武攸,吳儀偉,張珂承,陳琰
(吉林大學(xué)第二醫(yī)院內(nèi)分泌科,長(zhǎng)春 130000)
鐵穩(wěn)態(tài)的維持對(duì)于生命活動(dòng)十分重要,缺鐵或鐵超載與代謝性疾病密不可分。人體內(nèi)存在嚴(yán)格的鐵代謝機(jī)制,大部分以鐵蛋白的形式儲(chǔ)存在肝臟、脾臟中,少部分通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1的介導(dǎo)儲(chǔ)存在不穩(wěn)定鐵池中,而細(xì)胞內(nèi)鐵的輸出由鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1介導(dǎo)[1]。當(dāng)鐵超載時(shí),芬頓反應(yīng)產(chǎn)生的超氧陰離子和羥自由基通過氧化作用損傷核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。鐵死亡是近年的研究熱點(diǎn),其與細(xì)胞內(nèi)鐵超載密切聯(lián)系,參與多種疾病的發(fā)展,如神經(jīng)退行性疾病(阿爾茨海默病、亨廷頓病、帕金森病)、癌癥、腦卒中、缺血再灌注損傷和哺乳動(dòng)物的腎臟變性[2],而抑制鐵死亡可為神經(jīng)退行性疾病的防治提供策略。膳食鐵的攝入量與糖尿病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。國(guó)內(nèi)的研究顯示,總鐵和非血紅素鐵攝入與糖尿病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有關(guān),在男性中呈反向J型,即當(dāng)非血紅素鐵和總鐵攝入量較低時(shí),與糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān),當(dāng)非血紅素鐵攝入量超過41 mg/d或總鐵攝入量超過46 mg/d,糖尿病的患病風(fēng)險(xiǎn)顯著增加,該曲線在女性中呈L型曲線,且曲線前半部分與男性曲線類似,但較高的鐵攝入量并不能顯著增加糖尿病的患病風(fēng)險(xiǎn),故推測(cè)充分?jǐn)z入非血紅素鐵或總鐵可預(yù)防糖尿病,而鐵攝入過量可增加男性糖尿病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[3],提示鐵攝入過量與糖尿病存在關(guān)聯(lián)。鐵死亡與鐵攝入過量關(guān)系密切,然而目前關(guān)于鐵死亡與糖尿病及其并發(fā)癥的研究相對(duì)較少,甚至不同研究結(jié)論也不同?,F(xiàn)對(duì)鐵死亡與糖尿病及其并發(fā)癥的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以為靶向防治及更深一步的研究提供參考依據(jù)。
1.1鐵死亡 鐵死亡是一種由鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化引起的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡[4],在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)上與凋亡、自噬、各種形式的壞死和自噬不同,這一過程的主要特點(diǎn)是致死性的脂質(zhì)活性氧的累積[5]。鐵死亡細(xì)胞中可觀察到完整的細(xì)胞膜,細(xì)胞腫脹、線粒體嵴減少或消失,無(wú)核濃縮或染色質(zhì)邊緣化[6],細(xì)胞質(zhì)透明、細(xì)胞核透明,核周間隙沒有擴(kuò)張也是其病理特征[7]。鐵死亡受多層次的調(diào)節(jié),包括鐵代謝、氨基酸代謝、多不飽和脂肪酸的代謝及谷胱甘肽的生物合成、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)的水平[8]。鐵死亡需要游離鐵的毒性、抗氧化劑谷胱甘肽的耗竭、膜脂質(zhì)氧化損傷的累積共同作用才能發(fā)生,三者缺一不可[9]。研究表明,鐵螯合劑可在體內(nèi)與體外阻斷鐵死亡,而不能被其他細(xì)胞死亡抑制劑逆轉(zhuǎn),目前用于治療鐵超載性疾病[10]。
