鐵死亡與心力衰竭的研究進展

彭可玲 賈曉艷 王華 劉永銘

(1.蘭州大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學第一醫院老年心血管科 甘肅省老年疾病臨床醫學研究中心，甘肅 蘭州 730000)

心力衰竭(心衰)是一種由不同病因導致的臨床綜合征，其病理生理機制存在差異，不是一種特定和獨立的疾病，而是心臟疾病發展的終末階段。心衰作為世界范圍內的一個重大公共衛生問題，其發病率、住院率及死亡率一直居高不下，且隨著人口老齡化的發展有持續升高的趨勢，對其發病機制進行深入探索任重而道遠。除了目前已被證實的細胞調亡、自噬以及壞死等多種細胞死亡方式參與了心衰的過程之外，鐵死亡也參與其中。現就鐵死亡及其調控機制，以及目前鐵死亡與心衰的相關研究進展進行概述，并展望其未來的研究方向。

1 鐵死亡概述

2012年Dixon等[1]首次提出鐵死亡的概念，是一種鐵依賴和非凋亡形式的細胞死亡，其特征是脂質過氧化物積累到一定水平所導致的細胞膜氧化損傷[2]。在形態學上，大多數研究人員[3]認為鐵死亡的細胞會出現壞死樣改變，包括質膜完整性喪失、胞漿腫脹、胞質細胞器腫脹和染色質凝聚。在超微結構水平上，通常表現出線粒體的異常，如凝聚或腫脹、膜密度增加、嵴減少或消失，以及外膜破裂[1]。在生物化學中，主要表現為鐵過量和脂質過氧化，而脂質過氧化主要影響的是細胞膜中的不飽和脂肪酸[4]。另外，在遺傳學中，少數基因或蛋白的過表達被認為是鐵死亡的生物標志物[4]，如長鏈酯酰輔酶A合成酶4(long-chain acyl-CoA synthetase 4，ACSL4)。

2 鐵死亡的調控機制

鐵死亡的調控機制復雜，主要涉及鐵代謝、氨基酸代謝和脂質代謝三方面，源于細胞膜磷脂氧化代謝障礙，當脂質過氧化物積累至谷胱甘肽過氧化物酶還原極限時，鐵離子介導的芬頓反應會催化其產生脂質自由基，并在細胞內大量積累致細胞死亡。

2.1 鐵代謝

鐵是人體重要的必需微量元素，參與多種物質的合成和轉運[5]，鐵代謝與鐵死亡的發生密切相關。鐵在血液循環中主要以與轉鐵蛋白結合的三價鐵存在，與細胞膜上的轉鐵蛋白受體1結合后進入細胞內，通過還原酶將三價鐵還原為二價鐵。過量的二價鐵可通過轉鐵蛋白1將其轉運至胞外，儲存于鐵蛋白重鏈1和輕鏈1。此過程受到鐵蛋白和鐵調素等多種蛋白的調節[6]。有研究[7]發現，鐵死亡誘導劑Erastin和RAS合成致死物3通過上調轉鐵蛋白受體1的表達增加對鐵的攝取，同時下調重鏈1和輕鏈1的表達以減少鐵的儲存，使大量游離鐵釋放，過量的鐵通過芬頓反應產生羥自由基及活性氧(reactive oxygen species，ROS)，誘導鐵死亡的發生。因此，鐵過量會加劇鐵死亡的發生，鐵代謝異常是細胞鐵死亡過程的重要表現。

2.2 氨基酸代謝

氨基酸代謝同樣參與鐵死亡的進程，其中谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是誘導鐵死亡發生的關鍵蛋白。胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(system Xc-)，在質膜上以1:1攝入胱氨酸，排出谷氨酸，將攝入細胞的胱氨酸還原為半胱氨酸，與谷氨酸及甘氨酸結合形成谷胱甘肽(glutathione，GSH)，而GSH通過GPX4的催化與氧化型谷胱甘肽之間形成動態平衡。抑制GPX4及GSH的合成，可啟動鐵死亡，抑制半胱氨酸攝取會導致脂質過氧化物的積累[8]。鐵死亡誘導劑Erastin也可通過氨基酸代謝途徑(即抑制system Xc- 來減少細胞內的半胱氨酸及GSH，進而抑制GPX4清除ROS)導致鐵死亡[1]。

