鐵死亡與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

王 杰 吳 蔚

長(zhǎng)沙市第一醫(yī)院藥劑科，湖南長(zhǎng)沙 410000

細(xì)胞是生命的基本組織單位，在個(gè)體發(fā)育成熟的過程當(dāng)中，細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷增殖、分化、衰老并最終走向死亡。其中死亡過程在細(xì)胞整個(gè)生命周期當(dāng)中至關(guān)重要，了解并控制細(xì)胞死亡的機(jī)制將有助于人類解決其在各種疾病中的作用。一般來(lái)說(shuō)，受損或衰老細(xì)胞會(huì)通過激活不同的細(xì)胞死亡方式被清除。在過去的幾十年里，細(xì)胞死亡的幾種形式被確定并歸類。2015 年細(xì)胞死亡命名委員會(huì)（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）根據(jù)功能方面的不同，將細(xì)胞死亡的類型分為意外性細(xì)胞死亡（accidental cell death，ACD）和調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulated cell death，RCD），前者是一個(gè)被動(dòng)過程，而后者則是一個(gè)主動(dòng)的過程[1]。調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡可以通過一系列分子機(jī)制和信號(hào)通路介導(dǎo)，其中細(xì)胞凋亡是受調(diào)控的細(xì)胞死亡中最普遍，同時(shí)也是研究最為深入的形式，它主要是由caspase 家族蛋白酶的激活引發(fā)[2]。然而，在涉及感染、創(chuàng)傷或神經(jīng)退行性疾病等情況下，細(xì)胞死亡主要通過其他非凋亡調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡途徑，包括壞死性凋亡、細(xì)胞焦亡、細(xì)胞自噬及鐵死亡等[3-6]。

鐵死亡是Dixon 等于2012 年首次確認(rèn)并報(bào)道，其特征表現(xiàn)為鐵依賴性的有毒脂質(zhì)活性氧（reactive oxygen species，ROS）積聚[7]。在隨后的幾年中，研究人員陸續(xù)在急性缺血性卒中及腦出血等急性腦損傷過程中發(fā)現(xiàn)鐵死亡可能是細(xì)胞死亡的重要機(jī)制，并可能在某些神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮作用[8]。

在分子水平，鐵死亡是以鐵依賴型的脂質(zhì)ROS積聚為特征，這一過程與不可修復(fù)的脂質(zhì)損傷和膜透化作用相關(guān)[9]。形態(tài)學(xué)上鐵死亡的細(xì)胞表型主要是線粒體形態(tài)的改變，包括線粒體皺縮和線粒體嵴的消失[10]。導(dǎo)致這些改變的原因以及這種形態(tài)學(xué)的改變是否對(duì)鐵死亡的發(fā)生起關(guān)鍵作用仍不清楚，但其仍可以作為細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的證據(jù)之一。

事實(shí)上鐵依賴型的細(xì)胞死亡并不是一個(gè)全新的概念，早在鐵死亡發(fā)現(xiàn)之前便有學(xué)者在神經(jīng)退行性疾病和腦損傷過程中報(bào)道了許多與鐵或氧化應(yīng)激相關(guān)的病理性細(xì)胞死亡事件。隨著鐵死亡的發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵死亡途徑有更好的理解有助于我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)或其他組織損傷尋找新的治療方法。本文回顧了鐵死亡的機(jī)制以及關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)疾病與鐵死亡之間的關(guān)系。

1 鐵死亡的機(jī)制

1.1 鐵離子積聚

鐵需求增加是鐵死亡的顯著特征。鐵離子或亞鐵離子螯合劑可有效抑制鐵死亡的發(fā)生，而其他二價(jià)金屬離子螯合劑沒有這種作用[11]。另外由于鐵在血液中通過轉(zhuǎn)鐵蛋白運(yùn)輸，研究人員通過敲低轉(zhuǎn)鐵蛋白后發(fā)現(xiàn)能夠阻止鐵死亡的發(fā)生，并且重新補(bǔ)充轉(zhuǎn)鐵蛋白而不是脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白后可以重新誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[12]。

此外有文獻(xiàn)報(bào)道在分子水平沉默鐵代謝的關(guān)鍵基因鐵反應(yīng)蛋白結(jié)合元件2（iron responsive element binding protein 2，IREB2）和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（transferrin receptor，TFRC）可以減少細(xì)胞對(duì)鐵的攝取同時(shí)可以顯著降低腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性[13]。以上結(jié)果提示無(wú)論是直接減少局部鐵離子的攝取和積聚，亦或是減少鐵離子的運(yùn)輸過程均能有效降低細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。

1.2 胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（cystine/glutamate antiporter，System Xc-）功能障礙