1.2鐵穩(wěn)態(tài)與鐵死亡的關(guān)系 細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)與鐵死亡關(guān)系密切,參與鐵攝取、儲(chǔ)存、利用、流出的多種調(diào)節(jié)因子均影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。如細(xì)胞中不穩(wěn)定鐵池中的Fe2+可通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量的活性自由基,以促進(jìn)鐵死亡[11]。鐵依賴性的脂氧合酶通過誘發(fā)脂質(zhì)過氧化,進(jìn)而誘發(fā)鐵死亡,同時(shí)其他鐵依賴性的酶也可誘發(fā)鐵死亡,如細(xì)胞色素P450還原酶[12]。近期研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞色素P450還原酶缺失可促進(jìn)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的強(qiáng)烈抵抗,其在癌細(xì)胞系中高表達(dá)也支持其在脂質(zhì)過氧化中的驅(qū)動(dòng)作用[13]。除了脂氧合酶和細(xì)胞色素P450還原酶,其余含鐵酶類也參與調(diào)節(jié)鐵死亡,如通過鐵蛋白增加鐵的儲(chǔ)存或通過鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)鐵的流出,減少細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵的利用,進(jìn)而抑制鐵死亡[14]。
1.3鐵死亡標(biāo)志物和調(diào)節(jié)機(jī)制 鐵死亡在許多代謝途徑中同時(shí)起作用,主要代謝標(biāo)志物有谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)4、p62 Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1、核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)、花生四烯酸脂氧合酶、長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A合成酶4等[15]。最常見的鐵死亡調(diào)節(jié)機(jī)制為:①谷氨酸-胱氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體/還原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)/GPX4軸,谷氨酸-胱氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體作為調(diào)節(jié)鐵死亡的中心樞紐,是一種由溶質(zhì)載體家族7成員11和溶質(zhì)載體家族3成員2組成的異二聚體氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,逆向轉(zhuǎn)運(yùn)谷氨酸和胱氨酸,胱氨酸隨即進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被還原為半胱氨酸,參與GSH的合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)向轉(zhuǎn)運(yùn)的胱氨酸減少時(shí),細(xì)胞內(nèi)GSH水平降低,抗氧化能力減弱,可誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生。Erastin與柳氮磺胺吡啶均通過上述途徑誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,但其具體機(jī)制仍有待研究。有數(shù)據(jù)表明,Erastin可直接抑制溶質(zhì)載體家族7成員11[16]。此外,GPX4的活性也影響鐵死亡的發(fā)生,GPX4通過將毒性脂質(zhì)氫過氧化物還原為相應(yīng)的醇類負(fù)向調(diào)控鐵死亡,而硒代半胱氨酸在GPX4的活性中心起重要作用[17]。RSL3可通過不可逆地抑制GPX4的活性誘導(dǎo)鐵死亡[18]。②NADPH/鐵死亡抑制蛋白1/輔酶Q10,輔酶Q10可捕獲介導(dǎo)脂質(zhì)過氧化的自由基,鐵死亡抑制蛋白1可通過NADPH酶催化輔酶Q10的再生,并通過α-生育酚循環(huán)間接減少自由基的生成,以抑制鐵死亡。鐵死亡抑制蛋白1的藥理學(xué)靶向性與GPX4抑制劑具有協(xié)同作用,在許多癌癥中誘導(dǎo)鐵死亡??傊?,NADPH/鐵死亡抑制蛋白1/輔酶Q10作為一個(gè)獨(dú)立的平行系統(tǒng)存在,與GPX4和GSH共同抑制脂質(zhì)過氧化和鐵死亡[19]。③GTP環(huán)水解酶-1/四氫生物蝶呤系統(tǒng),近年新發(fā)現(xiàn)的GTP環(huán)水解酶-1/四氫生物蝶呤可獨(dú)立于GPX4系統(tǒng)抑制鐵死亡,四氫生物蝶呤具有生成輔酶Q10減少氧化損傷和引起脂質(zhì)重塑的雙重作用;此外,當(dāng)單不飽和脂肪酸插入磷脂中時(shí)通過未知的機(jī)制抑制鐵死亡[20-21]。
