基于鐵死亡作用機制探討中醫藥干預腦缺血再灌注損傷*

姚慧芳,蔚懿,王璐,關運祥,錢仁義

1.河南中醫藥大學第一臨床醫學院,河南 鄭州 450000; 2.河南中醫藥大學第一附屬醫院,河南 鄭州 450000

腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia reperfusion injury,CIRI)是腦組織在缺血后恢復血流灌注時,神經元及細胞的壞死、凋亡反而加重,造成嚴重神經功能障礙,具有較高的致殘率、致死率[1]。CIRI病理機制復雜,炎癥反應、氧化應激、氨基酸興奮毒性、神經細胞凋亡、鈣超載、鐵死亡等參與其發生發展過程。鐵死亡是細胞內活性氧累積所誘導的一種新型細胞調節性死亡方式,以鐵代謝紊亂、脂質活性氧堆積為基本特征[2]。鐵死亡參與CIRI病理過程,抑制鐵死亡有神經保護及抗氧化作用,可改善神經缺損。中醫藥具有多機制、多靶點、多層次的獨特優勢,治療CIRI療效顯著。本文基于鐵死亡作用機制,梳理中醫藥防治CIRI的研究現狀,探討中醫藥防治CIRI的新思路、新靶點,以期為CIRI的臨床治療提供參考。

1 現代醫學對CIRI的認識

CIRI是卒中患者在恢復缺血區血液再灌注時造成的二次損傷,具有極高的致殘率、病死率,嚴重影響卒中患者的生存質量及生存周期。CIRI生理病理機制復雜,非一種反應、一條通路可解釋,是氧化應激、炎癥反應、線粒體障礙、能量障礙、鈣超載、氨基酸興奮毒性、神經細胞凋亡、鐵死亡等多種反應綜合作用的結果。鐵死亡是細胞內鐵代謝紊亂及活性氧的產生與降解失衡所誘導的細胞死亡。一方面,鐵代謝紊亂使細胞內活性氧升高,觸發氧化應激反應及細胞死亡;另一方面,通過催化羥自由基形成來觸發脂質過氧化反應及隨即而來的鐵死亡。鐵死亡參與CIRI生理病理過程,抑制鐵死亡有神經保護及抗氧化作用。

1.1 鐵死亡及其作用機制概述鐵死亡作為一種鐵依賴性的,脂質活性氧堆積所引起的新型細胞調節性死亡方式,在生理及病理條件下均可見到,但兩種狀態所起作用不同,生理條件下多為一種適應,抑或是一種抑癌保護機制[3]。研究發現,胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白系統(cystine/glutamate antiporter system X-,system Xc-)/p53-GSH-GPXs、FSP1-CoQ10、GCH1-BH4-DHFR 3條調節軸在鐵死亡發生發展中起著關鍵作用,其中system Xc-/轉硫通路是system Xc-/p53-GSH-GPXs調節軸核心環節,甲羥戊酸(MVA)途徑生成CoQ10是FSP1-CoQ10調節軸核心環節,3條調節軸均由NADPH介導[4],見圖1。

圖1 鐵死亡作用機制

system Xc--GSH-GPX4是鐵死亡作用機制核心環節,已成為共識。其中system Xc-是細胞抗氧化系統的重要組分,主要由SLA7A11、SLC3A2亞基組成,可促進細胞內外谷氨酸、胱氨酸運輸與轉化,進而形成GSH。谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)是機體內廣泛存在的一種重要的過氧化物分解酶[5]。GPX4是一種硒蛋白,是GPX4酶系的陰性調控因子,可降解小分子過氧化物及某些脂質過氧化物,抑制脂質過氧化反應,減少活性氧累積,從而抑制鐵死亡。GSH是GPXs的輔助因子,GSH表達下調會導致GPXs活性降低,減少鐵死亡的發生。RSL3、DPI7、DP10、DPI2、DPI3是鐵死亡誘導劑、GPX4的抑制劑,可降低GPX4活性,降低細胞降解脂質活性氧能力,從而導致鐵死亡。

NAD(P)H/FSP1/CoQ10是一條平行于system Xc--GSH-GPX4的另一抗氧化系統[6]。FSP1是一種GSH非依賴性的去鐵蛋白抑制劑,同時也是一種還原酶,可將CoQ還原為抗氧化劑CoQH2,直接減少脂質活性氧等自由基的生成。CoQ10是生物體內廣泛存在的一類脂溶性抗氧化劑,可有效減輕氧自由基對細胞的損傷。

