从Nrf2-铁死亡途径探讨心力衰竭的发病机制

刘云璐，王 强，王承龙，史 航，杨 静

心力衰竭是多数心血管疾病的终末期疾病，也是主要死因，指南中的治疗措施虽然改善了心力衰竭病人生存质量，提高了生存率，但仍存在诸多问题，如副作用使药物应用受限，因合并症存在诸多用药禁忌。

因此，探讨心力衰竭发病的关键靶点，寻找改善病人预后和生存质量的辅助或替代疗法具有重要的临床意义。近年来，国内外关于心肌细胞铁代谢及相关分子机制获得了重大进展，铁死亡是心力衰竭过程中心肌细胞死亡的重要形式，在铁死亡过程中几乎所有铁死亡基因与核因子E2相关因子2(Nrf2)的调节有关，这一概念为研究心力衰竭机制、防治心力衰竭提供了新思路。鉴于铁死亡在心力衰竭过程中重要的病理、生理改变和Nrf2对铁死亡的调节作用相关研究较少。通过系统查阅和整理国内外相关文献资料，对近年来关于铁死亡对心血管病的作用机制及Nrf2在心力衰竭中对铁死亡的调节机制进行综述，以期为心力衰竭的发病机制提供新角度，为心力衰竭的预防和治疗提供参考。

1 心力衰竭

1.1 流行病学 随着人口老龄化加速，高血压、糖尿病、高脂血症等危险因素增加，心血管疾病发病率逐年升高，其中65岁以上人群发病率为1%[1-2]。心力衰竭是常见的心血管疾病发展的终末阶段疾病，其中心力衰竭后1年死亡率为30%，5年死亡率为50%[3]，故心力衰竭又称为心血管疾病中的恶性疾病，表现为高死亡率、高再住院率、高心血管事件发生率、较差的生活质量及高额的住院费用[4]。

1.2 病理基础 心力衰竭的治疗以改变衰竭心脏生物学性质，防止和延缓心肌重构发展为主，目的是抵消神经体液补偿的持续增强及不良的病理结果，心力衰竭的机制主要包括心肌细胞死亡、线粒体功能异常、钙调控失调、心肌纤维化和心肌肥大、交感神经和肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)激活等[5]。心力衰竭的主要特征是由终末分化心肌细胞死亡引起细胞丢失。新的治疗观念不仅通过靶向治疗外周，减轻心脏工作负荷，同时靶向治疗衰竭心脏的结构和功能异常。因此，从细胞死亡引起细胞丢失的角度探讨心力衰竭的发病机制尤为重要，Nrf2-铁死亡途径是针对心力衰竭发病过程中心肌细胞重要的病理生理改变。

2 铁死亡是一种新的细胞死亡形式

2.1 传统细胞死亡形式 目前已知的细胞死亡形式包括细胞凋亡、坏死和自噬。细胞凋亡是一种高度调控的程序性细胞死亡形式，细胞形态主要表现为细胞收缩、胞膜起泡及细胞凋亡小体形成。细胞坏死是在病理过程中发生不可逆细胞损害，细胞形态主要表现为细胞膜及细胞质受损，细胞器肿胀，导致细胞裂解，细胞内容物溢出。细胞自噬具有双向作用，既对细胞有保护作用，同时可杀伤应激细胞，主要表现为胞浆空泡化、自噬小体形成及溶酶体清除[6-7]。

2.2 铁死亡是铁依赖性细胞死亡形式 铁是机体生命活动必需的微量元素之一，是生物体内酶、激素、维生素等重要的组成部分，对细胞存活至关重要，不仅参与氧气运输、DNA生物合成及三磷酸腺苷(ATP)合成，通过催化氧化-还原反应参与机体组织的能量代谢、解毒等生理过程，而且是三羧酸循环和电子运输链中各种蛋白质的辅助因子，因此，铁在人体中发挥着重要的作用，无论是铁缺乏或铁过载均通过复杂机制参与心力衰竭[8]。Sullivan[9]在1981年首次提出了铁含量与心脏病发病率之间的关系，为心血管疾病的研究提供了新方法。Dixon等[10]在2012年首次提出铁死亡区别于其他类型细胞死亡形式，是铁依赖性细胞死亡形式，主要引起铁依赖性脂质过氧化物积累和脂膜不饱和脂肪酸消耗，是铁离子和活性氧依赖的一种非凋亡程序性死亡途径。细胞铁死亡形态学特点为细胞膜完整，细胞聚集在一起，线粒体浓缩，线粒体膜增厚，线粒体嵴减小或消失，同时线粒体外膜破裂，细胞核大小正常，无染色体聚集。

