鐵死亡在腎臟疾病中的研究進展

鄭秉暄，王博， 田普訓，2，丁晨光，2（. 西安交通大學第一附屬醫院腎臟病醫院腎移植科，陜西 西安 7006；2. 西安交通大學器官移植研究所，陜西 西安7006；3. 澳大利亞莫納什大學材料科學與工程系，墨爾本 3800；4. 澳大利亞莫納什大學醫學中心腎病學系，墨爾本 3800）

2012 年Dixon 等［1］首次提出鐵死亡（Ferroptosis），這一種新的細胞死亡類型，其特征主要是鐵離子過載、毒性脂質過氧化物積累導致細胞死亡；形態學主要表現為胞膜破裂，無染色質凝聚，線粒體膜密度增加、體積減小等［2］。越來越多的證據表明，鐵死亡與多種腎臟疾病的發生發展密切相關。例如急性腎損傷、缺血/再灌注［3-4］。本文將針對鐵死亡在腎臟疾病中的作用及進展進行闡述，探討鐵死亡發生的重要環節，加深對腎臟疾病的認識，利用鐵死亡相關的調控為臨床治療提供思路。

1 鐵死亡與急性腎損傷

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是臨床上常見的一種臨床綜合征，其主要是因各種原因導致患者的腎功能在短時間內突然下降，血清肌酐（serum creatinine，Scr）和尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）升高，尿量減少，水、電解質、酸堿平衡紊亂等，目前缺乏有效的治療方法，具有較高的死亡率［5］。盡管最初有人認為腎小管細胞發生壞死性凋亡（necroptosis）是AKI 的關鍵促成因素，但其抑制劑necrostatin-1 并不能顯著改善腎小管缺氧性損傷，相比之下，有證據表明，鐵死亡可能是介導AKI 的關鍵因素，并且鐵死亡抑制劑對AKI 具有很好的保護作用［3，6］。在葉酸誘導的急性腎損傷模型中，有證據表明其早期損傷是由鐵死亡引起的，且鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 可以減輕小鼠急性腎損傷，改善腎功能［7-8］，這表明鐵死亡在急性腎損傷的過程是一個早期事件，會觸發炎癥反應和繼發性壞死性細胞死亡，從而加劇腎功能損傷。因此在急性腎損傷中，鐵死亡可能是導致其他形式的細胞死亡的驅動因素［9-10］，但其具體機制仍未完全闡明。有研究顯示鐵死亡參與了橫紋肌溶解導致的AKI，盡管在這過程中，腎臟的凋亡和壞死性凋亡途徑被激活，但只有ferrostatin-1 降低了體內和體外的氧化應激和細胞死亡，并顯著改善了小鼠腎功能，提示鐵死亡在其中的關鍵作用［11-12］。

在AKI 中，氧化應激扮演著重要的角色，其中核因子E2 相關因子（nuclear factor E2-related factor，Nrf2）被認為是細胞內具有抗氧化效應的重要轉錄因子，其下游靶基因GSH、GPX4 等均參與維持細胞的氧化還原穩態，Nrf2 過度活化會增加細胞內GSH 的產生并可以阻止活性氧介導的腎小管損傷［13］，而Nrf2 或其靶基因的功能異常可以誘導鐵死亡導致細胞死亡［14-15］。Adedoyin 等［16］研究發現血紅素加氧酶-1（heme oxygenase 1，HO-1）在AKI是一種細胞保護酶，具有抗氧化和抗炎等作用，可以抑制AKI 中鐵死亡的發生。HO-1 的增加可以上調近端小管的H-鐵蛋白（FtH）的增加，而FtH 可以通過將Fe2+轉化為Fe3+，從而防止脂質氧化，抑制鐵死亡的發生，在AKI 中起著重要的保護作用［17］。此外system xc－系統、鐵離子、泛鏈接蛋白及輔酶Q 等均被證明參與了AKI 中鐵死亡的過程，但其具體參與的程度，需要進一步研究證實。

2 鐵死亡與缺血/再灌注損傷

缺血/再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury ，IRI）會導致嚴重的急性腎損傷和器官移植后功能延遲恢復的不良后果。腎臟在缺血和再灌注的過程中均受到損傷，從而導致腎小管細胞死亡，并可能導致進行性慢性腎臟損傷。越來越多的證據表明，調節性壞死在腎臟IRI 中起著特定的作用［18］。最近，穆勒等在小鼠腎IRI 模型中驗證了壞死性凋亡和鐵死亡兩種細胞死亡途徑在病理學中獨立發生并相互交織，說明不止一種受調控的細胞死亡途徑參與了腎臟IRI 的發生發展［19］。另一項研究也支持該觀點，IRI 的缺血缺氧病理過程中，主要特征為能量衰竭，細胞死亡以凋亡為主［4］；再灌注病理過程中，ROS過度產生，會誘導鐵死亡，而人腎小管上皮細胞在這兩個病理過程中均會發生自噬。

