Nrf2抑制創傷性腦損傷后鐵死亡的研究進展

【摘要】創傷性腦損傷（TBI）是全球范圍內一個重要的健康問題。鐵死亡是一種新近發現的細胞死亡方式，被證實參與TBI后繼發性神經元死亡，可以導致TBI后神經退行性和神經功能障礙。核因子E2相關因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）不僅是抗鐵死亡基因的重要轉錄調節因子，還是細胞抗氧化反應的關鍵調節因子，可通過緩解氧化應激反應和游離鐵的積累來減輕創傷性腦損傷造成的神經損傷，從而抑制創傷性腦損傷后鐵死亡。本文通過分析創傷性腦損傷、鐵死亡和Nrf2三者之間的聯系，就Nrf2對創傷性腦損傷后神經細胞鐵死亡的保護作用作一綜述。

【關鍵詞】創傷性腦損傷；核因子E2相關因子2；鐵死亡

Research progress of Nrf2 inhibiting ferroptosis after traumatic brain injury

LIANG Baiwei1， MA Zhuangzhuang1， ZHANG Mengzhu1， YAO Yewei1， YAN Baobao2

1.College of Basic Medicine and Forensic Medicine， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan 471023， China； 2.Baoding No.1 Central Hospital， Baoding， Hebei 071000， China

【Abstract】Traumatic brain injury （TBI） is an important health issue on a global scale.Ferroptosis is a newly discovered mode of cell death that has been confirmed to be involved in secondary neuronal death after TBI，which can lead to neurodegeneration and neurological dysfunction after TBI.Nuclear factor E2 related factor 2 （Nrf2） is not only an important transcriptional regulator of anti ferroptosis genes，but also a key regulator of cellular antioxidant response，which can alleviate nerve damage caused by traumatic brain injury by alleviating oxidative stress response and accumulation of free iron，thereby inhibiting ferroptosis after traumatic brain injury.This paper reviews the protective effect of Nrf2 on neuronal ferroptosis after traumatic brain injury by analyzing the relationship between traumatic brain injury，ferroptosis and Nrf2.

【Key Words】Traumatic brain injury； Nuclear factor E2 related factor 2； Ferroptosis

隨著社會的進步，由于交通事故、意外跌倒、高處墜落等因素導致的TBI（創傷性腦損傷）也日益普遍。其高發病率、高致殘率和高致死率給我國造成了巨大的社會壓力，同時也成為世界亟待解決的醫療難題和公共衛生問題。鐵死亡是一種鐵依賴性、脂質過氧化驅動的細胞死亡級聯反應。有研究表明[1]，鐵死亡是連接中樞神經系統繼發性損傷的關鍵點，在創傷性腦損傷中發揮著重要作用。Nrf2是細胞內氧化還原反應的主要調節因子，也是抗鐵死亡基因的重要轉錄調節因子。有研究提示[2-3]，Nrf2能減輕TBI后的神經損傷，可能與調控鐵死亡發揮抗氧化作用有關。本文以氧化應激切入，通過綜述Nrf2、TBI與鐵死亡三者之間的聯系，深入探討鐵死亡對TBI的影響機制，闡述Nrf2對神經細胞TBI后鐵死亡的保護作用。

1 鐵死亡與創傷性腦損傷（TBI）

1.1鐵死亡的定義與特點

鐵死亡是一種由鐵依賴性的磷脂過氧化驅動的細胞死亡方式，其特征包括形態學、生化、遺傳水平的變化。在形態上，鐵死亡細胞具有典型的壞死形態，包括線粒體縮小、嵴減少、細胞膜濃縮、細胞外膜破裂等，但細胞核變化不明顯。在生化方面，鐵死亡細胞喪失了谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）修復脂質過氧化物的能力，導致氧化還原活性鐵的可用性增加，以及含有多不飽和脂肪酸的磷脂發生氧化。這些變化最終引發了致命的脂質氧化過程。至于遺傳方面的調控機制，目前尚不完全清楚，但鐵代謝異常、脂質過氧化物的積累以及GPX4的失活被認為是鐵死亡的主要調控方式。

1.2鐵死亡中的氧化應激

“氧化應激”是指當身體受到有害刺激時，體內的高活性分子如活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等自由基產生過多，導致氧化系統和抗氧化系統之間的平衡被破壞，進而引發組織損傷。氧化應激是導致脂質過氧化的主要機制之一，也是導致鐵死亡的關鍵因素。目前的研究顯示，鐵死亡的發生可以通過胱氨酸/谷氨酸反向轉運體（系統Xc-）進行調節。谷胱甘肽是體內一種重要的自由基清除劑和抗氧化劑，可分為還原型（GSH）與氧化型（GSSG），細胞內胱氨酸可以通過一系列生化反應轉化為GSH，而GSH則能在GPX4的作用下轉化為GSSG。同時，GPX4是一種氧化還原酶，不但可以通過降低脂質過氧化物的水平抑制鐵質疏松；同時還可以在反應性醛（PUFAs-OOH）還原成醇形式（PUFAs-OH）中起著至關重要的作用，降低ROSs的含量。

