铁死亡在脓毒症心脏功能损伤中的研究进展

袁明明 赖松青 张泽宇 吴起才

(南昌大学第一附属医院 心脏大血管疾病研究所，江西 南昌 330006)

脓毒症是急危重症患者的主要死亡原因之一。脓毒性心肌病是脓毒症的严重并发症，与脓毒症高死亡率直接相关。近年来，随着医疗技术水平的提高，不管是在分子生物学还是临床诊疗上，脓毒性心肌病的研究取得了长足的进步，也不断有研究者提出相关的病理机制。尽管如此，脓毒性心肌病仍是脓毒症的严重并发症，且死亡率一直居高不下。近几年来，越来越多的证据表明铁死亡(ferroptosis)或许是脓毒性心肌病中心肌损伤的一种潜在机制。现总结铁死亡中两种主要的细胞死亡驱动因素(脂质过氧化和铁超载)在脓毒性心肌病中心肌损伤的相关证据，并为脓毒性心肌病的进一步研究和治疗提供新思路与新策略。

1 脓毒性心肌病的相关发病机制

脓毒症是机体对感染反应失调的表现，最终可能导致多器官衰竭、残疾甚至死亡[1]。部分脓毒症患者并发脓毒性心肌病，主要表现为左心室扩张、心室收缩功能和舒张功能抑制，导致射血分数降低和休克[2]。许多物质和机制似乎参与了脓毒症患者的心肌功能障碍，包括细胞凋亡、炎症介质异常释放、线粒体功能障碍、氧化应激、钙调节异常和能量代谢紊乱[3]。其中，氧化应激加剧一直以来被认为是脓毒性心肌病的关键病理过程。因此，现单从氧化应激方面讨论脓毒性心肌病的相关病理机制，而其他相关病理机制不再赘述。

1.1 心肌细胞的氧化还原失衡

脓毒症中心肌细胞的氧化还原失衡包括两个方面：(1)活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的过度产生。脓毒症心肌损伤期间，心肌细胞ROS和RNS的生成明显增加[3]；此外，一些心肌氧化酶，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶1在脓毒症患者心脏组织中的表达水平也明显升高[2]。(2)心肌细胞的抗氧化储备减少。心肌细胞的抗氧化系统可分为酶类和非酶类，酶类抗氧化剂主要包括超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶等，而非酶类主要包括还原型谷胱甘肽、维生素A、维生素C、维生素E、褪黑素以及一些金属等。脓毒症期间，心肌细胞的抗氧化物质(谷胱甘肽过氧化物酶)明显减少[4]。

1.2 氧化应激抑制心肌收缩蛋白

脓毒症心肌损伤期间，自由基的过量产生引起脂质过氧化和蛋白质氧化及硝化，进而导致心肌蛋白修饰和心肌结构损伤。RNS和ROS引起的脂质过氧化和蛋白质硝化通过破坏收缩装置降低心肌收缩功能[5]。

1.3 氧化应激和线粒体功能障碍

研究表明，脓毒症心肌损伤期间，细胞色素C氧化酶的非竞争性抑制以及心肌细胞线粒体的ROS过量产生都会抑制氧化磷酸化，从而影响ATP的产生，进而导致脓毒症相关的心肌抑制[6]。低血清总三碘甲状腺原氨酸综合征是脓毒症患者的常见并发症，可诱发线粒体功能障碍[7]。当线粒体功能障碍持续存在时，心肌细胞产生大量ROS，而ROS介导线粒体损伤诱导氧化应激，进一步加速线粒体功能障碍[8]。使用超氧化物清除化合物和线粒体保护剂(如外源性的细胞色素C)[9]已被证明可预防线粒体功能异常，改善脓毒症期间的心脏功能，降低死亡率。

