鐵死亡與炎癥性疾病的研究現(xiàn)狀

李貝，田首元，郭志佳，姚豆，張晉毓

(1.山西醫(yī)科大學麻醉學院，太原 030001；2.山西醫(yī)科大學第一醫(yī)院麻醉科，太原 030001)

先天免疫系統(tǒng)可感知微生物、宿主衍生物和外源性危險信號，并對細胞存活或死亡做出反應(yīng)。炎癥反應(yīng)通過產(chǎn)生趨化因子、細胞因子和生長因子，招募中性粒細胞、單核細胞和巨噬細胞等防御細胞清除刺激，促進宿主細胞的存活[1]。細胞死亡期間從細胞質(zhì)釋放到細胞外的不同分子影響了細胞的內(nèi)環(huán)境，同時這些分子作為危險信號進一步招募防御細胞[2]。因此，細胞死亡不僅是炎癥的后果，也是一個動態(tài)過程，與炎癥性疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。Dixon等[3]發(fā)現(xiàn)，RAS選擇性小分子藥Erastin可觸發(fā)一種獨特的鐵依賴性新型細胞死亡形式，即鐵死亡。鐵死亡是一種不同于壞死、凋亡以及其他具有細胞死亡典型特征的致死途徑，目前尚無明確的分子定義。鐵死亡在形態(tài)學超微結(jié)構(gòu)下表現(xiàn)為線粒體變小、線粒體嵴消失、膜密度增加、外膜斷裂和細胞體積縮小[3]。此外，鐵死亡還表現(xiàn)為鐵依賴性脂質(zhì)過氧化、活性氧類積累和谷胱甘肽耗竭[4]。鐵死亡是近年的研究熱點，但目前有關(guān)其與炎癥性疾病的研究較少。現(xiàn)就鐵死亡與炎癥性疾病的研究進展予以綜述。

1 鐵死亡概述

鐵是人體生命活動必需的微量元素，是一種具有氧化還原活性的金屬。循環(huán)中的鐵主要以三價鐵離子的形式結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白，然后通過膜轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1進入細胞，經(jīng)鐵還原酶還原為二價鐵離子(Fe2+)后，通過二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1釋放到細胞質(zhì)不穩(wěn)定的鐵池中，從而使過量的鐵儲存在鐵蛋白中，鐵的輸出則是由膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白介導[5]。鐵積累是鐵死亡發(fā)生的必要條件，研究表明，鐵穩(wěn)態(tài)在鐵死亡過程中會受到干擾，鐵調(diào)節(jié)蛋白活性受損，轉(zhuǎn)鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體和線粒體鐵蛋白的異常升高以及鐵離子的吸收、分布、代謝、排泄等過程均與鐵死亡有關(guān)[6]。鐵積累尤其是Fe2+過多會通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生自由基，進而參與非酶促脂質(zhì)過氧化，增加鐵死亡的風險[7]。因此，鐵離子代謝異常是誘導細胞鐵死亡的潛在靶點，但鐵離子調(diào)節(jié)鐵死亡的具體機制目前尚不明確。

胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運體(又稱xCT系統(tǒng))是位于細胞膜上的胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運體，由輕鏈亞基SLC7A11和重鏈亞基SLC3A2組成，細胞內(nèi)谷氨酸經(jīng)xCT系統(tǒng)以1∶1的比例交換細胞外胱氨酸[8]。xCT系統(tǒng)主導的細胞外半胱氨酸轉(zhuǎn)運對于維持細胞內(nèi)半胱氨酸和谷胱甘肽水平至關(guān)重要。谷氨酸誘導的神經(jīng)毒性是鐵依賴的氧化過程，表明谷氨酸與鐵死亡有關(guān)[9]。谷胱甘肽是自由基清除劑，也是谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)的重要底物。GPX4是還原過氧化物的關(guān)鍵酶，可將脂質(zhì)氫過氧化物還原為脂質(zhì)醇或?qū)⒂坞x過氧化氫轉(zhuǎn)化為水，對抗脂質(zhì)過氧化，谷胱甘肽依賴的脂質(zhì)過氧化修復系統(tǒng)可以保護細胞膜和細胞器膜免受過氧化損傷[4，10]。Li等[11]證實，GPX4激活劑可以降低細胞內(nèi)活性氧類水平，抑制鐵死亡，因此GPX4激活劑可作為抗炎或細胞保護劑在脂質(zhì)過氧化導致的疾病中發(fā)揮作用。胞外胱氨酸缺乏、谷氨酸過度積累、xCT系統(tǒng)功能失調(diào)、胞內(nèi)谷胱甘肽耗竭和GPX4失活均可導致鐵死亡的發(fā)生[12]。

