鐵死亡與卒中相關性研究進展

李俞辰，劉耀，劉斌冰，田楊，史懷璋

全世界范圍內，僅2010年對比于1990年，缺血性卒中和出血性卒中的發病率分別增高了37%和47%，其死亡和殘疾患者的數量也顯著增加，尤其在低、中等收入國家和地區[1]。其中，出血性卒中雖然僅占卒中總體的15%，患者卻有著更高的死亡率[2]。缺血性卒中是常見的卒中類型，占卒中總體的85%，盡管類似于溶栓技術的緊急治療已開展多年，但實際僅有11%的患者可從中獲益[3-4]。而近些年興起的取栓技術也并未對急性腦梗死患者的治療帶來明顯的改善。為此，探尋卒中更全面的致病機制及有效的診療方法是全人類的迫切需要，特別是出血性卒中，其研究進展已遠落后于缺血性卒中。

Scott J.Dixion等[5]于2012年首次提出鐵死亡是一種氧化性、鐵離子依賴性的細胞死亡形式，與經典的凋亡、焦亡、自噬、壞死性凋亡等有著顯著的差異。目前對于鐵死亡在神經系統疾病中的研究已涉及多種疾病，包括有阿爾茨海默病、亨廷頓病及卒中等。研究已發現氧化應激、鐵穩態失衡、谷氨酸異常均參與到神經系統疾病的鐵死亡機制中[6]。雖然鐵死亡與卒中相關的研究尚少，但鐵死亡已經成為卒中發生發展過程中重要機制之一是毋庸置疑的。本文以鐵死亡的主要機制為基礎，回顧總結其在卒中相關研究中的已知成果。

1 鐵死亡

鐵死亡是一種獨特的程序性細胞死亡方式，特點為細胞內過量的鐵離子、脂質過氧化物及相關代謝產物的蓄積，并可出現質膜多元不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的過氧化反應[7]。在形態學上，鐵死亡發生時細胞內的線粒體的體積明顯縮小，雙層膜結構的密度增加，內膜形成的嵴結構較少或消失；在生化改變上，谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性下降，谷胱甘肽（glutathione，GSH）過量消耗，細胞內的脂質被二價鐵離子以類似芬頓（Fenton）反應的方式氧化，產生大量活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）；在遺傳學上，鐵死亡涉及多種基因的表達異常，尤其是鐵調節相關的基因，包括有RPL8、IREB2、ATP5G3、CS、TTC35、ACSF2等[8]。細胞實驗中證實鐵死亡的誘導劑主要是RAS選擇性殺傷因子家族（RAS Selective Lethal，RSL），其中以erastin和RSL3為代表；而抑制劑相對較多，有經典的Ferrostatin-1及鐵螯合劑甲磺酸去鐵胺（deferoxamine，DFO）、抗氧化劑Trolox、絲裂原細胞外信號調節激酶（mitogen extracellular signal-regulated kinase，MEK）抑制劑U0126等[8]。

早期的研究就已證實鐵死亡發生時存在細胞內鐵穩態的失衡，鐵離子參與的機制可能是二價鐵離子釋放電子，進而產生過量的ROS，并且鐵離子依賴的脂質氧合酶可以催化PUFA產生氧化反應，鐵螯合劑則可抑制這些氧化損傷[5，9]。在erastin誘導鐵死亡的研究中發現一類命名為Xc-系統的胱氨酸/谷氨酸反向轉運體成了新的作用靶點，Xc-系統是異二聚體細胞表面的氨基酸反向轉運體，負責胞內谷氨酸和細胞外胱氨酸的互換，GSH是大腦中主要的神經遞質和內源性抗氧化劑，體外實驗證實erastin可抑制Xc-系統，導致細胞內GSH消耗和過氧化物累積[6，9]。GPX4作為一種抗氧化酶，可將脂質過氧化物轉變為脂質醇類，是RSL3誘導鐵死亡的作用靶點之一，當GPX4活性被抑制時，細胞內的ROS蓄積，進而導致細胞死亡[9]。此外有研究表明線粒體谷氨酰胺轉氨酶2、?；o酶A合成酶長鏈家族成員4（acyl-CoA synthetase long chain family member 4，ACSL4）及核轉錄因子2等也參與到鐵死亡的機制中[7]。當鐵死亡發生時，調節鐵穩態的蛋白同樣出現異常表達，如鐵蛋白表達下降，轉鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TfR1）表達升高，二價金屬轉運體1（divalent metal transporter 1，DMT1）表達下降，鐵調節蛋白1和2（iron regulatory protein 1/2）則分別降低和升高等[10-11]。反過來這些蛋白的異常表達也可提示鐵死亡的發生，或成為調節鐵死亡的作用靶點，如雷帕霉素被證實可通過抑制TfR1的升高來減輕細胞鐵死亡[10]。

