鐵死亡在神經系統疾病中的研究進展

李燕新， 郝延磊， 楊 燕綜述， 呂占云審校

鐵死亡(Ferroptosis)是一種鐵離子依賴的、以脂質過氧化產物和致死活性氧的積累為特點的非典型的細胞死亡方式，近幾年的機制研究發現，鐵死亡參與某些神經系統疾病的發生發展，本文將系統的介紹鐵死亡在神經系統疾病中的最新研究進展，為臨床、疾病發病機制研究提供更多思路。

細胞死亡對哺乳動物的生長發育、疾病的發生等各方面至關重要。細胞死亡命名委員會認為細胞死亡有兩種方式[1]：(1)細胞意外死亡：常由物理、化學、生物等因素導致，不可逆；(2)調節性細胞死亡：受基因和藥物調節，包括程序性細胞死亡，其中半胱天冬酶(caspase)依賴的細胞死亡是最先發現的程序性細胞死亡方式。2012年學者們提出了一種新的細胞死亡方式：鐵死亡，其是一種鐵離子依賴的、以脂質過氧化產物和致死活性氧的積累為特點的非典型的細胞死亡方式[2]。人們對細胞死亡的認知不斷刷新，最開始，人們認為心、腦、肝、腎、腸等臟器的缺血性損傷機制是細胞凋亡，后來發現是細胞壞死，但最近發現鐵死亡和細胞壞死均參與缺血性損傷[3]，同時抑制鐵死亡和細胞壞死可使細胞獲得最大收益。近期發現，抑癌基因p53可同時影響細胞凋亡和鐵死亡[4]，p53在細胞凋亡中的研究已二十余載，但在鐵死亡中的研究剛剛開始。

鐵死亡在小鼠腦缺血再灌注損傷模型[5]、帕金森病[6,7]、亨廷頓病[8]、阿爾茨海默病[9,10]、腦出血等動物模型中均有研究[11～14]，部分動物模型中應用鐵死亡的抑制劑ferrostatins(無相應中文詞匯)和liproxstatins(無相應中文詞匯)具有細胞保護作用。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)敲除小鼠的海馬可見神經元丟失、星形膠質細胞激活，病理特征同阿爾茨海默病類似；鐵離子參與帕金森病發病機制、對帕金森患者應用鐵離子螯合劑去鐵胺被證明可改善癥狀[15,16]，上述實驗均證明鐵死亡參與疾病的發生。近幾年關于鐵死亡的研究突飛猛進，但檢索關于鐵死亡與神經系統疾病的中文綜述寥寥無幾[17]，本文將系統的介紹鐵死亡在神經系統疾病中的最新研究進展，為臨床、疾病的發病機制研究提供更多思路。

1 鐵死亡概述

2012年Dixon等[2]在研究一種小分子愛拉斯汀(erastin)時發現，其抑制胱氨酸向細胞內轉入，從而導致GPX4失活，導致了一種新的死亡形式即鐵死亡，其是一種鐵離子依賴的、與氧化損傷相關的細胞死亡。鐵死亡具有非常特異的能量、形態上的特征：還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)水平降低、三磷酸腺苷(ATP)無改變；膜的完整性損傷、細胞核正常、線粒體萎縮[1,18,19]。這些結構改變不同于以往的任何一種死亡形式。

雖然既往研究發現，氨基酸、脂質、鐵代謝失調均導致細胞死亡，但是鐵死亡將三者聯系在一起，其中最重要的調控分子有3個[20]：長鏈酯酰輔酶A合成酶4(long-chain fatty acyl-CoA synthetase 4,ACSL4)、胱氨酸-谷氨酸反向轉運蛋白系統(the cystine/glutamate antiporter system Xc,XCˉ系統)和GPX4。