有研究顯示鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 及其類似物16-86 均可預防小鼠的腎臟IRI，并減輕腎小管損傷，改善腎功能。而且16-86 聯合necrostatin-1對腎臟IRI 的保護作用，比單一使用更有效。表明腎臟IRI 過程中同時存在壞死性凋亡和鐵死亡，兩者通過不同的途徑導致AKI［3］。對于腎臟IRI 中鐵死亡的發生機制，有研究顯示在病理生理性急性缺血性腎損傷過程中，長鏈脂酰輔酶A 合成酶（longchain acyl-CoA synthetase，ACSL）4 最初被上調，其表達水平與組織損傷的嚴重程度相關；而敲除細胞中的ACSL4，可以保護細胞免受愛拉斯汀（Erastin）和谷胱甘肽過氧化物酶4 抑制劑RSL3 誘導的細胞死亡［19］。在IRI 中，鐵死亡引起了最初的死亡浪潮，引發了炎癥反應，繼而促進了腎小管細胞壞死性死亡，從而使腎臟功能障礙長期存在。在IRI 領域，接下來最重要的挑戰之一是要確定IRI 過程中發生的總體壞死性損害中鐵死亡、壞死性凋亡和其他細胞死亡途徑的相對貢獻。

3 鐵死亡與慢性腎臟疾病

慢性腎臟疾病（chronic kidney disease，CKD）可由許多異質性疾病通過不同途徑導致，這些疾病可以使得腎臟功能和結構在數月或數年內不可逆轉地改變和持續性損傷，其最終病理表現為腎纖維化，特征為腎小球硬化、腎小管萎縮和間質纖維化［20］。長期以來，腎小管損傷被認為是腎臟疾病進展的驅動力，其可以引起炎癥，繼而炎癥的加劇導致細胞死亡，并使腎小管損傷惡化。腎小管細胞死亡、壞死性炎癥和間質性炎癥之間不斷的循環，導致腎損傷持續性加重，最后導致進行性腎小管間質纖維化［21］。因此，進一步了解細胞死亡驅動的炎癥與纖維化之間的機制至關重要。

最初的研究表明，鐵死亡在形態、生化和遺傳上與其他形式的調節性細胞死亡和自噬不同。然而，最近的研究表明鐵死亡和自噬有共同的調節因子（SLC7A11、GPX4、Nrf2、P53、HSPB1、CISD1、FANCD2 和ACSL4）［22］。自噬是一種在進化上保守的降解途徑，可維持體內穩態。核受體輔激活蛋白（nuclear receptor coactivator，NCOA）4 是鐵蛋白的選擇性自噬受體，可以選擇性地自噬鐵蛋白（即鐵蛋白自噬），引起的離子增加，進而促進了癌細胞和成纖維細胞的鐵死亡［23］。雖然自噬在細胞死亡中起著雙重作用，其取決于細胞所處的環境和階段，但它可能提供一種新的觀點，即鐵死亡在急性腎損傷甚至纖維化過程中具有促進細胞自噬的作用。與壞死性凋亡不同，鐵死亡取決于外部信號。因各種形式的調節性細胞死亡都會釋放損傷相關分子模式（damage associated molecule pattern，DAMP），進而驅動細胞死亡和炎癥，從而導致鐵死亡。由外而內的信號的獨立性使鐵死亡成為可能導致初始壞死并開始擴增循環的潛在途徑。因此，旨在控制鐵死亡的治療可能成為纖維化的新方法。

使用轉基因小鼠（Nrf2-KO［24］、Keap1-KD［25］和Keap1-CKO［13］）的研究證明，Nrf2 可以防止一系列疾病引起的腎臟的氧化應激。而氧化應激傳感器分子Kelch 樣ECH 相關蛋白1（Keap1）可通過泛素化Nrf2 降低其活性。Keap1-Nrf2 系統是預防腎臟疾病進展的最有希望的靶標之一。合成的三萜類化合物Bardoxolone methyl 可通過抑制Keap1 的泛素化而激活Nrf2，并已完成4 期CKD 和T2DM 患者的3 期臨床試驗（BEACON 試驗）［26］。最近的基礎研究已經在CKD 的中度階段積累了Keap1 抑制劑的積極作用，進行的項目數據表明，Keap1 抑制劑可改善3 期CKD 和T2DM 患者的腎小球濾過率，而無需擔心安全性，它仍有望成為治療CKD的一流藥物［27］。

