铁死亡与铁自噬在心血管疾病中的研究进展

邵亚兰 马继鹏 卢林鹤 熊祥 马燕燕 刘金成 杨剑

(空军军医大学西京医院心血管外科，陕西 西安 710032)

在心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)中，铁离子参与了许多重要的过程，如氧气运输、新陈代谢、脂质过氧化、炎症反应和能量代谢等[1]。铁在细胞内的主要储存形式是铁蛋白，铁蛋白是一种由24个亚基组成的球蛋白，这些亚基由铁蛋白重链1(ferritin heavy chain 1，FTH1)和铁蛋白轻链组成[2]。自噬对细胞质和细胞器的降解和循环发挥着重要作用，维持体内的动态平衡[3]。核受体共激活因子4(nuclear receptor co-activator 4，NCOA4)是介导铁自噬的选择性货运受体，其介导的自噬性铁蛋白降解是导致细胞铁死亡的核心部分[4]。铁死亡是新近发现的一种铁依赖性新型细胞死亡方式，主要是由氧化还原失衡以及铁离子的大量蓄积引起[5]，其典型特征是细胞膜上的脂质分子在铁离子的参与下被氧化[6]，丧失其生物学功能，从而导致细胞膜结构损伤乃至细胞死亡。与其他已知的细胞死亡方式相比，铁死亡表现出独特的生物学和形态学特征。既往研究[7]发现，铁死亡在急性肾损伤、癌症、帕金森综合征和肝病等多种疾病中发挥重要作用。此外，新近多项重要的研究[8]还揭示，铁死亡及其调控机制在心肌缺血再灌注损伤、心肌病和心力衰竭(心衰)等CVD中发挥重要作用。因此，本综述着重总结了铁死亡与铁自噬在CVD中的研究进展，旨在为CVD的治疗提供新的潜在治疗靶点。

1 铁死亡

铁死亡是一种新近发现和定义的细胞死亡方式，由Dixon等[9]于2012年首次提出。铁死亡是铁离子依赖性的，在细胞死亡过程中伴随着游离铁离子介导的脂质过氧化[9]。有研究[10]发现，在铁死亡过程中，细胞核保持完整，无染色质的凝聚，同时线粒体萎缩变小，膜密度增加，线粒体脊减少甚至消失。铁死亡的发生与胱氨酸转运受阻、细胞内活性氧自由基的蓄积和氧化压力的升高、铁代谢的异常、铁离子的蓄积和脂质过氧化等多种病理生理过程密切相关，而其中铁离子的蓄积和脂质过氧化是其最重要的生化特征[11]。当机体内铁转运系统和储存系统异常时，均会导致细胞质中铁离子显著蓄积，从而发生非酶催化的芬顿反应，进而产生大量的羟基自由基和活性氧自由基，氧化细胞内的蛋白质、核酸以及脂质等大分子物质，导致细胞结构和功能的损伤，最终导致细胞的死亡。

2 铁自噬

自噬是一种保守的维持体内平衡的降解机制，在CVD中发挥着重要的作用[12]。铁自噬是一种特殊类型的铁蛋白选择性自噬降解，由NCOA4/FTH1介导，对细胞内铁离子的生物利用度至关重要。有研究[13]发现，铁自噬是铁离子释放的主要过程，是调节细胞内铁离子含量的选择性自噬方式。铁自噬对铁稳态调节至关重要，但过度激活铁自噬会导致细胞内铁过载，增加细胞对铁死亡的敏感性，从而诱导谷胱甘肽耗竭和谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPx4)的减少，最终引起细胞铁死亡[14]。NCOA4水平的下调降低了铁蛋白自噬流，因此降低了对铁死亡的敏感性；过表达NCOA4增加了细胞内生物可利用的铁水平，从而增加了对铁死亡的敏感性[15]。

3 铁死亡与铁自噬

铁死亡是一种由多不饱和脂肪酸过氧化引发的铁依赖性非凋亡性细胞死亡[9]。铁积累导致的自由基形成和脂质过氧化是铁死亡的关键调节因子。铁死亡敏感性也可通过铁调节网络中具有调节不稳定铁池能力的酶以及其他参与铁输入和储存的蛋白质来调节[16]。同样，细胞铁蛋白水平也可调节对铁死亡的敏感性[17]。有研究[18]发现，NCOA4介导的铁自噬在调节铁稳态中发挥重要作用，也已确定NCOA4是铁死亡的关键调节因子。NCOA4的下调可减少细胞内游离的铁离子和氧化应激，同时升高谷胱甘肽水平，从而减轻铁死亡。相反，通过外源性NCOA4过表达增加铁蛋白降解和铁离子释放，导致对铁死亡的敏感性增加[18]。越来越多的研究表明，铁死亡与许多CVD的病理生理过程密切相关，如何调控铁自噬来减少铁死亡，为CVD的发生和发展提供了新的研究热点和重点。

