鐵死亡與腦出血后腦損傷▲

彭馳偉 陳薇 陳玲 羅北嬌

桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院藥學(xué)部，廣西桂林市 541001

【提要】 腦出血是神經(jīng)科常見疾病，患者腦出血后繼發(fā)腦損傷是當(dāng)今臨床治療的難點(diǎn)。引起腦出血后患者腦損傷的主要原因是神經(jīng)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激反應(yīng)，而神經(jīng)細(xì)胞鐵死亡(Ferroptosis，簡稱鐵死亡)與二者有著千絲萬縷的關(guān)系。鐵死亡是一種鐵依賴性的非凋亡細(xì)胞死亡方式，其特征為細(xì)胞內(nèi)鐵誘導(dǎo)的脂質(zhì)活性氧積累引起氧化應(yīng)激造成細(xì)胞死亡。本文就鐵死亡與腦出血后腦損傷的關(guān)系以及藥物治療的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，旨為患者腦出血后繼發(fā)腦損傷的預(yù)防和治療提供參考。

腦出血是常見的神經(jīng)科疾病，占腦血管疾病的35%，全球每年約有200萬新發(fā)腦出血患者，其發(fā)病率還在逐年增加[1]。腦出血患者預(yù)后極差，病死率、致殘率極高，存活患者大多存在嚴(yán)重的神經(jīng)和認(rèn)知功能障礙[2]。目前，外科手術(shù)是治療腦出血患者的主要手段，同時(shí)通過給予患者控制血壓、脫水、止血、營養(yǎng)神經(jīng)等對癥治療，可以在一定程度上減輕其原發(fā)性損傷，但不能阻止或逆轉(zhuǎn)患者腦出血后繼發(fā)性損傷。新的研究發(fā)現(xiàn)，引起腦出血后患者繼發(fā)損傷的原因主要是炎癥反應(yīng)介導(dǎo)的神經(jīng)損傷和自由基引起的細(xì)胞凋亡，而這二者都與鐵死亡密切相關(guān)。鐵死亡是一種由鐵依賴性脂質(zhì)活性氧積累引起的細(xì)胞程序性死亡，其特征主要是細(xì)胞體積縮小和線粒體膜密度增加,沒有典型的細(xì)胞凋亡和壞死表現(xiàn)[3-4]。既往對鐵死亡的研究大多集中于腫瘤領(lǐng)域，即通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡達(dá)到清除腫瘤細(xì)胞的目的，但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在阿爾茲海默病、帕金森綜合征、亨廷頓舞蹈征等神經(jīng)內(nèi)科疾病機(jī)體中也有鐵死亡現(xiàn)象[5-6]。本文就鐵死亡與腦出血后腦損傷關(guān)系的研究進(jìn)展綜述如下。

1 腦出血后腦損傷與鐵死亡

腦出血發(fā)生后，血管破裂，血液流出，血紅蛋白從紅細(xì)胞釋放出來后，被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬，代謝成Fe2+/Fe3+，過量的亞鐵從小膠質(zhì)細(xì)胞中被轉(zhuǎn)運(yùn)出去，通過轉(zhuǎn)鐵蛋白受體系統(tǒng)在神經(jīng)元中積累，并通過芬頓反應(yīng)與過氧化氫反應(yīng)生成劇毒羥基自由基(·OH)。這些羥基自由基攻擊DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)膜，破壞細(xì)胞功能，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[7]。鐵死亡過程中鐵在出血部位聚集，又會激活小膠質(zhì)細(xì)胞，加重出血部位的炎癥；同時(shí)鐵還會參與氧化還原反應(yīng)，進(jìn)一步增加羥基自由基濃度，造成氧化損傷[8]。產(chǎn)生積累的脂質(zhì)活性氧又會通過一氧化氮、炎性因子等相關(guān)通路破壞血腦屏障，加重出血部位腦水腫[9]。這一系列連鎖反應(yīng)，使腦出血患者的治療更加棘手。

腦出血后血液積聚并壓迫周圍腦組織，造成組織損傷、炎癥和神經(jīng)元死亡，釋放的血紅蛋白代謝形成過多的鐵造成鐵過載，引起鐵死亡。而鐵死亡過程帶來的氧化應(yīng)激、炎癥、鐵過載又會加重腦損傷。因此，腦出血后的腦損傷與鐵死亡的關(guān)系，是一種相互影響、相互促進(jìn)的關(guān)系[10]。見圖1。

