铁死亡与缺血再灌注损伤关系的研究进展▲

易 欣 刘 畅 周 易 蒋学俊

(1 武汉大学人民医院心内科，2 武汉大学心血管病研究所，3 心血管病湖北省重点实验室，湖北省武汉市 430060，电子邮箱：yixin321624@126.com)

【提要】 铁死亡是近年提出来的一种新型细胞程序性死亡方式，其有别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的程序性死亡，是以活性氧基团和铁离子介导的脂质过氧化为主要特征。铁死亡与多种生理和病理生理过程有关，最新发现其与心脏、脑、肝脏和肾脏等重要生命器官组织的缺血再灌注损伤密切相关。本文主要针对铁死亡与缺血再灌注损伤之间的关系展开综述。

尽快使缺血器官组织恢复血流灌注、挽救濒死细胞，是目前治疗缺血性心肌病、缺血性脑病等缺血性疾病的关键。然而，除缺血外，再灌注本身也会给心肌、脑组织、肝脏、肾脏等重要生命器官组织造成进一步的损伤，这一矛盾现象被称为“缺血再灌注损伤”[1-2]。导致缺血再灌注损伤的机制主要包括氧化应激、钙超载、线粒体通透性转换孔开放、炎症反应、能量代谢障碍等，但无论何种机制，最终结局均是导致器官组织的细胞死亡[3]。既往研究报告指出，多种细胞程序性死亡参与缺血再灌注后的心肌细胞死亡、肝细胞死亡和肾小管上皮细胞死亡等[4-7]，其中最经典的死亡方式是细胞凋亡。近年来，又发现一些新的程序性死亡方式参与缺血再灌注损伤的发生和发展，譬如铁死亡[8-10]。因此，本文将着重介绍铁死亡影响缺血再灌注损伤的研究概况，浅析铁死亡与缺血再灌注损伤之间的关系。

1 铁死亡

1.1 铁死亡的概念 铁是人体内不可缺少的微量元素，体内铁含量过低或过高、分布异常均会影响机体的生理功能。2012年，Dixon等[11]首次报告了一种新型细胞死亡方式，其主要表现为细胞内铁离子堆积、脂质过氧化、线粒体体积缩小和线粒体膜密度增加。这种程序性细胞死亡方式有别于细胞凋亡、细胞坏死和细胞自噬，呈铁离子依赖，是以活性氧(reactive oxygen species,ROS)基团和铁离子介导的脂质过氧化为主要特征，因此被称为“铁死亡”或“铁坏死”[11]。细胞内的游离铁离子通过芬顿反应与过氧化氢相互作用，导致组成生物膜的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，这是目前已知的铁死亡启动的基础机制[12-14]。

1.2 铁死亡的关键调节因子 线粒体是ROS产生的主要场所，ROS的形式主要包括羟自由基、超氧阴离子自由基、单线态氧和过氧化氢等[15]。谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是一种硒蛋白，它可特异并高效地清除磷脂过氧化氢，从而抑制铁死亡。有学者采用氧化脂质组学方法分析发现，缺乏GPX4的小鼠肾脏组织中存在大量磷脂氢过氧化物的堆积，包括磷脂酰胆碱氢过氧化物、磷脂酰乙醇胺和心磷脂等[16]。定位在Sn-2位置的多不饱和脂肪酸会导致磷脂极易发生氧化，脂质过氧化反应的主要产物分解后形成次要产物——低分子和高分子醛，而醛可以与细胞成分如胺、氨基酸和蛋白质相互作用，形成共价产物，这些醛反过来可以进一步促进细胞死亡[17]。此外，目前已经鉴定出多种与磷脂代谢有关的酶在铁死亡中发挥重要作用。其中，酰基辅酶A合酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)可催化长链脂肪酸和辅酶A反应生成酯酰辅酶A，敲低或抑制ACSL4均能显著抑制GPX4抑制剂RSL3诱导的铁死亡[18]。溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)可参与磷脂酰乙醇胺的生物合成，影响多不饱和脂肪酸的跨膜，抑制LPCAT3的表达可减少细胞内脂质过氧化的底物聚集，从而抑制铁死亡[19]。