4 铁死亡和铁自噬与CVD的相关性

在动脉粥样硬化病变和异常冠状动脉中通常观察到高水平的铁蛋白[19]，这表明在心脏或血清中铁的增加可能与CVD的发病率和严重程度较高有关。心肌细胞或血管细胞中过量的铁离子可诱导氧化应激和铁毒性，促进铁死亡[20]。现总结了铁死亡和铁自噬在CVD中的作用及潜在机制，期望能为CVD的临床治疗提供理论依据。

4.1 铁死亡和铁自噬与心衰的相关性

心衰是CVD中发病率和死亡率高的主要原因之一，已成为全球主要的医疗保健负担。心衰可由心肌梗死、心肌炎和高血压等多种病因引起，是多种CVD的终末阶段。先前的研究在心衰的病理生理机制方面取得了很大进展，但临床研究表明，缺铁或铁超载均可通过扰乱心肌细胞中的铁稳态引发心衰，心肌细胞极易受到游离铁超负荷的影响[21]。Ito等[22]研究发现，NCOA4依赖性铁自噬在主动脉缩窄术诱导的心衰心脏中被激活并且造成心脏损伤。经主动脉缩窄术后，与NCOA4+/+组小鼠相比，NCOA4-/-组小鼠的左心室腔室大小、纤维化程度和心脏功能得到改善。与sham组小鼠相比，NCOA4-/-组小鼠行主动脉缩窄术后，心脏重构的标志物水平显著降低，心肌组织中FTH1水平也降低。综上所述，NCOA4通过调控铁自噬参与了压力超负荷诱导的心脏重构。Liu等[23]研究发现，在爱拉斯汀或异丙肾上腺素处理的H9c2细胞或主动脉缩窄术诱导心衰的大鼠心肌组织中观察到铁死亡的发生，其特征是细胞活力的降低、脂质过氧化的增加和动态铁池的不稳定。然而，在心衰大鼠心肌组织或异丙肾上腺素孵育的H9c2细胞中，观察到铁过载和脂质过氧化增加被葛根素显著阻断，表明葛根素能抑制心肌组织的铁死亡，为利用葛根素作为潜在治疗心衰的方法提供了实验证据。

4.2 铁死亡和铁自噬与心肌缺血再灌注的相关性

缺血再灌注是在多种疾病状态下发生的病理事件。顾名思义，缺血再灌注由两个重要事件组成，缺血是第一个重大事件，是指器官的血液供应受到限制，通常是因为栓子阻塞了动脉供血。第二个重要事件是血流的再灌注或恢复以及受影响的缺血区域的再充氧，这会进一步导致组织过度退化，引发破坏性反应[24]。心肌缺血再灌注损伤，也称为致死性再灌注损伤，导致心肌细胞死亡。有临床研究[25]表明，心肌中过量的铁离子是再灌注后左心室重塑不充分的危险因素。Fan等[26]研究表明，在大鼠心肌缺血再灌注模型和氧-葡萄糖剥夺/复氧(oxygen-glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R)H9c2细胞模型中观察到脂质过氧化增强、明显的铁离子蓄积以及NCOA4激活介导的铁自噬，而黄芩苷能逆转这一现象。Shan等[27]进行了大鼠左前降支结扎、灌注手术和细胞OGD/R模型。在体实验结果表明，矢车菊素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside，C3G)减少了大鼠的心肌梗死面积，并减弱了氧化应激和与铁死亡相关的蛋白表达，还抑制了USP19、Beclin1、NCOA4和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ的表达。此外，在离体水平，C3G减轻OGD/R诱导的H9c2细胞中的氧化应激，下调LC3Ⅱ/LC3Ⅰ的表达，减少自噬体数目，下调转铁蛋白受体1表达并上调FTH1和GPx4的表达。综上所述，C3G可能是保护心肌免受心肌缺血再灌注损伤的潜在药物。值得注意的是，线粒体中GPx4过表达减轻了缺血再灌注后的心脏功能障碍[28]。谷氨酰胺分解是谷胱甘肽生成途径的一个组成部分，它也可通过阻断铁死亡来减轻缺血再灌注相关的心脏损伤[29]。此外，铁抑素-1可抑制脂质过氧化而抑制铁死亡，是铁死亡的强效抑制剂，也可改善急性和慢性缺血再灌注损伤导致的心衰[30]，因此铁抑素-1可作为预防心肌缺血再灌注的关键分子。

