鐵死亡在癲癇發病機制中的研究進展*

甘 靖,羅 歡 綜述,陳 俊△ 審校

(1.四川大學華西第二醫院兒科/出生缺陷與相關婦兒疾病教育部重點實驗室,成都 610041;2.發育與婦兒疾病四川省重點實驗室,成都 610041)

癲癇是大腦神經元過度同步放電導致的反復性、發作性、自限性中樞神經系統功能障礙性疾病。長期反復癲癇發作會導致神經元細胞死亡,研究顯示癲癇患者過早死亡的風險是普通人群的3倍[1]。同時由于癲癇反復發作、嚴重的并發癥及抗癲癇藥物的副作用,導致患者在生活、教育、就業、婚姻和生育等方面面臨眾多困難,給家庭及社會造成了巨大的負擔。目前臨床上使用的抗癲癇藥物有20余種,然而仍有30%～40%的患者藥物治療失敗,這給癲癇的治療帶來了很大的挑戰[2]。因此,深入研究癲癇的發病機制,尋找更加精確的治療靶點,對于控制癲癇發作,尤其是難治性癲癇的發作十分重要。

近年來,越來越多的研究表明鐵死亡在調節癲癇、阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、腦卒中、創傷性腦損傷等神經系統疾病的神經細胞死亡中起著重要作用[3]。這是一種在形態、生化和基因水平上均不同于細胞凋亡、壞死性凋亡、焦亡、自噬的調節性細胞死亡形式,其形態特征包括線粒體變小、膜密度增加、嵴密度減少或消失、質膜起泡及細胞質和脂質過氧化增加[4]。深入了解癲癇患者大腦中鐵代謝和鐵死亡的調控機制十分重要,這將為預防和治療癲癇提供新的途徑。本文概述了鐵死亡的調控機制及其在癲癇發病中的作用。

1 鐵代謝與鐵死亡

鐵是人體生長發育所必需的微量元素,也是人體內含量最豐富的微量元素,作為酶成分參與了體內多種氧化還原反應(氧轉運、氧化磷酸化、三羧酸循環)和DNA的生物合成,在神經系統中還參與了兒茶酚胺類神經遞質的代謝及髓磷脂的形成,由此可見,鐵對體內的代謝和調節十分重要[5]。一般情況下,人體內循環鐵以Fe3+的形式與轉鐵蛋白(transferrin,TF)和轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TFR1)形成TF-(Fe3+)2-TFR1復合物,在鐵氧還原酶(STEAP3)的作用下進入細胞溶酶體后被還原為Fe2+,隨后Fe2+通過二價金屬轉運蛋白1(DMT1)從核內體釋放到細胞質的動態鐵池中。動態鐵池廣泛存在于線粒體、溶酶體、細胞質和細胞核中,正常生理狀態下可以通過細胞中鐵的吸收、分布和輸出來調節鐵平衡,但當鐵代謝異常導致鐵在組織器官中過量沉積時就會出現鐵過載,過量的Fe2+通過芬頓反應產生大量活性氧 (reactive oxygen species,ROS),與細胞膜上的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)發生一系列過氧化反應生成脂質過氧化物,造成細胞膜結構破壞并引起細胞鐵死亡[6]。作為鐵死亡誘導劑,RAS致癌基因選擇性致死小分子erastin能夠通過抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(簡稱Xc-系統)活性來抑制谷胱甘肽(glutathione,GSH)的合成,而谷胱甘肽有防止脂質過氧化的重要作用,當谷胱甘肽耗竭時會引起脂質過氧化物集聚并誘發鐵死亡。鐵螯合劑和抗氧化劑可以抑制這一過程,隨后的研究也證實了鐵死亡的發生與細胞內鐵過載及活性氧引起的脂質過氧化密切相關[7]。表明鐵死亡是具有可調控性的,鐵死亡的發生與細胞內鐵代謝水平、脂質過氧化水平密切相關,且受多條調控途徑調節。

