關(guān)同娟 劉靖芳

1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，甘肅蘭州 730000

糖尿病及其并發(fā)癥是嚴(yán)重影響人類健康的一種慢性疾病。糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）是糖尿病最常見的微血管并發(fā)癥之一，也是慢性腎?。╟hron ic kidney disease，CKD）及終末期腎?。╡nd-stage renal disease，ESRD）的常見病因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球糖尿病的患病率在20～79 歲人群中目前大約為10.5%，其中約40%的糖尿病患者患有DN[1]。DN 的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，包括葡萄糖代謝紊亂、氧化應(yīng)激、晚期糖基化終末產(chǎn)物的形成、免疫炎癥反應(yīng)及線粒體損傷等。高血糖導(dǎo)致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的過度積累，進(jìn)一步引起氧化應(yīng)激的持續(xù)激活，并抑制谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶的表達(dá)，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物積累和線粒體功能障礙。鐵死亡是鐵依賴性調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡的一種新形式，其特征性變化為鐵過載、抗氧化能力的喪失和含磷脂的多不飽和脂肪酸的過氧化。最近的研究表明，在多種腎臟疾病中可觀察到鐵死亡現(xiàn)象，包括急性腎損傷、腎缺血再灌注損傷和DN 等[2-3]。本文就鐵死亡在DN 發(fā)病中的作用和機(jī)制進(jìn)行綜述，為臨床上DN的診斷和治療探索新的治療靶點(diǎn)和策略。

1 鐵死亡的主要調(diào)控機(jī)制

鐵死亡是一種鐵依賴性的程序化細(xì)胞死亡形式，由Dixon 等[4]于2012 年提出。其在形態(tài)學(xué)和生化學(xué)上與細(xì)胞凋亡、壞死和自噬等細(xì)胞死亡類型不同。在形態(tài)學(xué)上，鐵死亡會(huì)出現(xiàn)特征性的線粒體變化，例如線粒體收縮和線粒體外膜密度增加。鐵死亡的本質(zhì)是鐵依賴性ROS 產(chǎn)生、氧化還原失衡導(dǎo)致細(xì)胞膜多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，該過程受以下多種細(xì)胞代謝途徑及信號(hào)通路的調(diào)節(jié)[4]。

1.1 鐵代謝途徑與鐵死亡

鐵是維持生命活動(dòng)非常重要的微量元素之一，細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)的維持與鐵的吸收、儲(chǔ)存、循環(huán)和利用密切相關(guān)。人體每天從飲食中吸收1～2 mg 鐵，飲食中的鐵在小腸刷狀緣上細(xì)胞色素b 的幫助下被還原為具有催化活性的亞鐵，然后在二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1 的調(diào)節(jié)下進(jìn)入腸上皮細(xì)胞。在細(xì)胞質(zhì)中亞鐵離子（Fe2+）可儲(chǔ)存在鐵蛋白重鏈中，也可被鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)排出到血漿中。輸出的Fe2+在鐵調(diào)素的幫助下被氧化為三價(jià)鐵離子，并與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，啟動(dòng)鐵循環(huán)。進(jìn)入血漿中轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵通過細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 進(jìn)入細(xì)胞后被鐵還原酶還原為Fe2+。Fe2+和過氧化氫通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS，生成的ROS 可將脂質(zhì)氧化為脂質(zhì)過氧化物。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的Fe2+過多時(shí)，加速細(xì)胞內(nèi)ROS的形成，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物積累，誘導(dǎo)鐵死亡。