鐵死亡過程(見圖1)：鐵死亡的最上游事件是胱氨酸和谷氨酸的交換。胱氨酸/胱硫醚主要存在于細胞外，在細胞外氧化狀態下，胱氨酸/胱硫醚通過濃度驅動的、非Na+依賴的胱氨酸-谷氨酸反向轉運蛋白系統(XC-系統)以1∶1的比率與谷氨酸進行交換;XC-系統是由溶質載體家族3成員2(SLC3A2/4F2hc)和溶質載體家族7成員11(SLC7A11/xCT)兩個亞基以二硫鍵結合形成的異二聚體。實驗發現p53可以抑制xCT，核轉錄因子Nrf2/keap1信號通路可激活xCT。在細胞外還原狀態下，胱氨酸通過丙氨酸、絲氨酸、半胱氨酸偏好系統(alanine,serine,cysteine-preferring system,ASC系統)直接轉入細胞內。當胱氨酸不足時，一些細胞通過蛋氨酸(即甲硫氨酸)的轉硫作用通路合成半胱氨酸，因此繞過XC-系統，所以此類細胞可抵抗XC-系統抑制劑所導致的鐵死亡。進入細胞內的胱氨酸被谷胱甘肽或者硫氧還蛋白還原酶(TXNRD1)還原為半胱氨酸，半胱氨酸與谷氨酸、甘氨酸通過兩種ATP依賴的酶即γ-谷氨酸半胱氨酸合成酶(γ-glutamate-cysteine synthetase,γ-GCS)、谷胱甘肽合成酶(glutathione Synthetase,GSS)，催化合成谷胱甘肽(GSH)。GPX4應用2分子的谷胱甘肽作為電子供體，可將有毒性的脂質過氧化物(L-OOH)還原為無毒性的脂肪醇(L-OH)，而谷胱甘肽變為氧化型谷胱甘肽(GSSG)；GSSG可被NADPH還原為谷胱甘肽。磷脂氫過氧化物(PL-OOH)是鐵死亡的標志，其主要依賴于花生四烯酸/腎上腺酸(arachidonic acid，AA/adrenic acid,AdA)酯化為磷脂(PL)的量，因此AA/AdA攝取(脂肪酸轉移酶、脂肪酸轉運蛋白、AA/AdA自由擴散)、激活(通過酰基輔酶A合成酶長鏈家族會員4即ACSL4)、酯化(通過溶血卵磷脂酰基轉移酶3即LPCAT3)為磷脂影響細胞膜脂質過氧化的敏感性。細胞內動態鐵池釋放的Fe2+通過Fenton反應將膜氧化成PL-OOH是另一個主要來源。動態鐵池受鐵代謝的調節：由轉鐵蛋白、轉鐵蛋白受體轉入的鐵進入細胞后主要儲存在鐵蛋白中，并可通過鐵自噬釋放入動態鐵池內。雙/三氧化磷脂酰乙醇胺[PE-AA/AdA-OO(O)]已成為鐵死亡的早期標志物。如果未被GPX4還原，其將聚集、脂質過氧化導致膜完整性破壞、鐵死亡。

2 鐵死亡在神經系統疾病中的研究

2.1 腦膠質瘤 流行病學研究發現，鐵增加腫瘤的發病風險，失血造成的鐵缺乏能降低腫瘤形成的風險，鐵離子螯合劑去鐵胺等可抑制腫瘤生長。惡性膠質瘤是成人和兒童中最致命的原發腫瘤之一，確診后中位生存期約14個月。目前治療主要是手術治療輔以放療、化療。替莫唑胺(Temozolomide,TMZ)是治療膠質瘤的常用化療藥物，可使患者長存期延長幾個月，但是最好情況下5 y生存率僅有9.8%。因此尋找新的藥物是目前一個研究熱點。2015年Ivanov SD等[21]發現，膠質瘤模型大鼠飲用高鐵離子水(Fe2+，60～63 mg/L)可促進膠質瘤生長，應用去鐵胺可抑制腫瘤生長，其可能的機制是細胞凋亡和鐵死亡，但研究者未進一步深入研究。目前鐵死亡在膠質瘤中的研究均是圍繞xCT開展的。腦腫瘤的惡性程度與xCT/SLC7A11具有相關性[22]，雖然抑制xCT對腦腫瘤無毒性作用，但可干擾膠質瘤的微環境。而且鐵死亡誘導劑可增強腫瘤藥物的效果，研究表明，TMZ和愛拉斯汀聯合應用可增加治療效果，而和索拉非尼(sorafenib)聯合后治療效果無差別；高表達xCT后對TMZ和愛拉斯汀的聯合治療更敏感[23]。

