易 欣 劉 暢 周 易 蔣學俊

(1 武漢大學人民醫(yī)院心內(nèi)科，2 武漢大學心血管病研究所，3 心血管病湖北省重點實驗室，湖北省武漢市 430060，電子郵箱：yixin321624@126.com)

【提要】 鐵死亡是近年提出來的一種新型細胞程序性死亡方式，其有別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬的程序性死亡，是以活性氧基團和鐵離子介導的脂質(zhì)過氧化為主要特征。鐵死亡與多種生理和病理生理過程有關(guān)，最新發(fā)現(xiàn)其與心臟、腦、肝臟和腎臟等重要生命器官組織的缺血再灌注損傷密切相關(guān)。本文主要針對鐵死亡與缺血再灌注損傷之間的關(guān)系展開綜述。

盡快使缺血器官組織恢復血流灌注、挽救瀕死細胞，是目前治療缺血性心肌病、缺血性腦病等缺血性疾病的關(guān)鍵。然而，除缺血外，再灌注本身也會給心肌、腦組織、肝臟、腎臟等重要生命器官組織造成進一步的損傷，這一矛盾現(xiàn)象被稱為“缺血再灌注損傷”[1-2]。導致缺血再灌注損傷的機制主要包括氧化應激、鈣超載、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放、炎癥反應、能量代謝障礙等，但無論何種機制，最終結(jié)局均是導致器官組織的細胞死亡[3]。既往研究報告指出，多種細胞程序性死亡參與缺血再灌注后的心肌細胞死亡、肝細胞死亡和腎小管上皮細胞死亡等[4-7]，其中最經(jīng)典的死亡方式是細胞凋亡。近年來，又發(fā)現(xiàn)一些新的程序性死亡方式參與缺血再灌注損傷的發(fā)生和發(fā)展，譬如鐵死亡[8-10]。因此，本文將著重介紹鐵死亡影響缺血再灌注損傷的研究概況，淺析鐵死亡與缺血再灌注損傷之間的關(guān)系。

1 鐵死亡

1.1 鐵死亡的概念 鐵是人體內(nèi)不可缺少的微量元素，體內(nèi)鐵含量過低或過高、分布異常均會影響機體的生理功能。2012年，Dixon等[11]首次報告了一種新型細胞死亡方式，其主要表現(xiàn)為細胞內(nèi)鐵離子堆積、脂質(zhì)過氧化、線粒體體積縮小和線粒體膜密度增加。這種程序性細胞死亡方式有別于細胞凋亡、細胞壞死和細胞自噬，呈鐵離子依賴，是以活性氧(reactive oxygen species,ROS)基團和鐵離子介導的脂質(zhì)過氧化為主要特征，因此被稱為“鐵死亡”或“鐵壞死”[11]。細胞內(nèi)的游離鐵離子通過芬頓反應與過氧化氫相互作用，導致組成生物膜的多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，這是目前已知的鐵死亡啟動的基礎(chǔ)機制[12-14]。

1.2 鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子 線粒體是ROS產(chǎn)生的主要場所，ROS的形式主要包括羥自由基、超氧陰離子自由基、單線態(tài)氧和過氧化氫等[15]。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是一種硒蛋白，它可特異并高效地清除磷脂過氧化氫，從而抑制鐵死亡。有學者采用氧化脂質(zhì)組學方法分析發(fā)現(xiàn)，缺乏GPX4的小鼠腎臟組織中存在大量磷脂氫過氧化物的堆積，包括磷脂酰膽堿氫過氧化物、磷脂酰乙醇胺和心磷脂等[16]。定位在Sn-2位置的多不飽和脂肪酸會導致磷脂極易發(fā)生氧化，脂質(zhì)過氧化反應的主要產(chǎn)物分解后形成次要產(chǎn)物——低分子和高分子醛，而醛可以與細胞成分如胺、氨基酸和蛋白質(zhì)相互作用，形成共價產(chǎn)物，這些醛反過來可以進一步促進細胞死亡[17]。此外，目前已經(jīng)鑒定出多種與磷脂代謝有關(guān)的酶在鐵死亡中發(fā)揮重要作用。其中，?；o酶A合酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)可催化長鏈脂肪酸和輔酶A反應生成酯酰輔酶A，敲低或抑制ACSL4均能顯著抑制GPX4抑制劑RSL3誘導的鐵死亡[18]。溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)可參與磷脂酰乙醇胺的生物合成，影響多不飽和脂肪酸的跨膜，抑制LPCAT3的表達可減少細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化的底物聚集，從而抑制鐵死亡[19]。

