经膜铁转运蛋白释放入血液[17]。释放入血的铁离子在转铁蛋白(Tf)、转铁蛋白受体1和转铁蛋白受体2的帮助下，通过胞吞作用被细胞吸收，最终在内涵体中释放。而铁代谢一旦失衡，则会导致多种疾病的发生，铁能抑制SRSF7与细胞死亡受体Fas的mRNA前体结合，导致突变的促凋亡的Fas亚型表达增加，有研究发现在细胞发生铁死亡后有明显的铁蓄积[18]。还有研究表明外源性铁离子补充后能加速铁死亡诱导剂erastin的作用下的铁死亡进程[19]。这些均表明铁积累是诱发铁死亡的一种独特的机制。

2.3氨基酸代谢在铁死亡中的作用氨基酸代谢同样参与铁死亡的进程，而GPX4 是诱导铁死亡的关键蛋白。System Xc-在质膜上以1∶1的比例将细胞内的胱氨酸与细胞外的谷氨酸进行交换[20]。谷胱甘肽(Glutathione, GSH)在体内主要起抗氧化的作用，其合成离不开胱氨酸，而erastin作用于System Xc-可以抑制细胞膜对胱氨酸的摄取，减少GSH的合成，进而促进活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的蓄积[8]。GSH是GPX4的主要底物，GPX4通过中和脂质过氧化物来保护细胞，主要在线粒体中发挥作用，因此直接抑制GPX4，或通过耗尽其底物谷胱甘肽等(如半胱氨酸)，可引发铁死亡[21]，最新研究发现神经元通过诱导硒蛋白对铁死亡刺激做出反应，硒通过转录因子TFAP2c和Sp1的协同作用增加了GPX4及相关基因的表达，进而保护神经元[22]，而RSL3可直接抑制GPX4[18]，还有动物实验表明敲除GPX4基因的小鼠能诱发肾小管细胞铁死亡[23]。

2.4其他目前研究已发现自噬通过降解铁蛋白从而促进铁死亡，ATG5-ATG7-NOCA4的自噬途径在铁死亡中起重要作用[24]，还有研究发现AMPK蛋白可以通过抑制氨基环丙烷羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC)进而降低多聚不饱和脂肪酸的合成最终抑制铁死亡[25]。研究还发现P53负调节SLC7A11(胱氨酸-谷氨酸逆向转运蛋白(Xc-)的转录，能抑制SCL7A11并诱导铁蛋白沉积导致铁死亡[26]。而MESH1是一种细胞质NADPH磷酸酶，在应激条件下诱导NADPH耗竭，促进铁死亡，研究发现去除MESH1后可以保持细胞中的NADPH水平，通过NADPH驱动产生GSH抑制铁死亡[27]，NADH-FSP1-CoQ10通路则是脂质过氧化及铁死亡的另一个关键的抑制机制[15]，总的研究铁死亡的机制相对复杂，需要更多的研究来发现。

3 铁死亡与炎症

炎症是机体对各种损伤因子的刺激所发生的以防御为主的基本病理过程，而铁死亡与炎症反应关系密切，铁死亡的过程会产生某些过氧化物代谢及花生四烯酸代谢的相关炎症因子。研究发现铁死亡组织中PTGS2基因的表达增加，该基因主要编码COX2，可加速花生四烯酸的代谢[28]，脂氧化酶(lipoxygenase, LOX)和环氧化酶(COX)是参与花生四烯酸代谢的主要工具酶，二者将花生四烯酸分解成白三烯、前列腺素及某些过氧化物，GPX4对NF-κB信号通路进行调控，抑制LOX，降低ROS水平，减轻机体炎症反应[29]。一旦GPX4缺乏，即可诱发炎症反应发生[30]。