圖1 Fe3+與谷氨酸在鐵死亡過程的作用

2 腦出血后的腦損傷引起鐵死亡

2.1 腦出血后神經(jīng)系統(tǒng)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)通路抑制引發(fā)鐵死亡 腦出血后，機(jī)體腦內(nèi)谷氨酸濃度升高，而高濃度的谷氨酸具有一定的神經(jīng)毒性[11]。由輕鏈亞基(SLC7A11)和重鏈亞基(SLC3A2)通過二硫鍵連接構(gòu)成的異二聚體系統(tǒng)Xc-是體內(nèi)半胱氨酸-谷氨酸的交換轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。胞內(nèi)谷氨酸可在系統(tǒng)Xc-作用下轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外，同時(shí)胞外的胱氨酸也在其作用下轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)，然后胱氨酸在胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，并進(jìn)行谷胱甘肽(GSH)合成(見圖2)。而GSH是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化劑,對清除自由基、維持細(xì)胞內(nèi)外氧化還原平衡起重要的作用[3]。腦出血后，機(jī)體神經(jīng)細(xì)胞外谷氨酸表達(dá)水平明顯升高，系統(tǒng)Xc-對谷氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)平衡被破壞，胞內(nèi)谷氨酸攝取減少，GSH合成受抑制，細(xì)胞抗氧化防御受到影響，造成脂質(zhì)活性氧積累而引發(fā)鐵死亡[12]。

圖2 谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)與鐵死亡過程

2.2 腦出血后脂質(zhì)活性氧積累引發(fā)鐵死亡 腦出血后產(chǎn)生的游離鐵，通過參與炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和芬頓反應(yīng)，促進(jìn)脂質(zhì)活性氧生成，使體內(nèi)脂質(zhì)活性氧積累。其中，谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX 4)是一種作用于膜脂修復(fù)的抗氧化酶，可在GSH的輔助下將毒性脂質(zhì)活性氧(L-OOH)轉(zhuǎn)化為無毒的脂醇(L-OH)，避免了細(xì)胞氧化性損傷。而腦出血過程產(chǎn)生的大量脂質(zhì)活性氧破壞了這一氧化平衡，使脂質(zhì)活性氧大量積累，導(dǎo)致過氧化[13]。鐵死亡的特征恰恰在于毒性脂質(zhì)活性氧的鐵誘導(dǎo)性積累(見圖1、圖2)；此外，脂質(zhì)活性氧還可直接與脂膜上的多聚不飽和脂肪酸(PUFAs)發(fā)生氧化反應(yīng)，直接導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[14]。腦出血發(fā)生后產(chǎn)生的游離鐵，通過炎癥反應(yīng)引起氧化應(yīng)激和芬頓反應(yīng)，促進(jìn)脂質(zhì)活性氧生成，使體內(nèi)脂質(zhì)活性氧積累過載而導(dǎo)致鐵死亡發(fā)生[15]。

2.3 腦出血后鐵代謝紊亂引起鐵死亡 血液中的鐵大多是以Fe3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的形式存在。血液中的Fe3+可與細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞，形成穩(wěn)定的核內(nèi)體。而在細(xì)胞內(nèi)，F(xiàn)e3+可在鐵還原酶STEAP3作用下被還原為Fe2+，然后Fe2+被二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1(DMT1，也稱為SLC11A2)從核內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)到不穩(wěn)定的胞質(zhì)溶膠中儲存。其中過量的Fe2+儲存在鐵蛋白中，或被細(xì)胞膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白氧化為Fe3+再轉(zhuǎn)移至細(xì)胞外[16]。腦出血發(fā)生，血紅蛋白從血液中釋放出來，被小膠質(zhì)細(xì)胞和周圍的巨噬細(xì)胞吞噬，代謝成Fe2+/Fe3+，隨后過量的Fe2+從小膠質(zhì)細(xì)胞中被轉(zhuǎn)運(yùn)出去，通過轉(zhuǎn)鐵蛋白受體系統(tǒng)在神經(jīng)元中積累。因此，腦出血后機(jī)體Fe2+含量增加、細(xì)胞內(nèi)外鐵代謝平衡紊亂，產(chǎn)生過量的游離鐵而導(dǎo)致鐵死亡發(fā)生。