1.3 鐵死亡的誘導劑和抑制劑 目前，已發(fā)現(xiàn)多種物質(zhì)可以誘導鐵死亡的發(fā)生，常見的鐵死亡誘導劑有小分子化合物Erastin、RSL3、丁硫氨酸亞砜胺、柳氮磺吡啶、青蒿琥酯和索拉非尼等，但細胞凋亡、壞死、自噬相關(guān)抑制劑并不能逆轉(zhuǎn)Erastin誘導的細胞鐵死亡[20-22]。同時，有些物質(zhì)也能夠抑制鐵死亡，包括維生素E、谷胱甘肽、Trolox、Ferrostatin-1、Liproxstatin-1、鐵螯合劑如甲磺酸去鐵胺等。最近有學者發(fā)現(xiàn)，部分中藥及其活性成分能夠有效調(diào)節(jié)鐵死亡，如青蒿素可調(diào)節(jié)與鐵死亡相關(guān)的基因表達，誘導細胞鐵死亡[22]；葛根素能抑制ROS的生成，調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)，抑制細胞鐵死亡[23]；黃芩苷可抑制脂質(zhì)過氧化，減少鐵沉積，抑制細胞鐵死亡[24]；糙米提取物也可以抑制脂質(zhì)過氧化，改善敲低GPX4基因后所致的細胞毒性和細胞增殖障礙，從而抑制細胞鐵死亡[25]。由此可見，中藥及其活性成分有望成為未來治療鐵死亡相關(guān)疾病的重要方向之一，但需要深入研究中藥成分的結(jié)構(gòu)特征和作用靶點，從而保證中藥及其活性成分治療鐵死亡相關(guān)疾病的穩(wěn)定性和安全性。

2 鐵死亡與缺血再灌注損傷的關(guān)系

臨床和基礎(chǔ)研究顯示，心臟、腦、腎臟、肝臟、肺臟等重要生命器官組織缺血后，恢復血液灌注不但沒能減輕組織的缺血損傷反而進一步加重了器官組織的細胞死亡，即缺血再灌注損傷[1-2]。細胞死亡導致器官組織功能降低是缺血再灌注損傷的主要原因，如何有效減少甚至抑制細胞死亡是改善和恢復缺血再灌注后器官組織功能的重要研究方向。隨著對細胞死亡方式的不斷認識和深入研究，越來越多的學者發(fā)現(xiàn)鐵死亡是缺血再灌注損傷中細胞死亡的重要方式之一，這為恢復缺血再灌注后受損器官組織的功能提供了新思路和新方向。

2.1 鐵死亡與心肌缺血再灌注損傷

2.1.1 心肌缺血再灌注損傷的發(fā)生機制：當冠狀動脈閉塞引起心肌組織中氧和營養(yǎng)物質(zhì)供應障礙時，會導致心肌組織的生化反應和代謝發(fā)生紊亂，如氧缺乏會導致氧化磷酸化暫停、線粒體膜去極化、ATP缺乏，同時也會抑制心肌的收縮能力[1]。此外，氧缺乏還會導致心肌內(nèi)的代謝方式轉(zhuǎn)換至無氧糖酵解，從而導致乳酸堆積，降低細胞內(nèi)pH值，并導致多種離子泵活性發(fā)生變化[26]。心肌持續(xù)缺血缺氧會導致心肌細胞大量死亡、心功能持續(xù)惡化、甚或死亡。因此，及時恢復血液供應、挽救瀕死心肌是目前治療心肌梗死的標準方法。然而，當臨床通過溶栓、支架植入或冠脈搭橋等手段恢復血液供應的早期可能會進一步促進心肌細胞死亡、誘發(fā)心律失常、心肌頓抑、微血管栓塞等，這一矛盾現(xiàn)象被稱為“心肌缺血再灌注損傷”[1]。

2.1.2 鐵死亡參與心肌缺血再灌注損傷：已有研究報告了多種細胞程序性死亡參與缺血再灌注后心肌細胞的死亡，最經(jīng)典的是細胞凋亡，而鐵死亡是新型細胞程序性死亡方式之一[8]。最近有學者發(fā)現(xiàn)在心肌缺血再灌注損傷發(fā)生時可產(chǎn)生磷脂氧化產(chǎn)物[27]。在心肌缺血再灌注后大量的ROS產(chǎn)生，而芬頓反應可進一步促進ROS的產(chǎn)生，如二價鐵離子通過芬頓反應將H2O2轉(zhuǎn)化為OH自由基(·OH)；產(chǎn)生的ROS會與生物膜的多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應，導致心肌細胞發(fā)生鐵死亡。

