铁死亡与神经变性疾病的研究进展

李 海 董健健 程 楠

1)安徽中医药大学研究生院，安徽 合肥 230038 2)安徽中医药大学神经病学研究所附属医院，安徽 合肥 230061

·综述·

铁死亡与神经变性疾病的研究进展

李 海1，2)董健健2)程 楠2)

1)安徽中医药大学研究生院，安徽 合肥 230038 2)安徽中医药大学神经病学研究所附属医院，安徽 合肥 230061

铁死亡；阿尔茨海默病；帕金森病；亨廷顿病；Friedreich共济失调

铁是人体必需的一种金属微量元素，在体内参与DNA、RNA和蛋白质的生物合成，并作为多种关键酶或辅酶的重要因子，参与亚铁血红素和神经鞘磷脂的合成，对维持神经系统的正常结构和功能起重要作用。由于金属铁离子具有较强的氧化作用，各种原因所致的脑内铁的蓄积可产生过量的过氧化物和氧自由基，引起脂质过氧化反应、DNA链断裂以及蛋白质功能紊乱，并最终导致神经元变性、死亡。研究资料发现，铁代谢的异常与阿尔茨海默病(Alzheimer's disease，AD)和帕金森病(Parkinson’s disease，PD)等多种神经变性疾病的发病密切相关，研究与之相关的病因病机对神经变性疾病的诊疗具有重要价值[1]。近年来，Dixon等[2]发现了一种与铁代谢紊乱相关的非程序性细胞死亡，且这种细胞死亡的形式与AD、PD等神经变性疾病的发病密切相关，有望成为这一大类难治性中枢神经系统疾病新的治疗靶点。本文就相关的研究进展综述如下。

1 铁死亡的概述

2012年，Dixon等[2]发现一种名为erastin的小分子化合物可以诱导RAS基因突变的肿瘤细胞发生一种非凋亡性的细胞死亡，其发生过程需依赖铁的活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生，却不受Caspase、BAX/BAK及钙超载等经典细胞凋亡通路的调控。进一步的研究表明，去铁胺(deferoxamine，DFO)等铁离子螯合剂能抑制这一过程的发生，而凋亡、坏死和自噬抑制剂等则不影响该过程，其形态学特征为细胞内线粒体皱缩及双层膜密度增高。Dixon等通过大量研究认识到这种新的细胞死亡形式是一种铁依赖的、不同于凋亡、坏死和自噬等程序性细胞死亡的非程序性细胞死亡，并将其命名为“ferroptosis”，即铁死亡。

目前铁死亡的具体机制尚未完全阐明，但研究发现存在复杂的细胞内调控机制。首先，各种原因导致的转铁蛋白(transferrin，Tf)、转铁蛋白受体(transferrin receptor，TfR)、二价金属转运体1(divalent metal transporter 1，DMT1)等细胞内铁代谢相关蛋白功能异常可导致铁在细胞内的沉积、ROS增多并诱发铁死亡，而热休克蛋白β1(heat shock protein beta1，HSPB1)能减少铁在细胞中的蓄积并抑制铁死亡的发生[3]。研究还发现，细胞膜胱氨酸谷氨酸转运受体(System Xc-)对维持细胞内谷胱甘肽(glutathione，GSH)水平和氧化还原平衡有重要意义：某些铁死亡诱导剂(如erastin)通过抑制System Xc-减少细胞内胱氨酸的摄取而降低GSH的合成，使细胞内GSH含量下降，进而引起细胞内谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPXs)活性下降，导致脂质过氧化反应增加、细胞内ROS聚集，对细胞产生杀伤作用，沉默或过表达GPXs中一种重要的抑制脂质过氧化反应的蛋白- GPX4的基因，可以明显改变细胞对铁死亡诱导剂的敏感性，因此GPX4是调节铁死亡的重要环节[4]。研究还发现，肿瘤抑制因子p53能够通过抑制SLC7A11(System Xc-的关键组成部分)的表达，调节细胞胱氨酸代谢以及ROS应答而介导铁死亡过程[5]。

2 铁死亡与神经系统变性疾病

虽然目前铁死亡及其调控机制多源于肿瘤细胞的研究结果，但近来许多研究发现，PD、AD、Huntington病(Huntington's disease，HD)和Friedreich共济失调(Friedreich ataxia，FRDA)等多种神经系统遗传变性疾病的发病与铁代谢异常相关的铁死亡有着密切的关系。

