周桃桃 綜述 郭兆安 審校

急性腎損傷(AKI)的診斷時(shí)間和死亡率之間存在相關(guān)性,血清肌酐是臨床診斷AKI的常用指標(biāo),它對腎功能的急性變化不敏感。已知AKI的發(fā)病涉及細(xì)胞凋亡、壞死、自噬等多種病理過程。最新研究發(fā)現(xiàn),AKI發(fā)病率及死亡率與鐵死亡(ferroptosis)相關(guān)信號分子的表達(dá)呈正相關(guān),且小分子鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑能治療AKI。鐵死亡是由細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化代謝障礙引發(fā)的一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡,細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境受谷胱甘肽(GSH)過氧化物酶4 (GPX4)控制,并可被鐵螯合劑和親脂抗氧化劑抑制。鐵死亡參與AKI的發(fā)生發(fā)展,抑制鐵死亡可成為AKI治療的新措施。因此,系統(tǒng)研究鐵死亡在AKI的作用機(jī)制,對AKI的預(yù)防和治療尤為重要。

鐵死亡的發(fā)生機(jī)制

鐵死亡是鐵依賴的可調(diào)控性、非凋亡細(xì)胞死亡,由特定的小分子如Erastin和RAS-selective lethal 3 (RSL3)誘導(dǎo)。AKI過程涉及鐵死亡、凋亡、壞死性凋亡、細(xì)胞焦亡等多種死亡形式。鐵死亡是GSH/GPX4通路、脂質(zhì)過氧化物積聚、鐵離子依賴等引起的細(xì)胞膜氧化損傷;凋亡是由外源性死亡受體腫瘤壞死因子α途徑、內(nèi)源性(線粒體)途徑和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)通路等介導(dǎo)的程序性死亡;壞死性凋亡是蛋白激酶3、混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白激活,經(jīng)死亡受體介導(dǎo)的凋亡失效后的程序性死亡;細(xì)胞焦亡是在脂多糖等的刺激下,炎性小體激活細(xì)胞因子,調(diào)節(jié)Caspase-1/Caspase-11等介導(dǎo)的細(xì)胞死亡[1]。鐵死亡不具有腫脹細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器或細(xì)胞膜破裂等典型壞死的形態(tài)學(xué)特征,也不具有細(xì)胞收縮、染色質(zhì)凝聚、凋亡小體的形成和細(xì)胞骨架解體等細(xì)胞凋亡的特征,而表現(xiàn)為細(xì)胞線粒體變小、膜密度增高和嵴減少,細(xì)胞成分上脂質(zhì)過氧化增加、活性氧增多。在缺血再灌注損傷(IRI)導(dǎo)致的AKI中,缺氧可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和壞死,再灌注誘導(dǎo)鐵死亡,表現(xiàn)為腎小管上皮細(xì)胞中出現(xiàn)明顯的線粒體變小、膜密度增加。另外,IRI引起細(xì)胞焦亡并激活Caspase-3從而導(dǎo)致腎臟微血管稀疏[2]。葉酸(FA)誘導(dǎo)的AKI模型包含了臨床AKI的所有病理表現(xiàn),鐵死亡在此類AKI中至關(guān)重要,鐵死亡可促進(jìn)炎癥,所以鐵死亡可能是其他形式的細(xì)胞死亡的驅(qū)動因素。在橫紋肌溶解引起的AKI中鐵死亡也占主導(dǎo)地位[3]。目前,Caspase激活和自噬溶酶體形成分別是凋亡和自噬的特異性標(biāo)志,鐵死亡雖沒有特異性標(biāo)志,但在各種AKI模型中,酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)使腎上腺素酸最早在非致死性鐵死亡中上調(diào),表明該分子是檢測鐵死亡的一個(gè)可靠的生物標(biāo)志物。這些不同類型的細(xì)胞死亡是否能整合到一個(gè)完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中還需要進(jìn)一步探索。鐵死亡的信號通路和關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子見圖1[4]。

