铁死亡在脑缺血/再灌注损伤的研究进展

罗伟志，王翔宇，代阅

（三峡大学第三临床医学院 国药葛洲坝中心医院，湖北 武汉 430000）

0 引言

中风是由心血管系统破裂或阻塞引起的一种常见且严重的神经系统疾病。它每年造成数百万人死亡和残疾，给人类带来巨大负担。血栓、高血压、高血脂、高血糖、吸烟、高龄等均可诱发。根据病因不同，脑卒中一般可分为出血性脑卒中和缺血性脑卒中，其发病机制和治疗方法有较大差异。铁死亡是2012年首次定义的一种新型细胞死亡，其特点是非凋亡、铁依赖性和过度积累的脂质过氧化物。铁死亡已被证明在肿瘤、神经系统疾病、肾损伤和缺血再灌注损伤。铁死亡也与中风的发病机制密切相关。在许云飞等人综述[1]中总结了铁死亡在脑卒中发病机制中的参与和作用，并预测了铁死亡在脑卒中治疗中的潜力。中风会导致铁过载和脂质代谢紊乱，升高的铁催化脂质过氧化并最终引发铁死亡。铁代谢和脂质过氧化是铁死亡的两大主要作用。本文是对铁死亡机制及在脑缺血/再灌注损伤的中的发病机制和潜在治疗靶点展开叙述讨论，旨在为临床和实验提供参考。

1 铁死亡机制

目前研究发现铁死亡可能有如下相关机制[2-5]：(1)铁代谢异常：铁离子的过度积累是铁中毒的关键特征。肠道吸收或血液中红细胞降解产生的Fe2+可被氧化为Fe3+，与细胞膜受体TfR1识别的转铁蛋白结合，形成Tf-TfR1复合物[6]。在Tf-tfr1内吞作用后，Fe3+从Tf中释放出来，被酸性核内体中的一种金属离子还原酶还原为Fe2+。然后，Fe2+通过二价金属转运1或锌-铁转运体ZIP8和zip14转运到细胞质中[7]。多余的铁储存在铁蛋白复合物铁蛋白中，而铁蛋白由铁蛋白轻链和重链组成，后者具有铁氧化酶活性，可以催化Fe2+氧化为Fe3+[8]，提供铁稳定地结合到铁蛋白壳中，从而维持不稳定铁池的平衡。这一铁代谢途径严格控制铁稳态，一旦失衡，可导致铁过度积累和铁死亡；(2)系统Xc-：氨基酸逆向转运系统Xc-以1:1的比例调节细胞外胱氨酸和细胞内谷氨酸在质膜上的交换[9]。在细胞内，胱氨酸被还原为半胱氨酸，然后用于蛋白质合成和一种重要的抗氧化剂非核糖体三肽谷胱甘肽的生物合成，是GSH合成一个速率限制因素；在许多其他细胞中，输入胱氨酸是维持半胱氨酸和谷胱甘肽水平所必需的。谷胱甘肽可作为谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)的基本辅助因子，催化脂质过氧化物的还原。系统Xc-的抑制会导致GSH和GPX4活性降低，脂质过氧化降低，最终导致铁离子的死亡[10]。(3)GPX4：GPX4是一种在哺乳动物细胞中表达的硒依赖性谷胱甘肽过氧化物酶，通过降低脂质过氧化物的数量，在调控铁中毒中发挥关键作用；它是一种独特的酶，可以通过将GSH转化为氧化型谷胱甘肽(GSSG)，将氧化型脂质还原为无害的脂醇(L-OH)[11]。GPX4对于防止大脑、皮肤和内皮等器官的细胞死亡和组织损伤至关重要。药物抑制GPX4活性、GPX4降解或基因消融可导致铁死亡[12]。谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)和Xc-系统是铁信号通路的刺激因子。Xc-系统是异二聚体氨基酸抗转运蛋白家族的一部分，该体系的功能是合成GSH作为抗氧化剂所必需的。Erastin是一种铁诱导剂，抑制Xc-系统活性，降低GSH，最终使GPX4失活；GPX4失活会导致脂质过氧化物的积累，导致ROS的产生增加。铁死亡过程中产生的过量脂质活性氧最终导致细胞氧化死亡[13]。(4)脂质过氧化作用：脂质过氧化的最终产物，4-羟基壬烯醛和丙二醛，经常被用作氧化应激的一般标记物，脂质过氧化与铁中毒密切相关，可作为调控死亡过程的工具[4]。(5)线粒体：线粒体可通过氧化磷酸化合成ATP，产生副产物ROS，这是铁死亡所必需的[14]。肿瘤抑制因子p53可能以双向方式调控铁下垂。一方面，p53可以抑制SLC7A11的表达，降低Xc-系统对胱氨酸的摄取，从而下调GPX4和细胞的抗氧化活性，导致ROS积累和铁细胞凋亡，另 一 方 面，TAZ-ANGPTL4-NOX2、p62-Keap1-NRF2 和谷氨酰胺解通路也可能在铁死亡中挥调控作用；6.其他因素：钩铁抑制蛋白1 (FSP1)在这一过程中的特殊作用，提示钩铁抑制蛋白1的调控机制与GPX4类似，细胞铁下垂的发生也受硫酸化途径的调控[15-16]。