胰島β細(xì)胞可表達(dá)低水平的抗氧化酶類,如超氧化物歧化酶、GPX和過氧化氫酶[22],因此其易受到氧化應(yīng)激的影響?;钚匝跻子诜e累,且其積累可引發(fā)多種形式的細(xì)胞死亡,包括鐵死亡。研究表明,鐵死亡的誘導(dǎo)可導(dǎo)致胰島功能受損,但糖尿病鐵死亡的分子機(jī)制仍不明確[23]。1型糖尿病作為一種自身免疫性疾病,由胰島β細(xì)胞的選擇性破壞引起,而胰腺移植是一種具有應(yīng)用前景的治療方法。近年研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡與移植的胰島β細(xì)胞數(shù)目減少和功能障礙有關(guān),膽紅素可顯著減輕離體胰島β細(xì)胞的鐵死亡,同時(shí)降低氧化應(yīng)激[24]。除了胰島素抵抗,糖毒性和脂毒性所造成的胰島β細(xì)胞分泌胰島素減少也是2型糖尿病進(jìn)展的主要機(jī)制之一。胰腺特別是胰島中存在鐵沉積,故推測(cè)鐵死亡也可通過脂質(zhì)過氧化在胰島β細(xì)胞功能喪失和數(shù)目減少中起重要作用[25]。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,RNA干擾沉默GPX4可導(dǎo)致大鼠胰島β細(xì)胞鐵死亡,表現(xiàn)為脂質(zhì)過氧化增加、GSH水平降低和GPX4降解,而GPX4過表達(dá)可顯著減少胰島β細(xì)胞死亡[26]。體外實(shí)驗(yàn)中,鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin和RSL3處理的胰島在培養(yǎng)24 h后均發(fā)生顯著死亡,而經(jīng)鐵抑素或去鐵胺預(yù)處理的胰島死亡情況得到改善[23]。因此,鐵死亡與胰島素分泌障礙有關(guān),監(jiān)測(cè)鐵死亡相關(guān)因素有助于2型糖尿病的早期診斷和治療。
3.1鐵死亡與微血管病變
3.1.1鐵死亡與糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是2型糖尿病的主要并發(fā)癥,可導(dǎo)致不可逆的心肌損傷甚至心力衰竭,是2型糖尿病患者死亡的主要原因。鐵死亡與心肌缺血再灌注損傷和心肌梗死有關(guān),其與糖尿病心肌病的關(guān)系尚不明確[27]。糖尿病心肌病的臨床特征主要是心肌肥厚和纖維化,其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,受到多種因素的影響,其中氧化應(yīng)激是公認(rèn)的糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制[28]。鐵死亡過程中產(chǎn)生大量的活性氧,故推測(cè)鐵死亡產(chǎn)生的活性氧與糖尿病心肌病相關(guān)。近年研究表明,Nrf2表達(dá)和轉(zhuǎn)錄活性的升高可通過抑制鐵死亡預(yù)防糖尿病心肌病的發(fā)生[29],但在糖尿病心肌病的發(fā)病和進(jìn)展中,激活的Nrf2改變鐵死亡的機(jī)制尚不清楚,Nrf2通常可通過抗氧化以及調(diào)節(jié)鐵、脂質(zhì)代謝調(diào)控鐵死亡[30]。Nrf2被認(rèn)為是抗氧化的主要調(diào)節(jié)因子,故可能作為糖尿病心肌病等氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的藥物靶點(diǎn)。Ni等[31]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),抑制鐵死亡可抑制糖尿病心肌病的心肌纖維化,進(jìn)一步佐證了鐵死亡參與糖尿病心肌病。
3.1.2鐵死亡與糖尿病腎病 糖尿病腎病已成為終末期腎病的主要原因,延緩其進(jìn)展仍是一個(gè)世界性問題。低鐵飲食或鐵螯合劑可延緩糖尿病腎病的進(jìn)展,然而過量的鐵促進(jìn)糖尿病腎病發(fā)展的確切機(jī)制尚未闡明[32]。既往研究認(rèn)為,鐵的積累可通過增加氧化應(yīng)激或降低抗氧化能力而增加糖尿病的腎損傷[33]。由于鐵死亡過程會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧,而腎臟富含線粒體結(jié)構(gòu)更易受到氧化應(yīng)激的損傷,提示鐵死亡與糖尿病腎病可能相關(guān)。