李冠藍，崔明玲，楊 潔，叢 叢，楊傳華

鐵作為許多酶代謝過程的基本共同因子和重氧化循環(huán)反應的催化劑，定義了它在體內(nèi)可能對生物有益或危險作用[1]。一種新發(fā)現(xiàn)的非凋亡調(diào)節(jié)的細胞死亡——鐵死亡，其特征是過氧化脂的鐵依賴性積累，并且其在形態(tài)上和生化上與已知的細胞死亡類型不同[2]。在哺乳動物、鳥類和魚類等不同物種中涉及鐵和脂質(zhì)過氧化的細胞死亡，但該術(shù)語和概念于2012年首次被引入并未歸因于鐵死亡[3]。在不同的生命狀態(tài)下，破壞鐵平衡和脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的兩個主要特征，與許多的病理有關(guān)[4]。由于鐵死亡是由抑制半胱氨酸吸收或滅活脂修復酶谷胱甘肽過氧化酶4(GPX4)引起的，最終以脂質(zhì)氫氧化物的形式積累活性氧化物(ROS)，過氧化脂質(zhì)導致鐵氧體死亡，細胞中鐵和谷胱甘肽的充血和耗竭分別加劇了這一過程[5]。關(guān)于鐵死亡的特征和分子機制是未來研究的熱門主題。更好地了解細胞死亡調(diào)節(jié)可為研究與異常細胞死亡相關(guān)的各種人類疾病提供理論依據(jù)[6]。本研究針對鐵死亡的特征、機制以及在心臟疾病方面的應用進行綜述，以期進一步加深對鐵死亡的認識及對心臟相關(guān)疾病靶向藥物的研發(fā)提供新的思路。

心臟病是我國乃至全世界死亡和致殘的主要原因[7-8]，且心臟病造成的經(jīng)濟負擔日益加重[9]。美國心臟協(xié)會(American Heart Association，AHA)每年都會對心血管及代謝類疾病進行統(tǒng)計分析，并且數(shù)據(jù)顯示心血管疾病在美國乃至全球范圍內(nèi)均是威脅人類健康的主要疾病，并造成了嚴重的經(jīng)濟負擔，心血管健康亦成為AHA關(guān)注的焦點[10]。在我國，心臟疾病發(fā)病率及死亡率也呈現(xiàn)出逐年增高的趨勢，缺血性心臟病負擔的急劇增加伴隨著冠狀動脈導管和經(jīng)皮冠狀動脈介入(PCI)的廣泛使用，2001年—2011年，全國冠狀動脈導管和PCI住院率比2001年前分別增加了17倍和21倍[11]，且心臟疾病是有多種危險因素共同導致的，如腦卒中、代謝綜合征、吸煙、遺傳因素等，多種因素的影響決定了心臟類疾病的不可控性[12]。由此可見，心臟病嚴重影響病人的生活質(zhì)量和生存年限，給家庭和社會帶來沉重的經(jīng)濟負擔。到目前為止，還沒有明確有效的方法治療心臟病，因此，心臟病的防治仍然是一個有待解決的臨床問題。

鐵是各種重要生物功能所需的必需礦物，但也有潛在的毒性。鐵已被認為是冠狀動脈疾病(CAD)的危險因素，然而，鐵在冠狀動脈疾病病人中的毒性仍然具有爭議性。此外，心肌出血是心力衰竭的重要發(fā)病機制，它可能觸發(fā)自由鐵釋放到心肌中，并且是心肌梗死后左心室重塑不良的獨立預測因素，現(xiàn)在可以通過先進的成像方法檢測心臟中的鐵沉積[13]。心肌鐵是心肌梗死后病人左心室重塑的危險因素[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，心臟移植后的炎癥反應是通過鐵死亡和移植內(nèi)皮細胞中的Toll樣受體4(TLR4)/三葉草依賴信號介導的，這些發(fā)現(xiàn)為心臟移植接受者和病人制定治療策略提供了一個平臺[15]。