1.3 铁死亡的诱导剂和抑制剂 目前，已发现多种物质可以诱导铁死亡的发生，常见的铁死亡诱导剂有小分子化合物Erastin、RSL3、丁硫氨酸亚砜胺、柳氮磺吡啶、青蒿琥酯和索拉非尼等，但细胞凋亡、坏死、自噬相关抑制剂并不能逆转Erastin诱导的细胞铁死亡[20-22]。同时，有些物质也能够抑制铁死亡，包括维生素E、谷胱甘肽、Trolox、Ferrostatin-1、Liproxstatin-1、铁螯合剂如甲磺酸去铁胺等。最近有学者发现，部分中药及其活性成分能够有效调节铁死亡，如青蒿素可调节与铁死亡相关的基因表达，诱导细胞铁死亡[22]；葛根素能抑制ROS的生成，调节铁稳态，抑制细胞铁死亡[23]；黄芩苷可抑制脂质过氧化，减少铁沉积，抑制细胞铁死亡[24]；糙米提取物也可以抑制脂质过氧化，改善敲低GPX4基因后所致的细胞毒性和细胞增殖障碍，从而抑制细胞铁死亡[25]。由此可见，中药及其活性成分有望成为未来治疗铁死亡相关疾病的重要方向之一，但需要深入研究中药成分的结构特征和作用靶点，从而保证中药及其活性成分治疗铁死亡相关疾病的稳定性和安全性。

2 铁死亡与缺血再灌注损伤的关系

临床和基础研究显示，心脏、脑、肾脏、肝脏、肺脏等重要生命器官组织缺血后，恢复血液灌注不但没能减轻组织的缺血损伤反而进一步加重了器官组织的细胞死亡，即缺血再灌注损伤[1-2]。细胞死亡导致器官组织功能降低是缺血再灌注损伤的主要原因，如何有效减少甚至抑制细胞死亡是改善和恢复缺血再灌注后器官组织功能的重要研究方向。随着对细胞死亡方式的不断认识和深入研究，越来越多的学者发现铁死亡是缺血再灌注损伤中细胞死亡的重要方式之一，这为恢复缺血再灌注后受损器官组织的功能提供了新思路和新方向。

2.1 铁死亡与心肌缺血再灌注损伤

2.1.1 心肌缺血再灌注损伤的发生机制：当冠状动脉闭塞引起心肌组织中氧和营养物质供应障碍时，会导致心肌组织的生化反应和代谢发生紊乱，如氧缺乏会导致氧化磷酸化暂停、线粒体膜去极化、ATP缺乏，同时也会抑制心肌的收缩能力[1]。此外，氧缺乏还会导致心肌内的代谢方式转换至无氧糖酵解，从而导致乳酸堆积，降低细胞内pH值，并导致多种离子泵活性发生变化[26]。心肌持续缺血缺氧会导致心肌细胞大量死亡、心功能持续恶化、甚或死亡。因此，及时恢复血液供应、挽救濒死心肌是目前治疗心肌梗死的标准方法。然而，当临床通过溶栓、支架植入或冠脉搭桥等手段恢复血液供应的早期可能会进一步促进心肌细胞死亡、诱发心律失常、心肌顿抑、微血管栓塞等，这一矛盾现象被称为“心肌缺血再灌注损伤”[1]。

2.1.2 铁死亡参与心肌缺血再灌注损伤：已有研究报告了多种细胞程序性死亡参与缺血再灌注后心肌细胞的死亡，最经典的是细胞凋亡，而铁死亡是新型细胞程序性死亡方式之一[8]。最近有学者发现在心肌缺血再灌注损伤发生时可产生磷脂氧化产物[27]。在心肌缺血再灌注后大量的ROS产生，而芬顿反应可进一步促进ROS的产生，如二价铁离子通过芬顿反应将H2O2转化为OH自由基(·OH)；产生的ROS会与生物膜的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，导致心肌细胞发生铁死亡。