例如,在糖尿病腎病小鼠中,鐵死亡途徑脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛水平增加,抗氧化酶水平降低[34]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,糖尿病腎病小鼠鐵死亡相關(guān)標(biāo)志物顯著變化,長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A合成酶4表達(dá)水平升高以及GPX4表達(dá)水平降低,同時(shí)糖尿病腎病小鼠脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物和鐵含量增加,而長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A合成酶4抑制劑羅格列酮可抑制糖尿病腎病的發(fā)展,降低脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛和鐵含量[35]。Li等[32]的研究證實(shí),糖尿病小鼠腎臟和高糖培養(yǎng)的人腎近端小管細(xì)胞中存在鐵超載,且伴有大量活性氧的生成和脂質(zhì)過氧化,在進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子刺激的近端腎小管上皮細(xì)胞及糖尿病小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn),腎小管細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平降低,脂質(zhì)過氧化增強(qiáng),鐵抑素作為一種鐵死亡抑制劑,可減輕轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的腎小管細(xì)胞鐵死亡,糖尿病小鼠模型檢測(cè)到與腎小管細(xì)胞類似的變化,腎臟GPX4的表達(dá)和GSH水平降低,脂質(zhì)過氧化增加,而鐵抑素治療后,上述變化減輕。因此,鐵死亡過程中產(chǎn)生的大量活性氧可通過氧化應(yīng)激造成糖尿病腎病腎損傷,抑制鐵死亡可能是糖尿病腎病的一種治療選擇[36]。
3.1.3鐵死亡與糖尿病視網(wǎng)膜病變 糖尿病視網(wǎng)膜病變主要包括非增殖性和增殖性兩個(gè)階段,這兩個(gè)階段的發(fā)生機(jī)制均涉及視網(wǎng)膜毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能障礙和通透性增加,目前的治療只能部分緩解疾病的嚴(yán)重程度。糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)生發(fā)展是多元醇通路活性增加、自由基氧化作用等因素共同作用的結(jié)果。抗氧化劑可保護(hù)視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的損害,糖尿病視網(wǎng)膜病變中氧化應(yīng)激水平升高,故推測(cè)活性氧的積累可能觸發(fā)視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡[37]。以往研究提示,鐵螯合劑對(duì)視網(wǎng)膜的光感受器有保護(hù)作用[38],而近年研究則發(fā)現(xiàn),鐵死亡參與糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)展,尤其損傷視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞[39],因此抑制鐵死亡可作為抗糖尿病視網(wǎng)膜病變的新療法。
3.2鐵死亡與動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病 最初認(rèn)為,鐵死亡是糖尿病所致動(dòng)脈粥樣硬化性疾病病理改變中細(xì)胞死亡的一種重要形式。既往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,鐵死亡可導(dǎo)致糖尿病動(dòng)脈粥樣硬化,而鐵抑素可有效減輕糖尿病動(dòng)脈粥樣硬化,逆轉(zhuǎn)動(dòng)脈粥樣硬化所致的內(nèi)皮細(xì)胞活力下降[40]。內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙往往是發(fā)生糖尿病心血管并發(fā)癥的關(guān)鍵機(jī)制和起始因素。在糖尿病心血管并發(fā)癥中,內(nèi)皮功能障礙主要表現(xiàn)為氧化應(yīng)激增強(qiáng)、炎癥因子增加、一氧化氮釋放減少、內(nèi)皮修復(fù)受損等[41]。細(xì)胞內(nèi)過量的鐵可通過芬頓反應(yīng)造成血管內(nèi)皮細(xì)胞氧化還原失衡,脂質(zhì)過氧化增強(qiáng)、細(xì)胞抗氧化能力減弱,而鐵死亡的主要特征是由活性氧誘導(dǎo)的致死性脂質(zhì)過氧化物的形成,但目前對(duì)于鐵死亡在糖尿病誘導(dǎo)的內(nèi)皮功能障礙中的作用及機(jī)制的認(rèn)識(shí)有限。