鐵死亡與重大慢性疾病

鐵死亡是近年發現的一種鐵依賴的新型細胞死亡方式。其特征是脂質過氧化物和活性氧簇的過量蓄積。大量研究表明，鐵死亡不僅在重大慢性疾病的發生發展過程中發揮重要作用，而且在不同的疾病背景下扮演不同角色。目前認為，鐵死亡可抑制腫瘤生長并增加多種腫瘤對化療藥物和免疫治療的敏感性。因此誘導鐵死亡的發生拓展了腫瘤治療思路。然而，在心腦血管疾病和神經退行性疾病中，鐵死亡的發生通過引發正常組織器官損傷和功能喪失直接參與疾病的發生、發展及轉歸。因此針對心腦血管疾病和神經退行性疾病，抑制鐵死亡的發生能夠有效預防并延緩這些疾病的發生和發展。

慢性疾病是指非傳染性、病程長且病情遷延不愈的疾病。主要包括心腦血管疾病、腫瘤、糖尿病及慢性呼吸道疾病等。鐵死亡是一種鐵依賴的非凋亡形式的細胞死亡方式。在形態學、遺傳學、代謝學和分子生物學等方面均不同于凋亡、焦亡或壞死等細胞死亡方式。其主要特征是脂質過氧化物和活性氧過量積累。因此鐵代謝和脂質過氧化在鐵死亡通路中發揮重要調控作用。其可能的分子機制見圖１。

圖1：鐵代謝和脂代謝途徑通過誘發脂質過氧化最終導致鐵死亡，而谷胱甘肽過氧化物酶和鐵死亡抑制因子1(FSP1)等通過抑制脂質過氧化而抑制鐵死亡。

FTH1:鐵蛋白重鏈1;FTL:鐵蛋白輕鏈;GSH:還原型谷胱甘肽;GSSH:氧化型谷胱甘肽;HMOX1:血紅素加氧酶１;NADP+:氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;NADPH:還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;NRF2:核因子E2相關因2;SLC7A11:溶質載體家族7成員11;systemXc^-:谷氨酸/胱氨酸反向轉運體;IREEB2:鐵反應元件結合蛋白2。

1. 鐵死亡與腫瘤

腫瘤細胞可以通過規避細胞死亡而增殖；而細胞凋亡、壞死、自噬等死亡方式在腫瘤的發生發展中同樣發揮了重要作用。

1.1 鐵死亡與肝細胞癌

鐵死亡是治療肝細胞癌的潛在作用機制之 一。成視網膜細胞瘤(Rb)蛋白缺失的癌細胞對索拉非尼誘導的鐵死亡更加敏感，可能原因是其通過影響線粒體中的活性氧濃度從而導致氧化應激反應增強。此外，Sun等研究發現核因子E2相關因子2(NRF2)在索拉非尼誘導的肝細胞癌細胞鐵死亡過程中發揮保護作用，提示靶向p62-Keap1-NRF2通路可能克服肝癌細胞對索拉非尼的耐藥。另外，NRF2還通過胱硫醚酶途徑誘導促進鐵死亡重要負向調節因子金屬硫蛋白 (MT)1G的表達，導致癌細胞對索拉非尼耐藥CDGSH鐵硫結構域１能夠保護肝細胞癌細胞中 的線粒體避免鐵死亡，同時能被Erastin以鐵依賴的方式上調。此外，肝細胞癌細胞攜帶的 p53^s47突變通過抑制ACSL4導致鐵死亡耐受。在肝癌中，鐵死亡相關基因的表達與患者預后有關。Kinoshita等比較了130例肝細胞癌組織及癌旁正常組織中SLC7A11的mRNA表達水平發現在肝細胞癌組織中的表達量比其在正常組織中增加，且SLC7A11高表達的肝癌患者的生存期和無病生存期均明顯短于SLC7A11低表達的肝癌患者。此外，在索拉非尼治療肝細胞癌患者的過程中Rb和MT1高表達也與患者的不良預后有關。

