鐵死亡與骨質(zhì)疏松的關(guān)系研究進展

曾令云，黃明智，彭國璇，彭洪成，劉祥輝，雷安毅，林園，鄒旭

1 貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，貴陽 550000；2 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科

骨質(zhì)疏松是一種骨骼系統(tǒng)的慢性疾病，其特征是骨量減少和微觀結(jié)構(gòu)損傷，由成骨和骨吸收之間的動態(tài)平衡被破壞引起。近年來骨質(zhì)疏松的發(fā)病率增高，脊柱和四肢脆性骨折顯著增加［1］。鐵死亡是一種不同于細胞凋亡、壞死、焦亡以及細胞自噬程序化的細胞死亡模式，2018 年由細胞死亡命名委員會正式命名［2］。鐵死亡細胞的形態(tài)學(xué)變化主要表現(xiàn)在線粒體上，包括膜密度增加、嵴減少、凝結(jié)或腫脹、外膜破裂。其主要特征是細胞內(nèi)鐵離子積累、活性氧（ROS）水平升高和谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）表達下調(diào)［3］。過多的鐵可能會通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生過量的ROS 和增加脂氧合酶的活性，使得細胞膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致細胞死亡。這一過程與GPX4和XC-系統(tǒng)受到抑制，導(dǎo)致半胱氨酸代謝障礙和脂質(zhì)過氧化增強相關(guān)［4］。生物化學(xué)上，鐵死亡被認(rèn)為是氧化型多不飽和脂肪酸膜磷脂過度脂質(zhì)過氧化的結(jié)果，會對核酸、蛋白質(zhì)和脂類大分子造成損傷［5］。本文對鐵死亡與骨質(zhì)疏松的關(guān)系進行綜述。

1 骨質(zhì)疏松與鐵代謝的關(guān)系

骨骼系統(tǒng)有一個持續(xù)的重塑周期，需要在合成代謝和分解代謝之間保持適當(dāng)平衡，才能保持骨組織穩(wěn)定。在這個骨重建過程中，破骨細胞會附著在舊骨上，通過釋放蛋白酶和酸性產(chǎn)物以溶解礦物質(zhì)和消化骨基質(zhì)，成骨細胞則通過分泌堿性磷酸酶、骨橋蛋白和骨鈣素引導(dǎo)細胞外基質(zhì)的沉積，促進骨的形成。成骨細胞和破骨細胞間通過多種方式進行交流，以維持骨穩(wěn)態(tài)。任何原因引起的破骨細胞活性增強和成骨細胞活性降低都會破壞骨重建平衡，進而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。鐵作為人體必不可少的微量元素，在氧轉(zhuǎn)運、血紅蛋白合成、ATP 合成和酶反應(yīng)等生理活動中起著不可或缺的作用。生理條件下，體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)由鐵吸收、鐵轉(zhuǎn)運、鐵儲存來共同維持。鐵離子通過Trfr 編碼的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 進入細胞，并在體內(nèi)進一步還原為亞鐵離子隨后，亞鐵離子通過二價金屬轉(zhuǎn)運體1 被攜帶并釋放到細胞質(zhì)中。被吸收的鐵主要用于線粒體中鐵硫簇和血紅素的生物合成，其余鐵則存在于不穩(wěn)定的鐵池中。鐵代謝異常會增加許多疾病的風(fēng)險，如貧血、心臟病、傳染病和神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病等［6-9］。有研究表明，鐵代謝在骨平衡中起重要作用，鐵過量可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松［10］，這是因為破骨細胞在骨吸收過程中需要更多的鐵來維持線粒體的功能，而成骨細胞則在鐵過量時被抑制［11］。當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)和組織中的鐵濃度超過轉(zhuǎn)鐵蛋白的結(jié)合能力時，游離鐵就會沉積在組織中，形成一種叫做鐵超載的病理狀態(tài)。2013 年，CHEN等［12］通過將受精2 d 剛孵化的斑馬魚幼體放入含有不同濃度檸檬酸鐵銨的培養(yǎng)皿中處理，構(gòu)建了斑馬魚鐵超載模型，發(fā)現(xiàn)鐵超載會導(dǎo)致成骨細胞特異性基因表達下降，并伴隨顯著的成骨抑制。鐵超載會導(dǎo)致過量的游離亞鐵離子通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生過量的ROS 和增加脂氧合酶的活性，脂氧合酶能夠?qū)е录毎ぶ械牟伙柡椭舅岚l(fā)生脂質(zhì)過氧化，抑制細胞活性［13］。此外，鐵超載還會上調(diào)磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/蛋白轉(zhuǎn)錄因子3a（FOX3a）信號通路的表達，過表達的FOX3a 通過與其啟動子結(jié)合來抑制雙特異性磷酸酶14（DUSP14）的表達，從而抑制成骨細胞的生長和礦化［14］。可見，鐵代謝在骨質(zhì)疏松中扮演著極其重要的角色。