GCH1-BH4-DHFR是一條非依賴GPX4活性的鐵死亡抑制機制[5],也是抗氧化系統的重要組成部分。GCH1是鳥苷三磷酸環水解酶,也是BH4合成的限速酶。BH4作為一種有效的自由基抗氧化劑,被DHFR氧化還原重復利用[5],從而抑制脂質氧化反應,增強細胞抗氧化能力,抑制鐵死亡。除此之外,尚可通過鐵代謝通路、線粒體通路等途徑調節體內鐵死亡。

1.2 鐵死亡作用機制與CIRI

1.2.1 抑制system Xc-/p53-GSH-GPXs通路介導的鐵死亡P53是一種抑癌基因,可下調SLA7A11的表達,抑制細胞對胱氨酸的攝取,減少GSH生成,降低GPX4活性,導致細胞抗氧化能力降低,對鐵死亡敏感性增加[6]。RSL3、DPI7、DP10、DPI2、DPI3是鐵死亡誘導劑、GPX4的抑制劑,可降低GPX4活性,降低細胞降解脂質活性氧能力,從而導致鐵死亡。研究發現,抑制system Xc-/p53會減少GSH表達,降低GPXs活性,抑制鐵死亡[7]。除此之外,RSL3、Erastin、鐵螯合劑等鐵抑制劑也可降低GPXs活性,減少鐵死亡的發生。敲除GPX4的小鼠,體內脂質過氧化反應活躍,活性氧、MDA含量均明顯增高,對鐵死亡的敏感性也增加[8-9]。

1.2.2 抑制FSP1/CoQ10通路介導的鐵死亡當system Xc-/p53-GSH-GPXs通路功能失調時,該通路可發揮補充保護機制,抑制鐵死亡。Daghlas等[10]研究發現,FSP1抑制鐵死亡的機制可能與促進轉運ESCRT-Ⅲ(內體分選復合物)膜修復系統所需的CoQ10這一獨立機制有關。在氧化應激狀態下,FSP1被重新募集到質膜上,可促進CoQ10的生成以抑制脂質過氧化,減少自由基生成,從而抑制鐵死亡發生[11]。

1.2.3 抑制GCH1-BH4-DHFR通路介導的鐵死亡GCH1-BH4-DHFR作為非依賴GPX4活性的鐵死亡抑制機制,可減輕氧化應激反應,從而減輕CIRI。Kraft等[12]發現,表BH4可促進CoQ10的合成發揮抗氧化作用,其機制可能與調節苯丙氨酸、酪氨酸間轉化相關。研究發現,抑制GPX4活性、阻斷DHFR表達在基因或藥理學上均可抑制鐵死亡[12]。

2 中醫藥基于鐵死亡作用機制減輕CIRI

中醫藥具有多機制、多環節、多靶點的獨特優勢,在CIRI治療方面有較好的療效[13-14],中醫藥防治鐵死亡可以減輕CIRI是該領域當前的研究熱點之一。鐵死亡3條重要的作用機制均是抗氧化系統的重要組成部分。中醫藥治療CIRI通過抑制鐵死亡減輕氧化應激、抑制鐵代謝通路、減輕炎癥反應等途徑減輕CIRI。當前基于鐵死亡理論及其作用機制研究多集中在中藥活性成分,中藥復方及其制劑、針灸方面的研究略顯不足。故探討中醫藥療法與CIRI后鐵死亡環節的內在有機聯系,對中醫藥精準干預CIRI后鐵死亡,減少神經功能的損傷大有裨益。

2.1 中藥單藥及活性成分對鐵死亡機制的調節當前,基于鐵死亡機制的中藥研究以單味藥的活性成分研究居多。鐵死亡作用機制均與抗氧化系統密切相關,故抑制鐵死亡、減輕氧化應激從而減輕 CIRI 是中醫藥干預鐵死亡的研究熱點。高薇等[15]研究證實,柴胡皂苷A、順鉑聯用可抑制Nrf2/HO-1通路,上調Transferrin表達,維持細胞內Fe2+水平,降低GPX4、SLC7A11、SLC40A1表達水平及GSH水平,從而促進脂質氧化反應,誘導鐵死亡。王潔等[16]發現,黨參干預CIRI鐵死亡主要作用靶點可能為AKT1、MAPK3、TNF、MAPK1、SRC等,其中萜類、黃酮類、甾醇類、生物堿類等4類化合物是黨參作用于鐵死亡的主要活性成分,兩者均可通過減輕氧化應激及炎癥反應來減輕神經細胞損傷。研究顯示,冰片可上調SOD、NO表達,降低MDA水平,抑制氧自由基生成及脂質氧化反應,增強細胞抗氧化能力[17]。Zhou等[18]研究發現,丹參有效成分丹參酮ⅡA在腦缺血發生時可降低PI3K、AKT及Nrf2表達,提高SLC7A11、GPX4水平抑制鐵死亡,減輕氧化應激。有研究表明,白藜蘆醇可降低胞內Fe2+水平,上調GPX4、xCT的表達,提高GSH水平,從而提高抗氧化應激能力,抑制鐵死亡產生,減輕病理損害,改善神經功能障礙,產生神經保護作用[19]。中藥單藥及活性成分參與鐵死亡的作用機制[16-18,20-36]見表1。