4.3 铁死亡和铁自噬与心肌肥厚的相关性

心肌肥厚是心脏发病率增高的主要原因之一，其可导致心肌缺血、心律不齐、心衰甚至猝死[31]。研究发现，过量的铁离子蓄积和心脏氧化应激已被证明是心肌肥厚的重要因素。Apelin/APJ系统对心血管功能具有明显的生物学效应，可加速心肌细胞肥大[32]。Tang等[33]研究发现，Apelin-13/APJ可促成心肌细胞肥大，且Apelin-13/APJ促进了H9c2细胞中NCOA4介导的铁自噬产生、线粒体中铁离子的产生和活性氧的积累。此外，Apelin-13有效诱导线粒体铁转运蛋白三羧基携带蛋白TCC的表达，从而导致线粒体铁过载并引发铁自噬，最终加剧心肌肥厚。Zhang等[34]研究发现，血管紧张素Ⅱ可诱导心肌肥厚，经血管紧张素Ⅱ处理的心肌细胞中，铁死亡生物标志物前列腺素内过氧化物合成酶2、丙二醛和活性氧的水平会升高，而过表达溶质载体家族7成员11则对抗这些因子的表达；此外，敲除溶质载体家族7成员11会加重血管紧张素Ⅱ介导的小鼠心肌纤维化、肥厚和功能障碍。因此，溶质载体家族7成员11通过阻断铁死亡来抑制血管紧张素Ⅱ介导的心肌肥厚。

4.4 铁死亡和铁自噬与心肌梗死的相关性

心肌梗死也称为心脏病发作，是冠状动脉急性、持续性缺血缺氧所引起的心肌坏死。心肌梗死是CVD最常见的死因，阐明其潜在机制是预防和治疗的重大机遇和挑战[35]。Omiya等[36]研究发现，在左冠状动脉结扎后的心肌梗死小鼠中，能观察到梗死周围和非梗死区域的铁沉积。在心肌梗死时，由于葡萄糖代谢和生长因子信号传导失调，心肌细胞和心脏组织中的一种关键细胞抗氧化剂谷胱甘肽的水平降低，导致心肌细胞死亡[37]。而心肌梗死后，活性氧增加也归因于抗氧化酶超氧化物歧化酶、GPx4和过氧化氢酶的活性降低[38]。此外，Park等[39]研究发现，心肌梗死后可使GPx4减少，这可能使心肌细胞在低谷胱甘肽条件下对铁死亡敏感。有研究[40]表明，BTB-CNC异体同源体1作为铁和血红素代谢的调节剂，可通过协调谷胱甘肽和铁代谢的转录调控来促进铁死亡；BTB-CNC异体同源体1能控制铁死亡诱导的阈值，并可能成为减轻铁死亡相关疾病(包括心肌梗死)的治疗靶点。因此，预防铁死亡可能为心肌梗死患者提供一种新的治疗方法。

4.5 铁死亡和铁自噬与脓毒症诱导的心肌损伤的相关性

脓毒症是由感染引起的一系列全身炎症反应综合征，由于微循环障碍、氧化应激、细胞凋亡等影响全身多个脏器。影响脓毒症的四个关键领域是内皮功能障碍、凝血异常、细胞功能改变和心血管反应失调[41]。心脏是最易受损的器官之一，有40%～60%的脓毒症患者伴有心肌损伤，其病死率为70%～90%[42]。Li等[43]研究表明，铁自噬介导的铁死亡是导致脓毒症引起的心脏损伤的重要机制之一。在脂多糖诱导的脓毒症小鼠和脂多糖诱导的H9c2细胞中，发现铁死亡标志物前列腺素内过氧化物合成酶2、丙二醛和脂质活性氧的水平升高，线粒体损伤加重。机制上，脂多糖增加了NCOA4的表达，而NCOA4直接与铁蛋白结合，促进NCOA4介导的铁自噬，导致大量的铁离子释放，进而导致线粒体中铁离子水平升高与线粒体活性氧大量累积，从而诱导铁死亡。因此，靶向铁死亡可能是预防脓毒症引起的心肌损伤的潜在治疗靶点。

5 问题与展望

铁死亡作为一种新的细胞死亡方式，不同于细胞凋亡、细胞焦亡和细胞坏死等。前期铁死亡和铁自噬的研究主要集中在肿瘤、肝脏和肾脏等疾病，而近几年铁死亡和铁自噬在心脑血管疾病中的研究越来越多，其在CVD的死亡机制中也发挥重要的作用。因此，铁死亡和铁自噬的调控可能预示着CVD治疗方法的新时代。虽然已有研究结果表明铁死亡信号通路在多种CVD的病理分子机制中发挥重要作用，但靶向铁死亡及其关键调控分子来治疗CVD仍需更多的大动物实验和临床前研究，并评价其治疗效果。综上所述，铁死亡和铁自噬信号通路作为一种可调控的细胞死亡途径，在多种CVD中发挥重要作用。通过进一步研究NCOA4介导的铁自噬和铁死亡的作用机制，为将抑制铁死亡的发生作为治疗CVD的潜在治疗靶点提供了坚实的理论和临床试验依据，具有广泛的临床应用价值。