铁死亡在神经系统疾病中作用的研究进展

张晋毓，田首元，郭志佳，姚 豆，李 贝

1 铁死亡概述

铁死亡是Dixon等[1]在2012年首次提出的一种以细胞内铁积累为特征的细胞死亡形式。主要表现为细胞膜不饱和脂肪酸消耗和细胞内铁离子积累诱导的脂质活性氧(ROS)[2-3]的积累。其相关机制是在二价铁或脂氧合酶的作用下，催化细胞膜上高度表达的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，从而导致细胞膜不饱和脂肪酸消耗[2]；此外还表现在抗氧化体系，谷胱甘肽(GSH)和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的表达量降低，导致ROS的过度积累引起细胞中氧化应激反应的发生，使蛋白质、核酸和脂质发生不可修复的损伤，最终导致细胞死亡[4]。这种死亡方式与细胞凋亡、坏死和自噬无论在形态、生物化学及遗传上均不相同[1]。在形态学上，电子显微镜下观察到铁死亡细胞出现线粒体萎缩，而其他细胞死亡形式线粒体通常表现为膨胀[1]。Dixon等[1]首先确定了一组特定的调控铁死亡的基因，包括核糖体蛋白L8(RPL8)、铁反应元件结合蛋白2(IREB2)和ATP合酶F0复合物亚基C3(ATP5G3)。后来的研究表明，许多基因/蛋白参与了这一独特的细胞死亡过程，包括环氧合酶-2(PTGS2)[5]、p53[6]、核因子e2相关因子2(Nrf2)[7]、磷脂酰乙醇胺结合蛋白1(PEBP1)抗体[8]等。除了这些关键的调节因子外，过量的谷氨酸、细胞内铁离子的积累或小分子处理(如erastin、RSL3等)也可以导致铁死亡的发生。同时，铁死亡诱导剂和抑制剂也从另一个方面证明了铁死亡发生的可能机制，铁死亡诱导剂erastin(抑制谷氨酸/胱氨酸的抗转运体system xc-)和直接抑制GPX4(RSL3)同样可以诱导铁死亡的发生[9-10]，说明铁死亡与谷氨酸代谢有关。与此同时，Stockwell实验组发现亲脂性的抗氧化剂(α生育酚、丁羟甲苯和β-胡萝卜素)可以抑制细胞铁死亡的发生，但不能抑制细胞凋亡和坏死的发生，表明脂氧合酶和亲脂性的ROS参与细胞铁死亡过程[11-13]。所以，铁死亡的发生与脂质代谢、氨基酸代谢、相关基因的表达和铁离子的累计等均有关系[14]。

目前的铁死亡诱导剂可分为3类：system xc-抑制剂(谷氨酸、伊拉斯汀、磺胺嘧啶和索拉非尼)、GSH消耗剂(buthioninesulfoximine和acetaminophen)和GPX4直接抑制剂(RSL3和FIN56)[1，13，15]。此外，一些小分子也被证实是铁死亡抑制剂，包括可抑制脂质ROS(ferrostatin-1，Fer-1)[1]、去铁胺(铁离子螯合剂，DFO)、5-脂氧合酶抑制剂(齐留通，zileuton)[16]和铁氧化剂(FINO2)[17]。铁死亡诱导剂已被证实具有靶向杀死癌细胞的作用[18]。Jiang等[6]的研究报道铁死亡有助于胚胎发育，p53在铁死亡的调控中发挥重要作用。另外，在研究海马切片的实验中发现，铁死亡促进了神经元的死亡[1]。实验研究也发现，铁死亡与多种神经退行性疾病有着密切的联系[19-22]。

