铁代谢在心肌缺血再灌注损伤及心脏保护中的作用及机制

方瑾，黄鹤

(武汉大学人民医院心内科 武汉大学心血管病研究所 心血管病湖北省重点实验室，武汉 430060)

铁是所有生物体的一个基本元素，参与广泛的生物学过程，包括氧输送、DNA合成、细胞呼吸和电子传递以及整体的新陈代谢[1]。铁代谢紊乱可导致铁水平升高或降低。心力衰竭患者射血分数降低常出现缺铁症。缺铁症通过降低线粒体功能和减少能量产生而损害人类心肌细胞的收缩性，导致心脏功能损伤。此外，系统性缺铁症还与冠状动脉疾病和心肌梗死的高发病率有关[2]。另一方面，由于遗传疾病或补铁治疗引起的铁超载同样具有器官损伤风险，如心肌病是遗传性血色病患者死亡的第二个主要原因[3]。铁超载还会导致血管功能受损，加速动脉粥样硬化进程，促进心律失常和心力衰竭的发生发展[4]。此外，铁代谢紊乱还参与其他疾病(如2型糖尿病、肥胖症和非酒精性脂肪肝)的发生过程[5]。铁代谢在心血管疾病中的作用较复杂，心血管疾病中铁稳态的调控机制尚不完全清楚。现就铁代谢在心肌缺血再灌注损伤及心脏保护中的作用及机制进行综述。

1 铁代谢及铁稳态

人体的铁主要是通过巨噬细胞对衰老红细胞的正常吞噬而不断被循环利用。红细胞的血红蛋白中含有的铁被释放回血浆，由骨髓重新摄取，用于合成新的红细胞，或由其他器官合成含铁分子。膳食铁被小肠上皮细胞吸收的机制包括：血红素铁通过血红素载体蛋白1转运吸收，而非血红素不溶性Fe3+首先通过细胞色素B还原酶1还原为Fe2+，然后通过二价金属离子转运蛋白1转运至肠上皮细胞内[6]。铁可储存在铁蛋白中或通过肠细胞基底外侧膜的膜铁转运蛋白释放到外周循环。目前，铁转运蛋白是唯一已知的能导致各种细胞(肠细胞、巨噬细胞或外周细胞)铁流出的铁转运体[7]。

铁在消化道、血浆、红细胞、巨噬细胞、肝脏和脾脏等之间的流动是由铁调素抗菌肽基因编码的铁调素调控。在高铁水平条件下，铁调素通过促进铁转运蛋白的内化和降解，调节铁转运蛋白介导的铁外流。铁超载、输注红细胞、铁治疗、遗传因素以及感染和(或)炎症均会增加铁调素的释放[8]。铁进入细胞后，成为细胞质中不稳定铁池的一部分。不稳定铁池中的铁作为中间体，可储存于铁蛋白或通过生物合成途径在线粒体中产生血红素和铁硫团，或在细胞质中产生需要铁的蛋白质。多余的铁则由铁转运蛋白从细胞中去除[9]。细胞内铁蛋白可作为一种保护缺铁和过量铁的缓冲剂。铁蛋白以可溶性无毒形式存储多达4 500个铁原子并将其输送至需要的区域。铁蛋白对铁代谢尤为重要，在缺铁条件下，铁蛋白被降解并释放储存的铁，而在铁超载条件下，它以安全的形式储存铁，以防止氧化应激的产生[10]。

2 铁在心肌缺血再灌注损伤及心脏保护中的作用及机制

2.1铁在线粒体功能障碍中的作用 线粒体对人体能量产生具有重要作用，线粒体功能障碍则与多种心血管疾病的发生发展密切相关[11]。然而目前线粒体在铁代谢以及心肌缺血再灌注损伤中的重要作用仍不明确[12]。线粒体是血红素合成的唯一部位，也是铁硫团簇的主要来源。血红素和铁硫团簇蛋白是线粒体氧化磷酸化系统和ATP生产的组成部分，通过铁的可逆氧化态催化电子传输并为正常心脏功能提供所需的持续能量。有数据表明，近1/3的心肌细胞铁分布于线粒体，而心肌细胞线粒体的铁含量较其他细胞多50%～150%[13]。由于铁是呼吸链复合物的重要组成部分，缺铁会损害线粒体复合物Ⅰ～Ⅲ，导致ATP产生减少。在缺铁的心肌细胞中，糖酵解酶的表达随三羧酸循环酶的减少而增加。然而，在缺铁条件下向糖酵解转移增加的ATP并不足以弥补三羧酸循环ATP产生的损失，从而导致ATP浓度净下降和ATP依赖性离子传输泵功能受损[14]。清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)的酶的合成也需要铁的参与，因此铁耗尽的心肌细胞对ROS引起的损伤较铁含量正常的心肌细胞更加敏感[15]。

