鐵死亡在急性腎損傷中的作用研究現狀

張金石 梁明珠 劉琳 何強

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是一種由多種原因引起的疾病，常見原因包括缺血、腎毒性藥物和尿路阻塞等[1]。AKI在住院患者中的發病率和病死率都很高，然而除血液凈化外，目前預防和治療AKI的方法研究進展緩慢。因此，迫切需要新的治療方案來預防AKI以及促進AKI發生后腎臟的修復。2012年，Dixon等[2]提出了一種新的細胞死亡概念，即鐵死亡，該概念隨后被證明與許多疾病的病理生理過程密切相關[3-4]。一項研究從側面證明了鐵穩態在AKI發病機制中的作用以及治療潛力[5]。本文就目前關于AKI中涉及鐵死亡的調控機制、研究進展和治療潛力作一綜述。

1 鐵死亡

2003年Dolma等[6]發現了一種對RAS基因突變的腫瘤細胞具有選擇性致死作用的新化合物erastin，但是其導致細胞死亡的方式與傳統的細胞凋亡不同，沒有細胞核形態變化、DNA片段化和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）活化，并且Caspase抑制劑不能抑制這種細胞死亡。隨后，Yang等[7]和Yagoda等[8]發現這種細胞死亡模式可以被鐵螯合劑抑制，并發現了另一種也可以引起這種細胞死亡的化合物RSL3。2012年Dixon等[2]根據其特征，將該類型細胞死亡正式命名為“ferroptosis”，即“鐵死亡”。鐵死亡的形態特征主要表現為：線粒體變小、嵴減少或消失、雙層膜密度增加以及外膜破裂；細胞膜保持完整，細胞核大小正常，沒有染色質濃縮[2，7]。其生化特點主要表現為，細胞內谷胱甘肽（glutathione，GSH）耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性降低，脂質過氧化物不能被GPX4催化的還原反應代謝，二價鐵離子通過芬頓反應氧化脂質，產生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS），引起鐵死亡[7，9]。在基因層面，鐵死亡是由多個基因調控的生物學過程，主要涉及鐵穩態和脂質過氧化代謝的遺傳變化，但具體調控機制有待進一步研究。

誘導鐵死亡的物質可分為四類：第一類為erastin，它是最早發現的鐵死亡誘導劑，可通過直接抑制細胞膜上的半胱氨酸或谷氨酸交換器，降低胞內GSH水平。同時，erastin還會影響電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs），以引起的線粒體功能障礙導致細胞鐵死亡[10]。第二類為RAS選擇性致死性小分子（RAS-selective lethal 3，RSL3）和鐵死亡誘導劑（DPI7），通過直接抑制GPX4活性導致細胞鐵死亡。第三類為新型化合物FIN56，它可以通過兩種途徑誘導鐵死亡。首先其促進GPX4降解直接誘導鐵死亡，其次FIN56還可以與角鯊烯合成酶結合，引起內源性的抗氧化劑輔酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10）耗盡，增強細胞對 FIN56 誘導的鐵死亡的靈敏性[11]。第四類為新型化合物FINO2，這是一種與青蒿素有多重相同特征的有機過氧化物，由不穩定鐵的直接氧化和GPX4的失活的綜合作用而導致細胞鐵死亡[11]。

隨著對鐵死亡機制研究的深入，許多鐵死亡的特異性抑制劑也被發現，除鐵螯合劑外，還發現了新型化合物 Ferrostatin-1（Fer-1）、liproxstatin-1（Lip-1）和維生素E等。這些物質可以通過抑制脂質過氧化物的形成來抑制鐵死亡。2014年，Skouta等[12]發現Fer-1能在亨廷頓病性癡呆、兒童腦室周圍白質軟化癥和腎功能不全3種體外模型中抑制細胞死亡。這為在疾病中應用鐵死亡小分子抑制劑提供了基礎。明確鐵死亡發生的機制及其調節能為涉及鐵死亡的相關疾病提供新的研究思路和治療手段，具有重要的意義。