1.2 鐵死亡與胰腺癌

胰腺癌主要發生機制為突變的KRAS基因將胰腺導管腺癌(PDAC)細胞重新編碼為對細胞凋亡具有高度抵抗性的狀態。青蒿琥酯能通過生成活性氧誘導腫瘤細胞發生凋亡。Eling等研究發現，青蒿琥酯能夠誘導KRAS突變的PDAC細胞發生鐵死亡，而該過程可被Fer-1有效抑制。Yamaguchi等發現天然產物蓽苃酰胺可通過促進活性氧生成誘發腫瘤細胞鐵死亡，其抗腫瘤細胞效果能夠被抗氧化劑、鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑等抑制；蓽苃酰胺、Cotylenin A (一種植物生長 調節素)和柳氮磺胺吡啶聯合使用對胰腺癌有很好的協同治療效果。研究結果提示鐵死亡誘導劑有望應用于胰腺癌的治療。

1.3 鐵死亡與腎細胞癌

腎細胞癌起源于腎實質泌尿小管上皮系統，是泌尿系統中惡性度較高的腫瘤。Yang等發現GPX4是腎透明細胞癌細胞鐵死亡信號通路中的關鍵調節因子，腎癌細胞相比其他七種組織來源的腫瘤細胞(肺癌、結腸癌、中樞神經系統、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌和白血病)對抑制GPX4誘導的鐵死亡更敏感。腎癌細胞通過肝細胞因子-1β-1?；视?3磷酸氧?；D移酶３(AGPAT3)軸和H1F-2α-HILPDA途徑誘導，該途徑能夠誘導多不飽和脂肪?；|富集的細胞狀態。從而增加其對鐵死亡的敏感性。最近美國杜克大學Yang等發現腎癌細胞對鐵死亡的敏感性受細胞密度及轉錄調節因子1(TAZ)-TAZ調控表皮膜蛋白1(EMP1) –NOX4通路調控。提示TAZ是一個潛在的靶向鐵死亡的治療靶點。

1.4 鐵死亡與乳腺癌

乳腺癌來源于乳腺上皮組織。Ma等發現溶酶體干擾劑西拉美新和酪氨酸激酶抑制劑拉帕替尼能夠破壞乳腺癌細胞內鐵穩態產生活性氧并誘導細胞發生鐵死亡，過表達鐵轉運蛋白1或鐵螯合劑能夠減少西拉美新和拉帕替尼誘導產生的活性氧。有研究表明，黏蛋白1C亞基與SLC7A11、CD44v形成復合物后能上調還原型谷胱甘肽表達抑制三陰性乳腺癌細胞發生鐵死亡Timmerman等發現一個谷氨酰胺營養缺陷型的三陰性乳腺癌細胞亞群，高度依賴SLC7A11獲取胱氨酸進行谷氨酰胺代謝。SLC7A11抑制劑柳氮磺胺吡啶能夠通過促進鐵死亡從而抑制腫瘤生長。此外，SLC7A11和谷氨酸/胱氨酸反向轉運體的活性能被Keap1/NRF2氧化還原通路調控。Lanzardo等認為SLC7A11與三陰性乳腺癌細胞的耐藥和轉移存在密切聯系，乳腺癌細胞中TFR1表達增加與雌激素受體表達呈負相關，且乳腺癌組織TFR1高表達與患者不良預后有關。

2. 鐵死亡與神經退行性疾病

鐵穩態代謝對于大腦和神經發育及其認知功能至關重要，特別是在胎兒期或新生兒早期，鐵缺乏會嚴重影響神經發育，導致記憶和學習能力減退。隨著年齡的增長，鐵在大腦中逐漸蓄積，大量研究表明鐵蓄積與阿爾茨海默病、帕金森癥、肌萎縮側索硬化等神經退行性疾病有關。此外，近年研究發現在神經退行性疾病和認知障礙中存在脂質過氧化增加、谷胱甘肽減少和GPX4抑制等鐵死亡發生的主要特征。運用鐵死亡抑制劑能夠有效保護神經元，提高認知能力。