2 铁死亡

铁死亡是一种铁依赖性的，不同于细胞凋亡、细胞坏死以及自噬的新型的细胞程序性死亡方式[10]。铁死亡于2012年由Dixon等[11]提出，其基本特点是铁依赖性的脂质过氧化，此外，还表现为抗氧化体系谷胱甘肽和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)表达量的降低。GPX4可使得脂质过氧化物的过氧键转变为羟基，失去其过氧化物的活性[12]。GPX4活性的下降会导致细胞抗过氧化能力降低，脂质过氧化物堆积，引起细胞的氧化性死亡。与经典的细胞凋亡不同，铁死亡过程中无膜肿胀、细胞收缩、核碎裂和染色质浓缩等现象，但会出现线粒体皱缩和脂质过氧化增加[11]。传统的细胞凋亡、自噬和焦亡的抑制剂不能抑制铁死亡过程，但铁离子螯合剂可抑制这一过程，说明铁死亡是铁离子依赖的过程[11]。铁死亡主要与哺乳动物退行性疾病、致癌作用、脑出血、外伤性脑损伤、局部缺血再灌注损伤和肾脏变性相关的病理性细胞死亡有关[13]。

2.1 脂质过氧化

脓毒症是宿主免疫功能对感染的全身反应失调，这种免疫失调通过激活核因子κB 和中性粒细胞触发促炎和抗炎介质的释放[14]，同时伴随大量ROS的产生，尤其是在线粒体中。由于能量需求，心肌细胞中线粒体含量最多，也是脓毒症时ROS产生最多的场所。ROS是由细胞正常的生理过程产生的，在生物信号传递和细胞稳态中起重要作用[15]。然而，过量的ROS会对细胞成分产生损伤，并触发各种发病机制，如脂质、蛋白质和DNA损伤[16]。细胞膜或细胞器膜，由于其含有较高的多不饱和脂肪酸，特别容易受到氧自由基的氧化，当氧化过程超过还原过程时，则会引起氧化损伤，这一过程被称为“脂质过氧化”。此外，有研究表明，多不饱和脂肪酸也可通过各种脂氧合酶和环氧合酶的作用以酶依赖的方式发生氧化[17]。

GPX4是一种含硒蛋白，属于谷胱甘肽过氧化物酶家族[18]。GPX4可催化过氧化氢、有机氢过氧化物和脂质氢过氧化物的还原，从而保护细胞免受氧化损伤，其在脓毒性心肌病脂质过氧化发生过程中亦发挥重要作用[18]。有研究表明，脓毒症心肌损伤状态下，心肌细胞中GPX4含量和活性均下降[19]。与脓毒症过程中其他受累器官一样，脓毒性心肌病发生时，包括白介素-6在内的促炎细胞因子大量产生，进而导致心肌氧化应激增加，心肌细胞损伤和心肌功能障碍[20]，而过量的白介素-6可直接抑制肝硒蛋白GPX4的生物合成[21]。生理上，硒的代谢受肝细胞合成和分泌，以及硒转运蛋白硒蛋白P的调控[22]。机体在脓毒症状态下，循环硒蛋白P含量下降，导致血清硒水平下降[23]，进而导致硒依赖性的硒代半胱氨酸转运RNA(tRNA)合成减少，而硒代半胱氨酸tRNA是GPX4活性中心的氨基酸之一，最终影响GPX4的活性[24]。综上，脓毒症心肌损伤期间，一方面ROS的大量产生导致膜磷脂的过度氧化；另一方面，白介素-6的释放以及血清硒水平的下降直接或间接抑制GPX4活性，二者共同导致脂质过氧化。

2.2 铁超载

铁在机体多种生化反应过程中非常重要。然而，细胞内过量的铁积累，也称为铁超载，会导致氧化还原过程失衡，导致细胞损伤[25]。铁超载是许多疾病的重要发病机制，包括原发性血色病和输血依赖性贫血。有研究表明铁超载可能是脓毒性心肌病一个潜在的病理过程[26]。Wang等[27]发现，在脂多糖诱导的小鼠脓毒症模型中，血清铁浓度升高，铁相关蛋白转铁蛋白受体和铁蛋白分别升高和降低。此外，有研究报道，铁蛋白的铁储存功能对于防止心脏铁死亡和随后的心力衰竭至关重要[28]。