2.3 脂質代謝

脂質代謝與細胞對鐵死亡的敏感性密切相關。含多不飽和脂肪酸的磷脂 (poly-unsaturated fatty acid-phosphatidyl ethanolamine，PUFA-PE)是脂質過氧化的底物[9]，也是驅使細胞進入鐵死亡的關鍵磷脂。ACSL4通過參與磷脂代謝形成多不飽和脂肪酸-酰基輔酶A(PUFA-CoA)[10]，而PUFA-CoA可催化PUFA-PE發生酯化反應，抑制ACSL4可降低PUFA-PE，故ACSL4是鐵死亡的特異性生物標志物和驅動因素。有研究[11]表明，乳腺癌細胞中ACSL4基因表達水平很高，當敲除ACSL4基因后會降低PUFA-PE的合成，從而抑制RSL3誘導的鐵死亡發生。另一種參與脂質代謝的酶(溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶3)與磷脂酰乙醇胺反應，生成PUFA-PE[2，11]。PUFA-PE的過氧化主要發生在質膜和內質網上，可通過脂氧合酶介導的酶促反應[12]完成，最終形成脂質氫過氧化物。脂質代謝通路的關鍵調節點在于ACSL4和脂氧合酶。

3 鐵死亡和心衰

心衰是一種臨床綜合征，其特征是由于心臟結構和/或功能異常，引起靜息或負荷時心輸出量減少和/或心內壓力增高，從而導致的典型癥狀(如呼吸困難、踝部水腫和疲乏)，也可伴有體征(如頸靜脈壓升高、肺部啰音和外周水腫)[13]。心衰是一種由不同病因導致的臨床綜合征，其病理生理機制存在差異，不是一個獨立的疾病，而是心臟疾病發展的終末階段。幾乎所有的心血管疾病最終都會導致心衰。除了目前已被證實的細胞調亡、自噬以及壞死等多種細胞死亡方式參與了心衰的過程之外[14]，鐵死亡途徑通過調節心衰的病理生理(如炎癥、心臟毒性損害、心肌肥厚及纖維化等)而參與其中。

3.1 炎癥

炎癥已被公認為是心衰的病理生理學特征[15]，在心衰中，各種炎癥介質的產生不僅是炎癥反應激活的標志，而且可通過各種機制誘導心室收縮功能障礙、心室擴張、心肌細胞肥大和凋亡等，直接作用于心衰的病理生理過程。鐵死亡與炎癥反應關系密切，在鐵死亡的過程中會產生某些過氧化物和花生四烯酸代謝的相關炎癥因子。有研究[16]發現鐵死亡細胞中PTGS2基因的表達增加，該基因主要編碼環氧化酶2，后者可加速花生四烯酸的代謝，而脂氧合酶和環氧化酶是參與花生四烯酸代謝的主要工具酶，二者將花生四烯酸分解成白三烯、前列腺素及某些過氧化物；GPX4對核因子κB信號通路進行調控，抑制脂氧合酶，降低ROS水平，減輕機體炎癥反應[17]，一旦GPX4缺乏，即可誘發炎癥反應[18]。既往研究[15]已證實上述炎癥反應及產生的炎癥因子同樣參與了心衰的發生和發展，故可證明鐵死亡與心衰密切相關。