Ooko等[21]于經(jīng)皮冠狀動脈介入術(shù)后4 d和5個月對48例ST段抬高型心肌梗死患者進行磁共振成像檢查，發(fā)現(xiàn)患者梗死區(qū)和左室重構(gòu)區(qū)的殘留鐵水平較高；Baba等[28]的研究進一步證實在小鼠缺血再灌注損傷過程中，心肌細胞存在鐵超載。這提示鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷中發(fā)揮重要作用。具有結(jié)合鐵作用的去鐵胺被證明對雄性小鼠離體心肌缺血再灌注損傷具有保護作用[14]。鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1被證明能顯著抑制缺血再灌注損傷導致的心肌細胞死亡[17]。此外，王福俤教授團隊更是在動物水平進一步證實了鐵死亡對心肌缺血再灌注損傷的作用，其研究結(jié)果顯示，F(xiàn)errostatin-1以及鐵螯合劑能顯著抑制缺血再灌注損傷導致的急性和慢性心臟損傷[8]。以上研究結(jié)果表明，鐵死亡可能是介導心肌缺血再灌注損傷的重要機制，而通過干預鐵死亡有望成為減輕心肌缺血再灌注損傷的潛在靶點。

2.1.3 中藥及其活性成分或小分子化合物通過抑制鐵死亡改善心肌缺血再灌注損傷：葛根素為異黃酮類化合物，是葛根發(fā)揮藥理作用的物質(zhì)基礎(chǔ)之一[29]。Liu等[30]發(fā)現(xiàn)葛根素能夠改善心力衰竭，抑制心肌細胞死亡；用鐵死亡誘導劑Erastin或異丙腎上腺素處理心肌細胞H9C2后，心肌細胞活力降低，脂質(zhì)過氧化、不穩(wěn)定鐵池增加，而給予葛根素能抑制其脂質(zhì)過氧化和鐵過載。這提示葛根素有可能是通過抑制心肌細胞鐵死亡而減緩心肌細胞死亡的。Baba等[28]利用第一代鐵死亡誘導劑Erastin、第二代鐵死亡誘導劑RSL3處理心肌細胞后，心肌細胞活力降低，而給予鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1或過表達雷帕霉素的下游作用靶點哺乳動物雷帕霉素靶蛋白，均能顯著抑制心肌細胞內(nèi)ROS的生成，從而抑制心肌細胞鐵死亡，提示雷帕霉素發(fā)揮心肌缺血保護作用的機制有可能是通過抑制心肌細胞內(nèi)鐵過載和鐵死亡而實現(xiàn)的。然而，鐵死亡在心肌缺血再灌注損傷中的具體生物學功能，以及中藥及其活性成分或其他小分子化合物等有效改善心肌缺血再灌注損傷中鐵死亡的精確分子機制尚未完全明確。因此，未來進一步深入研究鐵死亡等與心肌缺血再灌注損傷的關(guān)系及機制有望為研發(fā)相關(guān)藥物提供新思路。

2.2 鐵死亡與腦缺血再灌注損傷

2.2.1 鐵死亡參與腦缺血再灌注損傷：腦是對缺血缺氧最為敏感、耐受力最差的生命器官，是最容易發(fā)生缺血再灌注損傷的器官之一，腦組織發(fā)生缺血再灌注損傷后主要表現(xiàn)為腦細胞壞死和腦水腫等。鐵是神經(jīng)系統(tǒng)的電子傳遞者，參與線粒體氧化反應和氧氣運輸，在DNA、RNA、蛋白質(zhì)和髓磷脂合成中發(fā)揮重要作用；此外，鐵還參與神經(jīng)髓鞘的發(fā)生發(fā)展、神經(jīng)遞質(zhì)如多巴胺的合成[31]。腦缺血后，線粒體無法提供足夠的電子，生成大量的自由基，細胞膜上離子通透性升高，釋放出大量不穩(wěn)定低分子的“催化性”鐵，此外無氧糖酵解產(chǎn)生大量的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸將三價Fe離子還原成二價Fe離子；缺血期和再灌注期的鐵離子移位進一步促進自由基的生成，最終導致脂質(zhì)過氧化和神經(jīng)元細胞死亡，加重腦組織的缺血損傷[32]。