表1 中藥單藥及活性成分參與鐵死亡作用機制

2.2 中藥復方及其制劑對鐵死亡機制的調節中藥復方是在精準辨證的基礎上針對患者情況確立的方劑,一般多由兩味或兩味以上藥物組成,是中藥湯劑的主要組成部分。相對于中藥單藥,中藥復方多靶點、多機制的優勢更加明顯,更適應臨床需要。趙馮巖等[37]基于網絡藥理學探討補陽還五湯干預腦缺血鐵死亡機制,研究結果顯示可能與調控MAPK、PI3K-Akt、Ras等信號通路及HSP90AA1、EGFR、GRB2等3個關鍵靶點相關。其中HSP90AA1靶點以及PI3K-Akt信號通路可能為抑制鐵死亡關鍵機制;且補陽還五湯調控鐵死亡的關鍵靶點的成分多來源于黃芪、紅花、桃仁、赤芍等4味藥。研究表明,腦泰方可抑制鐵死亡,作用機制為調控HSF1/HSPB1信號通路,上調HSF1、HSPB1、FTH1表達,下調TFR1蛋白表達,降低細胞內Fe2+、MDA、活性氧水平,從而抑制鐵超載觸發的Fenton反應及脂質氧化反應,減輕神經功能損傷[38]。周玉嘉[39]發現,冠心寧可通過調控PPAR信號通路抑制MDA、活性氧的表達,增加SOD水平,改善氧化應激,減輕細胞損傷。中藥復方及制劑參與鐵死亡作用機制[37-47]見表2。

表2 中藥復方及制劑參與鐵死亡作用機制

2.3 針灸對鐵死亡機制的調節針灸作為中醫傳統療法,具有多機制、安全性高、不良反應少、價廉等優勢,在干預神經功能缺損方面療效顯著。李明月等[48]研究發現,“百會”透“曲鬢”針刺法可減輕線粒體形態改變,上調神經元特異性核蛋白(NeuN)的表達水平,下調MDA表達,抑制鐵死亡促進神經功能修復。Li等[49]研究發現,針刺通過調節p62/Keap1/Nrf2抗氧化途徑,上調GPX4、FTH1表達,減少MDA、Fe2+表達,抑制Fenton及隨后的脂質氧化反應,抑制鐵死亡。有學者在整理歸納近些年針刺干預CIRI機理研究中發現,其抑制鐵死亡的機制可能與調控Nrf2/HO-1通路,減少MDA、活性氧等氧自由基拮抗氧化反應相關[50]。彭傳玉等[51]研究發現,艾灸可上調大鼠SLC7A11、GSH、GPX4表達水平,下調p53、活性氧表達水平,抑制鐵死亡發生,提示艾灸可能為抑制鐵死亡的有效途徑之一,見表3。

表3 針灸干預鐵死亡作用機制

3 討論

鐵死亡參與CIRI病理過程,抑制鐵死亡可減輕氧化應激,起到神經保護作用。system Xc-/p53-GSH-GPXs、FSP1-CoQ10、GCH1-BH4-DHFR 3條調節軸是鐵死亡作用機制的核心環節,且均為抗氧化系統的組成部分。中醫藥具有多機制、多環節、多靶點的特點,其抑制鐵死亡、減輕氧化應激的作用是當前研究熱點。

P53作為抑癌基因,可下調SLA7A11、GSH表達,降低GPX4活性,導致細胞抗氧化能力降低,對鐵死亡敏感性增加,因此,誘導鐵死亡能夠提高殺傷癌細胞的功效。本文初步歸納總結了中醫藥調節鐵死亡機制相關文獻,發現當前中醫藥干預鐵死亡及其作用機制研究以單藥成分研究居多,中藥復方及其制劑相對較少,且多集中在抑制鐵死亡減輕氧化應激方面。因此,基于鐵死亡作用機制,探究鐵死亡的“雙重作用”,充分發揮中醫藥多層次、多機制、多靶點的優勢,具有廣闊的臨床前景。