1.2 與鐵死亡相關(guān)的其他調(diào)控機(jī)制

生物體膜和細(xì)胞器膜均富含長鏈多不飽和脂肪酸，其在酰基輔酶A 合成酶長鏈家族成員4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）和脂氧合酶等一系列酶的作用下被轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)過氧化物[5]。研究發(fā)現(xiàn)噻唑烷二酮能抑制谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）基因敲除的急性腎損傷小鼠ACSL4 高表達(dá)所導(dǎo)致的鐵死亡，提高小鼠的存活率[6]。機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)可清除脂質(zhì)過氧化物，從而減輕鐵死亡。與鐵死亡密切相關(guān)的抗氧化系統(tǒng)為胱氨酸、谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體/谷胱甘肽（glutathione，GSH）/GPX4 軸。胱氨酸、谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體，又名Xc-系統(tǒng)，是由溶質(zhì)載體家族7 成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族3 成員2兩個(gè)亞基組成的異二聚體，其活性亞基為SLC7A11。谷氨酸（glutamate，Glu）和胱氨酸（cystine，Cys）通過Xc-系統(tǒng)以相同比例進(jìn)出細(xì)胞。GSH 是一種細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑，由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸結(jié)合形成。Cys為GSH 合成的重要原料，進(jìn)入細(xì)胞影響GSH 的合成。GPX4 是體內(nèi)還原過氧化磷脂所必需，也是鐵死亡的關(guān)鍵上游負(fù)調(diào)節(jié)劑，其催化功能需要GSH 激活才能恢復(fù)其活性狀態(tài)。GPX4 可將GSH 轉(zhuǎn)化為谷胱甘肽二硫，并將細(xì)胞毒性脂質(zhì)過氧化氫還原為相應(yīng)的醇，從而抵御氧化損傷[7]。柳氮磺吡啶及索拉非尼可以抑制Xc-系統(tǒng)活性，干擾Cys 的吸收和GSH 的合成，導(dǎo)致GPX4 活性降低，細(xì)胞抗氧化能力下降，導(dǎo)致脂質(zhì)ROS 積累增加，最終導(dǎo)致鐵死亡[8]。

核因子紅細(xì)胞2 相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2）是調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化應(yīng)激的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)的維持有重要影響。Nrf2 信號(hào)通路通過調(diào)節(jié)GSH 穩(wěn)態(tài)、脂質(zhì)代謝和線粒體功能參與鐵死亡過程。研究表明，右美托咪定通過Nrf2 通路上調(diào)GPX4 的表達(dá)抑制鐵死亡，從而改善糖尿病心肌病[9]。然而，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)腫柄菊內(nèi)酯C 通過激活Nrf2/血紅素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）信號(hào)通路可誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞鐵死亡[10]。這些研究表明Nrf2 在鐵死亡中具有雙重作用。

除了上述這些直接參與鐵死亡的酶和蛋白質(zhì)外，一些抑癌基因及非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNAs）也參與鐵死亡調(diào)控。p53 是一種抑癌蛋白，可通過調(diào)控SLC7A11 的表達(dá)來參與鐵死亡的調(diào)節(jié)[11]。微小核糖核酸（microRNA，miRNA）和環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）均屬于ncRNA。miRNA 可以通過干擾癌細(xì)胞中的脂質(zhì)代謝調(diào)節(jié)鐵死亡，也可以通過調(diào)節(jié)氨基酸代謝和干擾鐵代謝來調(diào)節(jié)鐵死亡。circRNA 是一種最近鑒定的內(nèi)源性ncRNA，可通過腫瘤細(xì)胞中的miRNA 調(diào)節(jié)細(xì)胞鐵死亡[12]。

2 鐵死亡在糖尿病腎病中的作用和分子機(jī)制

DN 是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一，大約40%的2 型糖尿病患者患有DN，其患病率隨著年齡的增長而增加，是ESRD 的主要原因[13]。DN 發(fā)病機(jī)制除血流動(dòng)力學(xué)因素外，還包括高血糖引起的氧化應(yīng)激、晚期糖基化終末產(chǎn)物的形成、自噬失調(diào)等，最終導(dǎo)致腎臟發(fā)生炎癥和纖維化[14]。除細(xì)胞凋亡、壞死和自噬等細(xì)胞死亡外，研究表明，鐵死亡與DN 的發(fā)生、發(fā)展也密切相關(guān)。Kim 等[15]在DN 患者的腎活檢標(biāo)本中觀察到了鐵死亡相關(guān)因子ACSL4、前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2 水平顯著升高，而GPX4 水平降低。同時(shí)，Li 等[16]在DN 的動(dòng)物模型中也發(fā)現(xiàn)了鐵死亡的參與，且在高糖培養(yǎng)的人腎近端小管細(xì)胞（human renal tubular epithelial cells，HK-2）中觀察到鐵死亡特異性的線粒體形態(tài)變化。

