铁死亡与骨质疏松的关系研究进展

曾令云，黄明智，彭国璇，彭洪成，刘祥辉，雷安毅，林园，邹旭

1 贵州医科大学临床医学院，贵阳 550000；2 贵州医科大学附属医院骨科

骨质疏松是一种骨骼系统的慢性疾病，其特征是骨量减少和微观结构损伤，由成骨和骨吸收之间的动态平衡被破坏引起。近年来骨质疏松的发病率增高，脊柱和四肢脆性骨折显著增加［1］。铁死亡是一种不同于细胞凋亡、坏死、焦亡以及细胞自噬程序化的细胞死亡模式，2018 年由细胞死亡命名委员会正式命名［2］。铁死亡细胞的形态学变化主要表现在线粒体上，包括膜密度增加、嵴减少、凝结或肿胀、外膜破裂。其主要特征是细胞内铁离子积累、活性氧（ROS）水平升高和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）表达下调［3］。过多的铁可能会通过芬顿反应产生过量的ROS 和增加脂氧合酶的活性，使得细胞膜中的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，从而导致细胞死亡。这一过程与GPX4和XC-系统受到抑制，导致半胱氨酸代谢障碍和脂质过氧化增强相关［4］。生物化学上，铁死亡被认为是氧化型多不饱和脂肪酸膜磷脂过度脂质过氧化的结果，会对核酸、蛋白质和脂类大分子造成损伤［5］。本文对铁死亡与骨质疏松的关系进行综述。

1 骨质疏松与铁代谢的关系

骨骼系统有一个持续的重塑周期，需要在合成代谢和分解代谢之间保持适当平衡，才能保持骨组织稳定。在这个骨重建过程中，破骨细胞会附着在旧骨上，通过释放蛋白酶和酸性产物以溶解矿物质和消化骨基质，成骨细胞则通过分泌碱性磷酸酶、骨桥蛋白和骨钙素引导细胞外基质的沉积，促进骨的形成。成骨细胞和破骨细胞间通过多种方式进行交流，以维持骨稳态。任何原因引起的破骨细胞活性增强和成骨细胞活性降低都会破坏骨重建平衡，进而导致骨质疏松的发生。铁作为人体必不可少的微量元素，在氧转运、血红蛋白合成、ATP 合成和酶反应等生理活动中起着不可或缺的作用。生理条件下，体内铁稳态由铁吸收、铁转运、铁储存来共同维持。铁离子通过Trfr 编码的转铁蛋白受体1 进入细胞，并在体内进一步还原为亚铁离子随后，亚铁离子通过二价金属转运体1 被携带并释放到细胞质中。被吸收的铁主要用于线粒体中铁硫簇和血红素的生物合成，其余铁则存在于不稳定的铁池中。铁代谢异常会增加许多疾病的风险，如贫血、心脏病、传染病和神经系统退行性疾病等［6-9］。有研究表明，铁代谢在骨平衡中起重要作用，铁过量可导致骨质疏松［10］，这是因为破骨细胞在骨吸收过程中需要更多的铁来维持线粒体的功能，而成骨细胞则在铁过量时被抑制［11］。当循环系统和组织中的铁浓度超过转铁蛋白的结合能力时，游离铁就会沉积在组织中，形成一种叫做铁超载的病理状态。2013 年，CHEN等［12］通过将受精2 d 刚孵化的斑马鱼幼体放入含有不同浓度柠檬酸铁铵的培养皿中处理，构建了斑马鱼铁超载模型，发现铁超载会导致成骨细胞特异性基因表达下降，并伴随显著的成骨抑制。铁超载会导致过量的游离亚铁离子通过芬顿反应产生过量的ROS 和增加脂氧合酶的活性，脂氧合酶能够导致细胞膜中的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，抑制细胞活性［13］。此外，铁超载还会上调磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/蛋白转录因子3a（FOX3a）信号通路的表达，过表达的FOX3a 通过与其启动子结合来抑制双特异性磷酸酶14（DUSP14）的表达，从而抑制成骨细胞的生长和矿化［14］。可见，铁代谢在骨质疏松中扮演着极其重要的角色。