2.1 鐵死亡與阿爾茨海默病

阿爾茨海默病患者存在金屬代謝的失穩態、炎癥反應、氧化應激、線粒體功能異常和神經膠質功能受損。研究表明，大腦鐵蓄積與老年斑和神經元纖維纏結形成有關，腦內鐵水平升高可增加罹患阿爾茨海默病的風險且腦脊液中的鐵蛋白水平可預測從輕度認知障礙到阿爾茨海默病發展的進程。此外，阿爾茨海默病伴隨的慢性炎癥、神經元變性及缺少下游凋亡的指標提示了阿爾茨海默病中存在鐵死亡等其他細胞死亡方式。在一項研究中，大腦皮層和海馬神經元GPX4特異性敲除小鼠在水迷宮實驗中表現出認知下降和海馬神經元退化，給予富含維生素E的飲食或Lip-1后，小鼠神經元退化得到明顯緩解，提示鐵死亡在神經元退化過程發揮了重要作用。另一研究發現，過表達或過磷酸化 τ 蛋白能夠誘導神經元發生鐵死亡，而α硫辛酸能夠通過下調Tfr1、降低p38磷酸化水平和上調Sla7a11、Gpx4表達等方式挽救神經元。此外，阿爾茨海默病小鼠模型喂食氘化多不飽和脂肪酸能夠緩解腦組織的脂質過氧化，減少β淀粉樣蛋白沉積。

2.2 鐵死亡與帕金森癥

帕金森癥的一個重要特征是神經元和黑質神經膠質的鐵蓄積，且鐵蓄積濃度與疾病嚴重程度呈正相關，帕金森癥患者及小鼠模型中觀察到鐵調節蛋白1(IRP1)、二價金屬轉運蛋白1(DMT1)等關鍵鐵穩態蛋白水平發生了顯著變化。τ基因敲除的小鼠中出現帕金森癥狀并伴有黑質鐵蓄積，這一現象可被鐵螯合劑阻止。帕金森癥在病理進程中除了黑質致密部鐵升高，還出現還原型谷胱甘肽耗竭和脂質過氧化等鐵死亡的特征，鐵螯合劑和N-乙酰半胱氨酸可緩解并改善帕金森癥患者和帕金森癥小鼠模型的部分癥狀，提示鐵死亡可能參與了帕金森癥的發生和發展。DoVan等在LUHMES胞系、腦組織切片體外培養和1甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)誘導的帕金森癥模型中發現多巴胺能神經元存在鐵死亡，而用Fer-1、Lip-1和鐵螯合劑能緩解或逆轉帕金森癥的癥狀。Gouel等發現人血小板裂解液可使LUHMES細胞抵抗Earstin誘導的神經元鐵死亡。此外，星形膠質細胞有很強的儲鐵能力，可防止神經元中的鐵過載。星形膠質細胞為神經元提供谷胱甘肽S-轉移酶Mu2(GSTM2)和其他抗氧化因子，以保護神經元免受氧化損傷。綜上，星形膠質細胞與神經元相互作用失調可能可導致多巴胺能神經元發生鐵死亡。

2.3 鐵死亡與肌萎縮側索硬化

肌萎縮側索硬化模型小鼠腦中存在鐵蓄積，鐵螯合劑的治療效果證實了鐵在肌萎縮側索硬化發病中的作用。肌萎縮側索硬化患者的腦脊液和血漿中脂質過氧化升高，運動皮質中還原型谷胱甘肽水平下降，表明可能存在鐵死亡。小鼠神經元中敲除Gpx4可出現肌萎縮側索硬化癥狀，主要表現為迅速癱瘓、嚴重的肌肉萎縮和死亡，這與脊髓運動神經元的鐵死亡有關。而在神經元Gpx4誘導性敲除和其他Gpx4選擇性皮層神經元敲除小鼠模型的皮層中未觀察 到明顯神經變性，提示Gpx4在脊髓運動神經元的鐵死亡過程中發揮重要作用。

3.鐵死亡與心腦血管疾病

心腦血管疾病中心肌細胞和神經元死亡與多種細胞死亡方式有關，鐵死亡也參與其中。

3.1 鐵死亡與心血管疾病

心臟在一些病理情況下能導致鐵的過度蓄積、活性氧的產生及膜脂的病理轉變，這都是構成鐵死亡的重要因素。目前直接將鐵死亡與心血管疾病相聯系的研究較少。2019年的最新研究成果首次揭示了鐵死亡在心肌病和缺血再灌注誘發的心臟損傷中的重要作用，這一 里程碑式的發現為心肌病等心臟疾病防治提供了新策略。

