陳頤華，張利鵬 *

（1內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，呼和浩特010050；2內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，呼和浩特010050）

急性腎損傷（Acute kidney injury, AKI）AKI是一種復(fù)雜的綜合征，發(fā)生在各種臨床環(huán)境中，包括敗血癥、腎毒性和急性心力衰竭。AKI發(fā)生時(shí)腎功能突然惡化，伴有含氮廢物滯留、電解質(zhì)和細(xì)胞外容量失調(diào)。臨床表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)（≤3個(gè)月）腎功能突然或持續(xù)下降，代謝廢物和毒物在體內(nèi)積聚，嚴(yán)重者可發(fā)展至腎功能衰竭甚至死亡[1]。傳統(tǒng)上AKI的診斷需要血肌酐升高和（或）持續(xù)6小時(shí)尿量＜0.5ml/kg/h。AKI是一種復(fù)雜的綜合征，發(fā)生在各種臨床環(huán)境中，包括敗血癥、腎毒性和急性心力衰竭。AKI是一個(gè)可預(yù)防的問題，如果不加以治療，它會(huì)繼續(xù)造成進(jìn)一步的傷害，并且與預(yù)后不良有關(guān)。AKI的特點(diǎn)主要是腎小管上皮細(xì)胞的損傷。越來越多的研究證實(shí)鐵死亡（ferroptosis）與AKI有密切聯(lián)系，探索鐵死亡與AKI的關(guān)系，對(duì)AKI臨床有著重要意義。

1 鐵死亡的定義

近幾年來，更多新的細(xì)胞死亡方式逐漸被發(fā)現(xiàn)[2]。2012年，鐵死亡作為一個(gè)新的細(xì)胞死亡方式被Dixon等人提出[3]。鐵死亡是一種鐵依賴性非凋亡調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡，其特征是大量脂質(zhì)過氧化物積累，這是通過破壞谷胱甘肽依賴性脂質(zhì)過氧化物防御系統(tǒng)引起的[4]。與細(xì)胞凋亡和焦亡等其他形式的細(xì)胞死亡相比，鐵死亡具備獨(dú)特的形態(tài)學(xué)特征和生物學(xué)表現(xiàn)。發(fā)生鐵死亡時(shí)，細(xì)胞膜破裂起泡，細(xì)胞核缺乏染色質(zhì)凝聚，線粒體減少，線粒體尺寸減小，雙層膜密度增加，線粒體嵴減少或消失，線粒體外膜破裂[5]。

2 鐵死亡的發(fā)生過程

隨著近幾年對(duì)鐵死亡的廣泛研究，逐漸證明鐵離子紊亂、胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)（cystine/glutamate antiporter system, Xc-）、谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4） 的下降是鐵死亡發(fā)生的主要原因，因此鐵代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝(尤其是脂質(zhì)過氧化)與鐵死亡具有密切聯(lián)系。

2.1 鐵代謝

鐵對(duì)生命至關(guān)重要，因?yàn)樗谘蹀D(zhuǎn)運(yùn)、DNA修復(fù)、細(xì)胞增殖和許多其他關(guān)鍵生化過程中起著關(guān)鍵作用。身體中的鐵大部分源于衰老的紅細(xì)胞，吞噬細(xì)胞吞噬衰老紅細(xì)胞后，降解血紅素釋放出二價(jià)鐵。一部分二價(jià)鐵通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)出細(xì)胞，運(yùn)出的二價(jià)鐵被銅藍(lán)蛋白氧化成三價(jià)鐵，然后與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，接著通過膜蛋白轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TFR1）進(jìn)入細(xì)胞。在細(xì)胞中，經(jīng)過鐵還原酶的作用又被還原為二價(jià)鐵。最后，通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（divalent metal transporter 1，DMT1）的作用將二價(jià)鐵釋放到細(xì)胞質(zhì)不穩(wěn)定的鐵池中[6]。二價(jià)鐵與過氧化氫發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，此反應(yīng)稱之為芬頓反應(yīng)，鐵含量超載可通過此反應(yīng)導(dǎo)致氧化損傷，進(jìn)而啟動(dòng)鐵死亡。另一部分二價(jià)鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白中，鐵蛋白是由重鏈（ferritin heavy polypeptide，F(xiàn)TH ）和輕鏈（ferritin light polypeptide，F(xiàn)TL）組成的蛋白質(zhì)復(fù)合物，用于鐵的儲(chǔ)存，因此被認(rèn)為是重要的內(nèi)源性鐵螯合劑，其濃度能夠表明身體的鐵儲(chǔ)備。鐵蛋白重鏈的氧化酶作用能夠?qū)⒍r(jià)鐵轉(zhuǎn)化為三價(jià)鐵，從而減少循環(huán)中的二價(jià)鐵，有效減少氧化導(dǎo)致的細(xì)胞損傷[7]。