2 铁死亡与骨质疏松的关系

2.1 骨质疏松中的铁死亡生化过程 铁死亡和骨质疏松的关系得到广泛的研究，特别是成骨细胞和破骨细胞铁死亡。骨质疏松中的铁死亡主要包括以下生化过程：①铁转运体异常导致细胞内铁大量聚集，过量的亚铁离子通过Fenton 反应产生大量ROS和过氧化脂质，破环成骨细胞的细胞膜结构；②半胱氨酸摄入减少和谷胱甘肽耗竭降低GPX4 的活性，导致脂质过氧化物清除障碍，破坏成骨细胞细胞膜的完整性和成骨能力；③FTH 和NCOA4 可共同作用，引起铁蛋白的自噬降解，并释放大量的铁离子，引发铁死亡。糖尿病被认为是骨质疏松的独立危险因素，调查发现骨质疏松在糖尿病患者中的发病率是非糖尿病患者的4～5 倍［15］。在体外实验中，高葡萄糖和棕榈酸显著降低了MC3T3-E1 细胞活力，而去铁胺（DFO）和Ferrostatin-1（Fer-1）则有效缓解了这一作用。进一步研究表明，高糖高脂通过激活甲基转移酶3/凋亡信号调节激酶1-p38 信号通路诱导成骨细胞铁死亡，导致骨质疏松的发生［16］。此外，晚期糖基化终末产物的积累导致了铁相关蛋白的变化，如Gpx4 和SLC7A11 水平的降低，以及核受体共激活因子4、ACSL4 蛋白、转铁蛋白受体1 和二价金属转运戴白1 水平的升高，促进了成骨细胞铁死亡［17］。线粒体铁蛋白（FtMt）是线粒体中的储铁蛋白，因为其具有亚铁氧化酶活性而被认为具有抑制ROS 产生的功能。据报道，FtMt 过表达可以逆转Erastin 诱导的铁死亡［18］。进一步研究发现，FtMt 缺乏可通过ROS 同源性磷酸酶张力蛋白诱导的激酶1/Parkin 途途径增强成骨细胞的线粒体自噬，从而在清除受损线粒体的同时产生更多的ROS，促进铁死亡发生［19］。这可能和线粒体自噬时产生的大量游离铁离子有关，其具体机制仍有待进一步研究。有研究报道了原代巨噬细胞中的氧浓度过高会使得线粒体中的铁硫簇快速降解，进而导致铁死亡［20］。这可能是由于铁硫簇的缺失引发了铁饥饿反应（转铁蛋白受体1增加，铁蛋白重链减少）。这种由细胞内缺铁引起的铁蛋白重链的降解被称为“铁蛋白自噬”，会导致细胞内铁水平的增加，并增加铁死亡的风险。氧浓度也会影响破骨细胞形成过程中骨髓源性巨噬细胞的命运，在常氧条件下，RANKL 诱导了铁饥饿，促进了铁蛋白自噬，而缺氧则抑制了这一过程。值得注意的是，下调缺氧诱导因子1（HIF-1α）表达可增加缺氧条件下线粒体铁的积累和脂质过氧化。2-甲氧基雌二醇是HIF-1α 的特异性抑制剂，通过诱导破骨细胞的铁死亡来逆转绝经后骨质疏松的作用。然而，HIF-1α 基因敲除可抑制骨吸收功能，但并不影响破骨细胞的形成［21］。铁死亡在糖皮质激素性骨质疏松中同样起着重要的作用。SUN等［22］发现，地塞米松（DEX）可诱导MC3T3-E1 细胞和MLOY4 细胞中p53 的表达增加，而p53 作为SLC7A11 的上游调控基因，可有效抑制SLC7A11/GPX4 的表达，使细胞引入细胞外半胱氨酸进行谷胱甘肽生物合成、ROS 解毒和抗氧化活性的能力降低，导致铁死亡。此外，有研究报道糖皮质激素导致斑马鱼不同骨组织的骨质疏松［23］。MIAO 等［24］证实铁死亡参与了DEX 诱导的毒性，但抑制铁死亡只能部分减少DEX 诱导的T 细胞消融，而不能减轻骨质疏松。在大剂量DEX 治疗后，GPX4 和Xc-下调，导致ROS 产生增加，促进小鼠成骨细胞铁死亡，并通过激活RANKL/RANK通路促进破骨细胞的分化。

