铁死亡在创伤性中枢神经系统损伤治疗中的研究进展

杨怡然，王纯，邓桑杨，江晨，吴海鹰，钱传云

650000 云南省昆明市，昆明医科大学第一附属医院急诊医学科

创伤性中枢神经系统损伤是指中枢神经系统遭受机械暴力所致的损伤，在病理上可分为机械暴力直接作用于损伤局部的原发性损伤和损伤局部微环境改变引起一系列级联反应而导致幸存神经组织再次受损的继发性损伤，包括创伤性脑损伤和脊髓损伤［1］。创伤性中枢神经系统损伤具有极高的致残率和死亡率，巨额的医疗费用和后遗症进一步加重了患者和家属的经济负担及心理负担［2-3］。目前创伤性中枢神经系统损伤的治疗方式主要包括手术减压（开颅减压、椎板减压）、物理疗法（高渗疗法、低温疗法、高压给氧）和糖皮质激素、谷氨酸拮抗剂、自由基清除剂和黄体酮等药物治疗以及后期康复治疗，但这些治疗方式均不能取得理想的疗效［3-4］。因此，开发新的治疗中枢神经系统损伤及其后遗症的替代疗法是目前亟待解决的问题。

铁死亡是新近发现的细胞程序性死亡方式之一，区别于其他细胞死亡方式，受细胞内铁离子影响。在细胞核完整的情况下，线粒体特征性改变，导致高尔基体、内质网和溶酶体过氧化，并最终诱导细胞死亡［5］。2017 年有学者证实中枢神经系统急性损伤后可诱导神经元发生铁死亡［6］。针对相关靶点也有药物干预，但目前临床转化有限。本文通过总结既往抗中枢神经系统损伤神经元铁死亡药物研究成果，为临床治疗创伤性中枢神经系统损伤提供新思路。

1 本文文献检索策略

检索PubMed、Web of Science、中国知网（CNKI）数据库，检索时间为建库至2023 年4 月，中文检索词包括“铁死亡”“创伤性中枢神经系统疾病”“创伤性脑损伤”“脊髓损伤”“治疗”，英文检索词包括“ferroptosis”“traumatic central nervous system disease”“traumatic brain injury”“spinal cord injury”“treatment”。文献纳入标准：（1）铁死亡与创伤性中枢神经系统损伤的临床研究及病例分析；（2）基础研究及会议报告。文献排除标准：（1）与研究问题无关、重复发表、无法找到全文信息的文献；（2）质量差的文献；（3）年代过于久远的文献。

2 铁死亡

2.1 铁死亡的定义

DIXON 等［5］研究表明Erastin 的抗癌活性依赖于一种新型细胞死亡诱导，其可以特异地被铁螯合剂和亲脂性抗氧化剂完全阻止，但不受凋亡抑制剂影响，因此将这种在形态、生化和遗传上不同于凋亡、坏死和自噬而独特的铁依赖性的非凋亡性细胞死亡，命名为“铁死亡”。STOCKWELL 等［6］认为铁死亡是调节性细胞死亡形式，其特征在于细胞内亚铁离子和脂质过氧化物的累积达到细胞致死水平。机体铁死亡与许多生物过程紧密相关，包括铁、氨基酸和多不饱和脂肪酸代谢，以及谷胱甘肽、还原型辅酶Ⅱ（NADPH）和辅酶Q10（CoQ10）的生物合成。根据2018 年细胞死亡命名委员会（NCCD）［7］的建议，铁死亡是由细胞内微环境的特定变化，特别是严重的脂质过氧化引发的程序性细胞死亡方式之一，依赖于活性氧自由基的产生和铁的活性，受谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）调控。

2.2 铁死亡的特征

铁死亡在形态学、生化和基因表达上均与其他程序性细胞死亡不同。形态学上，发生铁死亡的细胞通常表现为线粒体特征性改变（线粒体水肿、膜密度增大、内嵴减少或缺失以及质膜破裂）［5］。生化特征主要包括细胞内铁超载和脂质过氧化，铁可通过芬顿反应直接产生过量的活性氧（ROS）（超氧化物、过氧化氢、脂质过氧化物或相应的羟基和过氧自由基）［8］，使得多不饱和脂肪酸（PUFA）等脂质过氧化，细胞氧化系统和抗氧化系统失衡，最终导致细胞铁死亡。基因异常表达被认为是铁死亡的特定生物标志物和驱动因素，如脂肪酸代谢相关酶长链脂酰辅酶A 合成酶4（ACSL4）［8］、抗氧化防御系统相关酶GPX4［9］、转录因子核因子E2相关因子（Nrf2）［10］和质膜修复相关分子内涵体分选复合物Ⅲ（ESCRT Ⅲ）［11］等过表达。