部分轉錄因子參與了膠質瘤的惡變、增殖、腫瘤血管生成等。Nrf2是一種轉錄因子，在正常各區腦組織表達水平均較低，但在原發性腦腫瘤中，Nrf2的表達水平與腫瘤惡性程度呈正相關，Nrf2表達水平越高，預后越差、生存期越短。Fan Z等[24]發現，在膠質母細胞瘤(WHO分級Ⅳ級)中，Nrf2過表達、Keap1敲除可加速細胞增殖和轉移，可能是通過上調其下游的xCT、促進谷氨酸分泌、改變腫瘤微環境、抑制鐵死亡實現的。激活轉錄因子4(ATF4)對細胞代謝、氧化應激、細胞存活非常重要，當細胞處于饑餓、內質網應激、毒性環境中時ATF4表達增高，且激活的ATF4導致xCT表達增高[25,26]，促進膠質瘤(WHO分級Ⅲ、Ⅳ級膠質瘤)的惡變、增殖、腫瘤血管生成、膠質細胞氨基酸分泌，且上述作用可被應用到xCT抑制劑、鐵死亡誘導劑索拉非尼和愛拉斯汀、GPx4抑制劑RSL3等方面。因此通過增加對鐵死亡的敏感性抑制ATF4是抑制腫瘤細胞生長、腫瘤血管生成的有效靶點(見圖2)。

圖中縮略詞：XC-系統：胱氨酸-谷氨酸反向轉運蛋白系統；CBS：胱硫醚β合成酶；CTH：胱硫醚γ裂解酶；ASC：丙氨酸，絲氨酸，半胱氨酸偏好系統；γ-GCS：γ-谷氨酸半胱氨酸合成酶；GSS：谷胱甘肽合成酶；GSH：谷胱甘肽；TXNRD1：硫氧還蛋白還原酶；GSSG：氧化形式的谷胱甘肽；GPX4：谷胱甘肽過氧化物酶4；DADPH：還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸；RSL3：(1S，3S)-ras合成致死3；AA：花生四烯酸，C20:4；AdA：腎上腺酸，C22:4；FAT：脂肪酸移位酶；FATP：脂肪酸轉運蛋白；CoA：輔酶A；PE：磷脂酰乙醇胺；ACSL4：酰基輔酶A合成酶長鏈家族會員4；LPCAT3：溶血卵磷脂酰基轉移酶3； PE-AA/AdA-OO(O)：雙/三氧化磷脂酰乙醇胺；PE-AA/AdA-OH：磷脂酰乙醇； PL：磷脂；Nrf2：核轉錄因子；DFO：去鐵胺

圖1 鐵死亡發生過程

圖中縮略詞：TMZ：替莫唑胺；ATF4：激活轉錄因子4；Nrf2：核轉錄因子；GSH：谷胱甘肽

圖2 轉錄因子通過鐵死亡途徑抑制細胞死亡

2.2 腦卒中 急性腦梗死是最常見的卒中類型，臨床上最有效的治療方法是溶栓、取栓，但僅有11%的患者能夠接受溶栓/取栓治療，且其中一半患者臨床療效差。因此目前研究主要集中在減輕缺血再灌注損傷上，研究較多的主要有炎癥、興奮性毒性、氧化應激、凋亡，針對這些途徑的藥物在動物模型上已證實有腦保護作用，但是尚未應用到臨床。2017年Tuo QZ 等[5]研究發現，鐵死亡參與缺血再灌注損傷，tau基因敲除的3月齡小鼠未見腦內鐵離子沉積，并可抵抗缺血再灌注損傷，但12月齡的小鼠腦內鐵離子沉積增多，并喪失對缺血再灌注損傷的保護作用，應用鐵死亡抑制劑liproxstatin-1和ferrostatin-1后，tau基因敲除小鼠再次能夠抵抗缺血再灌注損傷，表明tau介導的鐵離子轉出可抑制鐵死亡在急性腦梗死中的作用。