2.3 铁死亡的诱因及机制 铁死亡概念被正式命名之前，采用“ferroptosis”一词描述由铁依赖性脂质氧化物的积累引起的细胞死亡形式。相关研究表明，索拉非尼、青蒿琥酯等化合物可诱导铁死亡发生[11]，铁死亡可被小分子激活剂或其他条件因素引发，主要特点是抑制谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成或抑制谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性，GSH在GPX4作用下还原为活性氧和活性氮，GPX4活性降低后不能抑制细胞内活性氧产生，导致脂质过氧化物和致死性活性氧聚集，从而引起细胞死亡。胱氨酸/谷氨酸反向转运体(cystine/glutamate transporter，System Xc-)是由二硫键连接的轻链亚基(Xct，SLC7A11)和重链亚基(CD98hc、SLC3A2)组成，是细胞内重要的抗氧化体系[12]，胱氨酸可用于细胞内GSH合成，System Xc-可将细胞外胱氨酸转移至细胞内[13]。因此，System Xc-被一些化合物，如erastin和索拉非尼等抑制时，引起GSH合成减少，同时GPX4不能充分利用GSH将脂质过氧化物还原，因此诱发铁死亡[11]。Xie等[14]研究表明，黄芩素作为一种新型天然铁死亡抑制剂，疗效优于典型的铁死亡抑制剂(Fer-1)等，通过抑制GPX4降解，降低活性氧聚集，维持细胞内铁稳态，抑制铁死亡过程。相关研究显示，通过敲除小鼠GPX4或直接使用GPX4抑制剂，观察到脂质过氧化物及活性氧的堆积，因此推测GPX4是铁死亡发生的关键上游调节因子[15-16]。

3 铁死亡诱导心力衰竭的主要机制

心脏是一个高能量依赖性器官，心肌细胞作为一种终末分化细胞，出生后无法继续分裂增生，细胞死亡直接导致心肌细胞数量减少，破坏心脏结构和功能，线粒体氧化磷酸化过程可为心肌细胞提供能量，因此，维持线粒体的功能和数量对心脏十分重要。线粒体氧化还原反应可清除谷胱甘肽过氧化物酶，从而抑制活性氧聚集，是消除活性氧的关键环节。

线粒体氧化损伤时，活性氧积累过多，无法进行正常的氧化还原反应[17]，导致脂质过氧化物堆积，发生铁死亡，即发生心力衰竭，心肌细胞表现为特殊的线粒体形态，铁死亡是心力衰竭过程中心肌细胞死亡的重要形式，线粒体氧化损伤是铁死亡诱导心力衰竭的主要机制。高血压、糖尿病、动脉粥样硬化、缺血再灌注损伤等与线粒体功能失调、活性氧产生过多密切相关[18]。Koleini等[19]研究显示，阿霉素可由于心肌细胞过度氧化应激、心脏毒性，造成小鼠心力衰竭，结果显示，心肌细胞出现铁死亡，并追踪到线粒体处发生脂质过氧化物积累。有研究显示，铁死亡在多柔比星诱导的心力衰竭中发挥关键作用，多柔比星可诱导细胞内氧化磷脂的积累，通过Nrf2上调了血红素加氧酶1(Hmox1)表达，导致心脏血红素降解，游离铁释放，从而使终末分化的心肌细胞发生铁死亡，导致心力衰竭，因此，抑制铁死亡过程有助于预防铁过载引起的心力衰竭[20]。有研究显示，通过主动脉前降支结扎12周诱发大鼠压力超负荷心力衰竭模型，葛根素治疗可抑制脂质过氧化，降低活性氧含量，增加抗氧化酶GPX4表达[21]，具有抗心力衰竭、心脏保护作用，证实了在此过程中发生铁死亡介导的心肌细胞死亡形式[22]。但葛根素如何作用于铁死亡的调控机制尚不明确。