2.2 氨基酸代謝

鐵死亡與氨基酸代謝聯(lián)系密切。正常生理狀態(tài)下，谷氨酸和胱氨酸通過胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1∶1相互交換，之后胱氨酸還原為半胱氨酸[3]。谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸利用ATP依賴性胞質(zhì)酶谷氨酸半胱氨酸連接酶（glutamate cysteine ligase，GCL）和谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSS）合成一種細(xì)胞內(nèi)必須的抗氧化劑——還原型谷胱甘肽（GSH）。GSH能夠被GPX4用來消除含有多不飽和脂肪酸的磷脂中形成的脂質(zhì)過氧化物。谷氨酸和谷氨酰胺是鐵死亡重要的調(diào)節(jié)劑，細(xì)胞外高濃度的谷氨酸能抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，減少還原型谷胱甘肽的生成，進(jìn)而誘導(dǎo)鐵死亡。谷氨酰胺誘導(dǎo)鐵死亡必須利用谷氨酰胺的分解產(chǎn)物，在沒有谷氨酰胺的情況下，或當(dāng)谷氨酰胺分解受到抑制時(shí)，胱氨酸輸入受阻并不能誘導(dǎo)鐵死亡。小分子蛋白erastin誘導(dǎo)鐵死亡的方式為抑制胱氨酸的輸入，導(dǎo)致谷胱甘肽的減少和GPX4的失活。總之任何能夠抑制還原型谷胱甘肽生成及抑制GPX4活性的物質(zhì)都可以使脂質(zhì)過氧化物蓄積，導(dǎo)致鐵死亡[8]。

2.3 脂質(zhì)代謝

鐵死亡的特點(diǎn)在于脂質(zhì)活性氧（Reactive oxygen species, ROS）的鐵依賴性增強(qiáng)。細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜，因?yàn)檩^高的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA），所以容易受到 ROS 損傷，這一過程稱為脂質(zhì)過氧化。GPX4是唯一可以直接還原生物膜中產(chǎn)生的磷脂氫過氧化物的抗氧化酶。它在氧化穩(wěn)態(tài)中具有重要作用，通過使用谷胱甘肽作為GPX4的輔助因子來中和脂質(zhì)過氧化物并保護(hù)膜流動(dòng)性，以保護(hù)細(xì)胞和膜免受過氧化。GPX4將GSH轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 并將脂質(zhì)過氧化物L(fēng)-OOH還原為相對(duì)應(yīng)的醇 L-OH。隨后，GSSG被谷胱甘肽還原酶和NADPH/H+還原，再次生成GSH，抑制GPX4可導(dǎo)致ROS增加，有研究結(jié)果顯示：缺失 GPX4 的小鼠在胚胎第8天后無法存活，這表明在正常哺乳動(dòng)物發(fā)育過程中，GPX4是必不可少的[9]。鐵死亡涉及一個(gè)重要的氧化反應(yīng)，花生四烯酸（arachidonic acid， AA）和腎上腺酸（adrenic acid，AdA）通過?；o酶A合酶4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）驅(qū)動(dòng)發(fā)生酯化反應(yīng)生成磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PE）[10]。PE與磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1（phosphatidylethanolamine binding protein 1，PEBP1）結(jié)合與15-脂氧合酶（15-lipoxygenase，15-LO）的兩個(gè)亞型（15-LO-1和15-LO-2）形成復(fù)合物，并通過變構(gòu)修飾顯示出鐵死亡的信號(hào)Sn2-15二十碳四烯?；?磷脂酰乙醇胺（sn2-15-HpETE-PE），最后利用脂氧酶（lipoxidase lipoxygenase，LOXs）氧化生成脂質(zhì)氫過氧化物，進(jìn)而誘發(fā)鐵死亡[11,12]。

