鐵代謝在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護中的作用及機制

方瑾，黃鶴

(武漢大學人民醫院心內科 武漢大學心血管病研究所 心血管病湖北省重點實驗室，武漢 430060)

鐵是所有生物體的一個基本元素，參與廣泛的生物學過程，包括氧輸送、DNA合成、細胞呼吸和電子傳遞以及整體的新陳代謝[1]。鐵代謝紊亂可導致鐵水平升高或降低。心力衰竭患者射血分數降低常出現缺鐵癥。缺鐵癥通過降低線粒體功能和減少能量產生而損害人類心肌細胞的收縮性，導致心臟功能損傷。此外，系統性缺鐵癥還與冠狀動脈疾病和心肌梗死的高發病率有關[2]。另一方面，由于遺傳疾病或補鐵治療引起的鐵超載同樣具有器官損傷風險，如心肌病是遺傳性血色病患者死亡的第二個主要原因[3]。鐵超載還會導致血管功能受損，加速動脈粥樣硬化進程，促進心律失常和心力衰竭的發生發展[4]。此外，鐵代謝紊亂還參與其他疾病(如2型糖尿病、肥胖癥和非酒精性脂肪肝)的發生過程[5]。鐵代謝在心血管疾病中的作用較復雜，心血管疾病中鐵穩態的調控機制尚不完全清楚?，F就鐵代謝在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護中的作用及機制進行綜述。

1 鐵代謝及鐵穩態

人體的鐵主要是通過巨噬細胞對衰老紅細胞的正常吞噬而不斷被循環利用。紅細胞的血紅蛋白中含有的鐵被釋放回血漿，由骨髓重新攝取，用于合成新的紅細胞，或由其他器官合成含鐵分子。膳食鐵被小腸上皮細胞吸收的機制包括：血紅素鐵通過血紅素載體蛋白1轉運吸收，而非血紅素不溶性Fe3+首先通過細胞色素B還原酶1還原為Fe2+，然后通過二價金屬離子轉運蛋白1轉運至腸上皮細胞內[6]。鐵可儲存在鐵蛋白中或通過腸細胞基底外側膜的膜鐵轉運蛋白釋放到外周循環。目前，鐵轉運蛋白是唯一已知的能導致各種細胞(腸細胞、巨噬細胞或外周細胞)鐵流出的鐵轉運體[7]。

鐵在消化道、血漿、紅細胞、巨噬細胞、肝臟和脾臟等之間的流動是由鐵調素抗菌肽基因編碼的鐵調素調控。在高鐵水平條件下，鐵調素通過促進鐵轉運蛋白的內化和降解，調節鐵轉運蛋白介導的鐵外流。鐵超載、輸注紅細胞、鐵治療、遺傳因素以及感染和(或)炎癥均會增加鐵調素的釋放[8]。鐵進入細胞后，成為細胞質中不穩定鐵池的一部分。不穩定鐵池中的鐵作為中間體，可儲存于鐵蛋白或通過生物合成途徑在線粒體中產生血紅素和鐵硫團，或在細胞質中產生需要鐵的蛋白質。多余的鐵則由鐵轉運蛋白從細胞中去除[9]。細胞內鐵蛋白可作為一種保護缺鐵和過量鐵的緩沖劑。鐵蛋白以可溶性無毒形式存儲多達4 500個鐵原子并將其輸送至需要的區域。鐵蛋白對鐵代謝尤為重要，在缺鐵條件下，鐵蛋白被降解并釋放儲存的鐵，而在鐵超載條件下，它以安全的形式儲存鐵，以防止氧化應激的產生[10]。

