铁死亡的发生机制及与心脏疾病关系的研究进展

李冠蓝，崔明玲，杨 洁，丛 丛，杨传华

铁作为许多酶代谢过程的基本共同因子和重氧化循环反应的催化剂，定义了它在体内可能对生物有益或危险作用[1]。一种新发现的非凋亡调节的细胞死亡——铁死亡，其特征是过氧化脂的铁依赖性积累，并且其在形态上和生化上与已知的细胞死亡类型不同[2]。在哺乳动物、鸟类和鱼类等不同物种中涉及铁和脂质过氧化的细胞死亡，但该术语和概念于2012年首次被引入并未归因于铁死亡[3]。在不同的生命状态下，破坏铁平衡和脂质过氧化是铁死亡的两个主要特征，与许多的病理有关[4]。由于铁死亡是由抑制半胱氨酸吸收或灭活脂修复酶谷胱甘肽过氧化酶4(GPX4)引起的，最终以脂质氢氧化物的形式积累活性氧化物(ROS)，过氧化脂质导致铁氧体死亡，细胞中铁和谷胱甘肽的充血和耗竭分别加剧了这一过程[5]。关于铁死亡的特征和分子机制是未来研究的热门主题。更好地了解细胞死亡调节可为研究与异常细胞死亡相关的各种人类疾病提供理论依据[6]。本研究针对铁死亡的特征、机制以及在心脏疾病方面的应用进行综述，以期进一步加深对铁死亡的认识及对心脏相关疾病靶向药物的研发提供新的思路。

心脏病是我国乃至全世界死亡和致残的主要原因[7-8]，且心脏病造成的经济负担日益加重[9]。美国心脏协会(American Heart Association，AHA)每年都会对心血管及代谢类疾病进行统计分析，并且数据显示心血管疾病在美国乃至全球范围内均是威胁人类健康的主要疾病，并造成了严重的经济负担，心血管健康亦成为AHA关注的焦点[10]。在我国，心脏疾病发病率及死亡率也呈现出逐年增高的趋势，缺血性心脏病负担的急剧增加伴随着冠状动脉导管和经皮冠状动脉介入(PCI)的广泛使用，2001年—2011年，全国冠状动脉导管和PCI住院率比2001年前分别增加了17倍和21倍[11]，且心脏疾病是有多种危险因素共同导致的，如脑卒中、代谢综合征、吸烟、遗传因素等，多种因素的影响决定了心脏类疾病的不可控性[12]。由此可见，心脏病严重影响病人的生活质量和生存年限，给家庭和社会带来沉重的经济负担。到目前为止，还没有明确有效的方法治疗心脏病，因此，心脏病的防治仍然是一个有待解决的临床问题。

铁是各种重要生物功能所需的必需矿物，但也有潜在的毒性。铁已被认为是冠状动脉疾病(CAD)的危险因素，然而，铁在冠状动脉疾病病人中的毒性仍然具有争议性。此外，心肌出血是心力衰竭的重要发病机制，它可能触发自由铁释放到心肌中，并且是心肌梗死后左心室重塑不良的独立预测因素，现在可以通过先进的成像方法检测心脏中的铁沉积[13]。心肌铁是心肌梗死后病人左心室重塑的危险因素[14]。有研究发现，心脏移植后的炎症反应是通过铁死亡和移植内皮细胞中的Toll样受体4(TLR4)/三叶草依赖信号介导的，这些发现为心脏移植接受者和病人制定治疗策略提供了一个平台[15]。

1 铁死亡的发生机制

1.1 脂质过氧化 脂质过氧化是氧气与脂质结合的过程，通过过氧基的中间形成产生脂质过氧化物，维生素E和辅酶Q与过氧基反应产生过氧化物，然后这些氧化脂类可以通过谷胱甘肽、谷胱甘肽过氧化酶4和细胞抗氧化防御网络的其他组件进行解毒。铁死亡是一种受管制的非凋亡细胞死亡形式，涉及铁依赖性脂质过氧化[16]。其驱动因素是脂质修复酶谷胱甘肽过氧化酶4的丧失活动以及脂基活性氧物种的后续积累，特别是脂质超氧化物[17]。但活性氧(ROS)生成的介导器和基材以及谷胱甘肽过氧化酶4抑制在脂质环境中产生ROS的药理机制尚不得而知。有研究报道，铁死亡病变期间脂质过氧化的机制，涉及磷酸酶激酶G2(PHKG2)对脂氧酶的铁可用性的调节，反过来又通过多不饱和脂肪酸(PUFA)的过氧化来驱动铁死亡，事实上，用含有重氢同位素(D-PUFA)的PUFA预处理细胞可以防止PUFA氧化，铁氧体诱导剂通过共同瞄准活性位点半胱氨酸来抑制谷胱甘肽过氧化酶4，导致PUFA氢氧化物的积累，为在不同情况下控制铁死亡提出了新的策略[18]。