1 鐵死亡的發(fā)生機制

1.1 脂質(zhì)過氧化 脂質(zhì)過氧化是氧氣與脂質(zhì)結(jié)合的過程，通過過氧基的中間形成產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物，維生素E和輔酶Q與過氧基反應產(chǎn)生過氧化物，然后這些氧化脂類可以通過谷胱甘肽、谷胱甘肽過氧化酶4和細胞抗氧化防御網(wǎng)絡的其他組件進行解毒。鐵死亡是一種受管制的非凋亡細胞死亡形式，涉及鐵依賴性脂質(zhì)過氧化[16]。其驅(qū)動因素是脂質(zhì)修復酶谷胱甘肽過氧化酶4的喪失活動以及脂基活性氧物種的后續(xù)積累，特別是脂質(zhì)超氧化物[17]。但活性氧(ROS)生成的介導器和基材以及谷胱甘肽過氧化酶4抑制在脂質(zhì)環(huán)境中產(chǎn)生ROS的藥理機制尚不得而知。有研究報道，鐵死亡病變期間脂質(zhì)過氧化的機制，涉及磷酸酶激酶G2(PHKG2)對脂氧酶的鐵可用性的調(diào)節(jié)，反過來又通過多不飽和脂肪酸(PUFA)的過氧化來驅(qū)動鐵死亡，事實上，用含有重氫同位素(D-PUFA)的PUFA預處理細胞可以防止PUFA氧化，鐵氧體誘導劑通過共同瞄準活性位點半胱氨酸來抑制谷胱甘肽過氧化酶4，導致PUFA氫氧化物的積累，為在不同情況下控制鐵死亡提出了新的策略[18]。

1.2 鐵元素的大量堆積 鐵死亡依賴于細胞內(nèi)的鐵，但不依賴其他金屬，鐵在鐵死亡中的作用機制與一種或多種依賴鐵的酶相關(guān)，這些酶是鐵死亡過程中氧化機制的核心部分，且在一些癌細胞和病理神經(jīng)元群中發(fā)現(xiàn)鐵含量的異常升高[3]。自噬也可以通過鐵蛋白的退化促進鐵死亡[19]。衰老細胞，無論是否有刺激(輻射、復制、致癌)等，都會產(chǎn)生大量細胞內(nèi)鐵，并伴隨著鐵蛋白平衡水平的變化，通過自噬促進鐵蛋白的降解[20]。還有一些蛋白，能夠影響鐵的代謝，例如熱休克蛋白β1(HSPB1)是鐵氧體癌細胞死亡的負調(diào)節(jié)器[21]，CDGSH鐵硫域1(CISD1)也稱為線粒體，是一種含鐵的外線粒體膜蛋白，通過CISD1的遺傳抑制增加了鐵介導的線粒體內(nèi)部脂質(zhì)過氧化，對鐵死亡也有負調(diào)節(jié)作用[22]。鐵代謝調(diào)控和鐵蛋白自噬也可作為調(diào)節(jié)鐵死亡的靶點。

1.3 其他調(diào)節(jié)鐵死亡的代謝通路 鐵死亡作為一種非凋亡細胞死亡，受基因控制或“調(diào)節(jié)”，但死亡機制的充分程度和多樣性仍然未知，在藥理學上發(fā)現(xiàn)了10種化合物誘發(fā)了3種不同類型的受管制非凋亡細胞死亡[23]。谷胱甘肽過氧化酶4是一種抗氧化酶，被稱為鐵死亡的抑制劑，由于谷胱甘肽過氧化酶4 活性的減少，缺鈣可增強對鐵死亡過程的易感性，以及其他編程細胞死亡途徑[24]。Fanconi貧血補充組D2(FANCD2)是一種參與DNA損傷修復的核蛋白，F(xiàn)ANCD2的淘汰增加了與鐵死亡相關(guān)的生化事件(例如，鐵積累、谷胱甘肽消耗和惡性醛產(chǎn)生)，表明FANCD2在鐵死亡的負面調(diào)控中起著新的作用[25]。