2 鐵在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護中的作用及機制

2.1鐵在線粒體功能障礙中的作用 線粒體對人體能量產生具有重要作用，線粒體功能障礙則與多種心血管疾病的發生發展密切相關[11]。然而目前線粒體在鐵代謝以及心肌缺血再灌注損傷中的重要作用仍不明確[12]。線粒體是血紅素合成的唯一部位，也是鐵硫團簇的主要來源。血紅素和鐵硫團簇蛋白是線粒體氧化磷酸化系統和ATP生產的組成部分，通過鐵的可逆氧化態催化電子傳輸并為正常心臟功能提供所需的持續能量。有數據表明，近1/3的心肌細胞鐵分布于線粒體，而心肌細胞線粒體的鐵含量較其他細胞多50%～150%[13]。由于鐵是呼吸鏈復合物的重要組成部分，缺鐵會損害線粒體復合物Ⅰ～Ⅲ，導致ATP產生減少。在缺鐵的心肌細胞中，糖酵解酶的表達隨三羧酸循環酶的減少而增加。然而，在缺鐵條件下向糖酵解轉移增加的ATP并不足以彌補三羧酸循環ATP產生的損失，從而導致ATP濃度凈下降和ATP依賴性離子傳輸泵功能受損[14]。清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)的酶的合成也需要鐵的參與，因此鐵耗盡的心肌細胞對ROS引起的損傷較鐵含量正常的心肌細胞更加敏感[15]。

另外，鐵超載在哈伯-韋斯和芬頓反應中作為催化劑誘導氧化應激，產生氫氧化物離子和羥基自由基，這些自由基副產物可以在細胞質和(或)線粒體中進行二次氧化反應，進而損害DNA、蛋白質和脂質。ROS還可干擾心臟細胞內Ca2+穩態，并影響負責心肌電活性的多個離子轉運體，導致心臟舒張和收縮功能障礙和心律失常[10]。線粒體ROS生成增加還會引起線粒體膜電位的去極化以及線粒體通透性轉換孔開放，進而導致細胞破裂，最終導致心臟功能障礙和心肌病[16]。

研究發現，鐵超載在全身或細胞水平均與心臟功能障礙密切相關[17]。此外，弗里德賴希共濟失調是一種以心腦線粒體鐵超載為特征的疾病，該類患者患有擴張型心肌病和心律失常的概率更高[18]。

2.2鐵在心肌缺血再灌注損傷中的作用 鐵增加與包括心臟在內的各器官的缺血再灌注損傷的病理學有關。在持續缺血期間及之后，鐵蛋白降解多于合成，隨后釋放鐵。研究表明，在長期缺血后，相對較高濃度的鐵被動員至冠狀動脈血流，而由缺血引起的心肌鐵動員和重新分配可能會導致氧化應激增加及相應的心功能損傷[19]。此外，即使是溫和的、非超載的鐵劑量(0.3～12 mg/ml，靜脈注射)在缺血再灌注條件下也會對心臟功能造成損害，而更高劑量的鐵(12 mg/ml)導致左心室最大收縮壓在缺血后恢復減少17%，心排血量減少50%以上，流出物中脂質氫過氧化物增加2倍[20]。在缺血和早期再灌注過程中，酸性的細胞內環境有利于從金屬蛋白中釋放鐵并促進鐵介導的芬頓反應，將效力較弱的氧化劑、超氧化物和過氧化氫轉化為高反應的強氧化劑羥基自由基等。在這種情況下，從再灌注時開始使用鐵螯合劑(如去鐵胺)理論上可以抑制再灌注早期氧自由基產生的爆發并減輕再灌注損傷的嚴重程度。然而，使用鐵螯合物對缺血再灌注損傷的益處仍存在爭議。在一些小動物模型中，鐵螯合療法可以改善心臟收縮功能，提高細胞存活能力，抑制心肌重構，并減少缺血再灌注損傷后梗死面積。然而，上述研究結果并不能在體型較大的動物中得以復制[21]。導致結果出現差異的一個潛在原因可能為所使用的螯合劑的組織滲透性不一致。上述研究中使用的去鐵胺主要通過在細胞外空間與內吞體結合鐵結合發揮作用，但它不能調節線粒體鐵。