4 铁死亡在炎症性疾病中的研究

4.1 肿瘤炎症是恶性肿瘤的生物学特点之一，铁死亡是近年来发现的肿瘤治疗新靶点，目前已取得一定进展，研究发现，GPX4 抑制化合物可以在实验室选择性地杀死经过药物治疗的乳腺癌耐药株细胞，而在未经治疗的乳腺癌细胞和正常乳腺细胞没有明显的影响。将这一发现扩展到多种不同类型的癌症，包括黑色素瘤、肺癌和卵巢癌，实验均表明，在经过治疗的耐药株细胞中 GPX4 抑制剂药物触发氧化细胞死亡，但在未经处理的癌细胞中则不会[31]。还有研究发现CD8+T细胞可以通过IFN-γ调控肿瘤细胞的铁死亡过程，该研究首先在免疫疗法过程中发现活化的CD8+T细胞能够增强肿瘤细胞内铁死亡特异的脂质过氧化水平，切断铁死亡通路后，肿瘤细胞即失去对免疫治疗的敏感性，通过进一步研究发现CD8+T细胞释放IFN-γ进而抑制System Xc-，增强脂质过氧化促进肿瘤细胞铁死亡，随后建立小鼠模型发现免疫检查点抑制剂联合一种可以特异性降解细胞外胱氨酸和半胱氨酸的人工合成蛋白酶cyst(e)inase可以显著增强T细胞介导的抗肿瘤免疫反应，并诱导肿瘤细胞发生铁死亡，并在临床实验中进一步得到证实。免疫治疗有效的患者，在接受治疗后其肿瘤中胱氨酸转运蛋白的表达下降，而CD8和IFN-γ的表达升高，该研究表明靶向铁死亡通路并联合免疫检查点抑制剂是未来极具潜力的肿瘤治疗策略[32]。

另一项研究发现P53介导的SLC7A11下调可抑制肿瘤增殖，并且SLC7A11可能是一种潜在的肿瘤生物标志物，人胃肠道肿瘤细胞中CD44v高表达，SLC7A11与CD44v相互作用促进了细胞对ROS的细胞防御，此研究阐明OTUB1介导的SLC7A11稳定抑制铁死亡反应，由于体内由OTUB1缺失引起的肿瘤生长抑制很容易被SLC7A11过表达逆转。因此，通过破坏SLC7A11水平或抑制OTUB1功能来调节OTUB1/SLC7A11通路可能是一种可行的肿瘤治疗策略[33]。

此外德国及美国学者鉴定出了独立于经典的GPX4信号通路的铁死亡抑制因子FSP1，并且均发现FSP1的豆蔻酰化对于抑制铁死亡的活性非常关键，FSP1通过还原CoQ10来阻止脂质氧化，进而抑制铁死亡，这一重磅发现对于癌症中铁死亡相关的药物的开发等方面提供了重要的策略参考[4, 15]。

4.2心血管疾病炎症反应产生的炎性介质在动脉硬化及其他心血管疾病的发生发展中起着关键的作用，铁死亡在心血管疾病方面同样取得巨大突破，然而国外鲜有相关报道。我国王福俤教授、闵军霞教授团队致力于铁死亡在心脏疾病中的研究，该团队于2019年初首次揭示了铁死亡这一新型细胞死亡方式在阿霉素引发心肌病与心肌缺血再灌注损伤的两种重要体内模型中存在及其重要意义，并阐明线粒体膜的脂质过氧化是心肌细胞发生铁死亡的关键机制，并基于分子调控机制提出了多种预防心脏损伤的有效途径[34]。今年年初该团队再次取得重大突破，发现SLC7A11的下调而导致的胞内胱氨酸和还原型GSH缺乏是诱发心肌细胞发生铁死亡的主要机制，还发现SLC7A11过表达通过增加细胞内的胱氨酸促进GSH合成，从而成功逆转了Fth心肌细胞敲除小鼠的铁死亡及其诱发的系列心衰表型，不仅系统阐明了铁蛋白通过调控铁死亡抑制心肌病发生的效应及分子调控机制，还利用整体动物模型首次揭示膜蛋白SLC7A11能通过阻断心肌细胞发生铁死亡而有效逆转铁蛋白缺失导致的心肌病，因而有望成为心脏疾病防治的新靶点[35]。

