铁死亡机制及其在动脉粥样硬化中的应用研究进展

蔡婉综述 王婧，池浩审校

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)的机制比较复杂，涉及氧化应激、炎性反应、钙超载、线粒体功能障碍等，但无论哪种原因最终都会对血管内皮细胞产生损害。既往研究认为，凋亡是唯一受调控的细胞死亡方式，而坏死是不受调控的。然而，最新研究认为，细胞坏死是一种可调控的和高度有序的死亡方式，统称为细胞程序性死亡。目前，细胞程序性死亡主要包括凋亡、自噬、程序性坏死、焦亡和铁死亡[1]。铁死亡作为新发现的一种调节性细胞死亡，是指铁离子依赖的脂质过氧化物增多导致的一种新的细胞死亡形式。在铁死亡发生的过程中，细胞死亡不能被凋亡、焦亡及自噬抑制剂所调控，但可以被亲脂性抗氧化剂和铁螯合剂有效抑制，同时存在明显的铁积累现象[2]。其机制尚未明确，但其分子机制主要依赖细胞内两个相互抗衡的生化过程，即脂质过氧化物的产生和消除。因此，铁死亡作为一种新的调节细胞死亡形式进入大家的视野，成为细胞死亡方向的研究热点。目前研究主要认为，细胞中过多的铁离子能够通过Fenton反应催化其产生羟自由基，同时不饱和脂肪酸被进一步羟化，促进脂质过氧化物和氢过氧化物的大量产生，对细胞膜的结构和功能造成严重破坏，引起细胞内氧化失衡，从而发生铁依赖性的脂质过氧化死亡[3]。加强对铁死亡的研究，详细地了解铁死亡的机制，无疑会促进对动脉粥样硬化的防治，为动脉粥样硬化的治疗提供新思路。

1 铁死亡概述

铁死亡是由铁依赖的脂质过氧化物累积而最终导致细胞死亡的过程。这一概念在2012年首次提出[4]，其特征在于脂质活性氧的累积。铁死亡完全不同于坏死、凋亡及细胞自噬，是一种新的细胞死亡方式。没有细胞质和细胞器肿胀及细胞膜破裂的典型细胞坏死特征；也缺少细胞萎缩、染色质凝集，凋亡小体等细胞凋亡的特点；同时也不同于自噬形成的典型自噬泡。以独特的线粒体明显收缩，膜密度增加，线粒体嵴减少或消失为特点。铁死亡由多个基因调控，主要涉及铁稳态及脂质过氧化代谢的变化，具体的调控机制有待进一步研究。

2 铁死亡调节机制

铁死亡的分子机制主要依赖细胞内两个相互抗衡的生化过程，即脂质过氧化的产生和消除。铁和多聚不饱和脂肪酸作为脂质过氧化的原料推动铁死亡的发生，而以还原性谷胱甘肽(GSH)作为底物的GPX4则反向调控铁死亡。当细胞无法有效通过抗氧化机制将细胞内多余的活性氧进行有效清除时，积累的氧化性脂类物质则会诱发铁死亡。诸多生理过程参与调控这一死亡方式[5]。如铁离子代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等。

2.1 铁离子代谢 铁死亡的关键诱因之一是Fe2+/Fe3+通过酶促反应或者非酶促反应参与活性氧的形成。铁是影响活性氧(ROS)产生的直接因素。细胞内铁的储存在无害的铁蛋白中，游离的亚铁离子是有毒的。铁蛋白发生自噬降解的过程称为铁蛋白自噬，核受体共激活因子4介导这一过程，过表达核受体共激活因子4会增加铁蛋白的降解，铁浓度上升，导致铁死亡的发生；下调可抑制铁蛋白的降解，同时降低细胞对氧化损伤的敏感性。铁蛋白作为核转录因子Nrf2的下游调控基因，受p62-Keap1-Nrf2信号通路的调控[6]。

