基于“气-线粒体-铁死亡”轴探讨铁死亡与心肌疾病的关系

谢甜甜

（江苏医药职业学院，江苏 盐城 224005）

心肌疾病是指由不同病因引起心肌病变，从而导致心肌和心电功能障碍，并以心肌病变如心室肥厚或扩张为主要表现的一组疾病。该病可局限于心脏本身，也可为系统性疾病的部分表现，发展到终末期可导致猝死或心力衰竭（heart failure，HF）。在心肌疾病发生发展的过程中，终末分化心肌细胞死亡是心肌损伤的重要致病因素，不同类型的细胞死亡所引起的病理性失代偿性心肌细胞死亡均会促进心肌疾病的病理发展和心功能的恶化，但目前心肌细胞死亡的机制尚未明确。铁死亡作为一种新型的铁和脂质过氧化依赖性细胞死亡，与心肌疾病有着千丝万缕的联系，铁死亡在心肌细胞损伤的过程中起着重要作用。本文将从中医和西医的角度对铁死亡的发生机制及其在心肌疾病中的研究进展进行综述，以期为心肌疾病提供新的研究思路和治疗靶点，为中药的进一步研发提供参考，内容如下。

1 铁死亡

细胞生命活动结束就意味着细胞死亡，细胞死亡和细胞增殖对生物体具有同样重要的意义，对于维持人体自稳态、保证正常发育、形成免疫耐受以及监控肿瘤等过程均具有重要作用。2012 年，Dixon 等[1]人首次提出铁死亡（Ferroptosis），认为铁死亡是一类以细胞中脂质氢过氧化物的铁依赖性积累和细胞内氧化还原不平衡为特征的细胞死亡[2]。铁死亡过程中会伴随出现大量的铁离子累积，膜脂修复酶——谷胱甘肽过氧化物酶4（Glutathione Peroxidase 4，GPX4）失效，造成脂质过氧化和膜脂上活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）积累，并伴随一些调控铁稳态和脂质过氧化代谢等方面的基因变化，同时细胞具有膜破裂、起泡以及线粒体形态异常等特征[3]。

2 铁死亡的机制

铁死亡是一种复杂的生化代谢过程，谷胱甘肽（glutathione，GSH）、氨基酸、磷脂、还原型辅酶Ⅱ（reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate，NADPH）、辅 酶Q、多 不 饱 和 脂 肪 酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）及多种离子均有参与[4]（见图1）。多种物质和外界条件均可诱发铁死亡：谷氨酸、铁、PUFAs 和磷脂的积累、NADPH 氧化酶的激活、GSH、维生素E 耗尽、GPX4 失效、胱氨酸谷氨酸转运受体下调等引起的ROS 增加，均会诱导铁死亡[4]。同时，铁介导也会引发铁死亡，除ROS 外，活性氮物种（RNS）也可以导致铁死亡[5]。一氧化氮和过氧亚硝酸盐可与PUFAs 反应生成硝化氧化产物。

图1 铁死亡的调节途径[6]

2.1 SystemXc-

System Xc-是一种在细胞质膜上表达的氨基酸转运体，它介导对胱氨酸的摄取，以交换细胞内的谷氨酸，随后细胞内的胱氨酸被还原为半胱氨酸，而半胱氨酸是GSH 合成的限速前体。GSH 是GPX4 的辅助因子，GPX4 可以将脂质过氧化物（L-OOH）还原为脂质醇（L-OH）[7]，这是细胞解毒脂质过氧化物的重要防御机制之一。GPX4 活性正常对于维持膜脂稳态至关重要，可以防止有毒脂质过氧化物的过度积累和自由基的形成，从而抑制铁死亡[1]。此外，作为System Xc- 阻断剂的Erastin 和作为GPX4 抑制剂的RAS 选择性致死因子3（RAS-selective lethal 3，RSL3）均可诱导铁死亡，并且都在脂质过氧化过程中发挥着重要作用[8]。因此，通过抑制System Xc-、降低GSH 水平，或通过药理学（如RSL3）、遗传方法使GPX4 失活，都会导致脂质ROS 的积累和铁死亡[9]的发生。