研究表明，含有多不飽和脂肪酸的磷脂最易受過氧化影響并導致細胞鐵死亡[9]，多不飽和脂肪酸的定位和含量通過影響細胞內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化的程度，決定鐵死亡的嚴重程度[13]。兩種關(guān)鍵的脂肪酸底物——花生四烯酸和腎上腺酸可被酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)激活，然后通過溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3依賴機制酯化為陰離子膜磷脂[14]。可見，ACSL4和溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3參與了膜磷脂的生物合成和重塑，同時也影響了多不飽和脂肪酸跨膜，以有利于脂質(zhì)過氧化的誘導方式改變膜脂成分。因此，通過減少ACSL4和溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3表達可以減少細胞內(nèi)脂肪酸過氧化代謝產(chǎn)物的堆積，從而抑制鐵死亡。脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)是一類含鐵酶，可催化游離多不飽和脂肪酸產(chǎn)生脂肪酸過氧化物，參與酶性脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。多不飽和脂肪酸的碳碳雙鍵在化學上易受自由基、LOX和氧的攻擊，使多不飽和脂肪酸成為脂質(zhì)中導致鐵死亡的靶點[15]。分子細胞膜中的磷脂本質(zhì)上維持了宿主細胞的完整性和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，在膜磷脂的疏水尾部引入親水性過氧化基團可改變脂類的物理化學性質(zhì)，破壞膜結(jié)構(gòu)，使膜的屏障功能受損，進而導致細胞功能障礙[16]。

2 鐵死亡與炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)是機體重要的生理過程，炎癥的本質(zhì)是機體對各種損傷性刺激的防御反應(yīng)，局部臨床表現(xiàn)為紅、腫、熱、痛和功能障礙，適度的炎癥反應(yīng)對機體有利，過度的炎癥反應(yīng)會對機體造成損害。鐵死亡過程中多伴有炎癥反應(yīng)，在草酸誘導的急性腎損傷小鼠模型的腎臟中發(fā)現(xiàn)了與鐵死亡相關(guān)的炎癥反應(yīng)[17]，表明鐵死亡與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。鐵死亡組織中存在脂質(zhì)過氧化和花生四烯酸代謝產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)，花生四烯酸是一種存在于細胞膜中的多不飽和脂肪酸，也是合成促炎介質(zhì)的重要前體，當細胞膜受到各種刺激時，細胞膜磷脂池中的花生四烯酸大量釋放，并代謝為具有生物活性的產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物能夠促進炎癥的級聯(lián)反應(yīng)，因此多不飽和脂肪酸及其代謝酶已成為炎癥過程中的基本調(diào)節(jié)因子[18]。花生四烯酸經(jīng)磷脂酶A2和磷脂酶C催化釋放后，至少參與3種代謝途徑，即環(huán)加氧酶(cyclooxygenase，COX)途徑、LOX途徑和細胞色素p450途徑，其中LOX和COX途徑是花生四烯酸進一步代謝為炎癥介質(zhì)的主要途徑[19]。LOX除了參與氧化脂化過程并作為鐵死亡的重要信號外，還可將花生四烯酸代謝為白三烯和脂氧素等促炎介質(zhì)，其中白三烯B4不僅可激活白細胞產(chǎn)生趨化作用，還可通過釋放內(nèi)含髓過氧化酶的溶酶體酶產(chǎn)生過氧化物陰離子[20]。在COX途徑中，花生四烯酸被COX催化為具有多種生物活性的前列腺素，而前列腺素在調(diào)節(jié)免疫細胞分化以及促進細胞因子表達過程中均具有重要作用。研究表明，鐵死亡與前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2，PTGS2)的表達及釋放增加有關(guān)，鐵死亡可直接增加PTGS2的表達，加速花生四烯酸的代謝，促進炎癥信號分子的分泌[21]。可見，鐵死亡與花生四烯酸代謝及炎癥反應(yīng)的關(guān)系錯綜復雜，但具體機制仍需深入探索。

3 鐵死亡與炎癥性疾病

炎癥性疾病的病理機制復雜，多種細胞死亡方式參與其中。隨著近年對鐵死亡機制研究的深入，鐵死亡已被證明在無菌性炎癥[如缺血再灌注損傷(ischemia reperfusion injury，IRI)、腦卒中、非酒精性脂肪性肝炎]和微生物感染的發(fā)病機制中發(fā)揮作用[17，22-24]。目前，鐵死亡在炎癥性疾病中的研究主要是通過調(diào)節(jié)鐵死亡相關(guān)調(diào)控因子，影響細胞對鐵死亡的敏感性，進而調(diào)節(jié)細胞鐵死亡水平。