圖1 鐵死亡的主要信號通路和關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子

鐵代謝鐵在循環(huán)中以三價(jià)鐵(Fe3+)與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的形式存在。Fe3+經(jīng)膜蛋白轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1、二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1轉(zhuǎn)化為Fe2+釋放到細(xì)胞質(zhì)中不穩(wěn)定鐵池(LIP)中。過量的鐵儲存在鐵蛋白中,鐵蛋白重鏈(FTH)具有鐵氧化酶活性,可催化Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+,使鐵安全地并入鐵蛋白殼以減少游離鐵。過氧化氫與Fe2+反應(yīng),產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基,該反應(yīng)為芬頓(Fenton)反應(yīng)。鐵含量過載引起線粒體氧化磷酸化途徑異常,產(chǎn)生ATP的同時(shí)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS),氧化細(xì)胞及細(xì)胞器膜上多不飽和脂肪酸(PUFA),形成脂質(zhì)過氧化物,直接或間接地破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能。在IRI導(dǎo)致的AKI中,再灌注期間,ROS產(chǎn)生增加,誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞鐵死亡。在AKI中,血漿催化鐵濃度顯著增加,并與順鉑、缺血再灌注、氨基糖苷類、橫紋肌溶解和血紅蛋白尿等因素引起的廣泛損傷相關(guān),較高的血漿催化鐵水平和較低的鐵調(diào)素濃度均與AKI患者死亡率增加相關(guān)[5]。

氨基酸代謝谷氨酸-胱氮酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(Xc-)系統(tǒng)以1∶1的比例交換細(xì)胞內(nèi)外的谷氨酸和胱氨酸,細(xì)胞內(nèi)胱氨酸還原為半胱氨酸。甲硫氨基酸在酶作用下生成S腺苷甲硫氨酸,去甲基和去腺苷后也生成半胱氨酸。半胱氨酸結(jié)合谷氨酸和甘氨酸形成GSH,GSH是細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑,用于細(xì)胞內(nèi)的酶和非酶抗氧化反應(yīng),維持過氧化氫水平在生理范圍內(nèi)。GPX4是一種GSH依賴酶,活性中心是由含有硒代半胱氨酸的硒蛋白組成,通過利用GSH和含硫醇化合物,將脂質(zhì)過氧化氫(L-OOH)還原為相應(yīng)無害的醇(L-OH),從而抑制脂氧合酶(LOX)活性和磷脂/心磷脂氧化事件的發(fā)生,減少過氧化物的堆積。甲羥戊酸以乙酰輔酶A(CoA)為原料合成異戊二酸焦磷酸酯(IPP),IPP是硒代半胱氨酸t(yī)RNA成熟和合成具有活性的GPX4必不可少的信號[6]。Erastin、柳氮磺胺吡啶可抑制Xc-功能,使胱氨酸攝取不足,胞內(nèi)抗氧化能力下降,脂質(zhì)積累從而誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡。GPX4基因敲除小鼠AKI的發(fā)病率和死亡率顯著增加,在IRI時(shí),腎組織中GSH水平明顯降低、GPX4活性降低、鐵積累和脂質(zhì)過氧化增加、鐵敏感相關(guān)蛋白和基因表達(dá)上調(diào)[7]。

脂質(zhì)代謝PUFA含有花生四烯酸(AA)或其衍生物腎上腺素酸(AdA),磷酸戊糖途徑可直接將葡萄糖氧化脫氫和脫羧,產(chǎn)生NADPH作為還原劑參與脂肪酸的合成。AA和ACSL4酯化為磷脂酰乙醇胺(PE),再由LOX通過與重組人磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1聯(lián)結(jié)形成復(fù)合體15-LOX/磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1(PEBP1),發(fā)生變構(gòu)調(diào)節(jié)提供促進(jìn)鐵死亡的信號sn2-15-HpETE-PE位點(diǎn),最終氧化為磷脂氫過氧化物(PE-AA/AdA-OOH)和ROS,其中15-LO2 在腎小管上皮細(xì)胞高表達(dá),15-LO1和15-LO2均參與缺血性急性腎損傷[8]。ROS通過Fenton反應(yīng)生成具有破壞性的羥基自由基,與鄰近分子發(fā)生急速反應(yīng),或與細(xì)胞脂質(zhì)成分過氧化生成大量脂質(zhì)自由基,導(dǎo)致含有豐富PUFA的細(xì)胞膜、質(zhì)膜變薄,結(jié)構(gòu)和功能被不可逆性破壞。核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)被認(rèn)為是抗氧化系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)因子,其下游靶基因參與維持氧化還原穩(wěn)態(tài),如GSH合成酶,GPX4,氧化應(yīng)激傳感器分子kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白1(KEAP1)通過泛素化降低Nrf2活性,在AKI時(shí),甲基巴多索隆通過抑制KEAP1的泛素活性來激活Nrf2,使腎小球?yàn)V過率得到改善[9]。在FA-AKI中發(fā)現(xiàn)腎臟脂質(zhì)過氧化,經(jīng)鐵他汀-1預(yù)處理的小鼠可以改善腎功能,減少組織損傷。