4.3神经系统疾病在某些神经系统疾病中，促炎因子介导的炎症反应在中枢及周围神经系统中发挥作用，铁死亡同样参与神经系统疾病的进程。据报道，铁死亡在阿尔茨海默症(Alzheimer disease，AD)、帕金森病、脑出血等疾病中发挥作用[36]。国外一项研究通过动物实验证明铁死亡是AD和相关痴呆的重要前驱指标，也是AD的重要病理机制，发现前脑神经元铁死亡调控因子GPX4的消融会促进认知损伤和神经退变[37]。还有研究发现硒作为药物可有效的抑制GPX4依赖的铁死亡，以及由过兴奋或ER压力诱导的GPX4依赖性的细胞死亡，在脑出血或中风后系统性的输注可通过血脑屏障的硒代多肽可激活转录，抑制细胞死亡，进而提升大脑功能，该研究还发现在出血性中风的小鼠模型中，通过向大脑中递送单次剂量的硒就可以驱动抗氧化剂GPX4的表达，从而保护神经元，提升中风后小鼠的行为表现，总的而言，这些研究结果在脑出血的营养护理和后续治疗中具有重要的指导意义[22]。我国一项研究表明癫痫行为的脑荧光成像揭示芹菜素可减轻髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)介导的氧化应激，抑制铁死亡，芹菜素可以有效降低细胞内MPO的表达，增加GPX4和SIRT1的水平，从而通过调控铁死亡，起到神经保护的作用，该研究为加速发现用于抗癫痫预防和治疗的小分子制剂提供了一种灵活的策略[38]。

4.4糖尿病目前越来越多的证据表明2型糖尿病与免疫系统功能紊乱和炎症反应有密切关系，然而铁死亡与糖尿病之间的关系研究较少。现有研究发现铁死亡会影响胰岛功能，在胰岛移植时，进行体外培养时胰岛可发生铁死亡，该研究建立小鼠免疫缺陷模型并使用铁死亡抑制剂处理胰岛后，则不会对体外移植造成影响，且不会影响胰岛功能[39]。长期砷暴露史是2型糖尿病的危险因素之一，我国一项研究发现在砷暴露下，胰岛细胞线粒体膜电位及细胞色素C水平降低，而ROS水平升高，砷可诱导胰腺发生铁死亡[40]。还有研究发现糖尿病可通过AMPK途径激活程序性细胞死亡，进而加重心肌缺血-再灌注损伤，而铁死亡在这一过程中发挥重要作用[41]。总体而言，铁死亡与糖尿病之间的关系尚不明确，需要更多研究来发现，以期将铁死亡作为糖尿病相关炎症治疗的新靶点。

4.5感染性疾病机体感染病原体后往往伴随炎症反应，最近的研究发现铁死亡与病原体感染机体后引发的宿主免疫损伤有关[42]。国外一项研究发现一种不含花生四烯酸乙醇胺(arachidonic acid-phosphatidylethanolamines, AA-PE)的铜绿假单胞菌在感染宿主后能表达LOX，进而引起宿主AAPE分解代谢产生ROS，导致宿主支气管上皮细胞铁死亡[43]，还有一项研究发现结核分枝杆菌能诱导巨噬细胞铁死亡，该研究在小鼠模型中证实感染结核分枝杆菌后引发的急性肺损伤与GPX4水平降低，ROS水平升高有关，并且在使用铁死亡抑制剂后能显著降低结核分枝杆菌的细菌负荷[44]。此外，Kang等[45]发现GPX4能对脓毒症小鼠模型的巨噬细胞热休克进程负调控，为临床研制靶向抑制脂质过氧化进程或促进GPX活性的药物治疗脓毒症提供了新思路[42]，但现有研究还不能完全揭示铁死亡与感染性疾病的关系，需要更多的研究来发现。

5 结 语

铁死亡作为一种新型细胞死亡形式，与炎症反应密切相关，GPX4更是研究热点，但现有研究主要集中在肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病，对糖尿病、感染性疾病等炎症性疾病研究相对较少，同时铁死亡的发生涉及多种基因的表达、调控，其信号通路复杂，机制尚未完全阐明，需要更多的研究来发现。综上所述，铁死亡在炎症性疾病中具有重要作用，需要更深层次的研究，为攻克炎症性疾病提供理论依据和转化策略。