金童， 陳鋮

武漢大學(xué)人民醫(yī)院腎內(nèi)科，武漢430060

鐵死亡是2003 年Dolma 等[1]在研究小分子化合物Eaststin 殺死RAS 突變腫瘤細(xì)胞的機(jī)制時發(fā)現(xiàn)的一種新型調(diào)控細(xì)胞死亡模式。2012年，Dixon等[2]研究發(fā)現(xiàn)，Erastin 抑制胱氨酸轉(zhuǎn)入胞內(nèi)，導(dǎo)致谷胱甘肽（glutathione，GSH）耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）失活，并將這類新型死亡方式命名為鐵死亡，其是一種鐵依賴的非凋亡的細(xì)胞死亡。鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)等方面的特征與凋亡、自噬、壞死、焦亡等細(xì)胞死亡方式存在明顯差異，主要表現(xiàn)為線粒體嵴皺縮、膜密度增加、外膜破裂而細(xì)胞核完整，染色質(zhì)未凝集[3]。近年來，研究表明，鐵死亡涉及多種疾病的病理過程，包括腫瘤、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、肝病等[4]。鐵死亡有望成為研發(fā)藥物和治療疾病的有效靶點(diǎn)。本文綜述了鐵死亡的機(jī)制和與其他生物學(xué)反應(yīng)的聯(lián)系及其在不同腎臟疾病中的作用，以期為腎臟疾病的防治提供新方向。

1 鐵死亡的調(diào)節(jié)機(jī)制

鐵死亡的發(fā)生和調(diào)控主要涉及細(xì)胞代謝方式，包括脂質(zhì)、鐵和氨基酸代謝（圖1）。近年來，隨著研究的深入，一些新的調(diào)節(jié)通路也被發(fā)現(xiàn)。

圖1 鐵死亡的調(diào)節(jié)途徑Fig.1 Regulatory pathways of ferroptosis.

1.1 脂質(zhì)代謝

包含易于提取的雙烯丙基氫原子的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFA）對脂質(zhì)過氧化反應(yīng)敏感[5]，奪氫產(chǎn)生的烷基自由基易與分子氧反應(yīng)生成過氧自由基，然后與其他PUFA反應(yīng)以傳播脂質(zhì)過氧化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[6]，是促進(jìn)鐵死亡的基本要素之一。游離PUFA是合成脂質(zhì)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介質(zhì)的底物，但其必須被酯化為膜磷脂并氧化后才能傳遞鐵死亡信號[7]。研究表明，含有花生四烯酸（arachidonic acid，AA）或腎上腺酸（adrenic acid，AdA）的磷脂酰乙醇胺（phosa-phatidylethanolaminse，PE）是關(guān)鍵膜磷脂[8]，并通過酶促反應(yīng)進(jìn)一步氧化為磷脂氫過氧化物（PE-AA/AdA-OOH）或涉及芬頓化學(xué)作用的非酶自由基反應(yīng)產(chǎn)生的過氧自由基以促進(jìn)鐵死亡[9]。脂質(zhì)過氧化物可能通過改變膜的完整性、通透性、厚度及膜相關(guān)蛋白的定位與功能影響細(xì)胞代謝或通過脂質(zhì)過氧化過程中釋放的醛類物質(zhì)損傷細(xì)胞[10]。脂質(zhì)過氧化物的形成需要3 種酶，即花生四烯酸脂氧合酶（arachidonate 5-lipoxygenase，ALOXs）、?；o酶 A 合成酶長鏈家族 4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）[10]。ACSL4 催 化 AA-CoA 或 AdA-CoA 的 形 成 ，然 后LPCAT3 控制 AA-CoA 或 AdA-CoA 酯化為 AA-PE 或AdA-PE，最后由 ALOXs 將 AA-PE 或 AdA-PE 氧化為AA-OOH-PE 或AdA-OOH-PE 從而導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[9]。