鐵死亡參與的病理生理過程

炎癥反應(yīng)在細(xì)胞應(yīng)激過程中,PUFAs在酶作用下分離出AA,AA可通過環(huán)氧合酶(COX)、LOXs和CYP450酶三條代謝途徑參與炎癥反應(yīng),進(jìn)一步加重鐵死亡,AA經(jīng)COX代謝生成前列腺素(PGs)和血栓素促進(jìn)炎癥反應(yīng)。COX2是一種由前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2(PTGS2)編碼的誘導(dǎo)酶,可激活巨噬細(xì)胞或其他炎癥細(xì)胞。相反,鐵死亡上調(diào)PTGS2表達(dá),加速AA代謝,促進(jìn)炎癥信號分子的分泌[10]。AA經(jīng)LOXs代謝生成白三烯,趨化和聚集白細(xì)胞和單核細(xì)胞,誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞釋放超氧陰離子和過氧化氫,以及促進(jìn)PGs分泌和各種氧自由基產(chǎn)生。COXs和LOXs的活性最終受到細(xì)胞脂質(zhì)過氧化物穩(wěn)態(tài)水平的直接控制,GPX4通過降低細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)直接抑制這些酶的激活[11]。在草酸鹽結(jié)晶和GPX4缺失誘導(dǎo)的AKI中,巨噬細(xì)胞激活、腫瘤壞死因子α和單核細(xì)胞趨化蛋白等促炎因子表達(dá)上調(diào),且該炎癥反應(yīng)受LOXs和PGs等脂代謝相關(guān)基因的調(diào)節(jié),也可被鐵抑制素1(Fer-1)抑制,另外,葉酸、他莫昔芬誘導(dǎo)的AKI小鼠模型中,均有鐵死亡相關(guān)的壞死性炎癥的發(fā)生[12-13]。

自噬在饑餓或氧化應(yīng)激等條件下,GSH的減少常伴有自噬發(fā)生,脂質(zhì)過氧化物也可促進(jìn)自噬體的形成,而GPX4過表達(dá)能抑制ROS介導(dǎo)的自噬反應(yīng)。鐵自噬是一種由核受體共激活因子4(NCOA4)將鐵蛋白募集到自噬體中進(jìn)行溶酶體降解和釋放游離鐵的過程,下調(diào)NCOA4可以抑制Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。脂肪自噬釋放游離脂肪酸,促進(jìn)細(xì)胞氧化,而脂滴水平與氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的鐵死亡呈負(fù)相關(guān),RAB7A基因在脂質(zhì)吞噬過程中介導(dǎo)多泡體和溶酶體對脂滴的募集,RAB7A表達(dá)增加會促進(jìn)脂滴降解,增加鐵死亡的發(fā)生[14]。研究證實(shí)了與自噬密切相關(guān)的信號通路相關(guān)分子GPX4、溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)、Nrf2、p53和ACSL4等參與了鐵死亡,在應(yīng)用鐵死亡誘導(dǎo)劑后,自噬體累積,介導(dǎo)自噬的分子參與鐵死亡的發(fā)生,如RAB7A促進(jìn)脂吞噬、BECN1抑制Xc-系統(tǒng)、STAT3誘導(dǎo)溶酶體膜通透性增加[15]。在FA-AKI中,鐵死亡和自噬相關(guān)分子GPX4、SLC7A11、FTH1相應(yīng)mRNA和蛋白的表達(dá)明顯降低[16]。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)包含一半以上的脂質(zhì)雙層,是多數(shù)細(xì)胞器中膜的脂質(zhì)來源,也可能是鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵部位。在應(yīng)激條件下,可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)。鐵死亡與ERS密切相關(guān),在鐵死亡中觀察到ERS標(biāo)記物如陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控樣蛋白1、激活轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)和真核啟動因子(eIF)2α磷酸化的上調(diào),其中ATF4還參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中分子伴侶蛋白熱休克70 kD蛋白5(HSPA5)的上調(diào),減少GPX4降解而抑制鐵死亡中的脂質(zhì)過氧化[16]。Erastin誘導(dǎo)的AKI通過刺激細(xì)胞的鐵死亡加重ERS,青蒿琥酯可以通過PERK-eIF2A-ATF4-CHOP途徑誘導(dǎo)ERS發(fā)生并增加p53調(diào)控因子的表達(dá),誘導(dǎo)鐵死亡[17-18]。