有研究顯示，大腦短暫缺血后再灌注4 d后，沙土鼠的海馬區(qū)出現(xiàn)轉(zhuǎn)鐵蛋白陽性的神經(jīng)元和鐵蛋白陽性的膠質(zhì)細胞，再灌注7 d后紋狀體出現(xiàn)鐵蛋白陽性的巨噬細胞，這表明鐵蛋白陽性表達與缺血后神經(jīng)元變性密切相關(guān)[33]。Chi等[34]研究發(fā)現(xiàn)腦缺血1 h后，腦組織內(nèi)大量鐵沉積，主要集中在巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞鐵蛋白陽性明顯的細胞壞死區(qū)域。此外，腦缺血能誘導鐵代謝障礙，腦組織內(nèi)大量鐵沉積，而鐵沉積又可通過脂質(zhì)過氧化促進自由基產(chǎn)生，導致DNA變性，進一步引起腦組織損傷[35-36]。以上研究均提示，鐵超載和鐵死亡在腦缺血再灌注損傷、腦損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理過程中發(fā)揮重要作用，通過干預鐵代謝和鐵死亡或可成為抑制腦細胞死亡、減輕腦缺血再灌注損傷的潛在靶點。

2.2.2 鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑改善腦缺血再灌注損傷：高濃度谷氨酸鹽可誘導大鼠大腦海馬區(qū)腦細胞死亡，而鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1和鐵螯合劑CPX可以減輕這種腦細胞死亡，提示大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中存在鐵死亡，且鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑可顯著降低腦細胞的死亡率[11]。在新生羊缺血再灌注損傷模型中，鐵螯合劑可以抑制自由基的生成，提高鈉-鉀-腺苷三磷酸酶活性，促進神經(jīng)功能的恢復，縮減損傷面積，改善缺血再灌注腦損傷，提高生存率[37]。此外，鐵螯合劑發(fā)揮神經(jīng)保護作用可能與其能結(jié)合體內(nèi)鐵離子，促進體內(nèi)鐵離子排泄，減少鐵離子在腦組織內(nèi)沉積有關(guān)，從而能夠改善腦缺血損傷[38]。以上研究進一步提示，鐵死亡在腦缺血再灌注損傷的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑等有望通過調(diào)節(jié)異常的鐵代謝改善鐵死亡誘導的腦缺血再灌注損傷。然而，目前針對鐵死亡與腦缺血再灌注損傷的研究只局限于細胞實驗和動物實驗階段，鐵死亡與人類腦血管疾病的確切關(guān)系還有待深入探究。

2.3 鐵死亡與腎缺血再灌注損傷

2.3.1 鐵死亡參與腎缺血再灌注損傷：腎缺血再灌注損傷是腎移植術(shù)后影響早期腎功能恢復和長期存活的重要因素，是缺血性急性腎功能衰竭的重要環(huán)節(jié)，也是臨床上導致急性腎損傷的重要原因。此外，在心肺復蘇、體外循環(huán)、嚴重失血性休克、短暫阻斷腎血流手術(shù)過程中均可能存在腎缺血再灌注損傷。Skouta等[39]運用叔丁基過氧化氫誘導人近端腎小管上皮細胞HK-2構(gòu)建急性腎損傷的細胞模型，發(fā)現(xiàn)第一代鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1、第二代鐵死亡抑制劑SRS11-92可明顯延長HK-2細胞的存活時間。Friedmann Angeli等[16]敲除小鼠鐵死亡關(guān)鍵基因GPX4后，發(fā)現(xiàn)腎小管上皮細胞發(fā)生了鐵死亡，且小鼠出現(xiàn)了急性腎損傷；給予鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1處理后能夠顯著減輕缺血再灌注誘導的急性腎損傷。以上研究均表明，在缺血再灌注損傷導致的急性腎損傷模型中，腎小管上皮細胞發(fā)生了嚴重的鐵死亡。

2.3.2 鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑改善腎缺血再灌注損傷：Linkermann等[40]發(fā)現(xiàn)，在急性缺血再灌注損傷和草酸腎病相關(guān)的急性腎功能衰竭小鼠模型中均存在嚴重的鐵死亡，利用鐵死亡第三代抑制劑SRS16-86可保護腎功能、減輕缺血再灌注和草酸鹽相關(guān)的急性腎損傷，并延長生存時間。另外，橫紋肌溶解和葉酸也可導致近端腎小管發(fā)生鐵死亡，而給予鐵螯合劑去鐵胺和鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1均可抑制脂質(zhì)過氧化，從而減輕急性腎損傷[41-42]。還有學者發(fā)現(xiàn)，新型鐵螯合劑CHGN2957也能有效減輕大鼠腎缺血再灌注損傷，這可能與其利用中性粒細胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運載蛋白、腸螯素和鐵的螯合，調(diào)節(jié)鐵的傳遞過程，最終減少ROS的產(chǎn)生有關(guān)[43]。由此可見，鐵死亡抑制劑或鐵螯合劑、抑制腎細胞鐵死亡，可能是未來臨床治療腎缺血再灌注損傷和急性腎損傷的新策略和新措施。