1.2 鐵代謝

鐵是脂質(zhì)過氧化物的積累和鐵死亡執(zhí)行必需的元素。因此，鐵的攝入、排出、存儲和轉(zhuǎn)化均會影響鐵死亡的敏感性[4]。生理?xiàng)l件下，外周循環(huán)中的Fe3+經(jīng)過轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，Tf）、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor1，TfR1）、二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體 1（divalent metal transporter 1，DMT1)等一系列結(jié)合、轉(zhuǎn)運(yùn)后還原成Fe2+并釋放到細(xì)胞質(zhì)中[11]，獲得的鐵儲存于鐵蛋白中或通過膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（recombinant ferroportin，F(xiàn)PN）運(yùn)輸，將不穩(wěn)定的鐵池維持在較低水平，以避免細(xì)胞毒性[12]。Fe2+是鐵死亡過程中參與反應(yīng)的形態(tài)，當(dāng)機(jī)體鐵代謝紊亂時，細(xì)胞內(nèi)鐵儲存減少，過量Fe2+參與芬頓反應(yīng)催化大量活性氧（reactive oxygen species，ROS）和羥自由基的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致鐵死亡發(fā)生[13]。ROS 主要為超氧自由基陰離子（O2·-）和過氧化氫（H2O2），在游離Fe2+的作用下其會轉(zhuǎn)化為羥基自由基（OH－），形成級聯(lián)反應(yīng)，見公式（1）（2），進(jìn)一步對有機(jī)大分子特別是脂質(zhì)分子如PUFAs 進(jìn)行氧化，生成脂質(zhì)過氧化物觸發(fā)鐵死亡[14-15]。此外，鐵蛋白由鐵蛋白輕鏈（ferritin light chain，F(xiàn)TL）和鐵蛋白重鏈1（ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1）組成。鐵代謝的主要轉(zhuǎn)錄因子鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2（iron response element binding protein 2，IREB2）的沉默表達(dá)可顯著增加 FTL 和 FTH1 的表達(dá)，從而抑制由Erastin引起的鐵死亡[16]。

1.3 氨基酸代謝

胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（system Xc-）是一種氨基酸反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，廣泛分布于磷脂雙層中，是由SLC7A11 和SLC3A2 這2 個亞基組成的異二聚體。胱氨酸和谷氨酸通過system Xc-以1∶1 的比例交換進(jìn)出細(xì)胞。攝取的胱氨酸在細(xì)胞中還原為半胱氨酸，是谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成原料[17]。GPX4 的抗氧化活性依賴于GSH，GPX4可作為細(xì)胞膜的保護(hù)者，GSH 作為輔因子，聯(lián)合將有毒的脂質(zhì)氫過氧化物（lipid hydroperoxide，L-OOH）轉(zhuǎn)化為無毒的脂質(zhì)醇（lipid alcohol，L-OH）[18]。鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin 通過抑制system Xc-的功能觸發(fā)鐵死亡。最近研究發(fā)現(xiàn)FIN56 是參與非凋亡細(xì)胞死亡機(jī)制的一種小分子，并伴隨著大量脂質(zhì)ROS 的產(chǎn)生。鐵螯合劑抑制了FIN56誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，證實(shí)其是促進(jìn)鐵死亡的誘因[19]。與 Erastin 不同，F(xiàn)IN56 不是 system Xc-抑制劑，其通過誘導(dǎo)介導(dǎo)GPX4 蛋白和甲羥戊酸衍生的抗氧化劑輔酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10）耗竭的聯(lián)合作用觸發(fā)鐵死亡。輔酶Q10是一種內(nèi)源性產(chǎn)生的脂溶性抗氧化劑，能夠防止蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA的氧化損傷[18,20]。

1.4 其他途徑

VDAC 是位于線粒體外膜的跨膜通道，可轉(zhuǎn)運(yùn)離子和代謝產(chǎn)物，并在鐵死亡中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。Yagoda 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，Erastin 作用于VDAC，線粒體外膜的通透性增加，膜離子通道開放，細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，導(dǎo)致線粒體功能障礙并釋放大量過氧化物，最終導(dǎo)致鐵介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。熱休克蛋白（heat shock protein，HSP）是一類功能相關(guān)的應(yīng)激蛋白，除了幫助蛋白質(zhì)正常折疊外，還具有調(diào)節(jié)鐵代謝的能力。在人類癌細(xì)胞中進(jìn)行Erastin 處理后，熱休克轉(zhuǎn)錄因子-1（heat shock transcription factor-1，HSF-1）顯著誘導(dǎo)了 HSPB1的表達(dá)。蛋白激酶C（protein kinase C，PRKC）進(jìn)一步介導(dǎo)HSPB1 磷酸化，通過阻止細(xì)胞骨架介導(dǎo)的鐵攝取及隨后的ROS 產(chǎn)生促進(jìn)鐵死亡[22]。Doll等[23]研究表明鐵死亡抑制蛋白（ferroptosis suppressor protein 1，F(xiàn)SP1）催 化 NAD（P）H 再 生CoQ10，F(xiàn)SP1-COQ10-NAD（P）H 途徑是一個獨(dú)立的平行系統(tǒng)，可與GPX4 和GSH 協(xié)同作用抑制磷脂過氧化和鐵死亡。另外，P62-Keap1-Nrf2、ATG5-ATG7-NCOA4 和谷氨酰胺代謝途徑也能有效調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的鐵離子和ROS的形成[17]。