2 铁死亡在神经系统疾病中的研究

2.1 脑卒中 当颈内动脉、大脑中动脉或椎/基底动脉闭塞而导致大脑某些特定部位的血液供应受限时，就会导致缺血性脑卒中的发生[23]。由缺血导致的氧气和营养物质的供应减少可能激活缺血级联反应的发生，从而导致氧化应激、线粒体损伤，并最终引起细胞死亡[24]。研究已经发现，在缺血性脑卒中的动物模型中，在发现铁死亡之前，铁离子的积累会加剧缺血再灌注过程中神经元的损伤[25-31]。研究表明，铁螯合剂可以减少动物的缺血再灌注损伤[32-35]。Speer等[36]研究推测，铁死亡可能导致脑缺血再灌注后的神经元死亡。在神经缺氧条件下，缺氧诱导因子(HIF)的表达可以减轻神经细胞损伤，从而调控缺氧条件下的微环境，而缺氧诱导因子-1脯氨酸羟化酶(hypoxia-inducible factor-1 prolyl hydroxylases，HIF-1PDH)具有分解HIF的作用，通过减少HIF从而加重神经细胞损伤。缺氧诱导因子脯氨酸羟化酶(HIF-PDH)的抑制剂被证实有神经保护作用，可作为金属螯合剂的有效靶点。Speer等[36]进一步假设，铁螯合剂对防止铁死亡是由于抑制了酮戊二酸、氧依赖性双加氧酶和HIF-PDH，而不是通过直接抑制Fenton反应或ROS的形成防止铁死亡的发生。随后，2017年的一项研究表明，在大脑中动脉闭塞模型(MCAO)中，铁死亡抑制剂对小鼠缺血-再灌注损伤具有保护作用，提示铁死亡可导致缺血性脑卒中后神经元死亡[37]。进一步研究发现，敲除tau蛋白的小鼠在缺血-再灌注损伤后铁死亡导致的细胞死亡减轻，表明Tau蛋白可能参与调节缺血再灌注损伤诱导的铁死亡机制[37]。脑出血占所有脑卒中病例的10%～30%，其死亡率和发病率较缺血性脑卒中高[38-39]。目前，细胞凋亡、坏死和自噬被认为是导致脑出血后神经元死亡的唯一因素[40-45]。但是，在脑出血的离体实验和在体实验中均存在神经元铁死亡的发生[46-48]。2014年，相关研究发现，表儿茶素(epicatechin)是一种可渗透脑的黄烷醇，可以减少脑出血后早期脑损伤，部分原因是通过减少脑内铁沉积和铁死亡相关基因表达[20]。2017年，在脑切片培养中发现，Fer-1可减少血红蛋白诱导的神经元死亡，使GPX4活性降低，挽救发生铁死亡的神经元，降低胶原酶和血液注射诱导的脑出血小鼠模型中环氧合酶-2(COX-2)的表达[19]。此外，通过透射电子显微镜发现体内铁死亡与坏死和自噬共存，使用联合抑制剂治疗这些不同形式的细胞死亡，比单独使用任何抑制剂能更好地抑制由血红蛋白诱导的神经元死亡的发生[19，48]。在体外实验中，Fer-1、DFON-acetylcysteine(可抑制活性氧和活性脂质)和Trolox(一种靶向反应脂类的维生素E类似物)等铁死亡抑制剂，能够逆转由血凝素和血红蛋白诱导的小鼠皮层神经元的死亡，且高水平phospho-ERK1/2与神经元铁死亡的增多有关，而MEK抑制剂U0126抑制了这种细胞死亡机制[47]。但是，在erastin诱导的发生铁死亡的癌细胞中，选择性更强、更有效的MEK抑制剂PD0325901未能阻止细胞死亡的发生，可能与U0126具有脱靶效应，MEK-ERK1/2信号通路不参与铁死亡等机制有关[49]。坏死抑制剂necrostatin-1也可以降低血红素诱导的细胞死亡，并且在体外实验中这些抑制剂的细胞表现出坏死表型、细胞膜完整性丧失、细胞器崩解，提示铁死亡可能是坏死的早期阶段[47]。Zhang等[50]研究表明，在脑出血急性期，GPX4表达水平明显降低，可通过升高GPX4水平减少神经元细胞铁死亡的发生，改善脑出血大鼠预后。

2.2 帕金森病(PD) PD是一种典型的黑质病变(SNpc)的神经系统疾病，而黑质部主要调节运动功能，故PD可引起强直、震颤和其他一系列运动症状[51-52]。在PD的进展过程中，细胞凋亡是导致细胞死亡的主要因素[53]。研究表明，在PD病人中，SNpc中的铁和多巴胺水平升高[54-56]。值得注意的是，PD病人常见的GSH缺失、脂质过氧化和ROS水平升高也是铁蛋白增多的特征[57-59]。Ayton等[60]的研究也显示，缺失铜蓝蛋白(一种铁离子转运酶)基因的小鼠会出现PD，而铁螯合剂可以避免PD的发生。此外，铁螯合剂已经被证明可以改善动物模型[56，60-61]和临床试验[62]中PD的运动症状。