2 鐵死亡的調控機制

2.1 Cys-GSH-GPX4調控途徑

谷胱甘肽作為細胞內最主要的抗氧化劑,是人體內清除活性氧的主要物質,由胱氨酸(Cys)、谷氨酸(Glu)和甘氨酸(Gly)組成[8]。谷胱甘肽的合成主要是由Xc-系統介導的,構成Xc-系統的胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白是一種跨膜轉運蛋白,由輕鏈xCT(SLC7A11)和重鏈4F2hc(SLC3A2)兩個亞基組成,從細胞外攝取胱氨酸的同時輸出Glu(以1∶1的比例進行交換)。其中輕鏈xCT可增強對胱氨酸攝取以促進谷胱甘肽的合成,從而抑制氧化應激和鐵死亡[9]。某些小分子(如erastin)對Xc-系統活性的抑制能導致細胞內谷胱甘肽水平下降,從而導致鐵死亡的發生[10]。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)作為一種能夠特異性催化谷胱甘肽并將脂質過氧化物轉化為類脂醇的硒蛋白,其功能活性主要取決于谷胱甘肽的生物合成,當谷胱甘肽過度消耗時會導致GPX4失活,引發細胞內脂質過氧化和鐵死亡[11]。另外,轉錄因子E2相關因子2(Nrf-2)的激活也能夠通過增加谷胱甘肽的表達水平來升高GPX4活性和鐵儲存能力,通過蛋白激酶B(AKT)/Nrf2/GPX4信號通路來調控鐵死亡[12]。

2.2 FSP1-CoQ10-NADPH調控途徑

除了Cys-GSH-GPX4調控途徑外,鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)和輔酶Q10(CoQ10)介導的FSP1-CoQ10-NADPH途徑也是調控鐵死亡的重要途徑之一,不同的是,前者主要影響細胞內脂質過氧化水平,而后者則主要影響細胞膜上氧自由基的水平,二者共同阻止脂質過氧化和鐵死亡的發生[13]。FSP1可將細胞膜上的輔酶Q10轉化為還原型的輔酶Q10來抑制過氧化反應,同時FSP1又通過還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)催化輔酶Q10的再生[14]。輔酶Q10作為線粒體呼吸鏈的一部分,不僅參與呼吸鏈中的電子傳遞,還通過捕獲自由基中間體來抑制線粒體外的脂質過氧化,因此,輔酶Q10的缺乏可能會使細胞對鐵死亡敏感[15]。

2.3 GCH1-BH4-DHFR調控途徑

四氫生物蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)是人體內重要的的小分子自由基捕獲抗氧化劑,具有強有效的防止脂質過氧化作用,它還參與了中樞神經系統多種神經遞質包括多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素的合成。鳥苷三磷酸環化水合酶(guanosine triphosphate cyclohydrolase 1,GCH1)是BH4合成的限速酶,GCH1基因的表達與BH4水平直接相關,GCH1基因過表達可以促進BH4生成并選擇性地保護PUFA免于被氧化降解,以抑制脂質過氧化過程,同時BH4還可通過將苯丙氨酸轉化為酪氨酸來促進輔酶Q10的合成,進一步抑制了脂質過氧化及活性氧的產生,降低細胞對鐵死亡的敏感性[16]。BH4通過二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)進行氧化還原循環,DHFR的基因或藥理學阻斷與GPX4表達受限會協同誘導鐵死亡的發生[17]。

2.4 自噬調控途徑

起初鐵死亡被認定為是一種不依賴自噬的調節性細胞死亡,而最新研究表明,自噬可以通過影響鐵代謝來調節細胞對鐵死亡的敏感性。自噬通過將核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator4,NCOA4)作為選擇性受體來識別鐵蛋白并通過溶酶體將其降解,這個過程稱為鐵蛋白自噬(ferritinophagy),它會促進鐵蛋白的降解,導致細胞不穩定鐵水平的增加及隨后的氧化損傷和鐵死亡[18]。雙氫青蒿素(dihydroartemisinin,DHA)能夠通過AMP激酶的蛋白激酶(AMPK)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70S6k信號通路誘導鐵蛋白自噬并促進鐵蛋白降解,增加了不穩定鐵離子的水平導致鐵過載,促進細胞活性氧的積累并最終誘導鐵死亡[19]。除NCOA4介導的鐵蛋白自噬外,鐵死亡還與許多自噬相關途徑有關,包括脂質自噬、生物鐘自噬和分子伴侶介導的自噬CMA等[20]。