2 鐵死亡與心臟疾病關(guān)系的研究

2.1 鐵死亡與冠狀動脈粥樣硬化 絕經(jīng)前婦女患冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的概率要遠小于男性，這種性別差異和更年期失去保護的基礎(chǔ)尚不清楚，但有假說提出，男性和絕經(jīng)后婦女心臟病發(fā)病率較高，是由于這兩類人鐵儲存含量較高，該假說得到了理論支持，鐵隨著年齡的增長不斷積累，女性在絕經(jīng)后鐵儲存累積量達到男性水平，如果該假說得到證實將可采取預防性治療[26]。You等[27]研究發(fā)現(xiàn)，冠心病病人的冠狀動脈患支中鐵蛋白光鏈的表達顯著增加，鐵蛋白光鏈mRNA的表達減少，表明冠狀動脈中鐵蛋白光鏈的增加表達可能與疾病組織的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性增加或表達的調(diào)整有關(guān)，鐵蛋白光鏈蛋白介于細胞中的鐵儲存，過度儲存鐵與冠狀動脈疾病高風險之間存在關(guān)聯(lián)。Ahluwalia等[28]通過研究證實血清鐵蛋白與動脈粥樣硬化的關(guān)系，在法國西南部基于人群的隨機抽樣，得到動脈粥樣硬化病例中的血清鐵蛋白明顯大于無動脈粥樣硬化的成人，血清鐵蛋白每增加10 μg/L，動脈粥樣硬化的風險就會增加3%。Holay等[29]從各種研究獲得的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，身體鐵的狀況與冠心病風險之間可能存在關(guān)聯(lián)，在無創(chuàng)和多變量分析中研究血清鐵蛋白與急性心肌梗死(AMI)的關(guān)系，評估高血清鐵蛋白與既定常規(guī)危險因素的關(guān)系，對75例AMI病人進行病例對照研究，AMI病人中位血清鐵蛋白水平明顯高于健康者，在控制所有常規(guī)風險因素后，在多個回歸分析中，高鐵蛋白與AMI明顯相關(guān)，提示高血清鐵蛋白與AMI有關(guān)。

鐵死亡還可以從其他方面影響冠心病的進展。巨噬細胞是處理全身鐵和動脈粥樣硬化斑塊的開始、進展和不穩(wěn)定的關(guān)鍵角色，鐵本身可能通過巨噬細胞影響動脈粥樣硬化，巨噬細胞內(nèi)的鐵代謝可能對防止動脈粥樣硬化斑塊的進展有一些有益的影響，也可能有負面后果[30]。吸煙是冠心病的主要危險因素，然而吸煙和這些疾病之間沒有因果關(guān)系，通過對香煙煙霧影響血管壁細胞的機制，發(fā)現(xiàn)香煙煙霧提取物(CSE)誘導了血管平滑肌細胞(VSMC)中一種稱為“鐵死亡”的新型調(diào)節(jié)死亡，CSE明顯誘發(fā)A7r5細胞和原大鼠VSMC細胞死亡，CSE引起的大鼠VSMC死亡完全被特定的鐵化抑制劑和鐵切輪抑制劑抑制，CSE還誘發(fā)Ptgs2 mRNA、脂質(zhì)過氧化和細胞內(nèi)谷胱甘肽耗竭的上升調(diào)節(jié)，均表明鐵死亡是導致CSE誘發(fā)的VSMC死亡的原因，并且是預防冠心病的潛在治療目標[31]。