p53-谷氨酸-胱氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體-GPX軸激活在內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡和功能障礙中起關(guān)鍵作用,近期研究表明,抑制p53表達(dá)可減輕血管內(nèi)皮細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)的抑制和糖尿病患者的內(nèi)皮細(xì)胞損傷[42]。有研究發(fā)現(xiàn),靶向激活Nrf2可抑制氧化型低密度脂蛋白誘導(dǎo)的人冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡,抑制動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展,因此,充分保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞免受氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞損傷似乎是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和改善動(dòng)脈粥樣硬化的策略之一[43]。糖尿病患者的急性缺血性腦卒中的患病風(fēng)險(xiǎn)是無(wú)糖尿病患者的2~6倍,由于鐵死亡參與阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病的病理生理,推測(cè)鐵死亡觸發(fā)的神經(jīng)元炎癥可導(dǎo)致糖尿病患者發(fā)生腦卒中后認(rèn)知功能障礙[44]。
3.3鐵死亡與糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peri-pheral neuropathy,DPN) DPN是最常見的一種糖尿病神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥,其與鐵死亡的關(guān)系尚不明確,且目前鐵與DPN的研究結(jié)論尚不統(tǒng)一。在小鼠模型中,鐵缺乏與DPN的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān),而Kim等[45]的研究顯示,高膳食鐵攝入與DPN有關(guān),由于氧化應(yīng)激在DPN發(fā)生中處于關(guān)鍵地位,故推測(cè)鐵死亡很可能與DPN相關(guān)。另有研究表明,血紅素加氧酶的抗氧化能力對(duì)糖尿病神經(jīng)病變有保護(hù)作用,因此推測(cè)鐵死亡過程中產(chǎn)生的活性氧可能造成神經(jīng)組織的損傷[46]。
3.4鐵死亡與糖尿病足 隨著糖尿病足病程進(jìn)展,可出現(xiàn)潰瘍、感染甚至深部組織損傷,已成為糖尿病患者遠(yuǎn)期截肢風(fēng)險(xiǎn)的最主要原因,糖尿病患者傷口的愈合不遵循正常的生理過程,糖尿病足的持續(xù)慢性炎癥可破壞巨噬細(xì)胞的吞噬功能,晚期可阻止成纖維細(xì)胞的功能,進(jìn)而延緩傷口愈合[47]。近期研究發(fā)現(xiàn),在糖尿病大鼠模型中,鐵抑素可通過抗磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路抑制糖尿病患者傷口的炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),降低氧化應(yīng)激和炎癥標(biāo)志物[48]。由于糖尿病足后期往往存在皮膚破潰,抑制鐵死亡有可能促進(jìn)傷口愈合,降低感染和遠(yuǎn)期截肢的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。
鐵死亡的確切生理功能尚未證實(shí),但其在人類疾病中的作用已逐漸確定。通過抑制或刺激這種獨(dú)特的細(xì)胞死亡方式,可能對(duì)某些疾病產(chǎn)生臨床益處。如鐵死亡在癌癥發(fā)展和治療中的作用正在顯現(xiàn),索拉非尼通過抑制鐵死亡治療肝癌[12]。對(duì)于糖尿病,鑒于目前尚無(wú)藥物可逆轉(zhuǎn)其發(fā)生及發(fā)展,故認(rèn)識(shí)其機(jī)制預(yù)防其進(jìn)展顯得尤為重要,鐵死亡在其各種并發(fā)癥中的作用也逐漸顯現(xiàn),相信將來會(huì)有更多的研究揭示鐵死亡與代謝性疾病的機(jī)制,從而明確治療靶點(diǎn)。