2.2 铁、芬顿反应和脂质ROS

铁是维持正常细胞稳态的一个重要生物元素，在人体生理过程中发挥着广泛且重要的作用，包括红细胞产生、氧运输、电子传递、DNA 合成和脂质代谢等[10]。铁死亡的命名正是因为该过程需要依赖铁并可以通过铁螯合剂来抑制而得名，可见，铁在铁死亡过程中发挥着至关重要的作用。然而，如果人体内的铁含量过高，就会变成毒性，即在铁超载的情况下，它可能会导致包括心脏在内的多个器官的功能障碍。铁超载诱导的心肌细胞死亡被归因于铁死亡[11]。在铁死亡的过程中，脂质过氧化以铁依赖的方式发生。虽然铁依赖的确切机制尚存在争议，但通过芬顿（Fenton）反应激活脂肪氧合酶和产生ROS（包括脂质自由基的形成）可为以后的研究提供一些启示。

2.3 细胞色素P450 氧化还原酶（cytochromeP450 oxidoreductase，POR）和细胞色素b5 还原酶（cytoch romeb5reductase，CYB5R1）

NADPH 氧化酶可诱导可溶性和脂质ROS 的生成以及多种细胞类型的铁死亡，包括心脏的铁死亡[1]。最近的研究发现，NADPH 氧化酶中的POR 和CYB5R1 可在多种细胞中促进铁死亡的启动[12]。同时，POR/CYB5R1 的基因缺失已被证明可以阻断脂质过氧化和细胞死亡[13]。POR 是一种内质网状的氧化还原酶，可促进过氧化氢的生成。过氧化氢衍生的羟基自由基（HO）可通过Fenton 反应促进脂质过氧化的启动，诱导铁死亡[14]。

2.4 转录调控

抗氧化防御过程受到核转录因子的调控，特别是核因子红细胞相关因子2（nuclear factor erythroid 2-like 2，Nrf2）的激活在抑制铁死亡方面起着重要作用[15]。Nrf2 是一种应激诱导的转录因子，可以通过增加参与铁和ROS 代谢的靶基因包括抗氧化剂（如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶）、铁代谢（如Fth-1）及GSH 的合成来抑制铁死亡。因此，Nrf2 是抗铁死亡基因的重要转录调控因子，与游离铁和脂质过氧化的积累均有关。

总之，铁死亡不仅具有复杂的信号通路，同时伴有代谢过程的异常。此外，铁死亡的特异性抑制剂不影响其他形式的细胞死亡，但其他类型的细胞死亡抑制剂是否对铁死亡具有调节能力目前尚无定论。而随着越来越多的药物或化合物被报道可引起铁死亡，这种类型的调节性细胞死亡正在被探索作为多种疾病抗凋亡的替代疗法。