3 铁死亡与创伤性中枢神经系统损伤

3.1 铁死亡与创伤性脑损伤

创伤性脑损伤是我国乃至全球的重大公共卫生健康问题之一，也是中青年死亡和致残的最主要原因。据统计，全球每年约5000 万人患创伤性脑损伤，患者健康受到重创的同时还增加了家庭和社会的负担［12］，此外，创伤性脑损伤也是各种神经退行性疾病的潜在危险因素［13-15］。创伤性脑损伤病理损伤包括原发性损伤和继发性损伤，原发性损伤不可逆转，减轻继发性损伤是创伤性脑损伤当今最重要的治疗策略，而减少神经元死亡是治疗创伤性脑损伤继发性损伤的关键［16-17］，调控神经元铁死亡来干预创伤性脑损伤的继发性损伤逐步成为神经科学界关注的焦点［18］。

去铁胺（deferoxamine，DFO）通过清除损伤细胞内铁离子和抑制损伤脑区铁蛋白重链（FTH）和铁蛋白轻链（FTL）高表达减少铁沉积发挥神经保护作用，可缓解大鼠创伤性脑损伤后脑组织局部缺损和相关认知障碍［19］。Fer-1 作为人工合成的抗氧化剂，可抑制质膜损伤从而抑制细胞铁死亡，XIE 等［20］在创伤性脑损伤小鼠侧脑室注射Fer-1，发现小鼠脑损伤后细胞内铁沉积减少、退化神经元数量减少、损伤体积减小，长期预后得到改善。Lip-1 又称为“活性氧捕捉剂”，可激活GPX4 抑制铁死亡，在RUI 等［21］的一项研究中，Lip-1下调了创伤后铁死亡相关蛋白与基因的表达和转录，并阻止创伤性脑损伤诱导的皮质神经元谷胱甘肽（GSH）水平下调、脂质过氧化产物累积和铁沉积，减少神经元死亡，改善运动表现。褪黑素是松果体分泌的一种激素，可以减少创伤性脑损伤神经元铁沉积和死亡数量，改善神经功能。同时，研究发现褪黑素对FTH 敲除小鼠致高敏感性铁死亡的神经保护微弱，这表明褪黑素的神经保护作用是通过抑制FTH 介导的神经元铁死亡［21］。XIAO 等［22］通过RNA 测序发现褪黑素通过相关信号通路降低脂质过氧化显著降低内质网应激和铁死亡。miR-212-5p 在创伤性脑损伤小鼠损伤脑组织胞外囊泡中低表达，有学者证实miR-212-5p 靶向调控PTGS2 减轻创伤性脑损伤后神经元铁死亡，发挥神经保护作用［22］。黄芩素是脂氧合酶的抑制剂，可以阻止GPX4 特异性抑制剂RSL3 和机械牵拉所致的海马细胞死亡，同时减轻创伤性脑损伤小鼠体内磷脂酰乙醇胺的氧化，减少铁死亡蛋白表达和神经细胞死亡，改善创伤性脑损伤预后［23］。前动力蛋白2（Prok2）是黑色曼巴毒液和青蛙皮肤的组成部分，也是原激素家族的一员，已被证明可以上调Fbox10 的表达，并促进ACSL4 的泛素化和降解。侧脑室内注射Prok2 过表达腺病毒（AAV-Prok2）可增加GPX4 的表达，降低ACSL4 水平和病变体积，进而提高脑损伤后的运动能力和学习能力。这种Prok2 驱动的级联反应减轻了铁死亡，并保护线粒体和神经元免受损伤［24］。白藜芦醇苷是一种天然植物提取物，可以抑制创伤性脑损伤后一系列细胞铁死亡反应（铁死亡相关基因表达、铁沉积以及脂质过氧化），且该药物比Fer-1具有更高的改善GPX4 活性的能力［25］。鲁索替尼是一种口服JAK1 和JAK2 酪氨酸激酶抑制剂，临床上用作骨髓纤维化治疗药物，相较Fer-1 能显著逆转GPX4 在创伤性脑损伤神经中的低表达，此外，其还可以减少创伤后的神经退行性病变、脑水肿、运动功能障碍、记忆缺陷和焦虑行为［26］。以上研究均证明干预神经元铁死亡治疗创伤性脑损伤的有效性，具体机制见表1。

表1 抗创伤性中枢神经系统损伤铁死亡药物汇总Table 1 Summary of anti-traumatic central nervous system injury ferroptosis drugs