铁死亡与PD的发生有关[21]。研究者发现，铁死亡是多巴胺能神经元细胞死亡的一个关键通路，erastin诱导的LUHMES细胞(多巴胺能神经元前体细胞)中铁死亡是由MEK以不依赖ras的方式激活引起的[21]。这一机制与其他细胞系的研究结果不同，在其他细胞系中，钙螯合剂BAPTA和PKC抑制剂(双吲哚马来酰亚胺模拟物Bis-Ⅲ和siRNA)对阻止erastin诱导的细胞死亡非常有效，研究者认为这种死亡机制是多巴胺能神经元的一种独特的代谢特征[21，63]。Gouel等[64]发现，人血小板裂解物具有保护LUHMES细胞的作用，使其免受erastin诱导的铁死亡的发生。在erastin处理的LUHMES细胞中，可能由于MEK抑制剂U0126的脱靶效应导致了这些争议结果的产生[21，64]。实验研究发现，星形胶质细胞主要是通过为神经元提供GSH和其他抗氧化剂，保护神经元免受氧化损伤[65]。因此，星形胶质细胞与神经元相互作用的失调也可能导致多巴胺能神经元铁死亡的发生[66-67]。

2.3 阿尔茨海默病(AD) AD是一种病因不明的神经退行性病变[68]。对AD病人大脑的尸检分析显示其神经元有凋亡的迹象[69-70]，但目前研究认为，铁死亡促进了AD神经元的破坏，因为其中一些退化过程不能单独用细胞凋亡来解释，而且针对治疗细胞凋亡的药物大多无效[71-72]。在AD病人大脑中已发现脂质过氧化和铁离子调节异常，而这是铁死亡的主要特征[73-74]。研究发现，敲除特异性大脑皮质和海马神经元GPX4基因的小鼠出现了海马神经元的变性，并且在水迷宫测试中表现出明显的认知功能障碍，退化的神经元可能正在发生铁死亡，因为当小鼠被给予铁死亡抑制剂liproxstatin-1时，神经退行性变的程度明显改善[75-76]。另一项研究表明，Tau蛋白的过度表达和过度磷酸化导致了AD病人神经元铁死亡的发生，而α-硫辛酸通过下调转铁蛋白受体、降低phospho-P38水平、上调xCT和GPX4表达可降低AD病人神经元铁死亡的发生[77]。这些研究均表明，铁死亡对学习和记忆有关的神经元具有重大的影响作用，同时也表明铁死亡在AD的发生发展中起重要作用。

2.4 亨廷顿舞蹈病(HD) HD是另一种进展性神经退行性疾病，主要症状是痴呆和不自主运动。在实验HD动物模型和HD病人中利于发现有氧化损伤[78]、脂质过氧化[79]、铁积累[80]、GSH失调[81]和GPX活性降低[82]。铁螯合剂已被证明可以改善HD小鼠的认知功能[80]。一项使用HD细胞模型来检测铁死亡抑制剂Fer-1是否可以抑制细胞死亡的研究发生，结果表明，在HD进展过程中可能存在铁死亡的发生[22]。目前，仍需要在体实验研究来验证铁死亡是否在HD的进展中发挥其特异的病理机制。

2.5 脑室周围白质软化症(PVL) PVL是一种常见于早产儿的脑白质损伤，其特征是发育中的少突胶质细胞死亡[83]。多项研究表明，铁死亡在其中发挥重要作用。研究发现，死亡细胞的ROS生物标志物水平升高[84-86]。此外，在白质损伤婴儿的脑脊液中发现富含典型的铁死亡的脂质氧化产物[85]。另一项研究发现，大鼠少突胶质细胞GSH缺失可导致细胞死亡，而维生素E(已知的铁死亡抑制剂)可预防这种死亡的发生[87]。为了在体外模拟PVL， Skouta等[22]在无胱氨酸的培养基中培养少角胶质细胞，使其消耗GSH并导致细胞死亡，结果显示，Fer -1和SRS11-92(比Fer-1效能强15倍)完全保护少突胶质细胞不受GSH缺失的影响。

3 小 结

铁死亡是一种细胞死亡形式，与氨基酸、脂质和铁代谢均有关。目前，铁死亡的研究主要在神经系统疾病，在其他系统疾病的研究较少。铁死亡的研究刚刚起步，尚有很多问题有待进一步研究，例如有哪些基因参加了铁死亡的发生，铁蛋白和转铁蛋白相关基因的表达是否与铁死亡的发生有关；检测铁死亡的指标除了电镜、蛋白免疫印迹法(Western Blot)之外是否还有更精确的检查标准；细胞内具体存在哪些调控铁死亡的通路；是否还会导致其他神经系统疾病的发生等。铁死亡的发现为一些疾病的发生机制做出了合理的解释，也为相应疾病的治疗提供了新的靶点和思路。