腦出血是死亡率、致殘率較高的卒中類型，目前治療方法有限。腦出血后除了血腫造成的物理壓迫外，血紅蛋白/鐵誘導的氧化應激損傷具有神經毒性，可加重神經元死亡。近期發現鐵死亡參與腦出血中血紅蛋白誘導的氧化應激損傷。Li Q等[11]發現，運用投射電子顯微鏡可觀察到腦出血小鼠腦內3～6 d存在鐵死亡、壞死、凋亡、自噬；在腦出血小鼠模型中，應用鐵死亡抑制劑ferrostatin-1可降低脂質活性氧的產生、降低前列腺素內過氧化物2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2,PDGS2)基因及其編碼產物環氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)的水平，具有腦保護作用。在腦出血后的神經元中，COX-2以與鐵濃化有關的方式增加，故COX-2可作為鐵死亡的生物學標志物。但Zille M等[12]研究發現，僅鐵死亡和壞死參與了血紅素導致的細胞毒性作用，而細胞凋亡、自噬、線粒體自噬未參與其中。上述結果表明鐵死亡可能作為一種潛在的治療靶點。Chang CF等[13]發現，腦出血小鼠模型口服(-)-表兒茶素具有神經保護作用，其作用機制是通過Nrf2依賴的途徑和非Nrf2依賴的途徑，其中包括通過調控鐵死亡相關基因，其結果發現，6 h后鐵反應元件結合蛋白2(iron response element binding protein 2,Ireb2) mRNA水平下降20%，6 h、24 h、72 h ATP合成酶F0復合體亞單位C3(ATP synthase F0 complex subunit C3,ATP5G3)mRNA表達水平相應升高25%，但是檸檬酸合成酶(citrate synthase,Cs)mRNA和ATP核糖體蛋白L8(ATP ribosomal protein L8,Rpl8)mRNA無改變。

2.3 阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是最常見的癡呆類型，臨床表現為記憶力逐漸下降、高級認知功能逐漸喪失，病理學表現為腦內存在淀粉樣蛋白沉積形成的斑塊(amyloid plaques)和過度磷酸化tau蛋白所形成的神經纖維纏結(neurofibrillary tangles,NFT’s)。在鐵死亡概念提出之前，人們已經發現谷氨酸系統受損、鐵代謝障礙、多不飽和脂肪酸水平下降、脂質過氧化水平升高參與AD發病。

目前鐵死亡在AD中的研究尚較少。運用磁共振波普分析發現[27]，海馬和前額葉皮質還原型谷胱甘肽水平與認知功能下降水平具有相關性；但2017年Chiang GC等[28]報道，顳葉、頂葉內谷胱甘肽水平下降與淀粉樣沉積呈正相關，但經載脂蛋白E 4攜帶狀態調整后，谷胱甘肽水平與認知分數無相關性。在大腦皮質和海馬敲除GPX4的小鼠模型中[9]，應用他莫昔芬(即三苯氧胺)后，小鼠學習、記憶能力下降，海馬CA1區出現神經元丟失、脂質過氧化、細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)激活、膠質細胞激活、炎性因子釋放等，而caspase-3表達水平無改變；維生素E缺乏可加重,鐵死亡抑制劑liproxstatin-1可緩解上述結果，表明大腦皮質和海馬易受鐵死亡影響。在輕、中度AD患者中，應用維生素E2000 IU/d、平均隨訪2.27 y發現，與安慰劑組相比，患者認知功能下降緩慢；單獨應用美金剛、美金剛聯合應用維生素E組無臨床獲益。在P301S tau轉基因小鼠模型中[10]，α硫辛酸可降低鐵沉積、脂質過氧化、炎癥反應、tau磷酸化，從而改善小鼠的學習、認知能力。上述證據均表明鐵死亡參與AD的發病過程。