System Xc-是存在于細(xì)胞膜上的一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其由調(diào)控亞基溶質(zhì)載體家族3 成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）和溶質(zhì)載體家族7 成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）組成[14]，小分子化合物Erastin 可顯著抑制其活性。在功能上System Xc-將細(xì)胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞的同時(shí)，可以把細(xì)胞內(nèi)的谷氨酸交換出去，這一過程是非三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）依賴性的，其主要由細(xì)胞內(nèi)高濃度的谷氨酸介導(dǎo)，因此不同類型神經(jīng)系統(tǒng)損傷所引起的細(xì)胞外高濃度的谷氨酸能顯著抑制這一過程[15]。

胱氨酸在進(jìn)入細(xì)胞后立刻還原為半胱氨酸，隨后用于合成抗氧化劑谷胱甘肽（glutathione，GSH），研究人員在GSH 的3 種氨基酸中發(fā)現(xiàn)半胱氨酸含量最少，因此半胱氨酸也被認(rèn)為是GSH 從頭合成的限速氨基酸。以上研究表明System Xc-活性對(duì)于GSH 的合成至關(guān)重要。有意思的是Sato等[16]在部分細(xì)胞中抑制System Xc-活性后發(fā)現(xiàn)其并不能誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在某些細(xì)胞中甲硫氨酸可通過轉(zhuǎn)硫作用合成半胱氨酸。盡管如此，胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)在大部分細(xì)胞中似乎是維持半胱氨酸和GSH 水平的最重要因素，因此維持System Xc-功能正常對(duì)預(yù)防鐵死亡的發(fā)生以及降低細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性至關(guān)重要。

1.3 脂質(zhì)過氧化過程被激活

鐵死亡最重要的標(biāo)志是鐵依賴性的有毒脂質(zhì)ROS 積聚。其與質(zhì)膜上的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）過度氧化有關(guān)[17]。

谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）可以使用GSH 作為輔因子將PUFAs 脂質(zhì)過氧化物還原為脂質(zhì)醇。因此脂質(zhì)過氧化物和脂質(zhì)醇之間通過GPX4 維持相對(duì)平衡。當(dāng)GPX4 耗竭或失活時(shí)，脂質(zhì)過氧化物積聚并超過正常水平，其在Fe2+作用下生成強(qiáng)氧化性的烷氧基團(tuán)。這些基團(tuán)能夠通過自由基介導(dǎo)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)直接損傷鄰近的PUFAs，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的膜損傷。以上結(jié)果表明鐵死亡的發(fā)生發(fā)展可能與GPX4 之間存在強(qiáng)烈的相關(guān)性。最直接的證據(jù)是研究人員在GPX4 抑制劑RAS 選擇性致死性小分子（RAS-selective lethal 3，RSL3）中被觀察到可以誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)RSL3 可與GPX4 共價(jià)結(jié)合并直接導(dǎo)致其失活[18]。因此GPX4 功能缺失被認(rèn)為是導(dǎo)致鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵因素。

2 鐵死亡與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病

2.1 鐵死亡與腦卒中

腦卒中可分為缺血性卒中以及出血性卒中。Tuo等[19]通過建立暫時(shí)性大腦中動(dòng)脈閉塞（transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO）模型發(fā)現(xiàn)受損半球神經(jīng)元內(nèi)鐵離子水平升高。另外其他研究也證實(shí)了GPX4 水平在腦缺血半影區(qū)皮層和海馬中顯著下調(diào)。另一個(gè)涉及鐵死亡的過程是腦出血性損傷，該過程主要與血液中血紅蛋白內(nèi)的二價(jià)鐵釋放有關(guān)[20]。與在腦缺血性損傷中所觀察到的一致，研究人員發(fā)現(xiàn)GPX4 水平在出血性腦損傷區(qū)域顯著下降。

此外過表達(dá)GPX4 對(duì)于缺血性或出血性腦損傷均具有保護(hù)作用。鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 或liproxstatin-1 也被觀察到在tMCAO 誘導(dǎo)的腦損傷以及血紅蛋白或游離鐵誘導(dǎo)的腦片海馬區(qū)細(xì)胞死亡過程均有保護(hù)作用[21]。以上證據(jù)表明無(wú)論是在缺血性卒中還是出血性卒中導(dǎo)致的神經(jīng)細(xì)胞損傷里，鐵死亡均發(fā)揮重要作用。

2.2 鐵死亡與創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）

TBI 包括原發(fā)性和繼發(fā)性損傷，可造成皮質(zhì)或皮質(zhì)下挫傷和撕裂傷、顱內(nèi)出血和血腦屏障破裂。通過磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在TBI 患者的丘腦、蒼白球和深部灰質(zhì)中鐵含量顯著升高，提示鐵離子參與TBI形成過程中的白質(zhì)和皮質(zhì)下灰質(zhì)損傷[22]。因此鐵死亡與TBI 損傷可能密切相關(guān)。

在動(dòng)物模型中，損傷1 h 后可以檢測(cè)到脂質(zhì)ROS 水平升高，這與GPX4 功能被抑制有關(guān)。另外在損傷部位可觀察到與鐵死亡相一致的形態(tài)學(xué)證據(jù)，即線粒體皺縮。而給予ferrostatin-1 后可減少細(xì)胞死亡和相關(guān)的神經(jīng)行為學(xué)改變。以上證據(jù)提示在TBI 損傷過程中存在鐵死亡的發(fā)生。