另外，铁超载在哈伯-韦斯和芬顿反应中作为催化剂诱导氧化应激，产生氢氧化物离子和羟基自由基，这些自由基副产物可以在细胞质和(或)线粒体中进行二次氧化反应，进而损害DNA、蛋白质和脂质。ROS还可干扰心脏细胞内Ca2+稳态，并影响负责心肌电活性的多个离子转运体，导致心脏舒张和收缩功能障碍和心律失常[10]。线粒体ROS生成增加还会引起线粒体膜电位的去极化以及线粒体通透性转换孔开放，进而导致细胞破裂，最终导致心脏功能障碍和心肌病[16]。

研究发现，铁超载在全身或细胞水平均与心脏功能障碍密切相关[17]。此外，弗里德赖希共济失调是一种以心脑线粒体铁超载为特征的疾病，该类患者患有扩张型心肌病和心律失常的概率更高[18]。

2.2铁在心肌缺血再灌注损伤中的作用 铁增加与包括心脏在内的各器官的缺血再灌注损伤的病理学有关。在持续缺血期间及之后，铁蛋白降解多于合成，随后释放铁。研究表明，在长期缺血后，相对较高浓度的铁被动员至冠状动脉血流，而由缺血引起的心肌铁动员和重新分配可能会导致氧化应激增加及相应的心功能损伤[19]。此外，即使是温和的、非超载的铁剂量(0.3～12 mg/ml，静脉注射)在缺血再灌注条件下也会对心脏功能造成损害，而更高剂量的铁(12 mg/ml)导致左心室最大收缩压在缺血后恢复减少17%，心排血量减少50%以上，流出物中脂质氢过氧化物增加2倍[20]。在缺血和早期再灌注过程中，酸性的细胞内环境有利于从金属蛋白中释放铁并促进铁介导的芬顿反应，将效力较弱的氧化剂、超氧化物和过氧化氢转化为高反应的强氧化剂羟基自由基等。在这种情况下，从再灌注时开始使用铁螯合剂(如去铁胺)理论上可以抑制再灌注早期氧自由基产生的爆发并减轻再灌注损伤的严重程度。然而，使用铁螯合物对缺血再灌注损伤的益处仍存在争议。在一些小动物模型中，铁螯合疗法可以改善心脏收缩功能，提高细胞存活能力，抑制心肌重构，并减少缺血再灌注损伤后梗死面积。然而，上述研究结果并不能在体型较大的动物中得以复制[21]。导致结果出现差异的一个潜在原因可能为所使用的螯合剂的组织渗透性不一致。上述研究中使用的去铁胺主要通过在细胞外空间与内吞体结合铁结合发挥作用，但它不能调节线粒体铁。

Chan等[22]进一步研究了经皮冠状动脉介入治疗再灌注前使用去铁胺能否改善氧化应激和心肌缺血，结果表明，缺血发生后的辅助去铁胺治疗可持续改善氧化应激，这可能为缺血性心脏病提供一种新的治疗靶点。另外，Paraskevaidis等[23]研究结果显示，在冠状动脉旁路移植术中使用去铁胺，可以保护心肌防止再灌注损伤，降低脂质过氧化水平，缩短患者在重症监护病房的时间。综上所述，线粒体铁是心脏缺血性损伤的重要因素，可能是缺血性心脏病治疗的新靶点。

2.3铁在心脏保护中的作用 研究证明，缺血预处理(ischemic preconditioning，IPC)作为一种短期适应现象，通过适应短暂缺血发作，保护包括人类在内的所有动物的心肌和(或)其他器官免受长时间缺血的影响[24]。然而，IPC的分子机制尚未完全阐明。将铁限制在铁蛋白中可以防止铁依赖的氧自由基形成[25]。虽然持续缺血后铁水平升高增加了心脏组织对氧化损伤的敏感性，但铁也可作为铁蛋白积累的信号分子。IPC产生少量无毒但具有刺激性的“游离”铁，进而增强铁蛋白的形成为长期缺血后高水平的“游离”铁做好准备[26]。Galleano等[27]研究证实，亚急性、低水平铁可以通过提高铁蛋白水平保护肝脏减少缺血再灌注损伤。

在IPC刺激期间和之后，细胞中产生的低水平“游离”铁可启动铁蛋白翻译合成。铁蛋白积累达到其基础水平的359%，并在随后的长时间缺血期间保持较高水平[28]。细胞内增加的铁蛋白可以隔离过量的催化铁，防止氧化损伤。在再灌注阶段，新合成的铁蛋白结合(清除)缺血时释放的不稳定铁，保护心脏免受有害的铁催化自由基的损伤。此时，铁蛋白含量下降至基础水平的178%，L亚基/H亚基比值也恢复到缺血前的水平[26,28]。IPC诱发的铁蛋白含量增加和铁信号在IPC诱导的保护机制中的重要性被认为是一种潜在的心脏保护机制。

总之，IPC可启动心脏铁蛋白的从头合成，增加的铁蛋白可以作为氧化还原活性铁的“水槽”，从而保护心脏免受缺血再灌注相关的铁介导的氧化损伤。

3 铁死亡在心肌缺血再灌注损伤及心脏保护中的作用及机制

铁死亡的概念最早于2012年被提及，是指细胞内大量铁的积累导致强烈的氧化应激反应，伴随谷胱甘肽耗竭导致的细胞内放大的脂质过氧化，进而引起细胞死亡[29]。随后在多种心脏疾病中被证实存在铁死亡，包括多柔比星诱导的心肌病和急性缺血再灌注损伤以及心肌梗死后心力衰竭和感染性心肌损伤[30-31]。