3 铁死亡与心肌疾病

铁死亡在多种心血管疾病的发生发展中均起着至关重要的作用，如血色素沉着症相关的心肌病、阿霉素（doxorubicin，DOX）诱导的心脏毒性、心肌缺血/ 再灌注（Ischemia/Reperfusion Injury，I/R）损伤、HF、动脉粥样硬化和COVID-19 相关的心律失常等。心肌疾病和严重心功能障碍的发展与心肌细胞中的铁超载密切相关，心肌铁是心肌梗死后左心室重构的危险因素，铁超载诱导铁死亡，从而导致心肌细胞死亡[11]。心肌细胞铁蛋白缺乏会导致小鼠出现轻度心脏损伤，给小鼠喂食高铁饮食后发展为肥厚型心肌病，而增加SLC7A11 的表达[16]可逆转这些心脏损伤。心肌细胞中缺乏铁转运蛋白的小鼠在心肌铁水平升高时其扩张型心肌病会加重，而低铁饮食可以[17]改善该变化。同时，铁死亡也是导致心肌梗死区心肌细胞死亡的重要原因，而哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）可通过调节ROS 和铁的代谢来抑制成年小鼠的心肌细胞铁死亡[18]。研究发现，DOX 处理的大鼠心肌细胞表现出典型的铁死亡细胞特征，该过程中血红素氧合酶1（HO-1）被Nrf2 的核转运上调，催化血红素降解并促进游离铁的释放，从而导致铁死亡和最终的HF[19]。同时，铁死亡也是糖尿病心肌病的重要致病因素，晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）作为该病的重要致病因子[20]，可诱导3D-ECT 模型中心肌细胞铁死亡的发生及环氧合酶2（COX2）表达的上调[21]，同时铁介导的Fenton 反应引起氧化应激增加又会导致AGEs 的生成和蓄积，促进疾病的进展。铁死亡同样参与了高糖诱导的H9c2 糖尿病心肌病，该模型中心肌细胞铁死亡表现明显，可见二价铁离子（Fe2+）含量显著增加，ACSL4 蛋白表达显著增加，SLC7A11、GPX4 蛋白表达显著降低等[22]。综上所述，铁死亡在各种心血管疾病的发病机制中均起着至关重要的作用，而铁螯合剂、抗氧化剂、铁死亡抑制剂和基因调控可能通过阻断铁死亡途径来缓解上述心血管疾病，抑制心脏铁死亡有望成为一种潜在的治疗选择。

4 铁死亡与中医药

4.1 “气-线粒体-铁死亡”轴

线粒体与中医药理论中的“气”密不可分，而铁死亡与线粒体密切相关。在铁死亡过程中，铁死亡细胞会呈现出明显的生物能量特征，而形态学特征方面则具有异常的线粒体形态：线粒体浓缩、膜密度减弱、嵴减少或消失以及外膜破裂等。同时，线粒体是细胞的“能量动力工厂”，线粒体通过不断产生三磷酸腺苷（ATP）而为人体细胞持续提供能量，以维持人体的正常生理活动。研究表明，线粒体在铁死亡过程中发挥了不可替代的作用，表现在线粒体既可以促进ROS 的形成从而促进铁死亡，又可以通过抑制ROS的形成及Fenton 反应抑制铁死亡[23]。现代研究认为，线粒体与中医药理论中“气”的关系非常密切，中医学认为，气是构成宇宙和天地万物的最基本元素，是人体活动的能量，这与线粒体具有诸多相通的特点：（1）都是构成生命体的精微物质，负载着生命现象，是人类生命活动的物质基础[24]；（2）生理作用上，中医的气具有温煦、推动、固摄、防御等作用，而现代医学的线粒体是人体能量的来源，为人体的生长发育、生理活动、细胞功能等提供能量；（3）与人体的存亡密切相关，线粒体是人体的能量工厂，它通过生物氧化反应将物质分解代谢，为人体提供可利用的能量形式，一旦这种物质代谢过程停止，能量供应就会停止，人的生命也即刻停止。而气是构成自然界和人体的基本元素之一，动而不息，气的运动变化是天地万物衍生、发展、变化和凋亡的根本。气生形，形化气，气聚则形生，气散则形亡[25]，人体随即消亡；（4）在病理改变方面也有诸多相似之处，线粒体病变和气机失调均表现出生命体多系统、多器官和多组织的病理反应，出现多种临床症状。

4.2 铁死亡的中医药治疗研究

目前，中医药对铁死亡的干预作用逐渐被研究及发现，相较于铁死亡诱导剂，中医药对细胞铁死亡的干预具有多元性、多通路、多靶点等特点。但因开展的相关有针对性的研究较少，故中医药对铁死亡的影响及具体干预机制尚不清晰，还有待进一步发掘，以期更好地指导临床疾病的诊疗。