2 鐵死亡與其他生物學(xué)反應(yīng)的關(guān)系

鐵死亡與自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等生物效應(yīng)間存在密切聯(lián)系，在難治性疾病中可能起到相互調(diào)節(jié)的作用。因此，進(jìn)一步探究兩者間的關(guān)系和調(diào)控作用可為疾病的治療提供參考依據(jù)。

2.1 鐵死亡與自噬

適當(dāng)?shù)淖允梢蜒葑優(yōu)榇偌?xì)胞存活反應(yīng)，但過度的自噬，尤其是選擇性自噬以及溶酶體活性受損，可能會促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡。鐵蛋白的降解可以通過鐵蛋白吞噬來完成，鐵蛋白吞噬是一種由核受體共激活因子4（nuclear receptor co-activator 4，NCOA4）介導(dǎo)的選擇性自噬。敲除NCOA4可抑制鐵蛋白降解并阻止由游離鐵引起的成纖維細(xì)胞和胰腺癌細(xì)胞鐵死亡，使自噬與鐵死亡間直接相關(guān)[24]。鐵蛋白的自噬依賴性溶酶體降解也促進(jìn)了雙氫青蒿素誘導(dǎo)的癌細(xì)胞鐵死亡，其也是鐵死亡期間導(dǎo)致鐵蛋白降解的另一種機(jī)制[25]。Clockophagy 是最近發(fā)現(xiàn)的一種選擇性自噬，ARNTL 是一種晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子，通過抑制Egln2 的轉(zhuǎn)錄、激活生存轉(zhuǎn)錄因子HIF1A 抑制鐵死亡，因此，靶向這種新型ARNTL-EGLN1-HIF1A 途徑可能會增強(qiáng)鐵死亡誘導(dǎo)劑的抗癌活性[26]。

2.2 鐵死亡與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

Dixon 等[27]研 究 發(fā) 現(xiàn) ，Erastin 通 過 激 活PERK-eIF2α-ATF4-CHOP 途徑誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激并提高凋亡蛋白PUMA 的表達(dá)，表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能參與鐵死亡的發(fā)生。此外，HSPA5 是一種與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的分子伴侶，可以與GPX4 結(jié)合抑制蛋白激酶誘導(dǎo)的GPX4 降解，進(jìn)而抑制胰腺癌細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生。Chen等[28]在人腦膠質(zhì)瘤中活化轉(zhuǎn)錄因子發(fā)現(xiàn)ATF4 升高，且藥理或遺傳抑制System Xc-可減弱ATF4 誘導(dǎo)的癌細(xì)胞增殖。此外，ATF4促進(jìn)了腫瘤介導(dǎo)的神經(jīng)毒性和腫瘤血管生成，其可通過鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin 和RSL3 緩解。因此，對ATF4 的抑制可能是通過使癌細(xì)胞對鐵死亡敏感的方法以減少腫瘤生長的有效靶點(diǎn)。