3 鐵死亡與急性腎損傷

急性腎損傷的發(fā)病機(jī)制主要是腎小管上皮細(xì)胞的損傷。隨著鐵死亡的深入研究，大量的實(shí)驗(yàn)證明了鐵死亡對(duì)AKI有著重要影響。GPX4是鐵死亡發(fā)生過程中十分重要的調(diào)節(jié)因子，Angeli等人的研究發(fā)現(xiàn)敲除GPX4后的老鼠易發(fā)生AKI，并且存活時(shí)間較短，在抑制脂質(zhì)過氧化后，減少因缺乏GPX4誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，存活時(shí)間延長。此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明鐵死亡在AKI中發(fā)揮的作用[13]。

橫紋肌溶解時(shí)，肌紅蛋白中的鐵以及肌紅蛋白本身都可導(dǎo)致不受控制的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，從而誘導(dǎo)腎功能損傷[5]。近期Guerrero-Hue等人的研究充分證明了鐵死亡在橫紋肌溶解誘導(dǎo)的AKI中起著關(guān)鍵作用，并發(fā)現(xiàn)姜黃素（curcumin）是一種能夠抑制細(xì)胞鐵死亡的抗氧化劑[14]。另外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，如果橫紋肌溶解的AKI模型的腎小管上皮細(xì)胞缺失FTH，便容易發(fā)生氧化反應(yīng)和損傷，由此間接證明了橫紋肌溶解誘導(dǎo)的急性腎損傷與鐵死亡有著密切的關(guān)系[15]。

一定劑量的葉酸（folic acid，F(xiàn)A）可在腎臟中結(jié)晶，但是大劑量的葉酸會(huì)對(duì)腎臟造成損傷，進(jìn)而誘導(dǎo)AKI。Martin-Sanchez等人的研究顯示，在葉酸誘導(dǎo)的AKI模型中，可以觀察到高水平的腎小管上皮細(xì)胞脂質(zhì)過氧化，使用鐵抑素（ferrostatin-1, Fer-1）能有效抑制腎小管上皮細(xì)胞脂質(zhì)過氧化；實(shí)驗(yàn)過程中利用尿素氮（BUN）和肌酐值評(píng)估，發(fā)現(xiàn)Fer-1處理能改善腎功能[16]。由此表明，在葉酸誘導(dǎo)的AKI中，腎小管上皮細(xì)胞的損傷與鐵死亡有著密切聯(lián)系。