2.2 铁死亡在骨质疏松治疗中的作用 目前，治疗骨质疏松的主要临床药物是抑制破骨细胞介导的骨吸收，如降钙素、雌激素、双膦酸盐等，但都有不同程度的不良反应。随着铁死亡在骨质疏松中的作用被发现，通过调节铁死亡来预防和治疗骨质疏松已经引起广泛关注。Fer-1 能够有效缓解erastin 诱导的成骨细胞系MC3T3-E1 铁死亡，但也会产生掺杂效应，在其浓度大于20 μmol/L 时会诱导细胞凋亡［25］。在适当浓度内Fer-1 以剂量依赖性的方式挽救骨细胞活力，而当浓度超过10 μmol/L 时则表现出明显的负性作用［26］，但目前关于其疗效尚未在人体试验得到证实。铁螯合剂是目前较常用的抑制铁死亡的药物，包括DFO、去铁酮和地拉罗司。其主要机制是通过促进铁排泄，减少游离铁发挥作用。由于过量的铁选择性地抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化而不是软骨细胞和脂肪细胞［27］，所以DFO 的降铁功能可有效促进骨形成。在QU 等［28］的研究证实，去铁胺通过糖原合成酶激酶3β/β-连环蛋白信号通路促进骨髓间充质干细胞的成骨。此外，铁螯合剂还通过下调铁超载导致的NOX4 增多来降低ROS［29］。上调Nrf2的表达和促进Nrf2的核转位来激活Nrf2 介导的抗氧化途径也是其抑制铁死亡的途径之一［30］。虽然去铁胺对骨质疏松有较好的治疗效果，但是其在高剂量下的不良反应包括听觉神经毒性、生长迟缓、眼部毒性等仍不可忽视［31］。褪黑激素是一种内源性抗氧化剂，由松果体中的血清素合成，在许多病理生理（抗炎、抗氧化、抗肿瘤、骨形成）过程中起重要作用［32］。褪黑素通过激活Nrf2/HO-1 通路，增加GPX4的活性，降低ROS的水平，从而显著降低高血糖诱导MC3T3细胞铁死亡［33］。与以往研究不同的是，该研究表明高浓度和低浓度的褪黑素都能促进骨形成，且该作用并非剂量依赖。褪黑素还可通过激PI3K/AKT/mTOR 信号通路来抑制骨髓间充质干细胞的铁死亡，从而抑制类固醇诱导的骨质疏松的发生［34］。这使得褪黑素在铁死亡相关的骨质疏松中的疗效得到证实，或许可以在临床上推广使用。青蒿素可有效抑制破骨细胞的形成［35］。这可能是由于破骨细胞中铁含量高，使青蒿素更易激活，从而导致破骨细胞中铁死亡，因此其并不影响成骨细胞的分化和成骨能力［36］。青娥丸可调节骨代谢，延缓骨衰老，提高骨质量，从而改善骨质疏松［37］。在最新的研究中发现，青娥丸通过下调ATM翻译和激活AKT/PI3K 通路抑制erastin 诱导的铁死亡，从而保护骨形成［38］。可见中药治疗骨质疏松有巨大潜力。

目前研究虽然证明了铁死亡在骨质疏松发生发展及治疗中扮演重要角色，但其机制尚未完全清楚，仍需进一步探究。基于基因层面的研究如铁死亡相关基因的寻找及其作用机制的探索能够深入理解铁死亡在骨质疏松中的作用。此外，调节铁死亡的药物在骨质疏松中的应用及其药理作用机制有待进一步研究，尤其是中药的应用有很大潜力。