脓毒症心肌损伤期间，炎症因子激活，氧化应激加剧，心肌细胞线粒体功能紊乱[1]。在细胞水平上，细胞内铁离子通过氧化还原反应产生大量ROS，可导致大分子如DNA、蛋白质和膜脂的损伤[29]。铁离子以游离铁(包括Fe2+和Fe3+)的形式被心肌细胞吸收，其中Fe2+通过芬顿反应参与细胞内ROS的产生[30]。有研究表明，L型和T型Ca2+通道可能是铁离子进入心肌细胞的潜在途径[31]。细胞内过量的游离铁导致不稳定铁池的增加，进而通过芬顿反应参与细胞内ROS的产生，最终引起脂质过氧化，导致铁死亡[30]。细胞内过量的游离铁可进一步进入线粒体，导致线粒体内氧化应激增加。Ward等[32]报道了线粒体Ca2+单向转运体(MCU)可能是Fe2+进入线粒体的途径。他们发现Ru360，一种MUC阻断剂，可通过防止ROS产生来提供心肌保护作用，据此，他们认为MCU是Fe2+进入心脏线粒体的一种潜在方式[32]。心肌线粒体的铁超载引起ROS增加和氧化应激增强，进而导致其功能严重受损，表现为线粒体呼吸减少、线粒体膜电位去极化以及线粒体肿胀和裂解[33](图1)。

3 铁死亡和脓毒性心肌病

铁死亡是一种由氧化磷脂损伤引起的非凋亡性铁依赖性死亡模式。目前研究表明铁死亡参与了心肌病的发展，包括心肌肥厚、糖尿病心肌病和阿霉素诱导的心脏毒性[34]。近年来，随着对铁死亡在心脏方面的深入研究，越来越多的证据表明铁死亡与脓毒性心肌病的发生有关。遗憾的是，目前大多数研究仅限于药物干预对心肌细胞铁死亡的影响。如Liu等[35]在心力衰竭大鼠和异丙肾上腺素诱导的脓毒症模型中证明了心肌细胞发生铁死亡，而葛根素可显著抑制心肌细胞铁超载和脂质过氧化，改善大鼠心脏功能。然而，其具体机制尚待进一步研究。此外，还有研究发现右美托咪啶可通过增强GPX4的表达来减轻脓毒症诱导的心肌细胞铁死亡和脓毒症心脏损伤[27]。遗憾的是，研究未指出脓毒症是如何诱导血红素加氧酶-1过表达及其潜在机制。另外，Wei等[19]也报道了鸢尾素可抑制脓毒症时的铁死亡并改善线粒体功能，该研究人员还发现，与正常人相比，脓毒症患者血清鸢尾素水平降低。

值得注意的是，目前有相关铁死亡研究具体阐明了铁死亡在脓毒症心肌功能障碍方面的相关机制。Li等[36]报道了铁蛋白吞噬介导的铁死亡是脓毒症诱导的心脏损伤的关键机制之一。在脂多糖诱导的脓毒症小鼠模型中，研究人员发现脂多糖增加了核受体辅激活因子4的表达[36]。核受体辅激活因子4能促进铁蛋白降解并释放大量的游离铁，进一步激活了位于线粒体膜上的铁结合蛋白。细胞质游离铁通过铁结合蛋白转运到线粒体，引起线粒体中铁超载和过量的ROS，最终引发脂质过氧化和心肌细胞铁死亡(图1)。目前普遍认为铁蛋白在脓毒症时心肌细胞铁超载的发生过程中扮演重要角色；也有观点认为脓毒症患者铁蛋白降解和血红素加氧酶-1的表达上调同时发生，共同导致心肌细胞发生铁超载。然而，目前此类研究仍十分缺乏，有待进一步深入研究。

4 总结

铁死亡是一种新发现的细胞调节性死亡形式，其主要特点是铁依赖性的脂质过氧化积累到致命水平。近年来，对于细胞铁死亡调控机制以及影响因素的研究越来越深入，许多研究表明铁死亡或许是脓毒性心肌病中心肌损伤的一种潜在机制。遗憾的是，目前大多数研究仅限于药物干预对心肌细胞铁死亡的影响，具体机制有待进一步研究。随着对铁死亡在脓毒症中心肌损伤的深入研究，心肌细胞铁死亡有望成为脓毒性心肌病的潜在治疗靶点。