2.3 鐵死亡與神經(jīng)退行性病變

2.3.1 阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD） AD是目前世界上最常見的神經(jīng)退行性疾病，占癡呆病例的60%～80%，臨床上表現(xiàn)為記憶減退和認(rèn)知功能下降[23]。在AD 患者損傷腦區(qū)中還發(fā)現(xiàn)了鐵離子水平的異常升高，這提示AD 的發(fā)生可能與鐵死亡存在關(guān)聯(lián)。研究人員通過對(duì)成年小鼠大腦神經(jīng)元中定向敲除GPX4 后發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致AD 樣認(rèn)知功能障礙，同時(shí)這一癥狀可通過鐵死亡抑制劑減輕[24]。另外由于神經(jīng)細(xì)胞膜富含PUFAs，易于被氧化，因此脂質(zhì)過氧化可能導(dǎo)致氧化應(yīng)激相關(guān)的神經(jīng)退行性病變。

以上證據(jù)均提示靶向鐵死亡過程可能對(duì)AD 的治療具有一定的意義。在一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中，口服去鐵酮（deferiprone，DFP）被證明可以減輕AD 患者神經(jīng)功能評(píng)分并改善鐵死亡相關(guān)的神經(jīng)癥狀[25]，因此鐵螯合劑可以作為治療AD 的潛在藥物。

2.3.2 帕金森病（Parkinson’s disease，PD） PD是僅次于AD 的第二大神經(jīng)退行性疾病，其典型特征仍與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)遲緩、靜息性震顫和肌強(qiáng)直[26]。PD 的病理生理特征是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性退化，這與鐵離子積聚有關(guān)，其后果是細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)以聚集的α-突觸核蛋白為主要成分的Lewy 小體[27]。Lewy 小體會(huì)導(dǎo)致ROS 的產(chǎn)生，隨后發(fā)生脂質(zhì)過氧化，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

研究人員在小鼠PD 模型中用去鐵肽治療發(fā)現(xiàn)可以顯著降低氧化應(yīng)激細(xì)胞中的鐵離子水平并改善運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)提高紋狀體多巴胺水平。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)ferrostatin-1 和去鐵胺（deferoxamine， DFO）等鐵死亡抑制劑可以阻斷神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)元死亡[28]。

另外在PD 進(jìn)展過程中，氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化和線粒體功能障礙的增加也與GPX4 的消耗有關(guān)，這也支持了鐵死亡參與的PD 的發(fā)病機(jī)制。

2.3.3 亨廷頓病（Huntington’s disease，HD） HD是常染色體顯性遺傳的神經(jīng)退行性疾病[29]。雖然HD 的病理機(jī)制非常復(fù)雜，但越來(lái)越多的證據(jù)表明氧化應(yīng)激是引起HD 的初始因素。

研究人員在HD 小鼠模型和HD 患者的死亡神經(jīng)元中觀察到高水平的脂質(zhì)過氧化，另外Kumar等[30]的研究表明在HD 患者大腦皮層、紋狀體和海馬中檢測(cè)到GSH 顯著減少。以上結(jié)果提示在HD 的發(fā)展過程中，GSH 耗竭導(dǎo)致脂質(zhì)ROS 積聚，隨后引發(fā)的鐵死亡過程可能是最主要的細(xì)胞死亡方式。

此外MRI 顯示HD 患者紋狀體中有過多的鐵沉積，通過體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)增加鐵含量后進(jìn)一步降低了HD 小鼠的紋狀體體積，同時(shí)使神經(jīng)功能評(píng)分進(jìn)一步惡化[31]。以上結(jié)果提示鐵離子積聚在HD 發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

3 展望

目前對(duì)鐵死亡研究主要集中在腫瘤相關(guān)疾病，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）已經(jīng)批準(zhǔn)使用的六甲密胺（Altretamine）、索拉非尼（Sorafenib）等藥物被發(fā)現(xiàn)可以誘發(fā)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，這對(duì)腫瘤相關(guān)疾病的干預(yù)具有重要臨床意義[32]。但目前關(guān)于非腫瘤疾病如神經(jīng)系統(tǒng)疾病的相關(guān)研究仍然較少。

與誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡的目標(biāo)不同，我們?cè)谏窠?jīng)系統(tǒng)疾病中的目標(biāo)是盡可能使損傷的神經(jīng)細(xì)胞盡可能恢復(fù)正常，目前在基礎(chǔ)研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)包括抗氧化劑及鐵螯合劑可以作為一種潛在的替代手段來(lái)緩解各種類型神經(jīng)系統(tǒng)損傷中的鐵死亡過程。因此在這一領(lǐng)域繼續(xù)深入研究并開發(fā)相關(guān)藥物可能為神經(jīng)系統(tǒng)非腫瘤疾病的發(fā)生發(fā)展提供潛在的干預(yù)手段。