2 铁死亡在缺血性脑卒中的机制

铁是脑组织稳态的一把双刃剑。一方面，铁在催化生成大量ATP以维持正常大脑功能方面是不可或缺的;另一方面，大脑对铁依赖的氧化应激非常脆弱[3]；铁死亡缺血性脑卒中发病机制中的作用：（1）铁的积累与再分配：血液中的铁可以通过血脑屏障的破裂进入脑组织，导致铁在神经元细胞中过度积累，导致神经元细胞的铁死亡，细胞内铁积聚可能是铁死亡的直接原因[17-19]；（2）谷氨酸：谷氨酸作为一种兴奋性神经递质在生理状态下对神经功能的维持起着重要作用；在缺血性中风中，谷氨酸释放增加和细胞再摄取受损导致其在大脑中积累，导致神经细胞损伤和死亡；谷氨酸诱导的神经元铁下垂的调节机制可能与一种重要的转录因子ATF4有关[20]；（3）氧化应激：氧化应激是由细胞中促氧化剂的积累和抗氧化剂物种的损失引起的，这导致DNA、脂质和蛋白质的损伤，从而产生病理状态[21]；在缺血再灌注过程中，缺血半暗带神经元细胞可能会受到活性氧和活性氮引起的氧化应激，而丝裂原活化蛋白激酶途径介导活性氧诱导的细胞死亡发挥着重要作用[22]；抗氧化剂的丧失是导致氧化应激的另一个关键因素，缺血性卒中后内源性抗氧化剂水平下降，抗氧化剂通过将ROS/RNS转化为无害分子来防止细胞损伤能力下降，导致氧化应激[23]。（4）脂质过氧化是铁死亡的直接诱导因子，氧化应激促进了脂质过氧化，但是其具体发病机制目前尚不清楚；研究表明，铁下垂与动脉粥样硬化的发病机制有关，通过减少脂质过氧化抑制铁下垂可以缓解动脉粥样硬化的发病机制，miR-17-92的过度表达可通过直接结合锌脂蛋白的mRNA并抑制A20生物合成，从而降低ACSL4的表达，从而降低脂质过氧化，从而保护内皮细胞免受铁死亡影响[24-25]。（5）表观遗传调控：表观遗传机制是调节脑卒中相关基因表达的新基础因素，与铁死亡关系密切；目前已经发现Sp1抑制剂MTM可以靶向氧化应激介导的神经细胞死亡的几种途径，包括ERK、c-Src、HIF1α和p21waf1/ cip1 ，HDAC抑制剂、谷氨酰胺转胺酶、谷氨酰胺转胺酶抑制剂在介导铁中毒死亡中具有重要作用[26]。

3 潜在治疗靶点

近十年来，研究表明，铁死亡是缺血性器官损伤相关细胞死亡的重要诱因，抑制铁死亡可有效改善临床前动物的缺血性器官损伤，铁死亡还可累及其他器官功能障碍类型和退行性疾病[13]。科学家通过调控铁死亡成功干预了动物模型的脑卒中过程，表明铁死亡是治疗脑卒中的一个新的潜在靶点[27]。在庄丽华等人[28]研究中发现纳米氧化铁增强磁共振成像可作为监测脑缺血-再灌注损伤急性期炎症反应的有效手段。Tuo等人[29]研究发现在幼年动物中，Tau抑制对缺血再灌注损伤有神经保护作用，但仅限于幼年，随着年龄增长，tau基因敲除小鼠中发生颅内铁蓄积，因此Tau在年轻时具有神经保护作用，但随着年龄的增长，它会加剧神经毒性铁的积累；