2.2 脂质代谢 脂质过氧化物作为细胞内ROS的一员，是铁死亡的最终执行者，被认为是铁死亡的标志性事件[7]。ROS是带有部分还原氧的分子物质，包括自由基、过氧化物、超氧化物等，通过损伤DNA、RNA和脂质分子引起细胞死亡[8]。有研究称脂质过氧化物以多种形式对细胞造成损伤。一是进一步分解成ROS，放大脂质过氧化过程；二是改变细胞膜的结构或释放有害物质，扰乱细胞内代谢；三是在脂质过氧化过程中的产物如MDA、4-HNE会对细胞造成损伤[9]。

2.3 氨基酸代谢 GSH作为GPX4的底物参与细胞内抗氧化系统是铁死亡发生的关键因素。而GSH进出细胞需要胱氨酸/谷氨酸逆向转运体(system Xc-)。由SLC3A2和SLC7A11通过二硫键连接形成[10]。细胞依靠system Xc-介导细胞外的胱氨酸和细胞内的谷氨酸进行交换。胱氨酸进入细胞合成GSH调节脂质过氧化，抑制system Xc-系统可影响GSH的合成从而引发铁死亡[4]。半胱氨酸可以限制谷胱甘肽的生物合成。当细胞处于还原性的环境中，半胱氨酸可直接通过丙氨酸—丝氨酸—半胱氨酸(ASC)系统转运至细胞内，抑制铁死亡[11]。此外，胱硫醚是半胱氨酸的另一来源，细胞利用反向转硫途径将甲硫氨酸合成胱硫醚，转变为半胱氨酸。合成的GSH在GPX4的作用下作为电子供体将磷脂过氧化物转化为磷脂醇和氧化型谷胱甘肽、RSL3、六甲蜜胺或通过遗传学方式干扰GPX4的表达都能诱导铁死亡的发生[12-16]。

2.4 其他 除了铁离子代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等，铁死亡抑制蛋白、Nrf2、热休克蛋白(HSP)、线粒体等都能调控铁死亡[17-23]，但其在铁死亡过程中的关键分子研究有待于进一步分析。

3 铁死亡在动脉粥样硬化中的应用

3.1 动脉粥样硬化发病机制 动脉粥样硬化(AS)是一种以血管内皮细胞稳态失衡为始动，伴随血管收缩舒张功能障碍、脂质代谢紊乱和炎性因子释放等综合病变；可能引起各种疾病，如脑卒中、冠状动脉疾病(CAD)、外周动脉疾病(PAD)和其他脑血管疾病[24]；其中，脑卒中和冠心病被认为是世界范围内最常见的致残和死亡原因之一。因此，治疗及延缓动脉粥样硬化进程至关重要。AS的特点是脂质积聚，在动脉壁形成粥样硬化斑块时，使动脉管腔变窄[25-26]。氧化应激是血管损伤的内在基础。因此，维持细胞内氧化还原平衡对抵抗AS，保护心血管系统至关重要。脂质过氧化是脂质氧化降解的反应，主要产物为脂质过氧自由基和过氧化氢[27]。这些氧化脂质参与氧化应激反应，导致血管内皮障碍，促使动脉粥样硬化进展，在AS的发病机制中起着重要作用。因此，脂质过氧化、斑块内出血、铁沉积是AS斑块的特征，这是AS中铁死亡发生的间接证据。

3.2 动脉粥样硬化与铁死亡 铁死亡是一种铁依赖的氧化性细胞死亡，其特征是细胞内铁的增加和抗氧化能力的降低导致过氧化脂质的致死性积累。过量的铁通过Fenton反应促进ROS的产生，加速脂质过氧化[28-29]。GPX4是体内抗脂质过氧化最重要的途径，SLC7A11是胱氨酸/谷氨酸逆向转运系统的一个组成部分，抑制SLC7A11可以抑制GSH的产生，导致GPX4失活。铁死亡已被报道参与许多病理过程，包括癌症发展、创伤性脑损伤、神经退行性疾病、叶酸诱导的肾损伤和冠心病[30-31]。有研究表明[32]，AS的发病过程中存在铁死亡，但铁死亡在AS发病机制中的作用尚不清楚。随着AS的发生发展，泡沫细胞在动脉内膜堆积形成脂质斑块，当动脉壁中脂质斑块发生破裂，继发血栓形成，是导致坏死核心形成和斑块不稳定的主要因素。脂质过氧化是导致AS的关键因素。铁积累和脂质过氧化是铁死亡发生的重要机制，也是AS发病的危险因素。因此探究铁死亡与AS的关系，对于AS的机制研究与防治具有重要意义。