1.2 铁元素的大量堆积 铁死亡依赖于细胞内的铁，但不依赖其他金属，铁在铁死亡中的作用机制与一种或多种依赖铁的酶相关，这些酶是铁死亡过程中氧化机制的核心部分，且在一些癌细胞和病理神经元群中发现铁含量的异常升高[3]。自噬也可以通过铁蛋白的退化促进铁死亡[19]。衰老细胞，无论是否有刺激(辐射、复制、致癌)等，都会产生大量细胞内铁，并伴随着铁蛋白平衡水平的变化，通过自噬促进铁蛋白的降解[20]。还有一些蛋白，能够影响铁的代谢，例如热休克蛋白β1(HSPB1)是铁氧体癌细胞死亡的负调节器[21]，CDGSH铁硫域1(CISD1)也称为线粒体，是一种含铁的外线粒体膜蛋白，通过CISD1的遗传抑制增加了铁介导的线粒体内部脂质过氧化，对铁死亡也有负调节作用[22]。铁代谢调控和铁蛋白自噬也可作为调节铁死亡的靶点。

1.3 其他调节铁死亡的代谢通路 铁死亡作为一种非凋亡细胞死亡，受基因控制或“调节”，但死亡机制的充分程度和多样性仍然未知，在药理学上发现了10种化合物诱发了3种不同类型的受管制非凋亡细胞死亡[23]。谷胱甘肽过氧化酶4是一种抗氧化酶，被称为铁死亡的抑制剂，由于谷胱甘肽过氧化酶4 活性的减少，缺钙可增强对铁死亡过程的易感性，以及其他编程细胞死亡途径[24]。Fanconi贫血补充组D2(FANCD2)是一种参与DNA损伤修复的核蛋白，FANCD2的淘汰增加了与铁死亡相关的生化事件(例如，铁积累、谷胱甘肽消耗和恶性醛产生)，表明FANCD2在铁死亡的负面调控中起着新的作用[25]。

2 铁死亡与心脏疾病关系的研究

2.1 铁死亡与冠状动脉粥样硬化 绝经前妇女患冠状动脉粥样硬化性心脏病的概率要远小于男性，这种性别差异和更年期失去保护的基础尚不清楚，但有假说提出，男性和绝经后妇女心脏病发病率较高，是由于这两类人铁储存含量较高，该假说得到了理论支持，铁随着年龄的增长不断积累，女性在绝经后铁储存累积量达到男性水平，如果该假说得到证实将可采取预防性治疗[26]。You等[27]研究发现，冠心病病人的冠状动脉患支中铁蛋白光链的表达显著增加，铁蛋白光链mRNA的表达减少，表明冠状动脉中铁蛋白光链的增加表达可能与疾病组织的蛋白质稳定性增加或表达的调整有关，铁蛋白光链蛋白介于细胞中的铁储存，过度储存铁与冠状动脉疾病高风险之间存在关联。Ahluwalia等[28]通过研究证实血清铁蛋白与动脉粥样硬化的关系，在法国西南部基于人群的随机抽样，得到动脉粥样硬化病例中的血清铁蛋白明显大于无动脉粥样硬化的成人，血清铁蛋白每增加10 μg/L，动脉粥样硬化的风险就会增加3%。Holay等[29]从各种研究获得的数据中发现，身体铁的状况与冠心病风险之间可能存在关联，在无创和多变量分析中研究血清铁蛋白与急性心肌梗死(AMI)的关系，评估高血清铁蛋白与既定常规危险因素的关系，对75例AMI病人进行病例对照研究，AMI病人中位血清铁蛋白水平明显高于健康者，在控制所有常规风险因素后，在多个回归分析中，高铁蛋白与AMI明显相关，提示高血清铁蛋白与AMI有关。