2 鐵死亡與AKI

2.1 鐵死亡與橫紋肌溶解綜合征導致的AKI 橫紋肌溶解綜合征的病因十分復雜，有研究指出獲得性病因就有190余種，遺傳性相關的病因40余種，常見的原因有劇烈運動、直接創傷、代謝性肌病、化學、物理或生物制劑的毒性反應、遺傳因素等[13]。以往研究認為橫紋肌溶解誘導AKI的機制主要有:（1）骨骼肌大量受損后，肌紅蛋白（myoglobin，Mb）在腎臟中的積累阻塞遠端腎小管是導致腎臟損害的核心機制；（2）肌肉受損后體液滲出，血容量不足，腎素-血管緊張素、交感神經系統激活，血漿抗利尿激素釋放，其他炎性介質如內皮素-1、TNF-α等促進血管收縮；（3）腎微循環中一氧化氮被Mb清除導致擴血管物質不足。收縮血管物質增加和擴張血管物質減少導致腎動脈收縮引起腎臟供血不足。

目前有研究認為鐵死亡在Mb誘導AKI中起到更為重要的作用。在橫紋肌溶解時，Mb大量釋放，超出α2-球蛋白的結合能力，Mb從腎小球濾出進入近端腎小管，最終被分解為游離鐵離子和亞鐵血紅素。轉鐵蛋白受體和二價金屬離子轉運體將胞外游離鐵離子轉移至胞內，進入胞內的 Fe3+被轉化為Fe2+，一部分Fe2+被存儲在鐵蛋白內，另一部分則由膜鐵轉運蛋白轉運出細胞外，重新被Hb或Mb結合[12，14]。如腎小管內的Mb過多，在細胞內ATP不足、低血壓及低灌注的情況下，將導致腎小管細胞內的Fe2+超載。超載的Fe2+則將通過芬頓反應，誘導近端小管脂質過氧化的直接損傷導致急性腎小管壞死或腎功能衰竭[15-16]。Guerrero-Hue等[17]的研究發現鐵死亡小分子抑制劑Fer-1可以抑制Mb誘導的AKI，這一發現從側面證明了鐵死亡在這一過程中起到的關鍵作用。Skouta等[12]在體外研究中也發現，Fer-1在橫紋肌溶解誘導的鐵死亡模型中，能有效抑制羥基喹啉和硫酸亞鐵銨誘導的細胞壞死。綜上所述，可以表明鐵死亡是引起橫紋肌溶解導致AKI的重要機制之一。

2.2 鐵死亡與缺血再灌注損傷（ischemia reperfusion injury，IRI）導致的AKIIRI是指遭受一定時間缺血的組織細胞恢復血流（再灌注）后，組織損傷程度迅速增劇的情況，由此引起的臨床疾病稱為再灌注綜合征。該過程可通過觸發涉及ROS、細胞因子、趨化因子和白細胞激活的炎癥級聯反應，加劇組織損傷[18-19]。IRI也是引起AKI的重要因素之一。腎IRI的病理生理機制主要包括炎癥，氧化應激和脂質過氧化，線粒體功能障礙，腎素-血管緊張素系統活化等[20]。有研究表明，鐵死亡可能是腎IRI的主要驅動因素之一[21]。在IRI的小鼠模型中，應用鐵死亡小分子抑制劑可保護小鼠免受AKI和其他器官的損害[22]。在臨床上，腎IRI通常是心臟手術后AKI的主要原因。心臟術后AKI的發病機制復雜且多因素，這些損傷機制可能在不同時間發揮不同的作用，且可能協同作用，其中游離鐵的釋放是一個關鍵的節點[23]。

由于體外循環期間，血細胞長期暴露于機械性的體外循環管道系統以及外科手術中的各種操作，均可能導致紅細胞的破壞，導致游離Hb進入血液循環[24]。有研究表明，體外循環期間血液中的游離Hb含量會增至生理水平的數倍，直至手術后數小時[25]。Hb在誘導AKI中的作用跟Mb相似，腎小管細胞鐵超載是最終導致急性腎功能衰竭或腎小管壞死的主要原因[12]，并且有研究表明游離Hb水平是心臟手術后腎功能損傷的顯著獨立危險因素[26]。