鐵穩(wěn)態(tài)平衡對(duì)于腎臟的正常功能至關(guān)重要。細(xì)胞鐵積累是導(dǎo)致鐵死亡的重要因素。在生理?xiàng)l件下，鐵調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)水平正常的人，腎臟鐵積累不會(huì)發(fā)生。然而，對(duì)于DN 患者，其鐵蛋白、鐵運(yùn)輸?shù)鞍椎谋磉_(dá)異常，導(dǎo)致腎小管中鐵積累，從而誘發(fā)鐵死亡。一項(xiàng)回顧性研究結(jié)果顯示，與健康對(duì)照者比較，DN 患者的腎小管上皮細(xì)胞表現(xiàn)出較高濃度的鐵沉積和轉(zhuǎn)鐵蛋白表達(dá)[17]。二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZRT/IRT 樣蛋白14（ZRT/IRT-like protein 14，ZIP14）是一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可介導(dǎo)細(xì)胞對(duì)鐵的攝取。Fei 等[18]在DN 動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)ZIP14 表達(dá)上調(diào)且Fe2+水平增加，GSH 降低和GPX4 表達(dá)下調(diào)，在鐵死亡抑制劑處理后ZIP14 表達(dá)下調(diào)，F(xiàn)e2+的水平降低，這表明ZIP14 參與DN 中鐵死亡的啟動(dòng)。另外，已有研究證實(shí)低鐵飲食可以減輕DN 大鼠的腎臟損傷[19]。以上研究提示鐵積累導(dǎo)致的鐵死亡可能參與了糖尿病的慢性腎臟損害，而低鐵飲食可能減輕DN 的腎臟損傷。

Nrf2 信號(hào)通路及轉(zhuǎn)化生長因子-β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）在DN 的發(fā)生、發(fā)展中也有非常重要的作用。Nrf2 信號(hào)通路可激活一種抗氧化機(jī)制，該機(jī)制在減少氧化應(yīng)激和改善細(xì)胞死亡中起關(guān)鍵作用，因此可能在DN 中對(duì)腎臟提供保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)DN 小鼠Nrf2 蛋白表達(dá)降低，且在高糖情況下敲低HK-2 細(xì)胞中的Nrf2 表達(dá)，腎小管上皮細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感性有所增強(qiáng)。而非諾貝特可以通過上調(diào)Nrf2 的表達(dá)從而使GPX4 和SLC7A11 表達(dá)上調(diào)，來減輕鐵死亡對(duì)HK-2 細(xì)胞的損害，延緩糖尿病小鼠腎臟病理改變的進(jìn)展[16]。然而，研究也發(fā)現(xiàn)Nrf2 介導(dǎo)的HO-1上調(diào)可促進(jìn)血紅素降解，導(dǎo)致游離鐵釋放和脂質(zhì)過氧化，從而誘導(dǎo)鐵死亡[20]。因此，Nrf2 的適當(dāng)激活和持續(xù)激活之間的臨界點(diǎn)需要大量的研究進(jìn)一步證實(shí)，進(jìn)而更好地指導(dǎo)DN 的預(yù)防和治療。此外，研究發(fā)現(xiàn)在TGF-β1處理的腎小管上皮細(xì)胞中觀察到GSH 和GPX4 表達(dá)水平顯著降低，同時(shí)脂質(zhì)過氧化明顯增加，而鐵死亡抑制劑可顯著改善TGF-β1誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞死亡，說明TGF-β1通過氧化應(yīng)激可能導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生，從而促進(jìn)了DN 的發(fā)展[15]。