4 Nrf2-铁死亡途径对心力衰竭的调节作用

4.1 Nrf2是铁死亡的关键参与者 Nrf2是一种转录因子，在肌肉、心脏、血管、肝、肾、脑、肺、皮肤和消化道等氧耗器官中广泛表达[23]，分子量为66 kDa的多肽。铁死亡过程中，几乎所有调节铁死亡的基因均与Nrf2的调节有关，主要包括GSH调节的基因，对GPX4活性至关重要的NADPH再生和铁的调节[24-27]。Nrf2可调节线粒体抗氧化，与线粒体物理结合，监测并响应线粒体功能变化。Nrf2通过与过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1)相互作用，调节线粒体动力学，包括生物发生[28-31]，通过P62、PINK1/Parkin机制调节线粒体自噬，敲除小鼠的Nrf2基因，线粒体功能受损，而Nrf2基因的激活可增强线粒体功能和对压力源的抵抗力[32]。Nrf2直接或间接参与铁死亡的调控及对线粒体功能的作用，是氧化与抗氧化平衡的重要调节因子。

4.2 Nrf2对心力衰竭的调节作用 正常条件下，Nrf2与负调节因子Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1)结合在细胞质中。Keap1通过持续泛素化和蛋白酶体降解作用于Nrf2，从而将Nrf2的信号维持在较低水平。氧化应激增加，促进Nrf2从Keap1中解离，促进Nrf2核转位。细胞核中Nrf2与抗氧化反应元件(antioxidant response element，ARE)在靶基因的启动子区域相互作用导致转录激活[33]，从而参与调节心肌细胞氧化损伤、心肌缺血损伤、心肌缺血再灌注损伤、糖尿病心肌病、心肌重塑、心肌梗死等[34]。有研究显示，通过结扎小鼠冠状动脉左前降支术后进行心脏重塑，构建心力衰竭模型，模型组敲除Nrf2基因的小鼠可快速发展为心力衰竭，且心脏心房利钠因子及脑钠肽水平升高，表明Nrf2具有保护心肌细胞免受损伤的作用[35]。

4.3 Nrf2-铁死亡途径对心力衰竭的调节机制 Nrf2-铁死亡途径调节心力衰竭的机制主要是通过Hmox1(一种心脏保护蛋白，其过表达使小鼠发生心力衰竭)介导的。阿霉素导致的心力衰竭可激活Nrf2，转运到细胞核后与ARE结合启动转录，从而上调Hmox1，催化心脏血红素的降解，释放心脏中的游离铁，堆积在线粒体中，导致脂质过氧化物累积，引发铁死亡，最终导致心力衰竭。Fang等[20]研究显示，阿霉素诱导的小鼠铁死亡模型由Hmox1介导，Hmox1表达是受多个转录因子(如Nrf2、AP-1、YY1等)调控的，Nrf2介导的调控过程显示出对铁死亡的抵抗性，因此，抑制铁死亡或控制Hmox1的上调有利于缓解阿霉素诱导的心力衰竭。心力衰竭过程中，活性氧产生增多，通过坏死和凋亡损伤心脏功能，增加心律失常可能。

5 小 结

目前已明确铁死亡在心力衰竭过程中重要的病生理改变及Nrf2对铁死亡的调节作用，不断深入探讨铁死亡的研究及认识，存在一些问题亟待解决，如铁死亡的细胞死亡形式与传统的细胞死亡形式之间是否存在交叉重叠部分？若存在，是否可以找到交叉部分的共同靶点，利用这一靶点调控细胞死亡进程？铁死亡发生在心力衰竭的哪个阶段，临床上如何通过抑制铁死亡途径缓解心力衰竭进程？若可精确铁死亡发生的时间，提前干预疾病发生，对保护心肌细胞及心脏功能有重要的作用。Nrf2与铁死亡直接调控蛋白System Xc-/GSH/GPX4之间的调节作用是如何发生的？目前关于心力衰竭过程中Nrf2的调控机制报道较少。铁死亡作为一种细胞死亡方式，对研究心血管疾病心肌损伤具有重要的作用，随着对Nrf2-铁死亡途径深入研究心力衰竭，可能为心血管疾病心肌损伤的病理机制和临床治疗提供新策略。