一些動物實驗也證實了鐵死亡與冠心病之間存在密切聯(lián)系。在小鼠模型動脈粥樣硬化的易感性的研究中[32]，與正常-鐵性載脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠相比，動脈粥樣硬化在鐵載ApoE-/-FPNwt/C326S小鼠中嚴重加重，表明鐵具有致動脈粥樣硬化作用。在驗證慢性鐵超載可能會改變血管反應與動脈粥樣硬化過程的惡化實驗中，小鼠的血清和主動脈注射鐵-dextran或鹽水，實驗周期過后發(fā)現(xiàn)，鐵超載增加了肝損傷和氧化應激的鐵和生物標志物的血清水平，以及主動脈中的鐵沉積，慢性鐵超載會加劇動脈粥樣硬化過程，并誘發(fā)動脈粥樣硬化小鼠的內(nèi)皮功能障礙，這可能是由于氧化應激和被受損的內(nèi)皮合成的放松和收縮因子之間的不平衡導致[33]。在二陳湯合桃紅四物湯調(diào)控p53/SLC7A11介導的氧化損傷及鐵死亡抗動脈粥樣硬化的作用及機制研究實驗中，將50只ApoE-/-小鼠隨機分為模型組、二陳湯合桃紅四物湯低劑量組、二陳湯合桃紅四物湯中劑量組、二陳湯合桃紅四物湯高劑量組及陽性對照組，10只C57BL/6J小鼠作為正常組，飼養(yǎng)12周后分離各組小鼠血清及主動脈組織，與模型組比較，經(jīng)過治療后各干預組小鼠各項指標均明顯改善，提示二陳湯合桃紅四物湯能明顯改善動脈粥樣硬化情況，其機制可能與調(diào)控p53/SLC7A11介導的氧化損傷及抑制細胞鐵死亡有關(guān)[34]。

2.2 鐵死亡與心肌缺血/再灌注(I/R)損傷 先前的研究表明，鐵死亡參與心肌病的發(fā)展，包括心臟肥大、糖尿病心肌病等，但在敗血癥引起的心臟損傷中的作用仍然不清楚。有研究探索鐵死亡對脂多糖(LPS)引起的心臟損傷的作用和基礎(chǔ)機制，小鼠被注射LPS(10 mg/kg)12 h，以產(chǎn)生敗血癥，LPS增加了核受體共激活劑4(NCOA4)的表達和細胞內(nèi)鐵的水平，但降低了鐵蛋白的水平，NCOA4可以直接與鐵蛋白相互作用，并以依賴鐵的方式降解，隨后釋放出大量的鐵，細胞質(zhì)內(nèi)鐵進一步激活線粒體膜上的側(cè)翼素(SFXN1)的表達，這反過來又將細胞質(zhì)內(nèi)鐵輸送到線粒體中，導致線粒體 ROS 和鐵死亡的產(chǎn)生。基于這些發(fā)現(xiàn)得出結(jié)論，鐵死亡是導致敗血癥引起心臟損傷的關(guān)鍵機制之一，以心肌細胞中的鐵死亡為目標可能是未來預防敗血癥的治療策略[35]。

心肌缺血性疾病影響圍術(shù)期病人的預后，糖尿病會加重心肌損傷。Li等[36]觀察了鐵死亡在糖尿病I/R損傷過程中的作用，并觀察內(nèi)質(zhì)視網(wǎng)膜應激(ERS)是否加重心肌細胞損傷。該研究建立了大鼠糖尿病+I/R(DIR)、細胞高葡萄糖(HG)、缺氧/再復氧(H/R)和高葡萄糖H/R(HH/R)模型，誘導心肌損傷并檢測相關(guān)指標。結(jié)果顯示，HG 和H/R模型心肌細胞受損，同時鐵死亡和 ERS 水平增加，在大鼠DIR或HH/R模型中，細胞損傷更為嚴重。DIR模型中對鐵死亡的抑制可以減少ERS和心肌損傷，抑制細胞中的鐵死亡HG、H/R和HH/R模型可以減少細胞損傷。可以通過刺激HH/R細胞模型中的鐵死亡來加劇ERS和細胞損傷。同時，抑制ERS可以緩解鐵死亡和細胞損傷。此外，抑制鐵死亡可以減輕DIR損傷。Li等[37]探討了I/R損傷中鐵死亡的確切作用機制，特別是在腸道。研究假設(shè)缺血在腸道再灌注后立即促進鐵死亡，與I/R研究中采用的傳統(tǒng)策略相比，專注于缺血階段，通過評估缺血后變化以及灌注過程中的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)過氧化水平來驗證鐵死亡。Acyl-CoA合成長鏈家族成員4(ACSL4)是調(diào)節(jié)脂質(zhì)成分的關(guān)鍵酶，已被證明有助于鐵死亡的執(zhí)行，但它在I/R中的作用需要明確。使用羅西利酮(ROSI)和siRNA抑制體內(nèi)和體外缺血/缺氧引起的ACSL4，結(jié)果表明，ACSL4在灌注前抑制，可防止鐵死亡的發(fā)生和細胞死亡。進一步調(diào)查表明，特殊蛋白質(zhì)1(Sp1)是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，通過與ACSL4促進區(qū)域結(jié)合來增加ACSL4轉(zhuǎn)錄。總的來說，這項研究表明，鐵死亡與腸道I/R損傷密切相關(guān)，ACSL4在這個致命過程中起著至關(guān)重要的作用，Sp1是促進ACSL4表達的重要因素。