3.1.1 鐵死亡參與缺血再灌注引發的組織器官損傷

心臟缺血再灌注時會產生過量活性氧、脂質過氧化及血紅素中鐵釋放所致鐵蓄積。Gao等建立了離體小鼠心臟缺血再灌注模型，發現抑制谷氨酰胺代謝可抑制鐵死亡，進而減輕心臟損傷，Fang等建立了在體心肌缺血再灌注模型，發現Fer-1和鐵螯合劑能夠明顯減輕缺血再灌注的急性和慢性心臟損傷，證實鐵死 亡在心臟缺血再灌注損傷中的作用。此外，鐵死亡還參與腎臟和肝臟中的缺血再灌注損傷過程。

3.1.2 鐵死亡參與抗腫瘤藥物誘導的心肌損傷

阿霉素作為廣譜抗腫瘤藥物，因其心臟毒性而限制了其在臨床的使用。自噬、凋亡及壞死等多種細胞死亡方式參與阿霉素引起的心肌損傷。Fang等在凋亡和/或壞死性凋亡缺陷的小鼠中用阿霉素誘導心肌病，發現小鼠心肌細胞出現了鐵死亡的特征，并提出血紅素加氧酶1可能是其關鍵調控因子；通過亞細胞定位，發現心肌細胞鐵蓄積和脂質過氧化發生于線粒體，靶向線粒體的抗氧化劑MitoTEMPO能夠有效抑制鐵死亡進而保護心臟。

3.1.3 鐵死亡參與心臟移植后心肌損傷

Li等發現，心臟移植手術后發生的中性粒細胞募集現象是由鐵死亡調控的，供體心臟在移植后由于缺血、缺氧等原因可誘導心肌細胞發生鐵死亡，細胞內容物釋放并通過TLR4/Trif/I型干擾素通路募集中性粒細胞，造成壞死性炎癥。Fer-1能降低心臟移植后過氧氫花生四烯酰基磷脂酰乙醇胺 的水平?減少心肌細胞死亡和中性粒細胞招募。

3.2鐵死亡與腦血管疾病

缺血性腦卒中和出血性腦卒中均可導致神經元發生鐵死亡。

3.2.1 鐵死亡與缺血性腦卒中

在鐵死亡被發現前，臨床及缺血性腦卒中動物模型中已證實鐵蓄積能夠加重再灌注時的神經元損傷。鐵螯合劑可降低實驗動物在缺血性腦卒中后再灌注的損傷。Speer等提出，大腦缺血后鐵死 亡導致了神經元死亡，缺氧誘導因子脯氨酰羥化酶可能是鐵螯合劑產生有益作用的靶點。研究發現，在大腦中動脈阻塞小鼠模型中抑制鐵死亡能夠保護神經元免受缺血再灌注損傷。

3.2.2鐵死亡與出血性腦卒中

Chang等發現，(-)-表兒茶素能夠通過減少大腦鐵蓄積和鐵死亡相關蛋白表達來緩解出血性腦卒中的早期腦損傷。之后又發現，Fer-1能緩解血紅蛋白誘導的腦切片細胞死亡，以及緩解膠原酶誘導的出血性腦卒中小鼠模型中神經元的死亡。同時，Zille等發現Fer-1、去鐵胺等鐵死亡抑制劑能夠抑制小鼠原代神經元死亡，急性出血性腦卒中大鼠Gpx4表達水平急劇下降，增加Gpx4水平能夠避免神經元發生繼發的鐵死亡損傷并改善出血性腦卒中的預后。因此，鐵死亡通路可能參與腦卒中神經元死亡的過程。推測靶向抑制鐵死亡可能是 緩解腦卒中的有效治療方式。