3.3 抑制铁死亡与动脉粥样硬化的治疗 在人和动物模型中，动脉粥样硬化病变中的铁含量均显著高于健康动脉组织中的铁含量[33]。慢性铁超载可以通过诱导氧化应激和内皮功能障碍而加重载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠AS[34]。此外，内皮功能障碍在AS的发生和发展中也起着重要作用。铁超载通过增强内皮细胞的氧化反应和炎性反应而引起内皮功能障碍[32]。有研究表明，用高脂饮食(HFD)在体内诱导ApoE-/-小鼠AS，并用铁死亡特异性抑制剂Ferrostatin-1治疗ApoE-/-小鼠，可以减缓 AS病变，对脂质过氧化有抑制作用[35]。在动脉粥样硬化过程中铁死亡是重要抑制因素，亚铁离子蓄积可以诱导氧化应激和脂质过氧化导致内皮细胞功能障碍，导致动脉粥样硬化的形成。此外抑制铁死亡的发生可以减轻脂质过氧化及血管内皮功能损伤，减轻动脉粥样硬化的进程。因此铁死亡在动脉粥样硬化中的进一步研究，可能会给AS的治疗靶点提供一个潜在的研究方向。

3.4 铁死亡调节剂在动脉粥样硬化治疗中的应用 铁死亡是一种独特的调节性死亡模式，越来越多的研究表明，铁死亡是多种疾病治疗发展的新机遇[34-35]。其中铁死亡抑制剂靶标为脂质过氧化及亚铁离子两部分。临床研究表明，AS发病过程中，会出现氧化应激、炎性反应及铁蓄积等现象，他汀类药物是减轻AS的最有效药物[33]，研究发现，他汀类药物可以减轻AS斑块中脂质过氧化物，从而减轻内皮细胞中铁死亡的发生。使用铁螯合剂、抗氧化剂和自由基清除剂等药物能够降低ApoE-/-小鼠AS病变，对脂质过氧化有抑制作用。最近研究发现[35]，体外血管内皮细胞经ox-LDL处理后具有铁死亡的特征，使用铁死亡抑制剂后能够明显逆转细胞死亡。表明铁死亡对AS具有关键作用，抑制铁死亡能够逆转及延缓AS病变。因此，针对铁死亡的发生机制，通过抑制游离亚铁离子蓄积，降低脂质过氧化积累等方法抑制血管内皮细胞铁死亡可为AS的治疗提供新思路。

4 总结与展望

铁死亡作为一种新发现的调节性细胞死亡方式，是指铁离子依赖的脂质过氧化增多而导致的细胞死亡，主要涉及脂质过氧化物的产生和消除。涉及氨基酸代谢、脂质代谢、铁离子代谢等多种生理机制，但脂质过氧化是铁死亡的最终执行者。动脉粥样硬化主要是脂质过氧化物导致的细胞内皮功能障碍及炎性反应，已有研究表明，铁超载可加重动脉粥样硬化的发生，铁死亡特异性抑制剂可减缓动脉粥样硬化病变的发展，对脂质过氧化有一定的抑制作用。但铁死亡在动脉粥样硬化发生机制中的作用尚未明确，并且与包括AS在内的多种相关性疾病有关，近几年来，铁死亡成为新的研究热点，然而目前对铁死亡与AS治疗的研究主要集中在体外和动物实验，临床试验数据很少，并且关于铁死亡对AS具体调控机制仍有待于进一步阐明。此外，AS的铁死亡是否与坏死、凋亡等有相互干扰作用，以及铁死亡抑制剂是否特异性地调节铁死亡而不针对其他形式的细胞死亡也有待于进一步研究。但铁死亡作为一种新的细胞死亡方式，靶向铁死亡的药物势必会给动脉粥样硬化治疗提供新的治疗策略。