Chan等[22]進一步研究了經皮冠狀動脈介入治療再灌注前使用去鐵胺能否改善氧化應激和心肌缺血，結果表明，缺血發生后的輔助去鐵胺治療可持續改善氧化應激，這可能為缺血性心臟病提供一種新的治療靶點。另外，Paraskevaidis等[23]研究結果顯示，在冠狀動脈旁路移植術中使用去鐵胺，可以保護心肌防止再灌注損傷，降低脂質過氧化水平，縮短患者在重癥監護病房的時間。綜上所述，線粒體鐵是心臟缺血性損傷的重要因素，可能是缺血性心臟病治療的新靶點。

2.3鐵在心臟保護中的作用 研究證明，缺血預處理(ischemic preconditioning，IPC)作為一種短期適應現象，通過適應短暫缺血發作，保護包括人類在內的所有動物的心肌和(或)其他器官免受長時間缺血的影響[24]。然而，IPC的分子機制尚未完全闡明。將鐵限制在鐵蛋白中可以防止鐵依賴的氧自由基形成[25]。雖然持續缺血后鐵水平升高增加了心臟組織對氧化損傷的敏感性，但鐵也可作為鐵蛋白積累的信號分子。IPC產生少量無毒但具有刺激性的“游離”鐵，進而增強鐵蛋白的形成為長期缺血后高水平的“游離”鐵做好準備[26]。Galleano等[27]研究證實，亞急性、低水平鐵可以通過提高鐵蛋白水平保護肝臟減少缺血再灌注損傷。

在IPC刺激期間和之后，細胞中產生的低水平“游離”鐵可啟動鐵蛋白翻譯合成。鐵蛋白積累達到其基礎水平的359%，并在隨后的長時間缺血期間保持較高水平[28]。細胞內增加的鐵蛋白可以隔離過量的催化鐵，防止氧化損傷。在再灌注階段，新合成的鐵蛋白結合(清除)缺血時釋放的不穩定鐵，保護心臟免受有害的鐵催化自由基的損傷。此時，鐵蛋白含量下降至基礎水平的178%，L亞基/H亞基比值也恢復到缺血前的水平[26,28]。IPC誘發的鐵蛋白含量增加和鐵信號在IPC誘導的保護機制中的重要性被認為是一種潛在的心臟保護機制。

總之，IPC可啟動心臟鐵蛋白的從頭合成，增加的鐵蛋白可以作為氧化還原活性鐵的“水槽”，從而保護心臟免受缺血再灌注相關的鐵介導的氧化損傷。

3 鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護中的作用及機制

鐵死亡的概念最早于2012年被提及，是指細胞內大量鐵的積累導致強烈的氧化應激反應，伴隨谷胱甘肽耗竭導致的細胞內放大的脂質過氧化，進而引起細胞死亡[29]。隨后在多種心臟疾病中被證實存在鐵死亡，包括多柔比星誘導的心肌病和急性缺血再灌注損傷以及心肌梗死后心力衰竭和感染性心肌損傷[30-31]。

鐵死亡在形態學、生物學和遺傳學上與其他受調節的細胞死亡模式不同，它可以由實驗性小分子(如Erastin、Ras選擇性致死小分子3和亞砜亞胺)和一些藥物(如柳氮磺吡啶、索拉非尼和青蒿琥酯)誘導[32]。Erastin誘導鐵死亡最常見的途徑為抑制胱氨酸/谷氨酸轉運體對胱氨酸的攝取，導致谷胱甘肽減少從而抑制抗氧化防御系統。谷胱甘肽由還原型轉化為氧化型，被磷脂過氧化物酶谷胱甘肽過氧化物酶4利用，將膜磷脂中由脂氧合酶形成的多不飽和脂肪酸氫過氧化物轉化為相應的危害較小的脂醇[33]。各種內源性分子(如硒、多巴胺、維生素E、輔酶Q10)和化學物質(如Ferrostatin-1、右雷佐生)對谷胱甘肽過氧化物酶4的直接抑制或間接失活會導致氧化應激[32]。鐵的積累是脂氧合酶正?；顒铀匦?，這種谷胱甘肽過氧化物酶4的抑制作用促進了強烈的脂質過氧化，最終導致致命的鐵沉積細胞損傷[33]。有學者認為線粒體、內質網和溶酶體是脂質過氧化影響的主要部位，然而細胞質膜是否參與仍存在爭議[30]，未來鐵死亡中脂質過氧化的發生部位是鐵死亡的重要研究方向。