3.1鐵死亡與IRI IRI是一種無菌性炎癥，其特征為在缺血缺氧的初始階段，器官或組織的血流量明顯減少，細胞代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)化為無氧糖酵解，在恢復氧供的第二階段發(fā)生再氧化并伴隨氧化應(yīng)激[14]。Linkermann等[17]研究表明，腎小管在Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白或胱天蛋白酶8基因消融后不會發(fā)生組織壞死，且經(jīng)典的受體相互作用蛋白酶1抑制劑壞死抑制素1對缺氧損傷的腎小管無保護作用，而顯微鏡下IRI和草酸鹽晶體誘導的急性腎損傷模型證明鐵死亡直接導致急性腎小管損傷。阻斷谷氨酰胺分解、降低細胞外谷氨酸水平，可以降低鐵死亡敏感性，減輕IRI誘導的心臟損傷[8]。而鐵抑制素-1(ferrostatin-1，F(xiàn)er-1)和鐵螯合劑均可改善急性和慢性缺血再灌注誘發(fā)的小鼠心力衰竭[25]。Li等[16]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1可減少心肌細胞死亡，同時阻止心臟移植后中性粒細胞的招募，在心臟IRI模型中，應(yīng)用 Fer-1治療有助于減小鐵死亡所致的梗死面積，改善左心室收縮功能并減少左心室重構(gòu)。鐵死亡不僅發(fā)生在再灌注期，還可發(fā)生在缺血期。ACSL4是細胞膜中多不飽和脂肪酸延長的關(guān)鍵酶，在缺血條件下ACSL4表達增加，缺血期間ACSL4的激活可促進再灌注引起的鐵死亡，且Fer-1可減輕腸缺血導致的損傷[26]。因此推測，鐵死亡與IRI的病理過程有關(guān)。

3.2鐵死亡與腦卒中 缺血性腦卒中是一種急性腦血管疾病，由于動脈阻塞導致不能供應(yīng)足夠的血液給大腦，同時氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的消耗會激活過度氧化應(yīng)激、線粒體損傷，最終導致細胞死亡[27]。而鐵的平衡對于大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，一方面，許多蛋白質(zhì)需要鐵作為活性輔助因子；另一方面，大腦極易受到鐵依賴性氧化應(yīng)激損傷[28]。在缺血的腦組織中可以觀察到鐵水平顯著升高[22]。大腦中動脈閉塞可抑制小鼠大腦半球Tau蛋白(Tau是一種主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中的蛋白質(zhì))，同時增加小鼠大腦的鐵沉積，缺血性腦卒中后Tau基因敲除小鼠體內(nèi)鐵沉積減少，IRI降低；而Liproxstatin-1(一種鐵死亡抑制劑)和Fer-1可改善實驗性腦卒中后小鼠大腦的梗死面積[29]。另外，谷胱甘肽功能紊亂和脂質(zhì)過氧化也參與了腦卒中的發(fā)生。在缺血性腦卒中小鼠模型中，抗氧化劑谷胱甘肽水平顯著降低，而脂質(zhì)過氧化增強[30]。一種新型的12/15-LOX抑制劑——LOX抑制劑1可保護神經(jīng)元細胞免受氧化應(yīng)激，并保護小鼠免受IRI的影響[31]。缺血性腦卒中涉及鐵死亡的相關(guān)特征，出血性腦卒中也與鐵死亡密切相關(guān)。研究表明，腦出血機制主要包括氧化應(yīng)激(尤其是活性氧類生成)、炎癥和神經(jīng)細胞死亡[32]。Zille等[33]發(fā)現(xiàn)，在小鼠腦出血模型中，腦組織顯示出鐵死亡的形態(tài)學特征，應(yīng)用化學性鐵死亡抑制劑(Fer-1、去鐵胺等)治療后，腦出血誘導的細胞毒性減輕。Li等[34]在膠原酶誘導的腦出血小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1可防止神經(jīng)元死亡，減少血紅蛋白引起的鐵沉積，具有顯著的腦部保護作用，同時可改善神經(jīng)功能；此外，F(xiàn)er-1還可降低脂質(zhì)活性氧類的產(chǎn)生以及PTGS2和COX-2的表達水平。以上證據(jù)均表明，出血性腦卒中與鐵死亡密切相關(guān)。