在從完全的體外循環支持過渡到患者自身循環期間，可能發生血流動力學不穩定，而這種血流動力學不穩定的狀態將可能導致全身低灌注，特別是腎臟的缺血、缺氧[27]。在缺血期間，腎臟中的游離鐵水平會因pH值降低和與蛋白質結合鐵的解離而增加。游離鐵的增加可能會激活細胞鐵死亡，最終導致腎小管壞死[24]。在腎小管上皮細胞缺氧損傷的模型中，應用鐵死亡小分子抑制劑可以有效減輕缺氧對腎小管上皮細胞的損害，提示在缺氧的腎小管上皮細胞中，鐵死亡可能是較早出現的細胞死亡方式，而缺氧在缺血再灌注AKI的發生、發展過程中起著至關重要的作用[28]。體外循環期間其他臟器的再灌注損傷也可能會給腎臟帶來額外的鐵，并且上游壞死腎單位釋放的鐵會進一步下降至下一個腎單位，從而進一步加劇氧化應激導致組織損傷[24]。Linkermann等[29]在研究中發現，鐵死亡是腎小管細胞在缺血性AKI后連續死亡的關鍵機制，通過抑制半胱氨酸谷氨酸轉運體和應用鐵死亡激活劑erastin，以減少細胞內GSH來觸發鐵死亡可引起近端腎小管細胞級聯細胞死亡。使用鐵死亡小分子抑制劑Fer-1不僅可以在體外抑制鐵死亡，還能減輕小鼠腎臟的IRI。因此，可以推斷鐵死亡是IRI所致AKI的重要機制之一。

3 鐵死亡的治療與AKI

近期的研究表明了鐵死亡在AKI中的重要性，并且發現了很多藥物對涉及鐵死亡的AKI有潛在治療作用。

GPX4是一種抗氧化酶，它以減少GSH為代價來催化脂質過氧化物的還原，從而防止氧化損傷和鐵死亡。如果GPX4缺失，將會觸發脂質過氧化產物蓄積，最終將導致小鼠因急性腎衰竭死亡[9]。小分子物質鐵死亡抑制劑（lipoxygenases）可完全阻斷脂質過氧化作用，能夠增加缺失GPX4小鼠35%的存活率[30]。另有研究發現噻唑烷二酮類藥物（如羅格列酮）通過抑制酰基輔酶A合成酶4可以降低GPX4缺失小鼠的死亡率，從側面證明了其對于AKI的潛在益處[31]。Fer-1可以通過氧化還原反應來防止膜脂質損傷，從而抑制細胞鐵死亡[32]。Linkermann等[29]研究發現，使用鐵死亡小分子抑制劑Fer-1，不僅可以在體外阻斷erastin誘導的鐵死亡，還可以預防小鼠腎IRI。研究發現，去鐵胺可通過結合鐵金剛烷衍生物，獲得細胞毒性較少的化合物3-hydroxyadamant-1-yl，該化合物可通過抑制脂質過氧化、減少Mb的亞鐵形式，抑制鐵死亡，減輕大鼠橫紋肌溶解致AKI[33]。去鐵酮已被證實可用于反復輸血的亞鐵負荷過高的患者，但尚無應用去鐵酮預防或治療橫紋肌溶解導致AKI的相關研究[34]。黃芩素是中藥黃芩的主要有效成分之一，其通過調控B淋巴細胞瘤-2基因、細胞外信號調節激酶1/2和Bax基因激活蛋白激酶B，可減輕心肌缺血再灌注誘導的AKI[34-35]。有研究表明，黃芩素還可以通過限制細胞中的鐵積累和脂質過氧化以增強細胞的抗鐵死亡能力，有望作為鐵死亡相關組織損傷的治療藥物[36]。

4 小結

鐵死亡是近幾年發現的一種鐵依賴性的、非細胞凋亡性的細胞死亡，目前對其發生機制、特點，有了初步的了解。在AKI中，已經可以明確鐵死亡是導致細胞死亡的重要原因之一。應用鐵死亡小分子抑制劑抑制鐵死亡有望成為治療AKI的新策略。尤其是應用在主要由血紅素和非血基質鐵引起的橫紋肌溶解導致AKI或IRI所致AKI中。雖然這些針對鐵死亡小分子抑制劑的大多數研究是在小鼠AKI模型或體外實驗中完成的，但是深入探討鐵死亡在AKI過程中所扮演的角色，合理利用鐵死亡對AKI的調節作用，在未來將為AKI治療提供新的視角和新的策略。