3.1鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷中的作用 雖然盡早實現再灌注對缺血性心肌有保護作用，但在接受經皮冠狀動脈介入治療的ST段抬高型急性心肌梗死患者中，心肌出血是再灌注干預后的常見并發癥，限制了該術式的應用。心肌出血與梗死后區域的殘余心肌鐵有關，殘余鐵的積累能夠增加ROS的產生并促進鐵死亡[34-35]。Robbers等[36]運用心臟磁共振成像技術發現，心肌出血是一種微血管阻塞后的不可逆的微血管破壞。此外，心臟磁共振成像顯示，心肌出血與急性期心肌梗死的嚴重程度以及長期不良左心室重構的發展密切相關[36]。上述研究一方面證明了殘余心肌鐵對一些初次經皮冠狀動脈介入治療心肌梗死患者的有害作用，另一方面，也提出了未來針對心肌細胞通過利用哺乳動物雷帕霉素靶蛋白機制靶點的保護作用調節ROS的產生來抑制鐵死亡從而挽救心肌細胞的潛力[35]。

3.2鐵死亡在心臟保護中的作用 鐵死亡是各種類型心肌病及急性和慢性缺血再灌注所致心臟損傷的基礎。因此，靶向鐵死亡被認為可能是治療這些心臟疾病的可行方法。目前針對鐵死亡信號通路中的基因操作，如溶質載體家族7成員11的過表達、核轉錄因子紅系2相關因子2敲除、谷胱甘肽過氧化物酶4敲減，已被證實可以通過增加對鐵死亡的抵抗減輕心臟和心肌細胞的損傷[30,37]。與上述結果一致，藥理干預(如鐵螯合)也可以有效保護鐵依賴的細胞死亡過程。研究發現，鐵螯合劑右雷佐生作為一種線粒體滲透性金屬螯合劑，可以減少體外大鼠心臟氧自由基產生并改善缺血再灌注后的血流動力學[38]。此外，右雷佐生還可保護小鼠免受阿霉素誘導的鐵死亡，并減少缺血再灌注后的致命性心臟損傷(梗死面積)和心肌功能障礙的發生[30]。在市售的鐵螯合劑中，去鐵胺是目前應用最廣泛的無毒鐵螯合劑，用于治療與鐵超載相關的疾病。去鐵胺已被證明可以減少大鼠心肌細胞ROS的生成[39]。在其他過量鐵誘導的細胞死亡和鐵死亡模型中去鐵胺也顯示了保護作用[35]。鐵死亡抑制劑ferrostatin-1通過清除脂質氫過氧化物中亞鐵產生的烷氧基自由基發揮作用[40]。研究發現，ferrostatin-1在由于鐵蛋白缺乏而引起的心肌病小鼠中顯示出有益作用[37]。因此，鐵超載誘導的鐵死亡可能是上述心臟疾病的潛在治療靶點。

4 小 結

鐵是人體必需的微量元素，在人體的正常生理過程和各種疾病的病理機制中均起重要作用。目前鐵與心血管疾病之間的關系仍未完全明確，認為鐵對心臟的有害作用機制與ROS的產生和心肌損傷易感性增加有關。但是鐵除了通過增強ROS的產生作為細胞死亡機制的催化劑外，還充當了觸發多種保護性細胞級聯反應的信號。鐵在線粒體中的作用尤為重要，鐵代謝的調控可能有助于更有效地治療心肌缺血再灌注損傷。未來需要進一步的研究來闡明細胞鐵穩態的機制，以開發更有效的治療心血管疾病的藥物和方法。