2.4 帕金森病 帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是發病率第2位的神經退行性疾病，主要表現為以靜止性震顫、肌強直、運動遲緩、姿勢步態異常為主的運動癥狀和以嗅覺減退、認知及精神癥狀、睡眠障礙、自主神經功能障礙、疼痛、疲勞等的非運動癥狀。氨基酸、脂肪酸代謝在帕金森病中均有大量研究[29]，鐵離子在帕金森病中的研究已有數十年的歷史，鐵離子螯合劑在帕金森病中有保護作用[14～16]，但鐵死亡在PD中的研究目前不多。近期發現，非氧化形式的多巴胺是鐵死亡的強抑制劑[30]。xCT敲除的小鼠未見谷胱甘肽下降、氧化應激增加，并可抵抗6-OHDA對中腦黑質多巴胺能神經元的損傷[6]。Bruce Do Van等[7]發現，蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)α以非RAS依賴的途徑激活ERK激活蛋白激酶(ERK-activating kinase,MEK)，導致鐵死亡。上述實驗均證明鐵死亡參與PD的發病過程。

2.5 亨廷頓病 亨廷頓病(Huntington’s disease,HD)是Huntington基因CAG三核苷酸重復所致的常染色體顯性遺傳的神經退行性疾病，臨床主要表現為舞蹈樣不自主動作、精神障礙和進行性癡呆等，目前無特異治療方法。谷氨酸、谷胱甘肽、鐵離子代謝、脂質氧化產物等均參與疾病的發生；在亨廷頓細胞模型中[8]，鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1可通過抑制脂質過氧化抑制細胞死亡，但不影響線粒體ROS產生及溶酶體膜的通透性。目前尚無相關動物實驗報道。

2.6 腦組織鐵沉積性神經變性疾病 腦組織鐵沉積性神經變性疾病是指一系列由基因突變所致的、以錐體外系癥狀為主的、腦組織特定部位出現異常鐵沉積的、罕見的神經系統遺傳性疾病，其臨床表現具有異質性，但大部分都具有類似的影像學特征即鐵離子異常沉積，目前有10個亞型已明確了其致病基因，但只有銅藍蛋白基因和鐵蛋白L鏈基因可直接導致鐵離子代謝障礙，其余基因主要與脂肪代謝、溶酶體活性等障礙有關[31]。因此類疾病涉及鐵離子沉積、脂肪代謝障礙等，發病機制不明，是否有鐵死亡參與疾病的發病目前尚無研究，期待學者們填補此項空白。

3 總 結

綜上，鐵死亡是2012年發現的一種鐵離子依賴的與脂質過氧化有關的新的細胞死亡形式，與氨基酸、脂質、鐵代謝均有關系，但目前未發現鐵離子代謝相關基因參與。鐵死亡在神經系統疾病中的研究不多，主要集中在神經退行性疾病、膠質瘤、腦卒中領域，在其他疾病中的研究仍無報道。因鐵死亡的研究剛剛起步，所以對其研究仍不夠深入，目前仍有許多未解問題，如，為什么會存在鐵死亡？是否存在鐵離子代謝基因參與鐵死亡？其是細胞適應性指標抑或僅僅指示細胞生化學死亡？細胞內存在哪些調控鐵死亡的信號通路？鐵死亡是否參與神經系統其他疾病的發病？等等問題需要解答。總之，鐵死亡為一種新的細胞死亡形式，可能為明確部分疾病發病機制、尋找治療靶點提供新的思路。