缺血/再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）是AKI的一個(gè)常見病因，腎臟缺血后再恢復(fù)灌注時(shí)ROS的產(chǎn)生會(huì)引發(fā)一系列有害的細(xì)胞反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生進(jìn)行性損傷和死亡[17]。在過去，研究認(rèn)為細(xì)胞凋亡是缺血/再灌注導(dǎo)致的損傷中最重要的細(xì)胞死亡方式[18,19]?，F(xiàn)在，隨著鐵死亡的深入了解，大量研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡在缺血/再灌注導(dǎo)致的損傷中占主導(dǎo)地位。在一項(xiàng)研究中，Linkermann等人通過活細(xì)胞成像技術(shù)在I/R誘導(dǎo)的急性腎損傷模型中觀察到鐵死亡可直接導(dǎo)致腎小管同步壞死。Choi研究發(fā)現(xiàn)，心臟手術(shù)中低水平的鐵結(jié)合蛋白可能導(dǎo)致在心肺轉(zhuǎn)流期間快速處理鐵釋放的能力受損，易導(dǎo)致急性腎損傷[20]。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)調(diào)鐵穩(wěn)態(tài)在人類缺血/再灌注損傷中的重要性，反映鐵死亡鐵離子調(diào)節(jié)這條通路在I/R導(dǎo)致的AKI中的重要作用。

順鉑是一種使用廣泛的化療藥物，但是具有較強(qiáng)的腎毒性，是誘導(dǎo)AKI的原因之一[21]。有研究通過小鼠模型來觀察鐵死亡在順鉑誘導(dǎo)AKI的過程中發(fā)揮的作用發(fā)現(xiàn)，順鉑可以使小鼠腎臟的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體-1和鐵蛋白的表達(dá)增加并且鐵含量升高；鐵死亡的標(biāo)志物也隨著順鉑的給藥量而增加。由此可見鐵死亡在順鉑誘導(dǎo)AKI的過程中起關(guān)鍵作用[22]。

4 鐵死亡與各種AKI的治療

隨著對(duì)鐵死亡的深入研究，大量的試劑被證明可以調(diào)節(jié)鐵死亡，目前各種試劑主要通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、鐵離子及鐵蛋白、GPX4、谷胱甘肽來調(diào)節(jié)鐵死亡。

4.1 葉酸導(dǎo)致的AKI

葉酸導(dǎo)致的AKI（FA-AKI）的特點(diǎn)是氧化還原穩(wěn)態(tài)的紊亂，出現(xiàn)大量腎小管壞死和炎癥。Li等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，A-硫辛酸（LA）作為一種抗氧化劑，對(duì)葉酸誘導(dǎo)的腎功能障礙起保護(hù)作用。LA不僅通過上調(diào)鐵蛋白和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（transferrin）的表達(dá)來減少細(xì)胞鐵超載，而且通過增加GSH 和谷胱甘肽過氧化物酶的水平來減輕ROS的積累和脂質(zhì)過氧化[23]。 Li等人的另外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了一種抗氧化因子（FG-4592）在FA-AKI的發(fā)展中有重要影響。給小鼠模型注射FG-4592后，小鼠的腎功能有所改善，細(xì)胞中的鐵、丙二醛等鐵死亡標(biāo)志物減少，表明鐵超載和脂質(zhì)過氧化得到了抑制。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)了FG-4592可以激活Nrf2，導(dǎo)致血紅素加氧酶1（OH-1）、GPX4、胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)增加，進(jìn)而降低鐵死亡的風(fēng)險(xiǎn)[24]。Li等人的實(shí)驗(yàn)研究了荷葉堿（nuciferine）對(duì)小鼠葉酸誘導(dǎo)的急性腎損傷的影響，在FA-AKI小鼠模型中，荷葉堿治療能減輕病理改變和炎癥反應(yīng)，改善腎功能。從機(jī)制上講，荷葉堿通過防止鐵積累和脂質(zhì)過氧化顯著抑制鐵死亡。此外，GSH和GPX4的敲除消除荷葉堿對(duì)鐵死亡的保護(hù)作用。這些實(shí)驗(yàn)為FAAKI的治療提供了新的策略[25]。