2 鐵死亡與出血性卒中

出血性卒中對神經系統的損傷包括血液沖破血管的首次損傷，及血液中血紅蛋白及其代謝產物等所造成的二次損傷，研究已證實血紅蛋白無論在體內還是體外實驗中均可以導致細胞死亡，涉及的細胞死亡形式涵蓋凋亡和鐵死亡等多種機制[12-13]。目前大多的體外實驗都是用氯化血紅素或者血紅蛋白作用于不同種系的細胞來模擬鐵死亡的發生，例如在小鼠的海馬神經元HT22細胞中，就觀察到了鐵死亡的形態學改變，及GPX4活性下降等氧化損傷的出現[2，14]。在人和動物顱內出血（intracerebral hemorrhage，ICH）的腦組織標本中均發現血腫周圍的神經元存在壞死、凋亡、自噬、壞死性凋亡及鐵死亡等多種死亡方式[15]。Marietta Zille等[2]經體內和體外實驗發現ICH后皮質神經元的死亡具有鐵死亡和壞死性凋亡的特點，使用兩者的抑制劑可明顯較少細胞的死亡，而抑制凋亡和自噬后卻沒有這樣的作用。Qian Li等[13]證實ICH后血腫周圍的神經元出現鐵死亡的形態學改變，且Ferrostain-1可以減少ICH損傷后細胞內的ROS過量產生和細胞死亡，當聯合使用多種細胞死亡方式的抑制劑后效果更加明顯，并提出環氧化酶-2可能是鐵死亡的生物學標志物。鐵螯合劑DFO、抗氧化劑Trolox、MEK抑制劑U0126等也被證實可以抑制由氯化血紅素作用導致的細胞死亡[6]。在大鼠蛛網膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）模型的研究中，DMT1和GPX4在早期即分別表達明顯增高和降低，皮質神經元出現鐵死亡的代謝改變，而側腦室注射依布硒林（ebselen）后可顯著抑制上述改變，對SAH后的早期腦損傷起到保護作用[16]。雖然近年來對出血性卒中后鐵死亡的研究取得了一些進展，但關于鐵死亡的生物學標志物及相關通路的探索還有待進一步加深。

3 鐵死亡與缺血性卒中

目前雖然有很多學者致力于缺血性卒中的相關研究，但缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷的預防和治療進展仍然十分有限[17-18]。臨床研究發現有缺血性腦血管疾病的患者，其腦組織中鐵沉積顯著增加。并認為鐵沉積可能是缺血區中小出血灶的影像學標志[19]。利用核磁共振影像學分析發現，單側缺血性卒中的患者與正常人相比，身體同側丘腦的T2WI信號降低，這可能預示在梗死區外圍存在異常的鐵沉積[20]。對于人群樣本的流行病學調查還表明缺血性卒中與缺鐵性貧血之間關聯密切[21]。進一步研究顯示可能是缺鐵性貧血通過影響頸動脈血栓斑塊導致TIA[22]。也有學者將機體缺鐵歸為是缺血性卒中發生的危險因素之一[23]。更有研究直接證實缺血性卒中患者血清中的鐵離子明顯升高，鐵調素在腦缺血后的鐵超載中起重要作用[24]。以上研究均表明缺血性卒中的發生伴有鐵離子的異常，除此之外，氧化應激參與I/R損傷，抑制氧化應激則可有效減輕I/R后的神經元損傷的研究證據也得到了廣泛的認可[25-26]，可見鐵死亡的機制已參與到缺血性卒中的機制研究中。值得關注的是近期，Q-Z Tuo等[4]用大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MACO）模型發現腦組織缺血半暗帶有明顯的鐵沉積，神經元出現鐵死亡，而沉默Tau蛋白可改善這一損傷，表明Tau蛋白可能參與調節I/R誘導的鐵死亡機制。鐵死亡與缺血性卒中直接相關的研究較少，所以鐵死亡參與腦組織缺血性損傷的具體機制及干預方法也是研究者下一個要探尋的方向。

4 總結與展望

卒中后神經元死亡機制多種多樣，本文主要介紹了鐵死亡及其在卒中病理機制中的研究進展，作為近年來新發現的一種非典型細胞死亡方式，鐵死亡已被證實參與包括卒中在內的多種疾病的發生發展中，且抑制鐵死亡可一定程度上減輕病變所造成的損傷，甚至改善愈后。但目前為止已有的研究成果十分有限，特別是與卒中直接相關研究。而且鐵死亡的發生機制、生物學標志物和預防方法也有待研究者去突破。鐵死亡的發現也讓研究者更加深入地認識到細胞死亡的復雜性，在未來的探索中，研究者在試圖干預鐵死亡所造成損傷的同時，更要尋找各類死亡方式調控機制的共同部分，進而有效且全面的調控細胞死亡。

【點睛】本文總結了鐵死亡在卒中病理機制中的研究進展及調節鐵死亡對卒中愈后的影響。