鐵死亡除了與腎小管損傷有關(guān)，還可引起足細(xì)胞和系膜細(xì)胞損傷。腎小球?yàn)V過屏障功能高度依賴于足細(xì)胞，足細(xì)胞損傷常導(dǎo)致腎小球源型白蛋白尿。高濃度果糖可誘發(fā)伴有足細(xì)胞損傷和白蛋白尿相關(guān)的腎小球損傷。Wu 等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，高濃度果糖喂養(yǎng)的大鼠腎小球足細(xì)胞中線粒體單鏈DNA 結(jié)合蛋白1（single-strand DNA-binding protein 1，SSBP1）表達(dá)上調(diào)，增強(qiáng)的SSBP1 可通過激活DNA 依賴性蛋白激酶以正向調(diào)節(jié)p53，促進(jìn)p53 積累，從而下調(diào)SLC7A11 表達(dá)抑制系統(tǒng)-Xc 對(duì)cys 的攝取，從而影響GPX4 的活性，導(dǎo)致抗氧化能力降低，足細(xì)胞發(fā)生鐵死亡和損傷，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)紫檀芪可抑制SSBP1 的過表達(dá)，從而減輕高濃度果糖導(dǎo)致的足細(xì)胞損傷，這可能為足細(xì)胞鐵死亡提供潛在的治療方法。此外，Jin 等[22]在DN小鼠中發(fā)現(xiàn)一種新型circRNA，mmu_circRNA_0000309，吉馬酮可通過mmu_circRNA_0000309/miR-188-3p/GPX4信號(hào)軸上調(diào)GPX4 表達(dá)，增強(qiáng)抗氧化能力，進(jìn)而抑制線粒體損傷和足細(xì)胞死亡，改善DN 小鼠的腎臟損傷。

DN 患者處于長期慢性高血糖狀態(tài)，其可促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)過多的積累和系膜細(xì)胞自限性增殖，導(dǎo)致基底膜增厚和系膜擴(kuò)張[23]。研究發(fā)現(xiàn)高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box-1，HMGB1）在DN 患者和體外系膜細(xì)胞中可被高糖所激活，而HMGB1 的敲除可促進(jìn)Nrf2 表達(dá)，進(jìn)而抑制ROS 的產(chǎn)生，降低ACSL4并增加系膜細(xì)胞中的GPX4 水平，提示HMGB1 在系膜細(xì)胞中可通過Nrf2 通路調(diào)節(jié)高糖誘導(dǎo)的鐵死亡[24]。以上研究說明，鐵死亡與腎小球足細(xì)胞及系膜細(xì)胞的損傷密切相關(guān)，需要更多的研究來發(fā)現(xiàn)鐵死亡與足細(xì)胞及系膜細(xì)胞損傷的機(jī)制，開發(fā)靶向治療足細(xì)胞及系膜細(xì)胞損傷的新藥對(duì)DN 的治療是非常有前途的。

3 鐵死亡抑制劑對(duì)糖尿病腎病的影響

通過鐵死亡與DN 之間的病理生理聯(lián)系說明鐵死亡抑制劑可治療DN。調(diào)控鐵死亡可能是未來治療DN 的一個(gè)新的方向和靶點(diǎn)。近年來，已經(jīng)研究出一些通過調(diào)節(jié)鐵死亡主要信號(hào)通路來抑制鐵死亡的制劑，包括抗氧化劑、ACSL4 抑制劑、鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（sodium-dependent glucose transporters 2，SGLT-2）抑制劑及一些天然中草藥提取物等。

3.1 抗氧化劑

抗氧化劑包括維生素E、N-乙酰半胱氨酸（Nacetylcysteine，NAC）、鐵抑素-1（ferrostatin-1，F(xiàn)er-1）和利普司他汀-1（Lipstatin-1，Lip-1）等，可通過不同的途徑減少脂質(zhì)過氧化，抑制鐵死亡，從而對(duì)腎臟具有保護(hù)作用。

維生素E 被廣泛認(rèn)為是最重要的保護(hù)生物膜的抗氧化劑，可有效地清除鐵死亡過程中產(chǎn)生過氧自由基，抑制脂質(zhì)過氧化物的形成。一項(xiàng)前瞻性的臨床研究已證明補(bǔ)充富含生育三烯酚的維生素E 可改善DN 患者的腎功能，延緩DN 進(jìn)展[25]。