3 鐵死亡加重腦出血后腦損傷

3.1 鐵死亡加重腦水腫 腦出血發(fā)生后，紅細(xì)胞破裂，產(chǎn)生大量血紅蛋白，血紅蛋白分解產(chǎn)生含鐵血紅素和珠蛋白，其中的含鐵血紅素通過與血紅素加氧酶-1( heme oxygenase-1, HO-1)反應(yīng)，進(jìn)一步裂解生成游離鐵，進(jìn)而使出血部位Fe2+積累[17]。Fe2+參與芬頓反應(yīng)，其中生成的水會直接加重出血部位水腫；而生成的羥基自由基會攻擊腦細(xì)胞膜磷脂中的多聚不飽和脂肪酸，發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，導(dǎo)致機(jī)體Ca2+-Mg2+-ATP酶等失活，進(jìn)而造成離子運(yùn)轉(zhuǎn)障礙，導(dǎo)致血-腦脊液屏障結(jié)構(gòu)受損，血管通透性增加而加重出血部位水腫[18]。再者，鐵死亡過程中產(chǎn)生的活性氧會抑制細(xì)胞膜上Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶以及Na+-Ca2+離子轉(zhuǎn)運(yùn)體活性，進(jìn)而引起細(xì)胞內(nèi)鈣超載，興奮性氨基酸增多、酸中毒等毒性反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞毒性腦水腫[9]。腦出血患者的腦水腫體積與血清鐵蛋白含量呈正相關(guān)，因此鐵死亡過程中的血清鐵蛋白含量被認(rèn)為是影響腦出血后水腫體積的一個(gè)重要因素[19]。

3.2 鐵死亡加重神經(jīng)炎癥 小膠質(zhì)細(xì)胞占全腦神經(jīng)細(xì)胞的5%～20%，可以介導(dǎo)神經(jīng)炎癥，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞[20]。腦出血后，血液外溢，引發(fā)鐵死亡，鐵死亡過程中產(chǎn)生的血紅蛋白、紅細(xì)胞、鐵等物質(zhì)使小膠質(zhì)細(xì)胞激活，吞噬紅細(xì)胞、血紅蛋白，其中活化的核因子(NF)-κB可上調(diào)白細(xì)胞介素(IL)-1β、IL-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α的表達(dá)，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥[21]。由此可見，鐵死亡過程中的游離鐵和含鐵血紅蛋白能通過激活小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬作用，誘導(dǎo)相關(guān)炎癥因子的釋放而加重腦出血后的神經(jīng)炎癥。

3.3 鐵死亡加重氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是指機(jī)體內(nèi)氧化與抗氧化作用平衡被打破，氧化占主導(dǎo)作用的一種狀態(tài)。氧化應(yīng)激導(dǎo)致中性粒細(xì)胞炎性浸潤、蛋白酶大量分泌、氧化中間產(chǎn)物產(chǎn)生，使核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子遭受氧化損傷而影響正常生命活動[22]。由于腦出血后釋放出的游離Fe2+在鐵死亡過程中可作為體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)過程中的催化劑，通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的活性氧，從而打破了氧化平衡、加速氧化應(yīng)激的過程，最終導(dǎo)致腦組織生物大分子損傷[23]。另外，腦出血后鐵死亡引起的炎癥反應(yīng)、高度表達(dá)的IL-6能通過Toll樣受體4/MyD88信號通路促進(jìn)鐵調(diào)素表達(dá)水平上調(diào)，進(jìn)而抑制腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)鐵離子外排入血，從而加重腦內(nèi)活性氧堆積，造成神經(jīng)細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷[24]。可見，鐵死亡產(chǎn)生的Fe2+會直接促進(jìn)或通過引起炎癥反應(yīng)間接加重腦出血后的氧化應(yīng)激。