2．1 PD与铁死亡PD是一种多于中老年期缓慢起病的神经系统变性疾病，以黑质多巴胺能神经元的变性死亡和α- 突触核蛋白(α- synuclein)的过度表达为主要病理特征，以静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态障碍为主要临床表现。我国65岁以上人群PD的患病率约1.7%，患者总数不少于200万[6]。PD具有患病率高、致残率高和运动障碍形式复杂等特点，随着人口老龄化，PD的防治正逐渐成为人口与健康领域被受关注的重要科学问题和社会问题。

经过长期的研究，人们从以下几个方面认识到铁在PD神经元损伤过程中扮演着重要的角色[7]：(1)PD患者脑内铁水平增高的部位主要在黑质，而其他部位则不明显(表1)；(2)PD患者的多巴胺能神经元铁含量的增高尤为明显；(3)铁螯合剂驱铁治疗在PD动物模型中显示有神经保护作用；(4)无铜蓝蛋白血症(aceruloplasminemia)等神经遗传性疾病患者可出现脑中铁的沉积，其临床表现与PD类似。采用各种高灵敏度检测方法的研究结果显示，PD患者在发病早期即出现黑质神经元中铁的沉积，且其含量与PD运动障碍的严重程度有相关性[8- 9]。PD的流行病学研究资料则表明，PD的发病率不仅与周围环境中铁含量的高低呈正相关，也与其饮食中铁摄入的量有关[10]。因此，PD的发病与铁的代谢障碍存在密切关系。

表1 正常人与PD患者黑质(SN)、苍白球(GP)和脑脊液(CSF)的铁含量[7]

注：/ 为未检测出

研究表明，人体存在一个抗氧化和ROS产生的动态平衡，但大脑因能量代谢、合成髓鞘和神经递质的需要，相对于其他组织器官需要消耗更多的氧和铁，因此ROS的水平也明显增高。由于PD患者神经元细胞(尤其是多巴胺能细胞)对铁离子和ROS有较高的敏感性，因此更容易受到损伤，这个特点与铁死亡的病理过程相契合。Kabiraj等[11]的研究证实，ferrostatin- 1(一种特异性铁死亡抑制剂)能够抑制鱼滕酮(rotenone)诱导的多巴胺能神经元细胞SH- SY5Y的氧化应激反应、过量ROS的产生及α- 突触核蛋白(α- synuclein)的聚集，提示铁死亡参与PD的发病过程。另有研究发现，使用VK- 28、M30等多种能透过血脑屏障的铁螯合剂对PD动物模型小鼠的治疗具有明显的神经保护作用[12]，而一项以铁螯合剂DFO治疗PD患者的II期临床研究结果表明能有效缓解患者的运动障碍[13]。这些研究结果均提示提示铁死亡有可能成为PD的潜在治疗靶点。

2．2 AD与铁死亡AD是一种常见的以渐进性记忆障碍、认知功能障碍、人格改变及语言障碍等神经精神症状为主要临床表现的神经变性疾病，本病患者多于老年期起病，其社交、职业与生活功能受到严重影响，终至完全丧失生活自理能力。大脑皮质和海马胆碱能神经元的β- 淀粉样蛋白(amyloid- β protein，Aβ)沉积及其导致的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)形成是AD最主要的病理特征。

长期以来，许多学者尝试采用各种策略清除脑内的Aβ以阻止NFTs的形成，从而达到防治AD的目的。但到目前为止，多个与之相关的动物和临床试验均宣告失败，即使成功清除了脑内的Aβ，仍不能阻止病情的发展。因此，有学者认为，仅用Aβ沉积不足以解释AD的发病机制，而各种金属元素(尤其是铁)的稳态失衡及其导致的神经胶质细胞功能异常、炎症反应、线粒体损伤和氧化应激在AD的发病作用应受到重视[14- 15]。

