石彤彤 郭志新

糖尿病(diabetes mellitus,DM) 是21世紀(jì)全球最常見的慢性疾病之一,由于糖尿病管理的進(jìn)步以及預(yù)期壽命的延長,糖尿病相關(guān)慢性并發(fā)癥如糖尿病心血管疾病和糖尿病腎臟疾病因其高患病率、高醫(yī)療成本和高病死率在國內(nèi)獲得更多關(guān)注。鐵死亡是一種由脂質(zhì)過氧化介導(dǎo)的鐵依賴性的新型細(xì)胞死亡模式,其實(shí)質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)氧化物代謝障礙,隨著對糖尿病發(fā)病機(jī)制的不斷深入探索,鐵死亡機(jī)制被證實(shí)參與糖尿病的發(fā)生、發(fā)展。β細(xì)胞功能缺失是引起1型糖尿病與2型糖尿病進(jìn)展的關(guān)鍵機(jī)制,目前,細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都表明,鐵死亡促進(jìn)胰島β細(xì)胞損傷[1, 2]。在此,本文就鐵死亡及相關(guān)抑制劑在糖尿病心腎并發(fā)癥中的作用進(jìn)行總結(jié)。

一、鐵死亡概述

鐵死亡的發(fā)生伴隨著特定的脂質(zhì)過氧化和阻止過氧化脂質(zhì)積累的天然防御機(jī)制受損。該過程依賴于過渡金屬鐵、活性氧(reactive oxygen species,ROS)積累,含有多不飽和脂肪酸鏈的磷脂(PUFA-PE)以及抗氧化體系表達(dá)的減弱:主要包括胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(xCT)、谷胱甘肽(glutathione,r-glutamyl cysteingl +glycine,GSH)、谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)。

正常情況下,進(jìn)入循環(huán)的鐵以Fe3+的形式與轉(zhuǎn)鐵蛋白(tansferin,Tf)結(jié)合,運(yùn)輸至各組織器官。隨后被金屬還原酶還原為Fe2+,通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1釋放到細(xì)胞質(zhì)中的不穩(wěn)定鐵池。細(xì)胞內(nèi)的鐵輸出主要是由鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)。鐵蛋白吞噬控制鐵蛋白的水平并進(jìn)一步的調(diào)節(jié)Fe2+的豐度調(diào)控細(xì)胞鐵死亡[3]。當(dāng)Fe2+過量時(shí),通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量的ROS和羥自由基,誘發(fā)細(xì)胞膜發(fā)生鐵死亡[4]。因此體內(nèi)鐵攝入、儲(chǔ)存、利用和流出的不平衡影響細(xì)胞對鐵死亡的敏感度。

特定膜脂的過氧化作用驅(qū)動(dòng)鐵死亡的發(fā)展。?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3(LPCAT3)參與活化和整合多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)形成PUFA-PE,能量應(yīng)激通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine activated protein kinase,AMPK)以及控制乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)限制PUFA生物合成。在不穩(wěn)定鐵池或脂氧合酶、細(xì)胞色素p450氧化還原酶的作用下,PE-PUFA氧化為磷脂氫過氧化物(PLOOHs,一種基于ROS的脂質(zhì)形式),其生成和累積導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)發(fā)生快速且不可修復(fù)的損傷,這種連鎖反應(yīng)進(jìn)而引起細(xì)胞死亡[5]。