4 抑制鐵死亡減輕腦出血后腦損傷的藥物

4.1 脂質(zhì)活性氧抑制劑 脂質(zhì)活性氧抑制劑可通過減少體內(nèi)脂質(zhì)活性氧的堆積，降低細(xì)胞的氧化損傷而達(dá)到抑制鐵死亡的目的。Fer-1是一種含芳烷胺的抗氧化物，因可通過清除胞質(zhì)中脂質(zhì)活性氧而成為一種有效的選擇性小分子鐵死亡抑制劑[25]。Fer-1能特異性地抑制鐵死亡，但對凋亡、壞死、自噬等其他死亡形式不具有抑制作用[26]。liproxstatin-1是一種具有酰胺和磺酰胺亞基結(jié)構(gòu)的螺環(huán)喹喔啉胺衍生物，能抑制脂質(zhì)過氧化，從而抑制細(xì)胞鐵死亡[27]。此外，維生素E也有類似的作用，可通過抑制脂質(zhì)氧化途徑減輕細(xì)胞鐵死亡，從而避免腦出血后引起的各種神經(jīng)細(xì)胞損傷[28]。

4.2 鐵螯合劑 鐵螯合劑能通過其與游離鐵離子的強(qiáng)結(jié)合作用，將鐵離子包合到螯合劑內(nèi)部形成穩(wěn)定的大分子化合物降低毒性，維持體內(nèi)鐵代謝平衡，從而抑制鐵死亡。去鐵胺(desferrioxamine，DFO)是一種細(xì)菌的代謝物，能與游離鐵離子或與鐵蛋白和鐵血黃素結(jié)合的鐵離子螯合，但不能從轉(zhuǎn)鐵蛋白、血紅蛋白或其他含氯高鐵血紅素的物質(zhì)中除去鐵離子，因此不會導(dǎo)致缺鐵性貧血；其通過與胞外Fe3+螯合，降低胞質(zhì)中Fe2+含量[29]。程麗婷等[30]報(bào)道，去鐵胺能通過降低細(xì)胞內(nèi)鐵含量，增加細(xì)胞抗氧化損傷能力抑制鐵死亡。氯碘羥喹是另一種Fe2+螯合劑，可減少活性氧產(chǎn)生并上調(diào)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(ferroportin1，F(xiàn)pn1)的表達(dá)水平，減輕腦出血后腦水腫[31]。去鐵酮是一種小分子螯合劑，可與Fe3+螯合，具有口服易吸收、血腦屏障透過率高且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到重視，但因其會降低血清鐵濃度，而且不能減少活性氧的產(chǎn)生和降低腦組織含水量，因此其抑制鐵死亡的作用仍需進(jìn)一步研究證實(shí)[32]。

4.3 中藥干預(yù)腦出血后鐵死亡 從黃芪的莖稈或干燥根系中提取出的黃芪多糖，是一種具備生物活性的水溶性雜多糖，有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)等藥理作用，可抑制線粒體脂質(zhì)活性氧聚積而減輕腦出血后鐵死亡所致的神經(jīng)功能障礙[33-34]。葛根的提取物葛根素能通過抑制活性氧產(chǎn)生，減少脂質(zhì)活性氧積累引起的鐵死亡；還可抑制DMT-1表達(dá)、上調(diào)Fpn1表達(dá)，減輕腦出血后鐵過載引起的鐵死亡[35]。黃芩的主要有效成分黃芩素因能抑制Erastin誘導(dǎo)的Fe2+生成、減少谷胱甘肽消耗和抑制脂質(zhì)過氧化等而作為一種鐵死亡抑制劑，能保護(hù)細(xì)胞不受膜脂質(zhì)的氧化損傷[36]。黃芩素作為一種有效的鐵螯合劑，在調(diào)節(jié)機(jī)體的鐵代謝平衡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可通過調(diào)節(jié)鐵代謝平衡和抑制芬頓反應(yīng)抑制腦出血后的鐵死亡[37]。

5 小 結(jié)

鐵死亡是機(jī)體腦出血后發(fā)生的一種嚴(yán)重細(xì)胞損傷，也是加劇腦出血后腦損傷的重要原因之一。鐵死亡的發(fā)生原因復(fù)雜，腦出血后出現(xiàn)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)抑制、脂質(zhì)活性氧積累、鐵代謝平衡破壞等；鐵死亡過程中的一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，又促進(jìn)炎癥、氧化應(yīng)激反應(yīng)，加重腦出血后的腦損傷，所以鐵死亡是腦出血后腦損傷的關(guān)鍵問題。腦出血后鐵死亡涉及的鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)通路、胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)通路以及活性氧代謝途徑，是基于抑制鐵死亡藥物治療腦出血后神經(jīng)細(xì)胞損傷的重點(diǎn)；抑制鐵死亡在腦出血的腦損傷治療與預(yù)防方面具有重要意義。