铁死亡还可以从其他方面影响冠心病的进展。巨噬细胞是处理全身铁和动脉粥样硬化斑块的开始、进展和不稳定的关键角色，铁本身可能通过巨噬细胞影响动脉粥样硬化，巨噬细胞内的铁代谢可能对防止动脉粥样硬化斑块的进展有一些有益的影响，也可能有负面后果[30]。吸烟是冠心病的主要危险因素，然而吸烟和这些疾病之间没有因果关系，通过对香烟烟雾影响血管壁细胞的机制，发现香烟烟雾提取物(CSE)诱导了血管平滑肌细胞(VSMC)中一种称为“铁死亡”的新型调节死亡，CSE明显诱发A7r5细胞和原大鼠VSMC细胞死亡，CSE引起的大鼠VSMC死亡完全被特定的铁化抑制剂和铁切轮抑制剂抑制，CSE还诱发Ptgs2 mRNA、脂质过氧化和细胞内谷胱甘肽耗竭的上升调节，均表明铁死亡是导致CSE诱发的VSMC死亡的原因，并且是预防冠心病的潜在治疗目标[31]。

一些动物实验也证实了铁死亡与冠心病之间存在密切联系。在小鼠模型动脉粥样硬化的易感性的研究中[32]，与正常-铁性载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠相比，动脉粥样硬化在铁载ApoE-/-FPNwt/C326S小鼠中严重加重，表明铁具有致动脉粥样硬化作用。在验证慢性铁超载可能会改变血管反应与动脉粥样硬化过程的恶化实验中，小鼠的血清和主动脉注射铁-dextran或盐水，实验周期过后发现，铁超载增加了肝损伤和氧化应激的铁和生物标志物的血清水平，以及主动脉中的铁沉积，慢性铁超载会加剧动脉粥样硬化过程，并诱发动脉粥样硬化小鼠的内皮功能障碍，这可能是由于氧化应激和被受损的内皮合成的放松和收缩因子之间的不平衡导致[33]。在二陈汤合桃红四物汤调控p53/SLC7A11介导的氧化损伤及铁死亡抗动脉粥样硬化的作用及机制研究实验中，将50只ApoE-/-小鼠随机分为模型组、二陈汤合桃红四物汤低剂量组、二陈汤合桃红四物汤中剂量组、二陈汤合桃红四物汤高剂量组及阳性对照组，10只C57BL/6J小鼠作为正常组，饲养12周后分离各组小鼠血清及主动脉组织，与模型组比较，经过治疗后各干预组小鼠各项指标均明显改善，提示二陈汤合桃红四物汤能明显改善动脉粥样硬化情况，其机制可能与调控p53/SLC7A11介导的氧化损伤及抑制细胞铁死亡有关[34]。

2.2 铁死亡与心肌缺血/再灌注(I/R)损伤 先前的研究表明，铁死亡参与心肌病的发展，包括心脏肥大、糖尿病心肌病等，但在败血症引起的心脏损伤中的作用仍然不清楚。有研究探索铁死亡对脂多糖(LPS)引起的心脏损伤的作用和基础机制，小鼠被注射LPS(10 mg/kg)12 h，以产生败血症，LPS增加了核受体共激活剂4(NCOA4)的表达和细胞内铁的水平，但降低了铁蛋白的水平，NCOA4可以直接与铁蛋白相互作用，并以依赖铁的方式降解，随后释放出大量的铁，细胞质内铁进一步激活线粒体膜上的侧翼素(SFXN1)的表达，这反过来又将细胞质内铁输送到线粒体中，导致线粒体 ROS 和铁死亡的产生。基于这些发现得出结论，铁死亡是导致败血症引起心脏损伤的关键机制之一，以心肌细胞中的铁死亡为目标可能是未来预防败血症的治疗策略[35]。

