張金石 梁明珠 劉琳 何強(qiáng)

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是一種由多種原因引起的疾病，常見(jiàn)原因包括缺血、腎毒性藥物和尿路阻塞等[1]。AKI在住院患者中的發(fā)病率和病死率都很高，然而除血液凈化外，目前預(yù)防和治療AKI的方法研究進(jìn)展緩慢。因此，迫切需要新的治療方案來(lái)預(yù)防AKI以及促進(jìn)AKI發(fā)生后腎臟的修復(fù)。2012年，Dixon等[2]提出了一種新的細(xì)胞死亡概念，即鐵死亡，該概念隨后被證明與許多疾病的病理生理過(guò)程密切相關(guān)[3-4]。一項(xiàng)研究從側(cè)面證明了鐵穩(wěn)態(tài)在AKI發(fā)病機(jī)制中的作用以及治療潛力[5]。本文就目前關(guān)于AKI中涉及鐵死亡的調(diào)控機(jī)制、研究進(jìn)展和治療潛力作一綜述。

1 鐵死亡

2003年Dolma等[6]發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)RAS基因突變的腫瘤細(xì)胞具有選擇性致死作用的新化合物erastin，但是其導(dǎo)致細(xì)胞死亡的方式與傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡不同，沒(méi)有細(xì)胞核形態(tài)變化、DNA片段化和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）活化，并且Caspase抑制劑不能抑制這種細(xì)胞死亡。隨后，Yang等[7]和Yagoda等[8]發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞死亡模式可以被鐵螯合劑抑制，并發(fā)現(xiàn)了另一種也可以引起這種細(xì)胞死亡的化合物RSL3。2012年Dixon等[2]根據(jù)其特征，將該類(lèi)型細(xì)胞死亡正式命名為“ferroptosis”，即“鐵死亡”。鐵死亡的形態(tài)特征主要表現(xiàn)為：線(xiàn)粒體變小、嵴減少或消失、雙層膜密度增加以及外膜破裂；細(xì)胞膜保持完整，細(xì)胞核大小正常，沒(méi)有染色質(zhì)濃縮[2，7]。其生化特點(diǎn)主要表現(xiàn)為，細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（glutathione，GSH）耗竭，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性降低，脂質(zhì)過(guò)氧化物不能被GPX4催化的還原反應(yīng)代謝，二價(jià)鐵離子通過(guò)芬頓反應(yīng)氧化脂質(zhì)，產(chǎn)生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS），引起鐵死亡[7，9]。在基因?qū)用妫F死亡是由多個(gè)基因調(diào)控的生物學(xué)過(guò)程，主要涉及鐵穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)過(guò)氧化代謝的遺傳變化，但具體調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

誘導(dǎo)鐵死亡的物質(zhì)可分為四類(lèi)：第一類(lèi)為erastin，它是最早發(fā)現(xiàn)的鐵死亡誘導(dǎo)劑，可通過(guò)直接抑制細(xì)胞膜上的半胱氨酸或谷氨酸交換器，降低胞內(nèi)GSH水平。同時(shí)，erastin還會(huì)影響電壓依賴(lài)性陰離子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs），以引起的線(xiàn)粒體功能障礙導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[10]。第二類(lèi)為RAS選擇性致死性小分子（RAS-selective lethal 3，RSL3）和鐵死亡誘導(dǎo)劑（DPI7），通過(guò)直接抑制GPX4活性導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。第三類(lèi)為新型化合物FIN56，它可以通過(guò)兩種途徑誘導(dǎo)鐵死亡。首先其促進(jìn)GPX4降解直接誘導(dǎo)鐵死亡，其次FIN56還可以與角鯊烯合成酶結(jié)合，引起內(nèi)源性的抗氧化劑輔酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10）耗盡，增強(qiáng)細(xì)胞對(duì) FIN56 誘導(dǎo)的鐵死亡的靈敏性[11]。第四類(lèi)為新型化合物FINO2，這是一種與青蒿素有多重相同特征的有機(jī)過(guò)氧化物，由不穩(wěn)定鐵的直接氧化和GPX4的失活的綜合作用而導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[11]。