2 鐵死亡與骨質(zhì)疏松的關(guān)系

2.1 骨質(zhì)疏松中的鐵死亡生化過程 鐵死亡和骨質(zhì)疏松的關(guān)系得到廣泛的研究，特別是成骨細胞和破骨細胞鐵死亡。骨質(zhì)疏松中的鐵死亡主要包括以下生化過程：①鐵轉(zhuǎn)運體異常導(dǎo)致細胞內(nèi)鐵大量聚集，過量的亞鐵離子通過Fenton 反應(yīng)產(chǎn)生大量ROS和過氧化脂質(zhì)，破環(huán)成骨細胞的細胞膜結(jié)構(gòu)；②半胱氨酸攝入減少和谷胱甘肽耗竭降低GPX4 的活性，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物清除障礙，破壞成骨細胞細胞膜的完整性和成骨能力；③FTH 和NCOA4 可共同作用，引起鐵蛋白的自噬降解，并釋放大量的鐵離子，引發(fā)鐵死亡。糖尿病被認(rèn)為是骨質(zhì)疏松的獨立危險因素，調(diào)查發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松在糖尿病患者中的發(fā)病率是非糖尿病患者的4～5 倍［15］。在體外實驗中，高葡萄糖和棕櫚酸顯著降低了MC3T3-E1 細胞活力，而去鐵胺（DFO）和Ferrostatin-1（Fer-1）則有效緩解了這一作用。進一步研究表明，高糖高脂通過激活甲基轉(zhuǎn)移酶3/凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1-p38 信號通路誘導(dǎo)成骨細胞鐵死亡，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生［16］。此外，晚期糖基化終末產(chǎn)物的積累導(dǎo)致了鐵相關(guān)蛋白的變化，如Gpx4 和SLC7A11 水平的降低，以及核受體共激活因子4、ACSL4 蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 和二價金屬轉(zhuǎn)運戴白1 水平的升高，促進了成骨細胞鐵死亡［17］。線粒體鐵蛋白（FtMt）是線粒體中的儲鐵蛋白，因為其具有亞鐵氧化酶活性而被認(rèn)為具有抑制ROS 產(chǎn)生的功能。據(jù)報道，F(xiàn)tMt 過表達可以逆轉(zhuǎn)Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡［18］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMt 缺乏可通過ROS 同源性磷酸酶張力蛋白誘導(dǎo)的激酶1/Parkin 途途徑增強成骨細胞的線粒體自噬，從而在清除受損線粒體的同時產(chǎn)生更多的ROS，促進鐵死亡發(fā)生［19］。這可能和線粒體自噬時產(chǎn)生的大量游離鐵離子有關(guān)，其具體機制仍有待進一步研究。有研究報道了原代巨噬細胞中的氧濃度過高會使得線粒體中的鐵硫簇快速降解，進而導(dǎo)致鐵死亡［20］。這可能是由于鐵硫簇的缺失引發(fā)了鐵饑餓反應(yīng)（轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1增加，鐵蛋白重鏈減少）。這種由細胞內(nèi)缺鐵引起的鐵蛋白重鏈的降解被稱為“鐵蛋白自噬”，會導(dǎo)致細胞內(nèi)鐵水平的增加，并增加鐵死亡的風(fēng)險。氧濃度也會影響破骨細胞形成過程中骨髓源性巨噬細胞的命運，在常氧條件下，RANKL 誘導(dǎo)了鐵饑餓，促進了鐵蛋白自噬，而缺氧則抑制了這一過程。值得注意的是，下調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1α）表達可增加缺氧條件下線粒體鐵的積累和脂質(zhì)過氧化。2-甲氧基雌二醇是HIF-1α 的特異性抑制劑，通過誘導(dǎo)破骨細胞的鐵死亡來逆轉(zhuǎn)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的作用。然而，HIF-1α 基因敲除可抑制骨吸收功能，但并不影響破骨細胞的形成［21］。鐵死亡在糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松中同樣起著重要的作用。SUN等［22］發(fā)現(xiàn)，地塞米松（DEX）可誘導(dǎo)MC3T3-E1 細胞和MLOY4 細胞中p53 的表達增加，而p53 作為SLC7A11 的上游調(diào)控基因，可有效抑制SLC7A11/GPX4 的表達，使細胞引入細胞外半胱氨酸進行谷胱甘肽生物合成、ROS 解毒和抗氧化活性的能力降低，導(dǎo)致鐵死亡。此外，有研究報道糖皮質(zhì)激素導(dǎo)致斑馬魚不同骨組織的骨質(zhì)疏松［23］。MIAO 等［24］證實鐵死亡參與了DEX 誘導(dǎo)的毒性，但抑制鐵死亡只能部分減少DEX 誘導(dǎo)的T 細胞消融，而不能減輕骨質(zhì)疏松。在大劑量DEX 治療后，GPX4 和Xc-下調(diào)，導(dǎo)致ROS 產(chǎn)生增加，促進小鼠成骨細胞鐵死亡，并通過激活RANKL/RANK通路促進破骨細胞的分化。