基于此，有学者采用MRI等技术研究发现AD患者顶叶、皮质运动区和海马等部位存在铁的沉积[16]。Ayton等[17]以67例AD患者和114例轻度认知功能障碍(mild cognitive impairment，MCI)患者为研究对象，并以91例健康人为对照，以脑脊液铁蛋白水平为研究指标，通过7 a的观察发现其与认知能力存负相关，而与具有APOE- ε4等位基因的AD患者呈正相关，并认为脑内铁的升高是具有APOE- ε4等位基因遗传背景的AD患者的重要发病机制。最近的研究则发现，未与铁离子结合的Aβ并不对机体产生损伤，仅在其与铁离子结合后才能催化氧化自由基反应而具有神经毒性[15]。另有研究发现，除了Aβ，铁也可与tau结合，影响其磷酸化过程并导致过磷酸化的tau蛋白聚集，引发过氧化反应和线粒体损伤，而铁螯合剂可以阻断这一过程[15]。近年来多项应用DFO及其他以缺氧诱导因子脯氨酰羟化酶(hypoxia- inducible factor prolyl hydroxylases，HIF PHDs)为靶点的动物和临床试验均表明能够在一定程度上延缓病情的发展。这些研究提示，以铁离子和ROS为核心的铁死亡参与了AD的发病过程，以铁死亡及其调控通路作为治疗靶点具有良好的应用前景[18- 21]。

2．3 HD与铁死亡HD是一种较为常见的常染色体显性遗传神经变性疾病，临床以缓慢加重的舞蹈样动作、认知功能障碍为主要特征，严重者在晚期发展至痴呆，丧失生活自理能力。HD因位于4p16.3的IT15基因5’端编码区内CAG的异常扩增，引致Huntington蛋白功能异常(包括蛋白的异常聚集、转录表达功能异常、铁的蓄积、氧化应激水平增高、能量代谢障碍和免疫反应等)，并最终导致大脑皮质和纹状体神经元的损伤、坏死。

多个动物和临床实验的研究结果表明，由于IT15基因动态突变引致Huntington蛋白功能障碍的过程中，氧化应激和ROS水平增高是其最显著的特征，因此也被作为HD可能的治疗切入点[22]。Niatsetskaya等[23]以DFO处理敲入Huntington突变基因的小鼠纹状体神经元，发现能阻断复合体Ⅱ阻滞剂3- 硝基丙酸(3- nitropropionic acid，3- NP)所诱导的细胞毒性，而3- NP的作用靶点正是HIF PHDs。Skouta等[24]则发现用特异性的铁死亡阻滞剂Ferrostatin- 1(Fer- 1)能减少敲入Huntington基因第1外显子异常扩增片段的小鼠皮质纹状体神经元的细胞死亡数量，初步展示了基于铁死亡的治疗方案在神经遗传变性疾病的治疗价值。

2．4 FRDA与铁死亡FRDA是最常见的常染色体隐性遗传型共济失调，多于青少年期起病，临床表现为逐渐加重的步行困难和肢体动作的不协调，其病因为位于9q13- 21.1的frataxin基因内含子区GAA重复异常扩增导致脊髓神经元frataxin蛋白表达减少和功能丧失而致病。

研究表明，frataxin蛋白主要位于线粒体，参与铁硫簇(iron- sulfur clusters)、血红蛋白等的合成，此外，作为线粒体内重要的铁结合蛋白，参与铁的储存和运输。由于frataxin基因的动态突变，FRDA患者可出现神经元细胞内铁的异常沉积，诱发氧化应激和ROS水平升高，并最终导致神经元的变性和坏死[25]。基于此，有学者以DFO分别处理双氧水诱导的FRDA成纤维细胞和FRDA淋巴母细胞，结果在两种FRDA细胞模型中铁含量和ROS水平均显著下降[26- 27]。由于DFO是一种重要的铁死亡抑制剂，这些研究提示基于铁死亡的治疗策略是治疗FRDA应考虑的方向。

3 小结与展望

综上所述，作为一种新发现的非程序性细胞死亡形式，铁死亡与多种神经变性疾病的病因病机存在密切关系，动物实验和部分前瞻性临床实验的结果初步表明，干预铁死亡的相关环节可有效延缓病情进展并在一定程度上改善临床症状[28]。因此，明确铁死亡的具体机制及其主要的调控通路和作用环节，有望为神经变性疾病这一大类难治性神经系统疾病的治疗提供新的治疗切入点和药物治疗靶点，对改善患者病情、促进大众健康具有重要的理论价值和现实指导意义。

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10.3969/j.issn.1673- 5110.2017.20.028

国家自然科学基金面上项目(81573954，81673948)

李海，医师，硕士研究生。研究方向：神经内科。Email：1094177965@qq.com

R742.5

A

1673- 5110(2017)20- 0113- 04

(收稿2017- 02- 12)

关慧