3 鐵死亡與癲癇

癲癇患者神經元異常放電會導致細胞水平的各種病理變化,而過度氧化應激就是最典型的病理變化之一[21]。頻繁、長時間的癲癇發作會導致過度的氧化應激反應,由于人類大腦中富含PUFA和鐵,很容易發生氧化應激和脂質過氧化反應,癲癇的病理過程與鐵死亡存在密切聯系[22]。谷胱甘肽和GPX4作為鐵死亡中最重要的自由基清除物和生理調節劑,在減輕氧化應激反應方面發揮了關鍵作用,而癲癇患者的谷胱甘肽和GPX4水平較健康人低,二者持續低水平可導致神經元細胞興奮性變化、海馬神經元丟失和星形膠質細胞增生。在紅藻氨酸(kainic acid,KA)誘導的顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy,TLE)小鼠模型中也檢測到谷胱甘肽消耗、GPX4表達減少及脂質過氧化物和鐵的累積[23]。YüREKLI等[24]也證實了癲癇的特征是氧化應激增加和谷胱甘肽、GPX4及維生素E減少,并發現補充硒和使用托吡酯可增加癲癇患者紅細胞谷胱甘肽和GPX4水平,降低紅細胞脂質過氧化水平和活性氧的產生,以阻止或抑制由氧化應激引起的癲癇發作。有研究通過觀察維生素E對癲癇大鼠海馬神經元纖維毒性的影響,發現維生素E能夠降低脂氧合酶15(lipoxygenase 15,15-LOX)的表達來抑制丙二醛和鐵的積累,同時增加GPX4和谷胱甘肽的表達,從而減少神經元細胞鐵死亡和癲癇發作[25]。抗癌藥拉帕替尼也可以通過恢復GPX4活性來預防紅藻氨酸誘導的癲癇發作和鐵死亡[26]。另有研究證實輔酶Q10可通過減弱脂質過氧化反應來改善紅藻氨酸誘導的TLE大鼠模型的癲癇發作并抑制海馬神經元丟失[27]。因此,可以通過抑制脂質過氧化、減少活性氧的產生以降低細胞對鐵死亡的敏感性,從而控制癲癇發作。

目前已知鐵過載是出血性腦卒中和外傷后發生難治性癲癇的重要原因。當機體發生出血性皮質梗死或外傷所致的顱內出血后,紅細胞破壞分解導致含鐵血黃素釋放進入腦組織,引起動態鐵池失衡造成鐵過載,通過芬頓反應產生大量活性氧后誘發鐵死亡及癲癇發作[28]。有研究[29]對315例腦卒中患者進行回顧性分析,其中95例患者發生了腦卒中后癲癇發作,通過對比分析發現出現癲癇發作的患者的出血轉化分級、含鐵血黃素沉積比例均明顯高于未出現癲癇發作的患者,造成鐵離子在腦組織中大量沉積導致鐵過載。另有研究通過將血紅蛋白或氯化鐵(FeCl3)注射到大鼠的大腦皮層中成功建立了外傷性癲癇動物模型,隨后觀察到大鼠出現慢性癲癇發作,并檢測到神經細胞內氧自由基的增加,而使用抗氧化劑能夠減輕這一過程[30]。此外,去鐵胺、右雷佐生及去鐵酮等鐵螯合劑也可通過減少局部轉鐵蛋白、降低鐵利用率來治療FeCl3誘導的癲癇發作[31]。為了驗證鐵過載易導致癲癇的假設,有研究檢測了130例癲癇患者的轉鐵蛋白飽和度,結果表明癲癇患者的平均轉鐵蛋白飽和度明顯高于健康人群[32]。以上研究表明,癲癇患者大腦中鐵代謝異常出現鐵過載是誘導鐵死亡發生及造成癲癇發作難以控制的重要原因。

綜上所述,鐵死亡與癲癇的發生、發展關系密切,靶向調控鐵代謝水平及脂質過氧化水平可能是抑制鐵死亡、控制癲癇發作的有效治療方法。

4 總結與展望

鐵死亡是多種生物途徑同時作用的結果,歸因于由鐵過載和活性氧引起的嚴重脂質過氧化,在包括癲癇在內的多種神經系統疾病中發現,靶向調控鐵死亡有助于控制癲癇發作及減少神經元細胞死亡。雖然目前鐵代謝途徑和鐵死亡的調控途徑在癲癇中的具體作用機制尚未完全明確,仍需要更系統的深入研究,但鐵死亡作為一種新的細胞調節性死亡方式,為癲癇、難治性癲癇的治療提供了一種新的思路,具有廣泛的研究價值和意義。