4.2.1 中药复方 心阳片是临床上用于治疗气阳亏虚挟痰瘀型心力衰竭的中药制剂，其含药血清能够抑制心肌细胞中的铁死亡，改善心肌损伤，该药可能通过调控MLK3 来发挥作用[26]。此外，心阳片还能通过抑制心肌纤维化来有效改善慢性心力衰竭小鼠的心功能，其机制可能是通过抑制MLK3/JNK/p53 介导的心肌细胞铁死亡发挥作用[27]。另一项对瘀血痹胶囊的研究发现，其含药血清可抑制心肌细胞铁死亡，改善心肌肥大，可能通过激活DJ-1/GPX4 信号通路发挥作用[28]。

4.2.2 中药单体 目前，关于中药单体对铁死亡的抑制作用也有一定的研究。白藜芦醇可通过降低氧化应激和衰减性硬化来减轻心肌缺血再灌注损伤，体内和体外实验均表明，白藜芦醇能够降低心肌氧化应激和Fe2+的含量[29]，白藜芦醇可以成为预防心肌缺血再灌注损伤的潜在治疗方法。此外，白藜芦醇还可通过下调ACSL4 蛋白的表达及上调GPX4 和SLC7A11蛋白的表达从而抑制细胞铁死亡，对糖尿病心肌病起到保护作用[22]。另有研究表明，萝卜硫素可通过AMPK 依赖的Nrf2 激活抑制铁死亡，从而对糖尿病心肌病起到防治作用[21]。此外，葛根素可通过诱导铁蛋白FTH1 和GPX4 的生成以及降低ROS NOX4的产生来抑制心力衰竭大鼠模型心肌细胞的铁死亡过程，改善心脏功能[30]。矢车菊素葡萄糖苷（C3G）是合欢花的一种成分，研究显示，在氧葡萄糖剥夺/ 复氧的H9c2 细胞中，C3G 可降低细胞氧化应激，下调LC3II/LC3I，减少自噬小体数量，下调TfR1 的表达，上调FTH1 和GPX4 的表达，且C3G 可通过抑制铁死亡诱导剂RSL3 来抑制铁死亡，改善心肌I/R 损伤[31]。葛根素可改善HF，并具有抗细胞死亡的特性。研究显示，葛根素可显著降低在HF 或异丙肾上腺素孵育的H9c2 细胞中观察到的铁过载和脂质过氧化水平，表明葛根素在抑制HF 心肌细胞死亡过程中可能部分通过抑制铁死亡发挥作用[32]。黄芪甲苷Ⅳ（As Ⅳ）是从中药黄芪中分离出来的一种活性成分，有利于心血管健康。研究发现，As Ⅳ可以保护大鼠免受DOX诱导的以心肌纤维化和心功能障碍为特征的心肌病，DOX 可促进心脏铁死亡，而As Ⅳ可通过激活Nrf2 信号通路和随后的GPX4 表达增加来减弱这一过程。这些结果表明，As Ⅳ可能对DOX 诱导的心肌病发挥保护作用[33]。

4.2.3 其他疗法 一项针对急性心肌缺血大鼠的研究显示，对大鼠的神门- 通里段进行电针，可能通过提高细胞内GSH 水平、激活GPX4 系统、抑制铁死亡脂质代谢通路中的ROS 水平以及ACSL4、LPCAT3 的活性发挥保护心肌细胞的作用[34]。

5 讨论

综上所述，铁死亡是一种新型的可调控的细胞死亡方式，目前对其研究尚有许多未解之处。虽然现阶段对铁死亡的分子机制已有一定研究结果，但仍需进一步探讨其潜在的分子机制，而铁死亡与人体疾病的关系及其在多种疾病发生发展过程中所起的作用及具体作用机制等也需进一步明确，尤其是在心脏疾病中的缺血再灌注及心肌疾病方面，铁死亡有望成为新的治疗靶点。铁死亡在心脏疾病中发挥着重要作用，随着铁死亡与心脏疾病之间关系和作用机制研究的逐步深入，临床上可能出现与铁死亡相关的治疗新靶点及新途径。而“气- 线粒体- 铁死亡”的研究为中医药治疗扩张型心肌病提供了新的方向，中医药在改善心脏疾病和铁死亡方面具有广阔的应用前景，需要进一步深入探索和完善相关研究。