Ooko等[21]于经皮冠状动脉介入术后4 d和5个月对48例ST段抬高型心肌梗死患者进行磁共振成像检查，发现患者梗死区和左室重构区的残留铁水平较高；Baba等[28]的研究进一步证实在小鼠缺血再灌注损伤过程中，心肌细胞存在铁超载。这提示铁死亡在心肌缺血再灌注损伤中发挥重要作用。具有结合铁作用的去铁胺被证明对雄性小鼠离体心肌缺血再灌注损伤具有保护作用[14]。铁死亡抑制剂Ferrostatin-1被证明能显著抑制缺血再灌注损伤导致的心肌细胞死亡[17]。此外，王福俤教授团队更是在动物水平进一步证实了铁死亡对心肌缺血再灌注损伤的作用，其研究结果显示，Ferrostatin-1以及铁螯合剂能显著抑制缺血再灌注损伤导致的急性和慢性心脏损伤[8]。以上研究结果表明，铁死亡可能是介导心肌缺血再灌注损伤的重要机制，而通过干预铁死亡有望成为减轻心肌缺血再灌注损伤的潜在靶点。

2.1.3 中药及其活性成分或小分子化合物通过抑制铁死亡改善心肌缺血再灌注损伤：葛根素为异黄酮类化合物，是葛根发挥药理作用的物质基础之一[29]。Liu等[30]发现葛根素能够改善心力衰竭，抑制心肌细胞死亡；用铁死亡诱导剂Erastin或异丙肾上腺素处理心肌细胞H9C2后，心肌细胞活力降低，脂质过氧化、不稳定铁池增加，而给予葛根素能抑制其脂质过氧化和铁过载。这提示葛根素有可能是通过抑制心肌细胞铁死亡而减缓心肌细胞死亡的。Baba等[28]利用第一代铁死亡诱导剂Erastin、第二代铁死亡诱导剂RSL3处理心肌细胞后，心肌细胞活力降低，而给予铁死亡抑制剂Ferrostatin-1或过表达雷帕霉素的下游作用靶点哺乳动物雷帕霉素靶蛋白，均能显著抑制心肌细胞内ROS的生成，从而抑制心肌细胞铁死亡，提示雷帕霉素发挥心肌缺血保护作用的机制有可能是通过抑制心肌细胞内铁过载和铁死亡而实现的。然而，铁死亡在心肌缺血再灌注损伤中的具体生物学功能，以及中药及其活性成分或其他小分子化合物等有效改善心肌缺血再灌注损伤中铁死亡的精确分子机制尚未完全明确。因此，未来进一步深入研究铁死亡等与心肌缺血再灌注损伤的关系及机制有望为研发相关药物提供新思路。

2.2 铁死亡与脑缺血再灌注损伤

2.2.1 铁死亡参与脑缺血再灌注损伤：脑是对缺血缺氧最为敏感、耐受力最差的生命器官，是最容易发生缺血再灌注损伤的器官之一，脑组织发生缺血再灌注损伤后主要表现为脑细胞坏死和脑水肿等。铁是神经系统的电子传递者，参与线粒体氧化反应和氧气运输，在DNA、RNA、蛋白质和髓磷脂合成中发挥重要作用；此外，铁还参与神经髓鞘的发生发展、神经递质如多巴胺的合成[31]。脑缺血后，线粒体无法提供足够的电子，生成大量的自由基，细胞膜上离子通透性升高，释放出大量不稳定低分子的“催化性”铁，此外无氧糖酵解产生大量的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸将三价Fe离子还原成二价Fe离子；缺血期和再灌注期的铁离子移位进一步促进自由基的生成，最终导致脂质过氧化和神经元细胞死亡，加重脑组织的缺血损伤[32]。