隨著對(duì)鐵死亡機(jī)制研究的深入，許多鐵死亡的特異性抑制劑也被發(fā)現(xiàn)，除鐵螯合劑外，還發(fā)現(xiàn)了新型化合物 Ferrostatin-1（Fer-1）、liproxstatin-1（Lip-1）和維生素E等。這些物質(zhì)可以通過(guò)抑制脂質(zhì)過(guò)氧化物的形成來(lái)抑制鐵死亡。2014年，Skouta等[12]發(fā)現(xiàn)Fer-1能在亨廷頓病性癡呆、兒童腦室周?chē)踪|(zhì)軟化癥和腎功能不全3種體外模型中抑制細(xì)胞死亡。這為在疾病中應(yīng)用鐵死亡小分子抑制劑提供了基礎(chǔ)。明確鐵死亡發(fā)生的機(jī)制及其調(diào)節(jié)能為涉及鐵死亡的相關(guān)疾病提供新的研究思路和治療手段，具有重要的意義。

2 鐵死亡與AKI

2.1 鐵死亡與橫紋肌溶解綜合征導(dǎo)致的AKI 橫紋肌溶解綜合征的病因十分復(fù)雜，有研究指出獲得性病因就有190余種，遺傳性相關(guān)的病因40余種，常見(jiàn)的原因有劇烈運(yùn)動(dòng)、直接創(chuàng)傷、代謝性肌病、化學(xué)、物理或生物制劑的毒性反應(yīng)、遺傳因素等[13]。以往研究認(rèn)為橫紋肌溶解誘導(dǎo)AKI的機(jī)制主要有:（1）骨骼肌大量受損后，肌紅蛋白（myoglobin，Mb）在腎臟中的積累阻塞遠(yuǎn)端腎小管是導(dǎo)致腎臟損害的核心機(jī)制；（2）肌肉受損后體液滲出，血容量不足，腎素-血管緊張素、交感神經(jīng)系統(tǒng)激活，血漿抗利尿激素釋放，其他炎性介質(zhì)如內(nèi)皮素-1、TNF-α等促進(jìn)血管收縮；（3）腎微循環(huán)中一氧化氮被Mb清除導(dǎo)致擴(kuò)血管物質(zhì)不足。收縮血管物質(zhì)增加和擴(kuò)張血管物質(zhì)減少導(dǎo)致腎動(dòng)脈收縮引起腎臟供血不足。

目前有研究認(rèn)為鐵死亡在Mb誘導(dǎo)AKI中起到更為重要的作用。在橫紋肌溶解時(shí)，Mb大量釋放，超出α2-球蛋白的結(jié)合能力，Mb從腎小球?yàn)V出進(jìn)入近端腎小管，最終被分解為游離鐵離子和亞鐵血紅素。轉(zhuǎn)鐵蛋白受體和二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體將胞外游離鐵離子轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)，進(jìn)入胞內(nèi)的 Fe3+被轉(zhuǎn)化為Fe2+，一部分Fe2+被存儲(chǔ)在鐵蛋白內(nèi)，另一部分則由膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外，重新被Hb或Mb結(jié)合[12，14]。如腎小管內(nèi)的Mb過(guò)多，在細(xì)胞內(nèi)ATP不足、低血壓及低灌注的情況下，將導(dǎo)致腎小管細(xì)胞內(nèi)的Fe2+超載。超載的Fe2+則將通過(guò)芬頓反應(yīng)，誘導(dǎo)近端小管脂質(zhì)過(guò)氧化的直接損傷導(dǎo)致急性腎小管壞死或腎功能衰竭[15-16]。Guerrero-Hue等[17]的研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡小分子抑制劑Fer-1可以抑制Mb誘導(dǎo)的AKI，這一發(fā)現(xiàn)從側(cè)面證明了鐵死亡在這一過(guò)程中起到的關(guān)鍵作用。Skouta等[12]在體外研究中也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1在橫紋肌溶解誘導(dǎo)的鐵死亡模型中，能有效抑制羥基喹啉和硫酸亞鐵銨誘導(dǎo)的細(xì)胞壞死。綜上所述，可以表明鐵死亡是引起橫紋肌溶解導(dǎo)致AKI的重要機(jī)制之一。