2.3 鐵死亡與心力衰竭 所有多細胞生物在進化過程中都發(fā)展為細胞死亡的高度調(diào)節(jié)和相互關(guān)聯(lián)的途徑，這個復雜的網(wǎng)絡有助于各種心血管疾病的發(fā)病機制，包括I/R損傷、心肌梗死、心力衰竭、心律失常和動脈粥樣硬化。最近，一個新的途徑——鐵死亡，也被報道參與了心力衰竭的過程，進一步深入了解細胞死亡背后的分子機制將提高心血管疾病治療效果[38]。

細胞死亡引起的肌細胞喪失在心力衰竭中起著關(guān)鍵作用，在高頻中觀察到活性自噬和增加的鐵死亡，并證明可以促進其進展，綜合生物信息學分析結(jié)果表明，TLR4和還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶4(NOX4)被包含在上調(diào)節(jié)的差異表達基因(DEG)中，并且通過DEG相關(guān)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(PPI)網(wǎng)絡相互作用，為探索TLR4-NOX4在自噬和鐵氧體病中的作用，通過扁豆病毒將硅RNA輸送到心肌中，分別應用于主動脈帶誘導的心力衰竭大鼠，并檢測出自噬和鐵氧體病的指標，結(jié)果表明，TLR4或NOX4的擊倒顯著改善了左心室改造，減少了肌細胞死亡。同時，有高頻大鼠的活性自噬和鐵死亡被TLR4和NOX4擊倒明顯遲鈍，建議TLR4-NOX4作為心力衰竭的潛在治療目標，通過抑制自噬和鐵死亡抑制細胞死亡[39]。

心臟病是全世界的主要死因，致命心力衰竭發(fā)展的一個關(guān)鍵致病因素是失去最終分化的心肌細胞。有研究發(fā)現(xiàn)并證明，在多克索魯比辛(DOX)引起的心肌病中，DOX治療的心肌細胞顯示了典型的鐵死亡的特征。RNA測序結(jié)果顯示，在DOX治療的心臟中，鐵快速、系統(tǒng)性積累給小鼠施用DOX誘發(fā)心肌病，表明在降解時釋放的自由鐵是必要的，足以誘發(fā)心臟損傷，進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，線粒體中積累的過量自由鐵，并導致其膜上脂質(zhì)過氧化，靶向抗氧化線粒體明顯挽救了DOX心肌病病人，支持線粒體的氧化損傷，作為鐵死亡引起的心臟損傷的主要機制，這些發(fā)現(xiàn)突出表明，針對鐵死亡是預防心肌病的一種心臟保護策略[40]。

3 小結(jié)與展望

鐵死亡——這一新發(fā)現(xiàn)的細胞程序性死亡途徑，雖然近幾年有越來越多的研究證實其參與了心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過程，為心血管疾病的臨床診治提供了新的認識和思路，但相對于鐵死亡在腫瘤發(fā)病機制及治療、肝腎損傷性疾病等方面的廣泛研究，在心血管疾病方面的研究較匱乏，其參與心血管疾病的很多方面，例如具體機制、相關(guān)通路及藥物作用靶點等仍需要進一步的研究?？傊@種新的細胞死亡方式，無論是在心血管疾病，還是在其他的疾病、病理改變等方面，仍然具有相當?shù)难芯繚摿?，為心血管疾病的治療和預防提供新的策略和思路。