2.4 鐵死亡與肝缺血再灌注損傷 目前，肝臟切除和肝移植手術(shù)是終末期肝臟疾病最常用的治療手段。然而，肝缺血再灌注損傷是肝臟切除和肝移植手術(shù)過程中不可避免的并發(fā)癥，其可導致急慢性組織排異反應和肝臟移植術(shù)后器官衰竭等，極大地限制了肝臟切除術(shù)的適應證及邊緣性肝臟供體的應用。有研究顯示，鐵死亡在缺血再灌注性肝損傷中也發(fā)揮重要作用；同時，給予鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1可以抑制脂質(zhì)過氧化，從而減輕缺血再灌注導致的肝損傷[16]。然而，鐵死亡在肝缺血再灌注損傷中的研究尚處于萌芽階段。因此，未來深入研究鐵死亡這一新型程序性細胞死亡方式，可能有助于闡明肝缺血再灌注損傷的病理生理機制，從而能夠靶向鐵死亡為改善缺血再灌注性肝損傷提供新策略和新方向。

2.5 鐵死亡與肺缺血再灌注損傷 肺缺血再灌注損傷常見于肺梗死、急性肺損傷和肺移植，是造成肺移植患者術(shù)后原發(fā)性移植肺功能障礙的主要原因。研究表明，再灌注后，缺血肺組織在血氧恢復過程中生成大量的ROS，進一步激活免疫系統(tǒng)和凝血系統(tǒng)，進而導致內(nèi)皮細胞功能障礙、細胞凋亡等[44]。腫瘤抑制因子p53主要通過誘導細胞周期停滯、細胞凋亡等方式發(fā)揮作用。最近研究表明，p53除了誘導細胞凋亡，還可以誘導細胞鐵死亡[11]。Li等[45]發(fā)現(xiàn)在缺血再灌注損傷誘導的急性肺損傷小鼠和缺氧復氧誘導的小鼠肺上皮細胞模型中存在鐵死亡，過表達p53凋亡刺激蛋白家族抑制因子(inhibitor of apoptosis-stimulating protein of p53，iASPP)可抑制鐵死亡從而減輕缺血再灌注損傷誘導的急性肺損傷，而敲低iASPP可促進鐵死亡從而加重缺血再灌注損傷誘導的急性肺損傷；其進一步發(fā)現(xiàn)，iASPP發(fā)揮抑制鐵死亡改善急性肺損傷的保護作用，主要與其激活核因子E2相關(guān)因子2/缺氧誘導因子-1/轉(zhuǎn)錄因子信號通路有關(guān)。然而，鐵死亡與肺缺血再灌注損傷的研究報告尚少。因此，以鐵死亡為核心和靶點，研究鐵死亡在肺缺血再灌注損傷中的具體作用機制，有助于闡明肺缺血再灌注損傷的病理生理機制，為改善缺血再灌注肺損傷提供新措施。

3 結(jié)語與展望

鐵死亡作為一種新型程序性細胞死亡方式，參與多種器官的缺血再灌注損傷病理生理過程，但目前仍有許多問題有待進一步研究：(1)鐵死亡主要在缺血再灌注損傷的哪個環(huán)節(jié)或階段發(fā)揮作用？(2)器官缺血再灌注損傷過程中，鐵死亡是否必須依賴于鐵離子的參與？(3)在器官缺血再灌注損傷過程中，鐵死亡與其他細胞死亡方式包括凋亡、壞死、焦亡等是如何交錯相互影響的，存在哪些交互信號通路？(4)鐵死亡特異性抑制劑和鐵螯合劑在器官缺血再灌注損傷中的具體作用靶點是什么？如何在器官缺血再灌注損傷中進行鐵死亡的特異性干預？因此，進一步明確鐵死亡與其他類型細胞死亡方式的差異，深入闡明鐵死亡的具體機制及其下游調(diào)控機制，明確鐵死亡抑制劑的作用靶點和環(huán)節(jié)，將會為器官缺血再灌注損傷的治療提供新的研究思路和治療策略，具有十分重要的臨床價值和意義。