NAC 是一種具有硫醇基團(tuán)的抗氧化劑，其為L-半胱氨酸的前體。研究表明，NAC 通過增強(qiáng)線粒體GSH的活性來維持線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)，減輕了線粒體氧化損傷，從而減輕DN 中的鐵死亡，成為治療DN 的有潛力的候選藥物[26]。

Fer-1 是一種常見的鐵死亡抑制劑，其不僅可以清除親脂性過氧自由基，且可通過上調(diào)GPX4 和Nrf2的表達(dá)從而抑制鐵死亡[27]。Li 等[16]研究發(fā)現(xiàn)Fer-1 處理后的DN 小鼠腎臟抗氧化能力增強(qiáng)，鐵沉積和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物減少，減輕了DN 小鼠的腎臟損傷。

腎纖維化是CKD 最終導(dǎo)致ESRD 的常見途徑。最近的一項(xiàng)研究表明，Lip-1 降低了HK-2 細(xì)胞中的鐵含量并抑制了脂質(zhì)過氧化和促纖維化因子的分泌，從而減輕腎小管上皮細(xì)胞中的鐵死亡來緩解腎纖維化，延緩CKD 的進(jìn)展[28]。

3.2 ACSL4 抑制劑及SGLT-2 抑制劑

一些降糖藥物也可通過調(diào)節(jié)鐵死亡的信號(hào)通路抑制鐵死亡進(jìn)而改善腎臟的損傷，如羅格列酮及達(dá)格列凈等。羅格列酮通過抑制ACSL4 表達(dá)，阻斷長鏈不飽和脂肪酸活化和磷脂化過程，減少脂質(zhì)過氧化，抑制鐵死亡，減少腎損傷，提高了腎功能[2]。溶質(zhì)載體家族40 成員1（solute carrier family 40 member 1，SLC40A1）是一種鐵輸出蛋白，抑制SLC40A1 表達(dá)導(dǎo)致鐵過載可誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生。研究表明，SGLT-2 抑制劑達(dá)格列凈不僅可以減少腎小管對(duì)葡萄糖的重吸收，而且可通過穩(wěn)定SLC40A1，減少其泛素化降解，抑制鐵死亡來改善DN 小鼠的腎臟損傷[29]。

3.3 天然中草藥

最近研究發(fā)現(xiàn)天然中草藥提取物可抑制鐵死亡，從而改善糖尿病的腎損傷。光甘草定（glabridin，Glab）是甘草的一種生物活性成分。Glab 干預(yù)可使DN 大鼠腎臟的GPX4 和SLC7A11 的表達(dá)上調(diào)，抑制DN 中的氧化應(yīng)激和鐵死亡，減輕了DN 的腎臟損傷[30]。桔梗素（platycodin D，PD）是從桔梗的干燥根中提取得到的，具有抗炎、抗腫瘤、抗衰老的作用。Huang 等[31]的研究發(fā)現(xiàn)PD 可通過上調(diào)GPX4 表達(dá)水平進(jìn)而抑制腎小管上皮細(xì)胞鐵死亡，表明PD 可能是DN 治療的有效藥物。

鐵死亡是一種新型的鐵依賴性的細(xì)胞程序性死亡，其特征是鐵依賴性ROS 生成、氧化還原失衡、脂質(zhì)過氧化物蓄積。鐵死亡可導(dǎo)致腎臟腎小管、系膜細(xì)胞和足細(xì)胞的損傷，與DN 的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。目前DN 的治療主要以降低血壓和減輕蛋白尿?yàn)楹诵?，而以鐵代謝紊亂和脂質(zhì)過氧化為核心的鐵死亡機(jī)制已經(jīng)為DN 的治療提供了新的思路。未來的研究將會(huì)進(jìn)一步探索鐵死亡的全過程，揭示鐵死亡的特異性生物學(xué)標(biāo)志物，研發(fā)更多特異性和穩(wěn)定性相對(duì)較高的鐵死亡抑制藥物，對(duì)DN 的治療產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

利益沖突聲明：本文所有作者均聲明不存在利益沖突。