杨丽等人研究[30]中发现酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）是一种调节脂质组成的关键酶，已被证明有助于铁死亡的发生，再灌注前ACSL4抑制对铁死亡和细胞死亡有保护作用；而特殊蛋白1 (Sp1)是一个关键的转录因子，通过与ACSL4启动子区结合来增加ACSL4的转录；为缺血再灌注损伤的预防和治疗提供了一种独特而有效的机制；冯燕生等人[31]研究中首次发现Lip-1可以减少心肌梗死体积和维持线粒体结构完整性和功能来保护心脏，lip -1诱导的心脏保护作用是通过降低VDAC1水平和寡聚化来实现的，而不是通过降低VDAC2/3来实现的。Lip-1也降低了线粒体活性氧的产生，挽救了缺血再灌注损伤应激引起的抗氧化剂GPX4的降低。路晶晶等人[32]发现AIS患者血浆中PVT1水平上调，miR-214水平下调，miR-214过表达显著降低PVT1水平。PVT1沉默或过表达miR-214可能通过降低体内外脂质过氧化和铁沉积而显著抑制铁死亡。文章中还发现miR-214被验证能与PVT1、p53和TFR1结合，p53的上调显著降低了SLC7A11的表达，PVT1通过miR-214介导的p53和TFR1调控铁细胞凋亡，因而PVT1和miR-214作为缺血再灌注损伤的潜在靶点；在孙光池等人[33]的研究中发现核受体共激活因子4（NCOA4 ）缺失显着消除了由缺血再灌注损伤引起的铁蛋白吞噬，从而抑制了铁死亡；该研究还发现通过上调泛素特异性肽酶14(USP14)，NCOA4通过受损神经元中的去泛素化过程，可以通过抑制USP14有效降低NCOA4水平以保护神经元免受铁蛋白吞噬介导的铁死亡。Pushkar等人[34-35]研究中发现NL-1降低了神经元细胞过氧化氢生成，NL-1主要功能有助于改善线粒体呼吸，而在发生缺血后可能出现大量ATP缺失的细胞中，NL-1有可能改善线粒体呼吸和ATP生成，因此，NL-1有作为新型线粒体药物治疗脑卒中再灌注损伤的潜在可能性。

铁螯合剂通过诱导HIF-1和ATF-1/CREB等转录因子以及上调p21waf1/cip1和促红细胞生成素等糖解酶，对谷胱甘肽消耗诱导的毒性具有神经保护作用；朱婷等人研究[36]中发现三七皂苷可以经NG-R1途径可减少大脑中动脉闭塞后再灌注损伤大鼠的梗死体积和神经功能缺损、手术后7天的神经元损失，NG-R1抑制神经元凋亡和星形胶质细胞激活，减少MCAO/R术后7d葡萄糖和柠檬酸的异常积累；增加MCAO/R术后7d谷氨酸和苹果酸-天冬氨酸穿梭组分的含量，增加MCAO/R术后7d的ATP代谢，增加MCAO/R术后7d的抗氧化剂含量，维持MCAO/R术后7天内Na+和K+的稳态以及改变MCAO/R术后7d的磷脂含量，从而减少了梗死面积并改善了神经功能缺损；关学英等人研究[37]中香芹酚可降低缺血沙土鼠脑组织脂质过氧化物水平，香芹酚通过增加谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）的表达来减少细胞死亡，并抑制铁死亡；这项研究表明，香芹醇可能是治疗脑缺血的一种有价值的药物。Jin等人[38]研究法相骨形态发生蛋白（BMP）拮抗剂noggin有利于有髓轴突数量和髓鞘厚度增加，其主要是将反映性小胶质细胞中的铁状态从铁储存转变为铁释放表型，从而通过提供铁来促进髓磷脂的合成；吴梦荣、Tatiana等人[39-40]首次发现注射间充质干细胞被输送到脉络丛的证据，MSCs可分泌趋化因子、生长因子和细胞因子和招募免疫细胞；CP分泌物参与神经发生和MSC增殖；间充质干细胞与脉络丛相互作用所产生的分泌因子具有促进缺血性脑卒中后脑功能恢复的治疗潜力；赵亚硕等人研究中发现纳米脂质体（LLYC）通过抑制MAPK-JNK降低氧化酶的蛋白质水平，增加Bcl-2水平，降低caspase-3，并抑制细胞凋亡；L-LYC还抑制了铁调素介导的FPN1的降低，并使铁水平正常化；L-LYC显著提高缺血半暗带的总SOD、GSH和CAT水平，显著降低了脂质过氧化最终产物甲烷二羧酸醛（MDA）的水平；L-LYC有效地抑制IL-6表达和STAT3磷酸化。纳米脂质体包封显著提高了缺血再灌注损伤的神经元保护作用。

4 小结

综上所述，铁死亡在脑缺血/再灌注损伤生理、病理机制非常复杂，从物质的吸收、转运，蛋白的编码、翻译，基因的调控、表达，其中的信号通道，到目前为止，其中铁死亡所介导的细胞死亡方式及信号通道，仍不是很清楚；本文简单总结了铁死亡的可能机制、铁死亡在脑卒中缺血/再灌注损伤中的可能发病机制以及未来潜在的靶向治疗位点；脑缺血/再灌注损伤的病理生理机制非常复杂，单纯干预任何一条途径，可能难以获得良好的效果；从目前来看，铁死亡与脑缺血再灌注损伤关系密切，未来将很大可能成为卒中后再灌注损伤的一种靶向治疗方向。