铁死亡在形态学、生物学和遗传学上与其他受调节的细胞死亡模式不同，它可以由实验性小分子(如Erastin、Ras选择性致死小分子3和亚砜亚胺)和一些药物(如柳氮磺吡啶、索拉非尼和青蒿琥酯)诱导[32]。Erastin诱导铁死亡最常见的途径为抑制胱氨酸/谷氨酸转运体对胱氨酸的摄取，导致谷胱甘肽减少从而抑制抗氧化防御系统。谷胱甘肽由还原型转化为氧化型，被磷脂过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶4利用，将膜磷脂中由脂氧合酶形成的多不饱和脂肪酸氢过氧化物转化为相应的危害较小的脂醇[33]。各种内源性分子(如硒、多巴胺、维生素E、辅酶Q10)和化学物质(如Ferrostatin-1、右雷佐生)对谷胱甘肽过氧化物酶4的直接抑制或间接失活会导致氧化应激[32]。铁的积累是脂氧合酶正常活动所必需，这种谷胱甘肽过氧化物酶4的抑制作用促进了强烈的脂质过氧化，最终导致致命的铁沉积细胞损伤[33]。有学者认为线粒体、内质网和溶酶体是脂质过氧化影响的主要部位，然而细胞质膜是否参与仍存在争议[30]，未来铁死亡中脂质过氧化的发生部位是铁死亡的重要研究方向。

3.1铁死亡在心肌缺血再灌注损伤中的作用 虽然尽早实现再灌注对缺血性心肌有保护作用，但在接受经皮冠状动脉介入治疗的ST段抬高型急性心肌梗死患者中，心肌出血是再灌注干预后的常见并发症，限制了该术式的应用。心肌出血与梗死后区域的残余心肌铁有关，残余铁的积累能够增加ROS的产生并促进铁死亡[34-35]。Robbers等[36]运用心脏磁共振成像技术发现，心肌出血是一种微血管阻塞后的不可逆的微血管破坏。此外，心脏磁共振成像显示，心肌出血与急性期心肌梗死的严重程度以及长期不良左心室重构的发展密切相关[36]。上述研究一方面证明了残余心肌铁对一些初次经皮冠状动脉介入治疗心肌梗死患者的有害作用，另一方面，也提出了未来针对心肌细胞通过利用哺乳动物雷帕霉素靶蛋白机制靶点的保护作用调节ROS的产生来抑制铁死亡从而挽救心肌细胞的潜力[35]。

3.2铁死亡在心脏保护中的作用 铁死亡是各种类型心肌病及急性和慢性缺血再灌注所致心脏损伤的基础。因此，靶向铁死亡被认为可能是治疗这些心脏疾病的可行方法。目前针对铁死亡信号通路中的基因操作，如溶质载体家族7成员11的过表达、核转录因子红系2相关因子2敲除、谷胱甘肽过氧化物酶4敲减，已被证实可以通过增加对铁死亡的抵抗减轻心脏和心肌细胞的损伤[30,37]。与上述结果一致，药理干预(如铁螯合)也可以有效保护铁依赖的细胞死亡过程。研究发现，铁螯合剂右雷佐生作为一种线粒体渗透性金属螯合剂，可以减少体外大鼠心脏氧自由基产生并改善缺血再灌注后的血流动力学[38]。此外，右雷佐生还可保护小鼠免受阿霉素诱导的铁死亡，并减少缺血再灌注后的致命性心脏损伤(梗死面积)和心肌功能障碍的发生[30]。在市售的铁螯合剂中，去铁胺是目前应用最广泛的无毒铁螯合剂，用于治疗与铁超载相关的疾病。去铁胺已被证明可以减少大鼠心肌细胞ROS的生成[39]。在其他过量铁诱导的细胞死亡和铁死亡模型中去铁胺也显示了保护作用[35]。铁死亡抑制剂ferrostatin-1通过清除脂质氢过氧化物中亚铁产生的烷氧基自由基发挥作用[40]。研究发现，ferrostatin-1在由于铁蛋白缺乏而引起的心肌病小鼠中显示出有益作用[37]。因此，铁超载诱导的铁死亡可能是上述心脏疾病的潜在治疗靶点。

4 小 结

铁是人体必需的微量元素，在人体的正常生理过程和各种疾病的病理机制中均起重要作用。目前铁与心血管疾病之间的关系仍未完全明确，认为铁对心脏的有害作用机制与ROS的产生和心肌损伤易感性增加有关。但是铁除了通过增强ROS的产生作为细胞死亡机制的催化剂外，还充当了触发多种保护性细胞级联反应的信号。铁在线粒体中的作用尤为重要，铁代谢的调控可能有助于更有效地治疗心肌缺血再灌注损伤。未来需要进一步的研究来阐明细胞铁稳态的机制，以开发更有效的治疗心血管疾病的药物和方法。