2.2 鐵死亡與缺血再灌注損傷（ischemia reperfusion injury，IRI）導(dǎo)致的AKIIRI是指遭受一定時(shí)間缺血的組織細(xì)胞恢復(fù)血流（再灌注）后，組織損傷程度迅速增劇的情況，由此引起的臨床疾病稱(chēng)為再灌注綜合征。該過(guò)程可通過(guò)觸發(fā)涉及ROS、細(xì)胞因子、趨化因子和白細(xì)胞激活的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，加劇組織損傷[18-19]。IRI也是引起AKI的重要因素之一。腎IRI的病理生理機(jī)制主要包括炎癥，氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化，線(xiàn)粒體功能障礙，腎素-血管緊張素系統(tǒng)活化等[20]。有研究表明，鐵死亡可能是腎IRI的主要驅(qū)動(dòng)因素之一[21]。在IRI的小鼠模型中，應(yīng)用鐵死亡小分子抑制劑可保護(hù)小鼠免受AKI和其他器官的損害[22]。在臨床上，腎IRI通常是心臟手術(shù)后AKI的主要原因。心臟術(shù)后AKI的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜且多因素，這些損傷機(jī)制可能在不同時(shí)間發(fā)揮不同的作用，且可能協(xié)同作用，其中游離鐵的釋放是一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)[23]。

由于體外循環(huán)期間，血細(xì)胞長(zhǎng)期暴露于機(jī)械性的體外循環(huán)管道系統(tǒng)以及外科手術(shù)中的各種操作，均可能導(dǎo)致紅細(xì)胞的破壞，導(dǎo)致游離Hb進(jìn)入血液循環(huán)[24]。有研究表明，體外循環(huán)期間血液中的游離Hb含量會(huì)增至生理水平的數(shù)倍，直至手術(shù)后數(shù)小時(shí)[25]。Hb在誘導(dǎo)AKI中的作用跟Mb相似，腎小管細(xì)胞鐵超載是最終導(dǎo)致急性腎功能衰竭或腎小管壞死的主要原因[12]，并且有研究表明游離Hb水平是心臟手術(shù)后腎功能損傷的顯著獨(dú)立危險(xiǎn)因素[26]。

在從完全的體外循環(huán)支持過(guò)渡到患者自身循環(huán)期間，可能發(fā)生血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，而這種血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)將可能導(dǎo)致全身低灌注，特別是腎臟的缺血、缺氧[27]。在缺血期間，腎臟中的游離鐵水平會(huì)因pH值降低和與蛋白質(zhì)結(jié)合鐵的解離而增加。游離鐵的增加可能會(huì)激活細(xì)胞鐵死亡，最終導(dǎo)致腎小管壞死[24]。在腎小管上皮細(xì)胞缺氧損傷的模型中，應(yīng)用鐵死亡小分子抑制劑可以有效減輕缺氧對(duì)腎小管上皮細(xì)胞的損害，提示在缺氧的腎小管上皮細(xì)胞中，鐵死亡可能是較早出現(xiàn)的細(xì)胞死亡方式，而缺氧在缺血再灌注AKI的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[28]。體外循環(huán)期間其他臟器的再灌注損傷也可能會(huì)給腎臟帶來(lái)額外的鐵，并且上游壞死腎單位釋放的鐵會(huì)進(jìn)一步下降至下一個(gè)腎單位，從而進(jìn)一步加劇氧化應(yīng)激導(dǎo)致組織損傷[24]。Linkermann等[29]在研究中發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是腎小管細(xì)胞在缺血性AKI后連續(xù)死亡的關(guān)鍵機(jī)制，通過(guò)抑制半胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體和應(yīng)用鐵死亡激活劑erastin，以減少細(xì)胞內(nèi)GSH來(lái)觸發(fā)鐵死亡可引起近端腎小管細(xì)胞級(jí)聯(lián)細(xì)胞死亡。使用鐵死亡小分子抑制劑Fer-1不僅可以在體外抑制鐵死亡，還能減輕小鼠腎臟的IRI。因此，可以推斷鐵死亡是IRI所致AKI的重要機(jī)制之一。