鐵死亡通過抑制依賴GPX4的經(jīng)典調(diào)控機(jī)制和GPX4非依賴性途徑完成。GPX4是一種硒蛋白,是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中催化PLOOHs還原的主要酶。GSH是GPX4的必要輔助因子,由谷氨酸、甘氨酸和半胱氨酸3個(gè)亞基組成,半胱氨酸是GSH生物合成中的限速底物。半胱氨酸可以通過xCT(含有SLC7A11和SLC3A2亞單位的跨膜蛋白復(fù)合物)被氧化并從環(huán)境中吸收,或通過蛋氨酸和葡萄糖的轉(zhuǎn)硫途徑合成。研究篩選發(fā)現(xiàn),Erastin和RSL3兩類化合物分別通過抑制xCT阻止胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)的攝取導(dǎo)致半胱氨酸生產(chǎn)減少、GSH消耗和直接抑制GPX4活性觸發(fā)鐵死亡的發(fā)生,而且在GPX4條件性敲除的小鼠中觀察到脂質(zhì)過氧化和隨后的鐵死亡,充分證實(shí)GPX4是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[6, 7]。除了GPX4依賴系統(tǒng),鐵死亡抑制蛋白1(FSP1)/輔酶Q10(CoQ10)、環(huán)GTP水解酶-1 (GCH1)/四氫生物蝶呤(BH4)、吲哚-3-丙酮酸等也參與鐵死亡調(diào)控。具有泛醌氧化還原酶活性的FSP1通過還原CoQ10能夠直接減少脂質(zhì)自由基,終止脂質(zhì)自氧化反應(yīng)[8]。GCH1及其代謝衍生物BH4/BH2引起脂質(zhì)重塑,通過其抗氧化作用來保護(hù)細(xì)胞免于鐵死亡,并且完全獨(dú)立于GPX4介導(dǎo)的鐵死亡保護(hù)[9]。氨基酸氧化酶白細(xì)胞介素4誘導(dǎo)因子1產(chǎn)生的代謝物吲哚-3-丙酮酸通過直接清除自由基和激活抗氧化基因表達(dá)程序兩種模式來對抗鐵死亡[10]。

二、鐵死亡與糖尿病

DM是一種由遺傳因素和環(huán)境因素長期共同作用所致的慢性、全身性、代謝性、進(jìn)展性疾病,其主要病理特征是胰腺β細(xì)胞衰竭和胰島素抵抗。值得注意的是,由于胰腺中ROS的高內(nèi)源性產(chǎn)生和抗氧化酶的低表達(dá),β細(xì)胞極易受到氧化應(yīng)激的影響[11]。研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡誘導(dǎo)劑會(huì)損害體外人類胰島細(xì)胞的活力和功能,包括胰島β細(xì)胞,且在鐵死亡抑制劑的作用下有所恢復(fù)[12]。

獨(dú)立于促炎性細(xì)胞因子所致的細(xì)胞死亡,高糖刺激下鐵沉積、ROS/脂質(zhì)ROS過量產(chǎn)生、GPX4軸紊亂促進(jìn)β細(xì)胞鐵死亡,進(jìn)而參與膜完整性的破壞導(dǎo)致胰島素分泌功能障礙[2]。體內(nèi)鐵代謝與糖尿病進(jìn)展有關(guān),將體內(nèi)鐵含量降低至適當(dāng)水平可以改善糖尿病的狀況和發(fā)展[13]。在糖尿病細(xì)胞及動(dòng)物模型中均觀察到ROS/脂質(zhì)ROS表達(dá)量的增加,還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活力的降低和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、GSH、GPX4等抗氧化防御活性的變化[14]。Li等[14]研究結(jié)果支持槲皮素對長期糖毒性胰腺β細(xì)胞死亡的保護(hù)作用,該機(jī)制與鐵代謝、GSH消耗、GPX4失活和脂質(zhì)過氧化有關(guān)。可見鐵死亡促進(jìn)了胰腺β細(xì)胞的減少及胰島素分泌功能障礙,對與鐵死亡有關(guān)的因素進(jìn)行監(jiān)測與控制,可能對糖尿病及其并發(fā)癥早期診治有一定幫助。

三、鐵死亡與糖尿病心肌病

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)作為糖尿病最常見的心血管并發(fā)癥,逐步成為糖尿病患者死亡的主要原因之一。DCM在早期通常以心肌纖維化、左心室肥大、不良重構(gòu)和舒張功能障礙為特征,晚期退化為收縮功能障礙和射血分?jǐn)?shù)降低,最終導(dǎo)致心力衰竭。有研究表明,鐵死亡參與糖尿病心肌缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,IRI)的過程[15]。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn),在糖尿病心肌中鐵死亡與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)之間存在著功能偶合,ROS和ERS相互關(guān)聯(lián)觸發(fā)鐵死亡,進(jìn)一步導(dǎo)致IRI的發(fā)生,體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鐵死亡抑制劑ferrostatin-1(Fer-1)能降低ERS和心肌損傷,反之鐵死亡激動(dòng)劑Erastin的應(yīng)用加重該損傷。棕櫚酸 (palmitic acid,PA) 誘導(dǎo)的心肌損傷被認(rèn)為是肥胖和2型糖尿病相關(guān)心肌病發(fā)展的關(guān)鍵因素。Wang等[17]研究發(fā)現(xiàn),熱休克因子1(HSF1)負(fù)調(diào)控PA誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和脂質(zhì)過氧化,與HSF1+/+小鼠比較,PA攻擊的HSF1-/-小鼠通過增加SLC40A1和FTH1 mRNA 表達(dá)、降低GPX4和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體(TFRC)表達(dá)以及強(qiáng)化心臟中的ERS等方式呈現(xiàn)更為嚴(yán)重的鐵死亡現(xiàn)象。