心肌缺血性疾病影响围术期病人的预后，糖尿病会加重心肌损伤。Li等[36]观察了铁死亡在糖尿病I/R损伤过程中的作用，并观察内质视网膜应激(ERS)是否加重心肌细胞损伤。该研究建立了大鼠糖尿病+I/R(DIR)、细胞高葡萄糖(HG)、缺氧/再复氧(H/R)和高葡萄糖H/R(HH/R)模型，诱导心肌损伤并检测相关指标。结果显示，HG 和H/R模型心肌细胞受损，同时铁死亡和 ERS 水平增加，在大鼠DIR或HH/R模型中，细胞损伤更为严重。DIR模型中对铁死亡的抑制可以减少ERS和心肌损伤，抑制细胞中的铁死亡HG、H/R和HH/R模型可以减少细胞损伤。可以通过刺激HH/R细胞模型中的铁死亡来加剧ERS和细胞损伤。同时，抑制ERS可以缓解铁死亡和细胞损伤。此外，抑制铁死亡可以减轻DIR损伤。Li等[37]探讨了I/R损伤中铁死亡的确切作用机制，特别是在肠道。研究假设缺血在肠道再灌注后立即促进铁死亡，与I/R研究中采用的传统策略相比，专注于缺血阶段，通过评估缺血后变化以及灌注过程中的蛋白质和脂质过氧化水平来验证铁死亡。Acyl-CoA合成长链家族成员4(ACSL4)是调节脂质成分的关键酶，已被证明有助于铁死亡的执行，但它在I/R中的作用需要明确。使用罗西利酮(ROSI)和siRNA抑制体内和体外缺血/缺氧引起的ACSL4，结果表明，ACSL4在灌注前抑制，可防止铁死亡的发生和细胞死亡。进一步调查表明，特殊蛋白质1(Sp1)是一个关键的转录因子，通过与ACSL4促进区域结合来增加ACSL4转录。总的来说，这项研究表明，铁死亡与肠道I/R损伤密切相关，ACSL4在这个致命过程中起着至关重要的作用，Sp1是促进ACSL4表达的重要因素。

2.3 铁死亡与心力衰竭 所有多细胞生物在进化过程中都发展为细胞死亡的高度调节和相互关联的途径，这个复杂的网络有助于各种心血管疾病的发病机制，包括I/R损伤、心肌梗死、心力衰竭、心律失常和动脉粥样硬化。最近，一个新的途径——铁死亡，也被报道参与了心力衰竭的过程，进一步深入了解细胞死亡背后的分子机制将提高心血管疾病治疗效果[38]。

细胞死亡引起的肌细胞丧失在心力衰竭中起着关键作用，在高频中观察到活性自噬和增加的铁死亡，并证明可以促进其进展，综合生物信息学分析结果表明，TLR4和还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶4(NOX4)被包含在上调节的差异表达基因(DEG)中，并且通过DEG相关蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络相互作用，为探索TLR4-NOX4在自噬和铁氧体病中的作用，通过扁豆病毒将硅RNA输送到心肌中，分别应用于主动脉带诱导的心力衰竭大鼠，并检测出自噬和铁氧体病的指标，结果表明，TLR4或NOX4的击倒显著改善了左心室改造，减少了肌细胞死亡。同时，有高频大鼠的活性自噬和铁死亡被TLR4和NOX4击倒明显迟钝，建议TLR4-NOX4作为心力衰竭的潜在治疗目标，通过抑制自噬和铁死亡抑制细胞死亡[39]。

心脏病是全世界的主要死因，致命心力衰竭发展的一个关键致病因素是失去最终分化的心肌细胞。有研究发现并证明，在多克索鲁比辛(DOX)引起的心肌病中，DOX治疗的心肌细胞显示了典型的铁死亡的特征。RNA测序结果显示，在DOX治疗的心脏中，铁快速、系统性积累给小鼠施用DOX诱发心肌病，表明在降解时释放的自由铁是必要的，足以诱发心脏损伤，进一步调查发现，线粒体中积累的过量自由铁，并导致其膜上脂质过氧化，靶向抗氧化线粒体明显挽救了DOX心肌病病人，支持线粒体的氧化损伤，作为铁死亡引起的心脏损伤的主要机制，这些发现突出表明，针对铁死亡是预防心肌病的一种心脏保护策略[40]。

3 小结与展望

铁死亡——这一新发现的细胞程序性死亡途径，虽然近几年有越来越多的研究证实其参与了心血管疾病的发生发展过程，为心血管疾病的临床诊治提供了新的认识和思路，但相对于铁死亡在肿瘤发病机制及治疗、肝肾损伤性疾病等方面的广泛研究，在心血管疾病方面的研究较匮乏，其参与心血管疾病的很多方面，例如具体机制、相关通路及药物作用靶点等仍需要进一步的研究。总之，这种新的细胞死亡方式，无论是在心血管疾病，还是在其他的疾病、病理改变等方面，仍然具有相当的研究潜力，为心血管疾病的治疗和预防提供新的策略和思路。