有研究显示，大脑短暂缺血后再灌注4 d后，沙土鼠的海马区出现转铁蛋白阳性的神经元和铁蛋白阳性的胶质细胞，再灌注7 d后纹状体出现铁蛋白阳性的巨噬细胞，这表明铁蛋白阳性表达与缺血后神经元变性密切相关[33]。Chi等[34]研究发现脑缺血1 h后，脑组织内大量铁沉积，主要集中在巨噬细胞和小胶质细胞铁蛋白阳性明显的细胞坏死区域。此外，脑缺血能诱导铁代谢障碍，脑组织内大量铁沉积，而铁沉积又可通过脂质过氧化促进自由基产生，导致DNA变性，进一步引起脑组织损伤[35-36]。以上研究均提示，铁超载和铁死亡在脑缺血再灌注损伤、脑损伤等神经系统疾病的病理生理过程中发挥重要作用，通过干预铁代谢和铁死亡或可成为抑制脑细胞死亡、减轻脑缺血再灌注损伤的潜在靶点。

2.2.2 铁死亡抑制剂和铁螯合剂改善脑缺血再灌注损伤：高浓度谷氨酸盐可诱导大鼠大脑海马区脑细胞死亡，而铁死亡抑制剂Ferrostatin-1和铁螯合剂CPX可以减轻这种脑细胞死亡，提示大鼠中枢神经系统损伤中存在铁死亡，且铁死亡抑制剂和铁螯合剂可显著降低脑细胞的死亡率[11]。在新生羊缺血再灌注损伤模型中，铁螯合剂可以抑制自由基的生成，提高钠-钾-腺苷三磷酸酶活性，促进神经功能的恢复，缩减损伤面积，改善缺血再灌注脑损伤，提高生存率[37]。此外，铁螯合剂发挥神经保护作用可能与其能结合体内铁离子，促进体内铁离子排泄，减少铁离子在脑组织内沉积有关，从而能够改善脑缺血损伤[38]。以上研究进一步提示，铁死亡在脑缺血再灌注损伤的发生和发展中发挥关键作用，而铁死亡抑制剂和铁螯合剂等有望通过调节异常的铁代谢改善铁死亡诱导的脑缺血再灌注损伤。然而，目前针对铁死亡与脑缺血再灌注损伤的研究只局限于细胞实验和动物实验阶段，铁死亡与人类脑血管疾病的确切关系还有待深入探究。

2.3 铁死亡与肾缺血再灌注损伤

2.3.1 铁死亡参与肾缺血再灌注损伤：肾缺血再灌注损伤是肾移植术后影响早期肾功能恢复和长期存活的重要因素，是缺血性急性肾功能衰竭的重要环节，也是临床上导致急性肾损伤的重要原因。此外，在心肺复苏、体外循环、严重失血性休克、短暂阻断肾血流手术过程中均可能存在肾缺血再灌注损伤。Skouta等[39]运用叔丁基过氧化氢诱导人近端肾小管上皮细胞HK-2构建急性肾损伤的细胞模型，发现第一代铁死亡抑制剂Ferrostatin-1、第二代铁死亡抑制剂SRS11-92可明显延长HK-2细胞的存活时间。Friedmann Angeli等[16]敲除小鼠铁死亡关键基因GPX4后，发现肾小管上皮细胞发生了铁死亡，且小鼠出现了急性肾损伤；给予铁死亡抑制剂Liproxstatin-1处理后能够显著减轻缺血再灌注诱导的急性肾损伤。以上研究均表明，在缺血再灌注损伤导致的急性肾损伤模型中，肾小管上皮细胞发生了严重的铁死亡。

2.3.2 铁死亡抑制剂和铁螯合剂改善肾缺血再灌注损伤：Linkermann等[40]发现，在急性缺血再灌注损伤和草酸肾病相关的急性肾功能衰竭小鼠模型中均存在严重的铁死亡，利用铁死亡第三代抑制剂SRS16-86可保护肾功能、减轻缺血再灌注和草酸盐相关的急性肾损伤，并延长生存时间。另外，横纹肌溶解和叶酸也可导致近端肾小管发生铁死亡，而给予铁螯合剂去铁胺和铁死亡抑制剂Ferrostatin-1均可抑制脂质过氧化，从而减轻急性肾损伤[41-42]。还有学者发现，新型铁螯合剂CHGN2957也能有效减轻大鼠肾缺血再灌注损伤，这可能与其利用中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白、肠螯素和铁的螯合，调节铁的传递过程，最终减少ROS的产生有关[43]。由此可见，铁死亡抑制剂或铁螯合剂、抑制肾细胞铁死亡，可能是未来临床治疗肾缺血再灌注损伤和急性肾损伤的新策略和新措施。