2.2 鐵死亡在骨質(zhì)疏松治療中的作用 目前，治療骨質(zhì)疏松的主要臨床藥物是抑制破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收，如降鈣素、雌激素、雙膦酸鹽等，但都有不同程度的不良反應(yīng)。隨著鐵死亡在骨質(zhì)疏松中的作用被發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)鐵死亡來預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。Fer-1 能夠有效緩解erastin 誘導(dǎo)的成骨細胞系MC3T3-E1 鐵死亡，但也會產(chǎn)生摻雜效應(yīng)，在其濃度大于20 μmol/L 時會誘導(dǎo)細胞凋亡［25］。在適當(dāng)濃度內(nèi)Fer-1 以劑量依賴性的方式挽救骨細胞活力，而當(dāng)濃度超過10 μmol/L 時則表現(xiàn)出明顯的負性作用［26］，但目前關(guān)于其療效尚未在人體試驗得到證實。鐵螯合劑是目前較常用的抑制鐵死亡的藥物，包括DFO、去鐵酮和地拉羅司。其主要機制是通過促進鐵排泄，減少游離鐵發(fā)揮作用。由于過量的鐵選擇性地抑制骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化而不是軟骨細胞和脂肪細胞［27］，所以DFO 的降鐵功能可有效促進骨形成。在QU 等［28］的研究證實，去鐵胺通過糖原合成酶激酶3β/β-連環(huán)蛋白信號通路促進骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨。此外，鐵螯合劑還通過下調(diào)鐵超載導(dǎo)致的NOX4 增多來降低ROS［29］。上調(diào)Nrf2的表達和促進Nrf2的核轉(zhuǎn)位來激活Nrf2 介導(dǎo)的抗氧化途徑也是其抑制鐵死亡的途徑之一［30］。雖然去鐵胺對骨質(zhì)疏松有較好的治療效果，但是其在高劑量下的不良反應(yīng)包括聽覺神經(jīng)毒性、生長遲緩、眼部毒性等仍不可忽視［31］。褪黑激素是一種內(nèi)源性抗氧化劑，由松果體中的血清素合成，在許多病理生理（抗炎、抗氧化、抗腫瘤、骨形成）過程中起重要作用［32］。褪黑素通過激活Nrf2/HO-1 通路，增加GPX4的活性，降低ROS的水平，從而顯著降低高血糖誘導(dǎo)MC3T3細胞鐵死亡［33］。與以往研究不同的是，該研究表明高濃度和低濃度的褪黑素都能促進骨形成，且該作用并非劑量依賴。褪黑素還可通過激PI3K/AKT/mTOR 信號通路來抑制骨髓間充質(zhì)干細胞的鐵死亡，從而抑制類固醇誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松的發(fā)生［34］。這使得褪黑素在鐵死亡相關(guān)的骨質(zhì)疏松中的療效得到證實，或許可以在臨床上推廣使用。青蒿素可有效抑制破骨細胞的形成［35］。這可能是由于破骨細胞中鐵含量高，使青蒿素更易激活，從而導(dǎo)致破骨細胞中鐵死亡，因此其并不影響成骨細胞的分化和成骨能力［36］。青娥丸可調(diào)節(jié)骨代謝，延緩骨衰老，提高骨質(zhì)量，從而改善骨質(zhì)疏松［37］。在最新的研究中發(fā)現(xiàn)，青娥丸通過下調(diào)ATM翻譯和激活A(yù)KT/PI3K 通路抑制erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡，從而保護骨形成［38］。可見中藥治療骨質(zhì)疏松有巨大潛力。

目前研究雖然證明了鐵死亡在骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展及治療中扮演重要角色，但其機制尚未完全清楚，仍需進一步探究。基于基因?qū)用娴难芯咳玷F死亡相關(guān)基因的尋找及其作用機制的探索能夠深入理解鐵死亡在骨質(zhì)疏松中的作用。此外，調(diào)節(jié)鐵死亡的藥物在骨質(zhì)疏松中的應(yīng)用及其藥理作用機制有待進一步研究，尤其是中藥的應(yīng)用有很大潛力。