表觀遺傳學(xué)中DNA甲基化和非編碼RNA(ncRNA)的研究使我們對糖尿病的發(fā)病機(jī)制和相關(guān)并發(fā)癥有新的認(rèn)識(shí)。在糖尿病IRI期間抑制DNA (胞嘧啶-5)-甲基轉(zhuǎn)移酶1 (DNMT-1) 可降低核受體輔激活因子4 (NCOA4) 介導(dǎo)的鐵蛋白吞噬減輕細(xì)胞損傷程度[18]。Ni等[19]研究發(fā)現(xiàn),抑制lncRNA-ZFAS1可能通過海綿化miR-150-5p激活細(xì)胞周期蛋白D2(CCND2)來減弱心肌細(xì)胞鐵死亡,從而緩解DCM心肌纖維化和心臟功能。由此可見,這些發(fā)現(xiàn)均強(qiáng)烈表明鐵死亡在DCM中起著至關(guān)重要的作用,抑制鐵死亡可對抗DCM改善其病理改變和心臟功能。

四、鐵死亡與糖尿病腎臟疾病

糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病嚴(yán)重的微血管并發(fā)癥,是終末期腎病的主要原因。高血糖、氧化應(yīng)激、持續(xù)性慢性炎癥、晚期糖基化終產(chǎn)物積累、脂質(zhì)代謝紊亂和誘導(dǎo)的異常過程影響多個(gè)腎細(xì)胞,導(dǎo)致不同的調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡模式,引起腎臟結(jié)構(gòu)和功能的破壞。鐵死亡被證實(shí)與DKD息息相關(guān)。Wang等[20]在DKD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)GPX4表達(dá)水平降低,ACSL4表達(dá)水平升高、脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物和鐵含量增加。Kim等[21]從人體水平揭示鐵死亡與DKD的關(guān)聯(lián),他們了評估DKD患者腎活檢組織中鐵死亡相關(guān)分子的變化,發(fā)現(xiàn)SLC7A11和GPX4 mRNA表達(dá)的減低。

目前研究普遍認(rèn)為,腎小球是DKD的主要損傷部位,系膜細(xì)胞和足細(xì)胞功能障礙是糖尿病介導(dǎo)的腎組織破壞的重要病理事件。一項(xiàng)研究結(jié)果顯示,在DKD患者中觀察到血清鐵蛋白、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)、ROS和高遷移率族蛋白1(high mobility group protein 1,HMGB1)水平顯著升高及鐵死亡相關(guān)分子的失調(diào);經(jīng)過體外測定表明高糖介導(dǎo)的HMGB1在系膜細(xì)胞中易位并通過核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信號(hào)調(diào)節(jié)鐵死亡,敲除HMGB1可恢復(fù)細(xì)胞增殖、抑制高糖誘導(dǎo)的Toll樣受體4(TLR4)/核因子κB(NF-κB)軸激活、促進(jìn)Nrf2及其下游靶點(diǎn)的表達(dá)對抗鐵死亡,并減少暴露于高葡萄糖的系膜細(xì)胞中的促炎性細(xì)胞因子[22]。過氧化物酶6(PRDX6)是鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子。轉(zhuǎn)錄因子特異性蛋白1(specificity protein 1,Sp1)可與PRDX6啟動(dòng)子中的3個(gè)Sp1反應(yīng)元件結(jié)合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄激活PRDX6,PRDX6過表達(dá)抑制HG誘導(dǎo)的足細(xì)胞氧化應(yīng)激和鐵死亡,沉默Sp1則逆轉(zhuǎn)了PRDX6對HG環(huán)境下足細(xì)胞功能的影響,STZ誘導(dǎo)的DKD小鼠的體內(nèi)研究同樣驗(yàn)證了PRDX6在DKD中的保護(hù)作用[23]。