3.2 铁死亡与脊髓损伤

脊髓损伤是临床常见中枢神经系统损伤性疾病之一，同时因其高残疾率和高死亡率成为目前具有挑战性的医疗问题之一［27］。全球有超过2700 万人患有脊髓损伤，每年约有100 万新发病例，其中跌倒和车祸是主要病因［28］，发病趋势是30 岁以下的年轻人［2］。脊髓损伤后不可逆的运动和感觉障碍影响身心健康［29］，许多研究也表明脊髓损伤患者比正常人更容易遭受抑郁或焦虑［30-32］。此外，每个脊髓损伤患者的经济负担通常较高［33］。因此，脊髓损伤会给患者的身体、心理和经济上带来严重的负担。然而，目前已知脊髓损伤的病理机制复杂且不明确，临床诊断主要依靠体格检查、影像学及相关生化指标［34］。最重要的是，脊髓损伤的治疗是有限的，目前主要集中在手术缓解压迫，减少继发性病理，以及使用激素药物来减少炎症和肿胀［35］。因此，识别和研究脊髓损伤的发病机制是提高临床疗效的重要途径。

DFO 是一种铁螯合剂，可增加GPX4、xCT 和GSH的表达，抑制胶质细胞增生，最终恢复长期运动功能［36］。此外，DFO 还可以减少脊髓损伤后的运动皮质神经元铁超载和神经元铁死亡，并有助于运动功能的恢复［37］。SRS 16-86 是一种在血浆和肝脏中具有高稳定性的新型铁死亡抑制剂，在脊髓损伤模型中可提高GPX4、GSH和xCT，减少脂质氧化、胶质细胞增生和神经元损伤［37］。原花青素是一种葡萄种子中常见的强效自由基清除剂，可以降低铁和硫代巴比妥酸反应物质的水平，降低花生四烯酸-15-脂加氧酶（ALOX15）和酰基辅酶A 合成酶长链家族成员4（ACSL4）的表达，同时提高血红素加氧酶1（HO-1）、Nrf2、GSH 和GPX4 的浓度，改善损伤小鼠运动能力［38］。此外，Fer-1 抑制胶质细胞的活化从而降低损伤后局部铁聚集，降低铁死亡相关基因表达和线粒体特征性改变，有利于恢复脊髓损伤后神经功能［39］。研究发现，金属离子锌增加铁死亡保护性通路Nrf2/HO-1 的表达，降低损伤后细胞铁死亡中间代谢产物［GSH、超氧化物歧化酶（SOD）、GPX4、ROS和丙二醛（MDA）］水平，同时逆转损伤的线粒体和炎症［39］。脂氧素A4 是一种抗炎递质，可通过调节Akt/NRF2/HO-1 信号通路，诱导脊髓损伤后的神经保护和功能改善［40］，在原代脊髓神经元中，通过相同的信号通路，脂氧素A4 也可以抑制Erastin 诱导的铁死亡［41］。有实验用依达拉奉治疗大鼠脊髓损伤，发现损伤组织内铁死亡抑制蛋白GPX4 和xCT 表达增多，而促进铁死亡的ACSL4 和ROS 明显降低，说明其可能改善大鼠脊髓损伤急性期铁死亡［42］。上述铁死亡抑制剂发挥神经保护作用的具体机制见表1。

4 小结与展望

创伤性中枢神经系统损伤给患者带来了严重的精神打击，且目前治疗效果不理想。由游离铁超载、脂质过氧化和铁死亡相关蛋白过表达所致的铁死亡在中枢神经系统创伤后的继发性损伤中起着重要作用。铁死亡在继发的神经炎性反应、免疫反应、神经胶质细胞的激活及其他程序性细胞死亡中发挥关键作用。针对铁死亡发生机制研发的化合物主要分为铁离子螯合剂、脂质过氧化抑制剂、抗氧化剂、自由基清除剂等，其可能影响铁代谢、脂质氧化和氧化还原反应，从而用于抑制铁死亡。铁死亡在神经系统中普遍存在，从神经发生到变性，从急性损伤到慢性预后。然而，目前关于铁死亡抑制剂治疗创伤性中枢神经系统损伤的临床研究较少，唯一的临床研究主要集中在生物标志物的识别上，相关药物临床转化有限。不过在基础实验中，抑制铁死亡在创伤性中枢神经系统损伤方面显示出了显著的保护作用，未来中枢神经系统损伤治疗的新策略可以聚焦减少铁死亡，诱导级联反应，从而最终达到神经元的重联和功能的重建。对神经损伤中铁死亡的进一步研究将为今后的临床治疗提供新的途径。

作者贡献：杨怡然提出研究命题，负责论文设计、起草、论文撰写；王纯、邓桑杨负责全文校对；江晨、吴海鹰负责表格编辑整理；钱传云对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。