3.3鐵死亡與非酒精性脂肪性肝炎 非酒精性脂肪性肝炎是非酒精性脂肪性肝病中較嚴重的一種，是從單純的脂肪變性發(fā)展到炎癥和纖維化的疾病狀態(tài)，其特征為小葉炎癥、肝細胞脂質(zhì)積聚和氣球樣變性[35]。在Qi等[23]的非酒精性脂肪性肝炎進展小鼠模型中，使用GPX4抑制劑RSL-3(鐵死亡誘導劑)治療后，促炎細胞因子(包括腫瘤壞死因子、白細胞介素-1β和白細胞介素-6)和非酒精性脂肪性肝炎相關(guān)生物標志物水平均顯著升高，組織病理學(血清生化、肝脂肪變性、小葉炎癥等)指標也高表達；給予甲磺酸去鐵胺鹽可消除RSL-3對甲硫氨酸和膽堿缺乏小鼠的有害影響，使用亞硒酸鈉(GPX4激活劑)或Liproxstatin-1(GPX4激活劑)治療可抑制小鼠肝臟脂質(zhì)過氧化，同時降低非酒精性脂肪性肝炎的嚴重程度。在Tsurusaki等[36]建立的非酒精性脂肪性肝炎小鼠模型中，羅格列酮(ACSL4抑制劑)和去鐵酮(鐵螯合劑)的作用得到了驗證，羅格列酮和去鐵酮聯(lián)合治療后小鼠肝臟損傷的血清標志物水平顯著降低，炎癥細胞浸潤被顯著抑制。可見，鐵死亡抑制劑可以完全保護肝細胞免于死亡，并抑制免疫細胞浸潤和炎癥反應(yīng)，表明鐵死亡是非酒精性脂肪性肝炎發(fā)病的觸發(fā)因素。

3.4鐵死亡與感染 炎癥是機體消除有害刺激的防御策略之一，包括微生物(病毒和細菌)感染、組織損傷和其他傷害。主要的先天免疫細胞包括巨噬細胞和樹突狀細胞，這些免疫細胞具有模式識別受體分子，可以識別微生物的保守結(jié)構(gòu)病原體相關(guān)分子模式和損傷相關(guān)分子模式。感染發(fā)生后，各種病原體相關(guān)分子模式、損傷相關(guān)分子模式與模式識別受體分子相互作用，引發(fā)一系列細胞事件，包括細胞因子、趨化因子以及活性氧類的產(chǎn)生，進而導致炎癥反應(yīng)[37]。細胞膜中的磷脂是維持宿主細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和抵御微生物刺激的第一道防線，但一些具有產(chǎn)生LOX能力的微生物可以通過攻擊細胞膜上的磷脂對機體造成損傷[24]。Dar等[24]發(fā)現(xiàn)，細菌分泌的LOX可誘導肺上皮細胞磷脂氧化，導致宿主細胞出現(xiàn)鐵死亡，如銅綠假單胞菌通過產(chǎn)生LOX誘導支氣管上皮細胞鐵死亡，但缺乏LOX的突變細菌則不能在支氣管上皮細胞中誘導鐵死亡。這一發(fā)現(xiàn)為銅綠假單胞菌感染相關(guān)性呼吸系統(tǒng)疾病(如囊性纖維化和持續(xù)下呼吸道感染)的治療提供了新思路。急性結(jié)核分枝桿菌感染期間，在損傷組織壞死的巨噬細胞中谷胱甘肽和GPX4水平均降低，同時自由鐵、線粒體超氧化物和脂質(zhì)過氧化水平均升高，且結(jié)核分枝桿菌感染的巨噬細胞培養(yǎng)物中的細胞死亡可以被Fer-1抑制[38]。Islam等[39]研究證實，DIBI(一種新型鐵螯合劑)可以顯著減少小鼠膿毒癥模型腸道微循環(huán)中的白細胞募集和降低血漿炎癥介質(zhì)水平。Kang等[40]證明，GPX4的消耗導致膿毒癥致死率增加。上述研究表明，鐵死亡可能參與某些類型微生物感染性疾病的發(fā)展。

4 小 結(jié)

鐵死亡參與多種感染和非感染性疾病的發(fā)生、發(fā)展。鐵代謝紊亂、GPX4和谷胱甘肽消耗以及脂質(zhì)過氧化物積累是鐵死亡和炎癥性疾病的共同特征。作為一種調(diào)節(jié)性細胞死亡方式，鐵死亡對炎癥有積極作用，一些鐵死亡抑制劑在某些疾病中具有抗炎作用。但目前鐵死亡的研究仍處于初級階段，仍有很多問題需要解決，如鐵死亡激活炎癥反應(yīng)的具體通路尚不明確；作為對損傷的防御反應(yīng)，炎癥并不總是有害的，鐵死亡抑制劑用于抗炎是否真正有益也有待實驗進一步證明；另外，目前的數(shù)據(jù)大多來自動物實驗，新研發(fā)的化合物應(yīng)用于臨床是否有效尚不清楚。雖然鐵死亡與炎癥性疾病密切相關(guān)，但確切機制仍不明確。未來，深入研究鐵死亡與炎癥性疾病的關(guān)系可以更加全面地認識炎癥性疾病的發(fā)生、發(fā)展，同時為其治療提供新思路。