2.4 铁死亡与肝缺血再灌注损伤 目前，肝脏切除和肝移植手术是终末期肝脏疾病最常用的治疗手段。然而，肝缺血再灌注损伤是肝脏切除和肝移植手术过程中不可避免的并发症，其可导致急慢性组织排异反应和肝脏移植术后器官衰竭等，极大地限制了肝脏切除术的适应证及边缘性肝脏供体的应用。有研究显示，铁死亡在缺血再灌注性肝损伤中也发挥重要作用；同时，给予铁死亡抑制剂Liproxstatin-1可以抑制脂质过氧化，从而减轻缺血再灌注导致的肝损伤[16]。然而，铁死亡在肝缺血再灌注损伤中的研究尚处于萌芽阶段。因此，未来深入研究铁死亡这一新型程序性细胞死亡方式，可能有助于阐明肝缺血再灌注损伤的病理生理机制，从而能够靶向铁死亡为改善缺血再灌注性肝损伤提供新策略和新方向。

2.5 铁死亡与肺缺血再灌注损伤 肺缺血再灌注损伤常见于肺梗死、急性肺损伤和肺移植，是造成肺移植患者术后原发性移植肺功能障碍的主要原因。研究表明，再灌注后，缺血肺组织在血氧恢复过程中生成大量的ROS，进一步激活免疫系统和凝血系统，进而导致内皮细胞功能障碍、细胞凋亡等[44]。肿瘤抑制因子p53主要通过诱导细胞周期停滞、细胞凋亡等方式发挥作用。最近研究表明，p53除了诱导细胞凋亡，还可以诱导细胞铁死亡[11]。Li等[45]发现在缺血再灌注损伤诱导的急性肺损伤小鼠和缺氧复氧诱导的小鼠肺上皮细胞模型中存在铁死亡，过表达p53凋亡刺激蛋白家族抑制因子(inhibitor of apoptosis-stimulating protein of p53，iASPP)可抑制铁死亡从而减轻缺血再灌注损伤诱导的急性肺损伤，而敲低iASPP可促进铁死亡从而加重缺血再灌注损伤诱导的急性肺损伤；其进一步发现，iASPP发挥抑制铁死亡改善急性肺损伤的保护作用，主要与其激活核因子E2相关因子2/缺氧诱导因子-1/转录因子信号通路有关。然而，铁死亡与肺缺血再灌注损伤的研究报告尚少。因此，以铁死亡为核心和靶点，研究铁死亡在肺缺血再灌注损伤中的具体作用机制，有助于阐明肺缺血再灌注损伤的病理生理机制，为改善缺血再灌注肺损伤提供新措施。

3 结语与展望

铁死亡作为一种新型程序性细胞死亡方式，参与多种器官的缺血再灌注损伤病理生理过程，但目前仍有许多问题有待进一步研究：(1)铁死亡主要在缺血再灌注损伤的哪个环节或阶段发挥作用？(2)器官缺血再灌注损伤过程中，铁死亡是否必须依赖于铁离子的参与？(3)在器官缺血再灌注损伤过程中，铁死亡与其他细胞死亡方式包括凋亡、坏死、焦亡等是如何交错相互影响的，存在哪些交互信号通路？(4)铁死亡特异性抑制剂和铁螯合剂在器官缺血再灌注损伤中的具体作用靶点是什么？如何在器官缺血再灌注损伤中进行铁死亡的特异性干预？因此，进一步明确铁死亡与其他类型细胞死亡方式的差异，深入阐明铁死亡的具体机制及其下游调控机制，明确铁死亡抑制剂的作用靶点和环节，将会为器官缺血再灌注损伤的治疗提供新的研究思路和治疗策略，具有十分重要的临床价值和意义。