4.2 缺血/再灌注導(dǎo)致的AKI

腎對(duì)缺血/再灌注十分敏感，氧的供需不匹配導(dǎo)致氧化代謝減少，從而造成腎功能受損。 Zhao等人的研究用I/R模型不僅證明了腎小管上皮細(xì)胞的鐵死亡，而且發(fā)現(xiàn)腎小管細(xì)胞中能夠促進(jìn)鐵死亡的ACSL4的表達(dá)與腎功能下降的嚴(yán)重程度相關(guān)，并且還發(fā)現(xiàn)一種鐵死亡的抑制劑——XJB-5-131（一種線粒體靶向抗氧化劑）對(duì)腎，特別是腎小管上皮細(xì)胞具有較高的親和力，能夠減輕腎的損傷，促進(jìn)腎小管上皮細(xì)胞增殖和修復(fù)，減少腎臟炎癥和抑制脂質(zhì)過氧化，但不影響壞死性凋亡的潛力和I/R模型中的細(xì)胞焦亡[26]。miRNAs是一類小的非編碼RNA，在I/R誘導(dǎo)的腎損傷中，miR-182-5p和miR-378-3p上調(diào)，通過下調(diào)GPX4和溶質(zhì)載體家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）進(jìn)而激活鐵死亡[27]。另外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一種名叫槲皮素（quercetin）的天然類黃酮能夠抑制近端腎小管上皮細(xì)胞鐵死亡。主要機(jī)制是降低丙二醛 (MDA) 和脂質(zhì)活性氧 (LOS) 水平和升高GSH 水平。這些實(shí)驗(yàn)充分反映出研究發(fā)現(xiàn)的鐵死亡抑制劑很可能成為未來急性腎損傷的治療方式[28]。

4.3 順鉑導(dǎo)致的AKI

順鉑具有較強(qiáng)的腎毒性，包括急性腎損傷的發(fā)作，因此使用受到極大限制。毫無疑問，治療順鉑誘導(dǎo)的AKI（Cis-AKI）的有效藥物在臨床上迫切需要。Zhou等人的實(shí)驗(yàn)表明，在Cis-AKI 模型中，虎杖甙（polydatin，PD）對(duì)鐵死亡有抑制作用，其特點(diǎn)是細(xì)胞內(nèi)過度的游離鐵蓄積和ROS生成減少，丙二醛 (MDA) 含量降低以及谷胱甘肽、GPX4的活性增加[29]。Hu等人發(fā)現(xiàn)激活維生素D受體（VDR）對(duì)Cis-AKI具有保護(hù)作用。VDR的激動(dòng)劑能夠通過減少脂質(zhì)過氧化、4-羥基壬醛 (4HNE) 和丙二醛(MDA)，在組織學(xué)上和功能上減弱順鉑誘導(dǎo)的AKI，同時(shí)改善GPX4的下降，如果敲除VDR基因，會(huì)表現(xiàn)出更多細(xì)胞的鐵死亡以及更嚴(yán)重的AKI[30]。肌醇加氧酶（myo-inositol oxygenase，MIOX）是近端腎小管的特異性酶，在腎小管細(xì)胞損傷中起關(guān)鍵作用，過度表達(dá)會(huì)加重AKI中的細(xì)胞損傷[31]。Deng等人通過觀察脂質(zhì)過氧化程度以及其他鐵死亡標(biāo)志物的變化證明了MIOX過表達(dá)能加重細(xì)胞鐵死亡，破壞其基因可減少這種細(xì)胞損傷[32]。該研究為Cis-AKI的治療提供了新思路。

5 結(jié)語

鐵死亡是一種可通過多種機(jī)制調(diào)控，以脂質(zhì)過氧化為特征的程序性死亡形式，是一種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡方式，備受關(guān)注。在各種AKI模型中，可見鐵死亡通過鐵代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝等3個(gè)途徑導(dǎo)致AKI的發(fā)生，并有多種物質(zhì)可通過抑制鐵死亡來保護(hù)腎臟，但作用機(jī)制并未完全清楚。需要在急性腎損傷領(lǐng)域?qū)﹁F死亡進(jìn)行更全面、更深入的研究，從而為AKI的防治以及相關(guān)藥物的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。