2.3 鐵死亡與炎癥

與免疫學(xué)上沉默的凋亡不同，鐵死亡具有免疫原性，因發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞由于質(zhì)膜破裂和胞質(zhì)內(nèi)容物釋放包括損傷相關(guān)分子模式（damage associated molecule pattern，DAMP）和警報(bào)蛋白，從而放大細(xì)胞死亡并促進(jìn)一系列與炎癥相關(guān)的反應(yīng)[29]。在晶體誘導(dǎo)的AKI 小鼠模型中，鐵死亡抑制劑抑制了促炎細(xì)胞因子的表達(dá)和中性粒細(xì)胞向受損組織的浸潤[30]。Kang 等[31]證明了髓系細(xì)胞表達(dá)的Gpx4在敗血癥背景下的脂質(zhì)過氧化、炎癥小體激活和釋放DAMP 中發(fā)揮了主要作用，而Gpx4的敲除導(dǎo)致敗血癥致命性的增加。Qi等[32]通過在蛋氨酸/膽堿缺乏飲食（methionine/choline deficiency，MCD）喂養(yǎng)誘導(dǎo)非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis，NASH）的小鼠模型進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)，炎性細(xì)胞因子包括 TNF-α、IL-1β 和 IL-6的蛋白質(zhì)水平，在鐵死亡誘導(dǎo)劑RSL3處理后顯著增加，然而，用亞硒酸鈉（GPX4 激活劑）治療的MCD 喂養(yǎng)的小鼠顯示肝GPX4升高和脂質(zhì)過氧化減輕，并伴有NASH嚴(yán)重程度降低。

3 鐵死亡在腎臟疾病中的作用

3.1 鐵死亡與急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）

AKI是一組由多種原因引起的具有高病死率的疾病，包括缺血-再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IRI）、橫紋肌溶解、腎毒性藥物、尿路梗阻等[33]。多種分子機(jī)制可誘發(fā)或加重AKI，但ROS誘導(dǎo)的腎損害被認(rèn)為是關(guān)鍵因素之一[34]。過去，在各種缺血性損傷模型中，凋亡被認(rèn)為是主要的細(xì)胞死亡形式，然而最近有研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡可能是缺血性損傷的主要驅(qū)動力[35]。在IRI 病理?xiàng)l件下，F(xiàn)e3+更易通過電子轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化為Fe2+，不穩(wěn)定的鐵能與氧氣反應(yīng)并通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量脂質(zhì)ROS 觸發(fā)鐵死亡[36]。Friedmann 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1 延緩了GPX4 敲除小鼠發(fā)生急性腎衰竭的進(jìn)程并延長了小鼠的存活期。Linkermann 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，SRS16-86 是具有增強(qiáng)血漿和代謝穩(wěn)定性作用的第三代鐵死亡抑制劑，在IRI 體內(nèi)模型中可保護(hù)腎臟功能并延長缺血再灌注后的存活時間。在橫紋肌溶解誘發(fā)的AKI模型中，F(xiàn)TH基因敲除小鼠腎臟損傷更嚴(yán)重、死亡率更高，表明重鏈鐵蛋白對腎小管損傷具有保護(hù)作用以及鐵離子在AKI 中作用明顯[39]。同時，在過量葉酸誘發(fā)的AKI小鼠模型中發(fā)現(xiàn)腎臟脂質(zhì)具有過氧化作用，而Ferrostatin-1的應(yīng)用可有效改善腎功能[40]。此外，Wang等[41]證明，槲皮素通過抑制鐵死亡對AKI 具有保護(hù)作用。以上研究表明，鐵死亡在AKI 中具有重要作用，研究鐵死亡相關(guān)途徑為靶點(diǎn)的鐵死亡抑制劑對改善腎臟損傷的價值較高。