鐵死亡與AKI

鐵死亡在AKI的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。了解鐵死亡的發(fā)病機(jī)制,可針對AKI中鐵死亡的不同靶點(diǎn)選擇治療藥物(表1)[19]。其中,Fer-1、HO-1對腎臟的保護(hù)作用在多種AKI動物模型中均已得到證實(shí)[20-21]。抑制鐵死亡和鐵調(diào)素給藥已成為預(yù)防和治療AKI的新策略。

表1 鐵死亡抑制劑[19]

在FA-AKI中發(fā)現(xiàn)腎臟細(xì)胞鐵死亡主要由Nrf2/GPX4信號通路調(diào)節(jié)[22]。另外,鐵死亡具有免疫原性和促炎性,在FA-AKI中觸發(fā)炎癥反應(yīng),IL-33是壞死細(xì)胞釋放的警告因子,介導(dǎo)腎損傷,Fer-1可減少AKI相關(guān)的腎臟炎癥[23]。羅沙司他是缺氧誘導(dǎo)因子脯氨酰羥化酶的抑制劑,對FA-AKI的保護(hù)作用是通過蛋白激酶B(PKB)/糖原合成激酶3β(GSK-3β)通路激活Nrf2,其預(yù)處理的與未處理的小鼠相比,腎功能改善,鐵積累和脂質(zhì)過氧化受抑制,抗氧化酶和GSH水平升高[24]。順鉑誘導(dǎo)的AKI的鐵死亡過程受肌醇加氧酶(MIOX)的影響,MIOX的過表達(dá)除了通過鐵蛋白吞噬和脂質(zhì)過氧化促進(jìn)鐵沉積外,還可能通過下調(diào)GPX4活性和細(xì)胞內(nèi)GSH濃度來抑制“鐵沉積終止系統(tǒng)”,帕立骨化醇降低脂質(zhì)過氧化、4-羥基壬烯醛和丙二醛,在功能和組織學(xué)上減輕順鉑誘導(dǎo)的AKI[25-26]。IRI誘導(dǎo)miR-182-5p和miR378a-3p上調(diào),進(jìn)一步下調(diào)GPX4和SLC7A11,誘導(dǎo)AKI中的鐵死亡[27],肝再生增強(qiáng)因子(ALR)可調(diào)控Xc-系統(tǒng)和清除ROS,并在胰島素抵抗導(dǎo)致的AKI中起治療作用[28]。Panx1參與鐵和ROS代謝基因NCOA4、Nrf2、HO-1和FTH1在鐵死亡中的表達(dá),其缺失激活有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)通路抑制NCOA4介導(dǎo)的鐵吞噬和增加抗氧化基因HO-1的表達(dá)以保護(hù)腎臟免受IRI[29]。橫紋肌溶解誘導(dǎo)的AKI中,腎內(nèi)肌紅蛋白代謝產(chǎn)生的Fe2+通過Fenton反應(yīng)誘導(dǎo)鐵死亡,研究發(fā)現(xiàn),FTH敲除小鼠比野生型小鼠腎損傷嚴(yán)重,表明重鏈鐵蛋白對腎小管的保護(hù)作用及鐵離子在AKI中的重要性[30]。重癥急性胰腺炎大鼠腎組織中鐵積累和脂質(zhì)過氧化增加,這些變化伴隨著GPX4活性的降低、鐵死亡相關(guān)蛋白和基因的上調(diào),證明鐵死亡與重癥急性胰腺炎誘導(dǎo)的AKI有關(guān),脂肪酶1可抑制鐵死亡減輕腎損傷并改善腎功能[31]。

小結(jié):部分重癥AKI患者早期應(yīng)用腎臟替代治療并不能獲益[32]，對鐵死亡的深入研究有助于充分認(rèn)識該疾病的發(fā)病機(jī)制并提供治療新思路。以鐵死亡作為靶點(diǎn)治療AKI,可能有良好的應(yīng)用前景。然而目前針對鐵死亡的研究仍存在一些問題,如鐵死亡在組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成和維持、免疫和衰老中的生理作用有待充分研究。另外,細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、溶酶體有關(guān),然而其在細(xì)胞器的精確作用及其發(fā)生順序不明確。就藥物治療方面,藥物多在急性疾病模型中顯示出療效,然而長期療效未知,未來需精心設(shè)計(jì)臨床試驗(yàn),以將動物AKI模型的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到人類。