此外,腎小管細(xì)胞鐵死亡也參與DKD的發(fā)生、發(fā)展。Feng等[24]研究已表明,鐵死亡可能通過缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)/血紅素加氧酶(HO-1)途徑影響DKD的進(jìn)展并損傷腎小管。Kim等[21]研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)刺激的腎小管細(xì)胞和糖尿病小鼠的腎臟中GSH水平顯著降低,同時(shí)伴隨著xCT和GPX4表達(dá)降低以及脂質(zhì)過氧化的顯著增加。使用Fer-1處理可以明顯改善上述變化及減輕糖尿病小鼠的腎臟病理損傷。總之,鐵死亡通過足細(xì)胞、系膜細(xì)胞和腎小管細(xì)胞中的多種機(jī)制促進(jìn) DKD。深入研究鐵死亡的病理機(jī)制,有助于及時(shí)、合理地通過靶向鐵死亡防治DKD。

五、糖尿病及心腎并發(fā)癥中的鐵死亡抑制劑

隨著鐵死亡機(jī)制探索的不斷深入,目前已發(fā)現(xiàn)多種鐵死亡特異性抑制劑,如Fer-1、去鐵胺、維生素E等。糖尿病及并發(fā)癥中的鐵死亡抑制亦有較多研究報(bào)道。研究顯示,某些藥物可抑制鐵死亡繼而有利于糖尿病及并發(fā)癥的治療。非諾貝特作為第3代貝特酸衍生物被廣泛應(yīng)用于治療血脂異常的患者,可通過上調(diào)Nrf2基因恢復(fù)鐵死亡相關(guān)改變,延緩DKD的進(jìn)展[25]。羅格列酮是最強(qiáng)的ACSL4抑制劑,通過維持腎功能和通過阻斷腎小管細(xì)胞鐵死亡來抑制促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生來改善DKD[26]。達(dá)格列凈是臨床上用于治療糖尿病的降糖藥物之一,其主要功能是通過鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2減少近端小管中的葡萄糖重吸收。近年來研究發(fā)現(xiàn),達(dá)格列凈和SLC40A1相互結(jié)合減少泛素化降解,通過穩(wěn)定SLC40A1緩解糖尿病腎小管鐵死亡[27]。

從天然產(chǎn)物中提取的一些化合物已被開發(fā)用來保護(hù)細(xì)胞免受鐵死亡的侵害。前文提到槲皮素通過抑制胰腺鐵沉積和胰腺β細(xì)胞鐵死亡對T2DM發(fā)揮有益作用[14]。Zhou等[28]研究發(fā)現(xiàn),隱綠原酸也可通過激活胱氨酸/xCT/Gpx4/Nrf2和抑制糖尿病中的核受體輔激活因子4來削弱鐵死亡而保護(hù)糖尿病β細(xì)胞功能。姜黃素是從姜黃植物的根莖中提取的一種多酚類化合物,具有廣泛的生物活性,可促進(jìn)Nrf2核易位,增加血紅素加氧酶等氧化清除因子表達(dá),減少Gpx4過度丟失,抑制糖誘導(dǎo)心肌細(xì)胞鐵死亡[29]。來源于黃連根莖中的小檗堿可能介導(dǎo)Nrf2/HO-1/Gpx4通路調(diào)節(jié)DKD足細(xì)胞中鐵死亡相關(guān)蛋白水平緩解足細(xì)胞質(zhì)膜和線粒體改變[30]。這類天然產(chǎn)物擁有潛在的抗鐵死亡特性,但該類化合物的作用靶點(diǎn)和臨床試驗(yàn)有待進(jìn)一步研究討論。

綜上所述,糖尿病可通過調(diào)控鐵代謝、抗氧化系統(tǒng)和脂質(zhì)氧化途徑3個(gè)方面誘導(dǎo)靶細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,而鐵死亡的發(fā)生加劇糖尿病及并發(fā)癥損害。研究已經(jīng)證實(shí),糖尿病及心腎并發(fā)癥和鐵死亡之間存在關(guān)聯(lián)。盡管對鐵死亡的研究還不夠深入,其在糖尿病及糖尿病并發(fā)癥的具體作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步探討,但是鐵死亡這一潛在的糖尿病治療靶點(diǎn)或許會(huì)給臨床防治工作帶來新思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。