ROSs是細胞中最常見的氧化劑，該物質的積累可導致氧化應激，誘導脂質過氧化；而脂質過氧化能進一步產生ROSs。鐵離子可直接催化細胞質中自由基的形成，或通過芬頓反應產生ROSs，可見系統Xc-、鐵離子等能促進ROSs增加，加重氧化應激，調節鐵死亡。

1.3創傷性腦死亡的鐵死亡發生機制

鐵死亡發生有三條重要途徑，分別是鐵穩態失調、脂質過氧化及GSH耗竭。

1.3.1神經細胞的鐵穩態失調

鐵穩態是鐵死亡的關鍵因素，已經在研究中得到證實。在正常生理條件下，循環鐵以三價鐵（Fe3+）的形式通過膜蛋白轉鐵蛋白受體1（TFR1）導入細胞，并在內體中定位。在內體中，Fe3+被還原為亞鐵（Fe2+），并借由STEAP3還原酶的活性實現。最后，二價金屬轉運蛋白1（DMT1）介導Fe2+的釋放，使其從內體進入細胞質中的不穩定鐵池。而細胞質中鐵池內的Fe2+受膜鐵轉運蛋白（FPN）、Poly C結合蛋白1/2（PCBP1/2）、線粒體等細胞器及血紅素氧合酶-1（HO-1）的調節。當過量Fe2+存在時，芬頓反應會生成過量活性氧（ROS），對細胞造成損傷，甚至引發鐵死亡。

1.3.2神經細胞的脂質過氧化

細胞脂質過氧化是鐵死亡級聯反應的關鍵過程，通常分為三個階段：起始、放大和終止。起始階段，RNS和RLS通過ROSs，從烯丙基碳中提取氫原子，形成脂質自由基（L）。擴增階段，新形成的L與氧快速反應形成過氧自由基（LOO），提取烯丙基碳形成新的L和脂質過氧化物（LOOH），此過程中產生的LOOH可以通過GPX4還原為脂醇，或者降解為羥基脂肪酸或反應醛。

1.3.3神經細胞的system Xc-/GSH/GPX4途徑

谷氨酸誘導的神經細胞死亡具有氧化性和鐵依賴性，與鐵死亡信號通路相似，因此可能存在共同的信號通路。谷氨酸誘導的細胞死亡可以通過抑制胱氨酸谷氨酸轉運受體（system Xc-）或鈣離子流入來啟動。System Xc-是一種異二聚體氨基酸轉運蛋白，可以將胱氨酸轉運到細胞內，同時將谷氨酸或半胱氨酸轉運出細胞。當胱氨酸進入細胞后，會被谷胱甘肽或硫氧還蛋白還原酶1還原為半胱氨酸，為合成谷胱甘肽做準備。如果system Xc-受到抑制，會導致代償性上調SLC7A11的轉錄，影響細胞攝取胱氨酸，減少GSH的合成，最終導致GSH耗竭。當GSH耗竭后，GPX4失活，增加細胞內脂質過氧化，導致鐵死亡。

1.3.4神經細胞的p53基因

p53是一種重要的抗癌基因，通過顯著降低SLC7A11的mRNA和蛋白表達水平，證實了SLC7A11是p53的靶標之一，將p53與鐵死亡聯系起來。p53可以通過轉錄抑制SCL7A11的表達，抑制Xc-系統胱氨酸的攝取，導致GSH的合成和GSH依賴性GPX4的活性降低，以及降低細胞抗氧化能力和脂質過氧化物積累，鐵死亡的發生也會隨之減少。

2 Nrf2與創傷性腦死亡

2.1Nrf2的結構和功能

核因子E2相關因子2（Nrf2）是一種在應激條件下誘導產生的轉錄因子，它在抗氧化反應中扮演著核心角色。在正常氧氣穩態下，Nrf2與Keap1結合。然而，在氧化應激環境下，Nrf2會從與Keap1的結合位點釋放出來，并迅速轉移到細胞核內。Nrf2與抗氧化反應元件（ARE）相互作用，從而激活轉錄過程，促進下游抗氧化基因的轉錄，幫助維持細胞的氧化還原穩態[4]。Nrf2的下游基因可以調節谷胱甘肽的產生，調節ROSs解毒，調節鐵代謝。