4 鐵死亡與多囊腎

多囊腎（polycystic kidney disease，PKD）是常見的遺傳性腎臟疾病，其特征是腎上皮囊腫的進行性發展，并最終導致終末期腎病［28］。PKD 患者發生CKD 的主要病因是囊腫的形成和增大，其可以破壞腎實質功能，因此減少囊腫的發生和進展對于延緩和治療PKD 有重要的意義［29］。許多證據表明氧化應激、內皮功能障礙和缺氧發生在PKD 疾病進展的早期，通過升高二甲基精氨酸水平和降低一氧化氮的生物利用度，引起局部血管收縮和腎血流受損；而缺氧會增加缺氧誘導轉錄因子1a 和其他血管生成因子的水平，進而可能導致囊腫生長［30］。

據報道，Cl-通道的囊性纖維化跨膜電導調節劑（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）已被證明可誘導凋亡，正常表達CFTR 的細胞比CFTR 缺陷的細胞對氧化應激誘導的凋亡更敏感［31］。跨膜蛋白16F（transmembrane protein 16F，TMEM16F）位于腎小管細胞的初級纖毛中，且在人多囊腎的囊壁上皮細胞中高度表達，而敲低TMEM16F 會損害MDCK 細胞的囊腫腔形成［32］。Simoes 等［33］研 究 表 明TMEM16F 和CFTR協同作用于ROS 介導的細胞死亡，而這一過程可能是TMEM16F 通過誘導鐵死亡，進而促進與CFTR表達相關的細胞死亡。而最近研究顯示脂質過氧化可以激活腎臟TMEM16A，促進Ca2+釋放，進一步刺激了CFTR 活化，而ferrostatin-1 可以通過抑制TMEM16A 的激活，進而抑制囊腫的生長，提示抑制TMEM16A 是延緩PKD 囊腫發展的潛在治療方法［34-35］。這些數據一致認為，鐵死亡是PKD 中的一種可能機制，這為PKD 的治療提供了新的視角。

5 鐵死亡與糖尿病腎病

糖尿病性腎病（diabetic nephropathy，DN）現在被認為是終末期腎臟疾病（end-stage renal disease，ESRD）的主要原因，其致病本質是腎臟纖維化，其臨床特征是蛋白尿的逐漸增加和腎小球濾過率（glomerular filtration rate，GFR）的下降。目前簡單的控制血糖、血壓，或聯合使用藥物均無法有效緩解或逆轉DN,阻止其發展為ESRD［36］。

據報道，自噬，細胞凋亡和壞死等程序性細胞死亡方式與DN 發生發展密切相關，但目前尚無減輕DN 損傷的有效藥物［37］。研究顯示在DN 中，活性氧（reactive oxygen species，ROS）的積累和鐵超載是促進DN 發生的重要決定因素。DN 小鼠中ACSL4 的表達水平增加和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的表達水平下降，同時脂質過氧化產物和鐵含量也增加。而ACSL4 抑制劑羅格列酮可通過減少脂質過氧化產物MDA 和鐵含量，阻斷腎小管細胞鐵死亡而抑制促炎性細胞因子的產生，阻止DN 的發展［37-38］。在小鼠DN 模型中，采用ferrostatin-1 進行治療可減輕其腎臟病理損傷。同時在DN 模型中觀察到Nrf2 降低。在高糖條件下，特異性敲低HK-2 細胞的Nrf2，增加了其對鐵死亡的敏感性。而使用非諾貝特治療，可上調Nrf2，進而改善鐵死亡的狀況。此外，在非諾貝特治療的糖尿病DN 小鼠中，Nrf2 的增加可抑制與鐵死亡相關的改變，從而延緩了DN 的發展［39］。另有報道，維生素E 可以改善患者的血脂和谷胱甘肽水平，進而對DN 的功能改善產生積極作用［40］。

目前DN 的發生發展的機制仍不清楚。但以鐵依賴的脂質過氧化作用為特征的鐵死亡為我們提供了探索DN 進程的新思路。未來可以關注鐵死亡過程中的免疫學特征對DN 進展的作用，通過抑制鐵死亡，可以作為緩解DN 的潛在有效靶點。

6 小結與展望

自從2012 年首次鑒定出鐵死亡以來，關于鐵死亡與腎臟疾病的研究越來越多，但大多數研究都集中在鐵死亡對IRI 過程的貢獻上，未來的研究也應該著力于探索如何通過干預鐵死亡而抑制腎臟纖維化。盡管已經證明了鐵死亡可以參與AKI，但對于鐵死亡和進一步的免疫反應之間的關系知之甚少。同時，許多基因已被證實會導致鐵死亡，但關于調節鐵死亡的表觀遺傳修飾知之甚少。此外盡管已證明沉默miR-182-5p 和miR-378a-3p 可抑制鐵死亡而減輕IRI 誘導的大鼠腎損傷［41］，但還需要更多研究來探索lnc RNA 和循環RNA 等在調節鐵死亡中的作用。我們認為，鐵死亡是腎臟疾病中重要的細胞死亡形式之一，而對于鐵死亡的更深入研究將為腎臟疾病的診斷和治療干預提供新的機會。