3.2 鐵死亡與慢性腎臟?。╟hronic kidney disease，CKD）

CKD 造成全球疾病負(fù)擔(dān)持續(xù)增加，其常見病理改變?yōu)槟I小球硬化、腎小管萎縮、間質(zhì)纖維化等[42]，其中腎小管損傷已被認(rèn)為是纖維化進(jìn)程中促炎癥的驅(qū)動力，而腎臟的持續(xù)炎癥會惡化腎臟纖維化的過程，然后形成惡性循環(huán)以加劇腎纖維化，最終導(dǎo)致腎衰竭[43]。損傷相關(guān)模式分子（damage assciated molecular pattern，DAMP）作為一類免疫系統(tǒng)的危險(xiǎn)信號，被證明是由鐵死亡細(xì)胞引起的炎癥介質(zhì)[44]，鐵死亡很可能充當(dāng)非特異性的純DAMP 釋放機(jī)制或過氧化脂質(zhì)特異性的新表位。因此，抑制鐵死亡可能作為一種新的抗腎臟纖維化方法。Tocilizumab是一種新興的白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）受體靶向性藥物，屬于人源化單克隆抗體，Yang 等[45]發(fā)現(xiàn) Tocilizumab 模擬表位疫苗接種可以通過抑制鐵死亡減輕UUO 小鼠模型中的腎臟纖維化。已有研究證明鐵死亡涉及糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy, DN）中的腎小管細(xì)胞死亡，并且通過上調(diào)NRF2 可以抑制鐵死亡以延緩DN 的進(jìn)展[46]。合成的三萜類化合物Bardoxolonemethyl 通過抑制KEAP1的泛素化活性激活Nrf2，并已完成4期CKD 和T2DM 患者的3期臨床試驗(yàn)[47]，與鐵死亡的關(guān)系值得進(jìn)一步研究。AMP 激活的AMPK 在代謝性疾?。ㄈ绶逝职Y、2 型糖尿病、代謝綜合征等）中具有調(diào)節(jié)作用，且與肥胖相關(guān)的腎臟損傷密切相關(guān)。AMPK 失活和肥胖引起的腎損傷相互增強(qiáng)，從而引發(fā)惡性循環(huán)[48]。Li 等[49]研究發(fā)現(xiàn)AMPK 通過抑制脂肪酸生物合成限速酶乙酰輔酶A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC1）磷酸化負(fù)向調(diào)節(jié)脂肪酸合成從而保護(hù)細(xì)胞免受鐵死亡。Lee等[50]研究發(fā)現(xiàn)，AMP激活的AMPK 通過使乙酰輔酶A 羧化酶（acetyl coenzyme A carboxylase，ACC）失活抑制PUFA 的合成，最終抑制鐵死亡從而防止肥胖相關(guān)的腎損傷。

3.3 鐵死亡與腎細(xì)胞癌（renal cell carcinoma，RCC）

RCC 是一種破壞性疾病，原因是其頻繁發(fā)生轉(zhuǎn)移，并對常規(guī)療法或靶向療法有抵抗力[51]。調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡的激活被認(rèn)為是理想的癌癥治療策略。Yang 等[52]通過分析來自不同組織的117 個癌細(xì)胞系，研究了用鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin 治療RAS突變癌細(xì)胞的可能性。結(jié)果表明，RCCs和彌漫性大 B 細(xì)胞淋巴瘤（diffuse large B cell lymphoma，DLBCL）對Erastin 的敏感性高于其他癌癥細(xì)胞（如肺癌和卵巢癌）。透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）是最常見的RCC類型，遺傳性和散發(fā)性ccRCC均與von Hippel Lindau（VHL）基因突變密切相關(guān)，后者促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1α和HIF-2α）的穩(wěn)定化[53]。ccRCC細(xì)胞對谷胱甘肽（glutathione，GSH）合成所需的谷氨酰胺和胱氨酸消耗高度敏感，因此，這些細(xì)胞高度依賴于GSH/GPX 途徑以防止脂質(zhì)過氧化觸發(fā)鐵死亡。此外，功能性VHL 的重建通過使細(xì)胞恢復(fù)氧化代謝并通過β 重氧化增加脂肪酸降解，從而誘導(dǎo)鐵死亡。Miess 等[54]研究發(fā)現(xiàn)ccRCC 腫瘤中的GPX4與正常腎臟相比被上調(diào)，并通過siRNA篩選證明，編碼谷胱甘肽過氧化物酶的基因GPX3 和GPX4 沉默對ccRCC 細(xì)胞是致命的。在細(xì)胞培養(yǎng)模型中，在培養(yǎng)基中加入鐵使癌細(xì)胞對鐵死亡敏感，可能是通過降低氧化損傷的啟動閾值[2]。臨床上富含鐵的腫瘤環(huán)境以及索拉非尼在治療RCC 中的應(yīng)用表明，RCC 可成為鐵死亡的靶標(biāo)。改進(jìn)Erastin類似物，如哌嗪Erastin和咪唑酮Erastin 可能作為活體探針，用于檢測腫瘤對鐵死亡的敏感性[19]。

4 展望

鐵死亡的發(fā)現(xiàn)為疾病的研究領(lǐng)域開辟了新的平臺，并在腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展和防治中的臨床意義已逐漸顯現(xiàn)。但目前關(guān)于鐵死亡的研究仍處于起步階段，其在腎臟疾病中發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的確切分子機(jī)制尚缺乏大量研究支持。因此，深入研究鐵死亡的發(fā)生機(jī)制和相關(guān)信號通路，探索有效且具有高度靶向性的治療措施，有望為腎臟疾病提供新靶點(diǎn)和更有價值的治療方法。