2.2 Nrf2在創傷性腦損傷中的作用

創傷性腦損傷的繼發損傷嚴重影響預后，主要原因是其氧化應激、鈣超載等機制相互交叉、影響。激活Nrf2-ARE通路能減輕以上病理、生理變化，可調節多重機制，而發揮腦保護作用。有實驗表明，小鼠動物模型TBI后腦外傷組細胞核內Nrf2蛋白水平較對照組顯著升高，Nrf2調節的基因產物HO-1和NQO1的mRNA的水平較對照組下降，Nrf2和HO-1蛋白表達水平則較對照組升高。可以推斷TBI后激活了Nrf2-ARE通路。

3 Nrf2與鐵死亡

3.1 Nrf2抑制鐵死亡

Nrf2是細胞在氧化應激下適應和存活的關鍵，但隨著對鐵死亡研究的加深，發現Nrf2是鐵死亡的重要調節因子。在葉酸誘導的急性腎損傷小鼠中，Nrf2通過調節下游基因GPX4抑制鐵死亡，發揮其腎臟保護作用。以上研究可見，Nrf2能通過抗氧化鐵死亡的抑制。

3.2 Nrf2調控鐵死亡相關基因表達

Nrf2靶點在介導鐵穩態中起關鍵作用。一、Nrf2-ARE通過促進血腦屏障和神經細胞膜上Tf R1的轉錄，增加細胞內鐵的攝入，降低細胞外游離鐵水平。二、鐵蛋白由是鐵緩沖系統的核心參與者，不但能儲存在細胞中，還能隔離多余的游離鐵，限制其氧化還原。Nrf2能上調鐵蛋白的表達，保證神經細胞儲存大量穩定的鐵，保護細胞免受鐵死亡。三、Nrf2可以正向調控線粒體外膜和內膜的活性物質，將糞卟啉原Ⅲ轉運到線粒體內，反應后形成原卟啉IX（PPIX），而FECH可以將Fe2+插入到PPIX中。Nrf2通過PPIX間接維持線粒體內游離鐵的穩定性。四、FPN基因的啟動子序列包含ARE，這使得它可以與Nrf2結合以調節腦鐵的運輸。在腦卒中患者中，缺血區域的鐵、Tf和TfR水平升高；而當Nrf2被激活后，FPN的mRNA水平也會升高。故Nrf2可以通過誘導鐵儲存鐵蛋白FTL、FTH1及鐵輸出劑FPN1的表達，減少細胞內不穩定的鐵池，進而抑制鐵死亡[5]。

4 結語

隨著對鐵死亡及其相關機制理解的不斷深入與增長，Nrf2在介導鐵死亡的關鍵作用變得更加明顯，細胞的脂質氧化、鐵和中間代謝狀態都可以由Nrf2靶基因介導。本文發現TBI后神經細胞通過鐵超載及氧化應激發生鐵死亡，而Nrf2通過抑制鐵超載及氧化應激抑制神經細胞鐵死亡。由此，我們推斷Nrf2在創傷性腦損傷后鐵死亡中，可通過抗氧化實現保護作用。

Nrf2與創傷性腦損傷后的鐵死亡調控關系的具體機制尚不明確。本文以氧化應激為著眼點，進一步闡述了TBI、鐵死亡、Nrf2的關系。然而，本篇文獻還存在著以下局限性：一是Nrf2的其他通路如（TGF-β1、NF-kB和MMP3等）以及未知通路是否可以抑制鐵死亡；二是關于Nrf2抑制TBI后鐵死亡理論尚可，缺乏實驗研究及數據支持。因此，在未來的臨床研究中，應繼續進行Nrf2在TBI后鐵死亡的基礎、動物乃至臨床研究，為減輕TBI給個人、社會帶來的負擔進行不斷研究。

參考文獻

[1] 成佩霞，胡國清.創傷性腦損傷流行病學特點的研究現狀[J].中華創傷雜志，2018，34（1）：78-83.

[2] 董妍，聶時南.創傷性腦損傷預后相關生物標志物的研究進展[J].醫學研究生學報，2020，33（7）：777-780.

[3] 白金月，馬力.以全科醫生為基礎的輕度創傷性腦損傷管理模式研究[J].中國初級衛生保健，2021，35（12）：29-32.

[4] KERINS M J，OOI A.The Roles of NRF2 in Modulating Cellular Iron Homeostasis[J]. Antioxid Redox Signal，2018，29（17）：1756-1773.

[5] 周濤，宋光捷.己酮可可堿對大鼠腦缺血再灌注損傷氧化應激反應和Nrf2-ARE信號通路的影響[J].解放軍醫藥雜志，2019，31（11）：5-10.