4. 總結

除了鐵死亡與腫瘤、心腦血管疾病和神經退行性疾病，鐵死亡在非酒精性脂肪肝和非酒精性脂肪肝炎等肝病中也有報道?；钚匝跽T導的鐵死亡可抑制腫瘤生長，增加腫瘤細胞對化療和放療的敏感性。與腫瘤治療策略相反，鐵死亡可促進神經退行性疾病和心腦血管疾病的發生、 發展，因此相關轉化醫學研究主要聚焦于發現可有效抑制鐵死亡的小分子物質。這些靶向鐵死亡的小分子激活劑可直接作為化療藥物，或作為化療增敏劑與化療藥物聯合使用。但鐵死亡在不同類型腫瘤及不同基因突變(如p53或RAS突變) 環境中表現復雜,在臨床前期及臨床研究中的可行性亟待深入研究, 值得關注的是，GPX4通路非依賴性FSP1的發現和CD8+T細胞通過釋放γ干擾素誘導腫瘤細胞發生鐵死亡等新機制和新靶點的發現，為腫瘤治療和藥物發現提供了全新的視角和策略。

大腦和神經組織中的鐵蓄積及鐵死亡已被證明與阿爾茨海默病、帕金森癥、肌萎縮側索硬化等 多種神經退行性疾病的發病存在直接聯系。目前，運用鐵螯合劑治療神經退行性疾病的各種臨床試驗不斷涌現，但針對腦卒中尚缺乏有效治療手段。鑒于鐵死亡在腦卒中后神經元死亡發揮的重要作用，有效抑制鐵死亡有望為預防腦卒中引發的神經元死亡提供防治新策略。

與神經退行性疾病發病機制相似，許多心臟疾病出現共同的鐵死亡特征，如鐵過載、氧化應激、內質網應激和線粒體功能失常等，筆者團隊前期研究提示，鐵死亡抑制劑能夠有效防治因心肌細胞鐵過載、阿霉素誘導的心臟毒性及心臟缺血再灌注等誘發的心肌病及心力衰竭。鐵死亡抑制劑、鐵螯合劑、線粒體特異性抗氧化劑、血紅素加氧酶1抑制劑和低鐵膳食等五種不同途徑均可有效防治心肌細胞的鐵死亡，從而保護心臟，且這些鐵死亡抑制劑在小鼠體內相對安全、可行，為靶向鐵死亡防治心臟病的臨床轉化研究提供了樂觀的前景。

著眼臨床轉化，需要考慮哪種疾病或腫瘤適合靶向鐵死亡的治療方法? 在臨床或臨床前的實驗中，靶向鐵死亡的藥物需要有很高的組織器官特異性和較少的不良反應，納米靶向給藥系統體現了一定優勢。盡管人們對鐵死亡的認識日益深入，但鐵死亡相關的關鍵科學問題仍亟待解決，如鐵死亡中關鍵執行分子是什么? 脂質過 氧化在多大程度上與鐵死亡有關? 生理過程中是 否存在鐵死亡? 鐵死亡在進化過程中是否保守? 路漫漫，其修遠兮，隨著鐵死亡相關研究的不斷深入與拓展，一定會為靶向鐵死亡防治重大慢性疾病的臨床轉化提供基礎。

摘自《浙 江 大 學 學 報 ( 醫 學 版 )》

       譜領生物針對“鐵死亡”專題，推出細胞和組織中一百六十多種氧化脂肪酸代謝物（Oxylipin）檢測與氧化還原代謝物（Redox metabolites）檢測 ,

其中氧化脂肪酸代謝物（Oxylipin）檢測包含：

亞油酸（LA）、γ-亞麻酸(GLA)、dihomo-γ亞麻酸(DGLA)、花生四烯酸(AA)，α-亞麻酸（ALA），二十碳五烯酸 (EPA）和二十二碳六烯酸(DHA)及其相關的代謝途徑的七十多種氧化脂肪酸代謝物。

氧化還原代謝物（Redox metabolites）檢測包含：

還原型谷胱甘肽（GSH）、氧化型谷胱甘肽（GSSG）、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH，還原型輔酶I）、氧化 型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，氧化型輔酶I）、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH，還原型輔酶II）、 氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，氧化型輔酶II）、半胱氨酸（Cysteine）、胱氨酸（Cystine）、谷氨酸（Glutamic acid）等。

輔酶Q10（Ubiquinones）檢測包含：

氧化型輔酶Q10（Coenzyme Q10）、還原型輔酶Q10（Reduced Coenzyme Q10 ）