3 鐵死亡的治療與AKI

近期的研究表明了鐵死亡在AKI中的重要性，并且發(fā)現(xiàn)了很多藥物對(duì)涉及鐵死亡的AKI有潛在治療作用。

GPX4是一種抗氧化酶，它以減少GSH為代價(jià)來(lái)催化脂質(zhì)過(guò)氧化物的還原，從而防止氧化損傷和鐵死亡。如果GPX4缺失，將會(huì)觸發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物蓄積，最終將導(dǎo)致小鼠因急性腎衰竭死亡[9]。小分子物質(zhì)鐵死亡抑制劑（lipoxygenases）可完全阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化作用，能夠增加缺失GPX4小鼠35%的存活率[30]。另有研究發(fā)現(xiàn)噻唑烷二酮類(lèi)藥物（如羅格列酮）通過(guò)抑制酰基輔酶A合成酶4可以降低GPX4缺失小鼠的死亡率，從側(cè)面證明了其對(duì)于AKI的潛在益處[31]。Fer-1可以通過(guò)氧化還原反應(yīng)來(lái)防止膜脂質(zhì)損傷，從而抑制細(xì)胞鐵死亡[32]。Linkermann等[29]研究發(fā)現(xiàn)，使用鐵死亡小分子抑制劑Fer-1，不僅可以在體外阻斷erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，還可以預(yù)防小鼠腎IRI。研究發(fā)現(xiàn)，去鐵胺可通過(guò)結(jié)合鐵金剛烷衍生物，獲得細(xì)胞毒性較少的化合物3-hydroxyadamant-1-yl，該化合物可通過(guò)抑制脂質(zhì)過(guò)氧化、減少M(fèi)b的亞鐵形式，抑制鐵死亡，減輕大鼠橫紋肌溶解致AKI[33]。去鐵酮已被證實(shí)可用于反復(fù)輸血的亞鐵負(fù)荷過(guò)高的患者，但尚無(wú)應(yīng)用去鐵酮預(yù)防或治療橫紋肌溶解導(dǎo)致AKI的相關(guān)研究[34]。黃芩素是中藥黃芩的主要有效成分之一，其通過(guò)調(diào)控B淋巴細(xì)胞瘤-2基因、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2和Bax基因激活蛋白激酶B，可減輕心肌缺血再灌注誘導(dǎo)的AKI[34-35]。有研究表明，黃芩素還可以通過(guò)限制細(xì)胞中的鐵積累和脂質(zhì)過(guò)氧化以增強(qiáng)細(xì)胞的抗鐵死亡能力，有望作為鐵死亡相關(guān)組織損傷的治療藥物[36]。

4 小結(jié)

鐵死亡是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴(lài)性的、非細(xì)胞凋亡性的細(xì)胞死亡，目前對(duì)其發(fā)生機(jī)制、特點(diǎn)，有了初步的了解。在AKI中，已經(jīng)可以明確鐵死亡是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的重要原因之一。應(yīng)用鐵死亡小分子抑制劑抑制鐵死亡有望成為治療AKI的新策略。尤其是應(yīng)用在主要由血紅素和非血基質(zhì)鐵引起的橫紋肌溶解導(dǎo)致AKI或IRI所致AKI中。雖然這些針對(duì)鐵死亡小分子抑制劑的大多數(shù)研究是在小鼠AKI模型或體外實(shí)驗(yàn)中完成的，但是深入探討鐵死亡在AKI過(guò)程中所扮演的角色，合理利用鐵死亡對(duì)AKI的調(diào)節(jié)作用，在未來(lái)將為AKI治療提供新的視角和新的策略。