3.2 心臟毒性損害

腫瘤治療相關的心血管損害可累及心臟和血管的結構及功能，最終導致心衰，由其引起的心肌功能障礙和心衰常被稱為腫瘤治療的心臟毒性，如阿霉素心肌病。 Fang等[19]在國際上率先揭示鐵死亡是防控心臟疾病的有效措施。該研究團隊構建了阿霉素誘導的小鼠心肌病模型，其心肌細胞表現出典型的鐵死亡特征，加入鐵死亡抑制劑ferrostatin-1(Fer-1)后能減輕其誘導的心肌病，證實鐵死亡抑制劑顯著提高了心衰后小鼠的存活率；通過RNA測序分析來確定治療組和對照組小鼠心臟中差異表達的基因，發現血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)(血紅素分解代謝過程中的限速酶)顯著上調；進一步揭示，阿霉素是通過核轉錄因子紅系2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)來介導HO-1的上調，而HO-1的激活介導血紅素中鐵離子的釋放，隨后心肌細胞由于鐵負荷而誘發鐵死亡，最終導致心衰；最后又通過線粒體抗氧化劑和鐵螯合劑證實鐵死亡在阿霉素導致的心肌病中的重要作用是通過Nrf2/HO-1通路實現的。在隨后的研究中，Fang等[20]還發現在心肌細胞FTH基因敲除的小鼠中，ROS的產生會增加，并增加對鐵負荷相關的鐵死亡和心肌病的易感性。鐵死亡抑制劑Fer-1能有效地抑制心肌細胞中與心衰相關基因的表達。

3.3 心肌肥厚及纖維化

心衰是多種心血管疾病的終末階段，而心肌肥厚則是其重要節點。如何有效地抑制病理性心肌肥厚在其防治過程中有著不可替代的作用。Wang等[21]的研究表明，MAP3K家族成員混合譜系激酶3在壓力負荷誘導的小鼠心肌肥厚模型中表達顯著升高，后續研究發現混合譜系激酶3能通過JNK/p53信號通路調節氧化應激反應誘發的鐵死亡，可加重心肌肥厚，miR-351可與混合譜系激酶3直接作用抑制鐵死亡的發生，從而在心肌肥厚中發揮保護作用。Beclin1又稱BECN，為酵母自噬基因Atg6/Vps30的同源基因，是自噬過程中必不可少的分子。Yin等[22]發現Beclin1單倍量不足的小鼠能抵抗低溫誘導的心肌肥厚，研究者分別通過體內和體外實驗對其具體機制進行探索，發現Beclin1單倍劑量不足以下調鐵蛋白，上調SLC7A11(FLT1的亞基)和GPX4吞噬核受體共激活因子4，增加的核受體共激活因子4加劇鐵蓄積和脂質過氧化，促進鐵死亡的發生，加重心肌肥厚程度，最終導致心衰。

心肌缺血再灌注后會導致心肌纖維化以及心功能下降，最終導致心衰，鐵死亡也參與了該過程。Nishizawa等[23]證實鐵死亡參與心肌缺血再灌注的病理生理過程，發現血紅素和鐵代謝的調節劑通過抑制一系列保護性的基因(包括HO-1、鐵蛋白重鏈1 和輕鏈1等)促進鐵死亡的發生，加重心肌纖維化。Baba等[24]為評估缺血再灌注后心臟中的鐵積累水平，通過結扎冠狀動脈左前降支制備小鼠模型，發現損傷30 min后鐵蛋白沿心肌瘢痕區積聚，鐵積累誘導心肌細胞死亡并加重心肌纖維化，該過程可能主要受轉鐵蛋白受體1調節。Li等[25]的研究發現，事先運用鐵死亡抑制劑Fer-1腹腔注射能明顯減輕大鼠心肌損傷程度；且大鼠心肌發生損傷后，其心肌組織中ACSL4蛋白的表達水平升高，而給予Fer-1的實驗組小鼠的ACSL4蛋白表達水平明顯低于對照組。注射Fer-1的大鼠外周血中ROS和ACSL4水平均降低，由此推測鐵死亡可能通過上調ACSL4水平激活內質網應激途徑并產生大量ROS，加重心肌纖維化，最終導致心衰。

4 總結

近年來，在不同心臟疾病的患者中，鐵死亡起重要作用。鐵死亡作為一種存在于多種疾病病理生理過程中的細胞死亡方式，倍受研究者的關注。許多研究表明，抑制心肌細胞的鐵死亡可預防心血管疾病的發生。但目前針對鐵死亡與心衰的研究較少，其具體作用機制和相關的信號通路仍不明確，仍有許多問題亟待解決。因此，探究鐵死亡的發生機制將為心衰防治提供新的靶點。