铁死亡与卒中相关性研究进展

李俞辰，刘耀，刘斌冰，田杨，史怀璋

全世界范围内，仅2010年对比于1990年，缺血性卒中和出血性卒中的发病率分别增高了37%和47%，其死亡和残疾患者的数量也显著增加，尤其在低、中等收入国家和地区[1]。其中，出血性卒中虽然仅占卒中总体的15%，患者却有着更高的死亡率[2]。缺血性卒中是常见的卒中类型，占卒中总体的85%，尽管类似于溶栓技术的紧急治疗已开展多年，但实际仅有11%的患者可从中获益[3-4]。而近些年兴起的取栓技术也并未对急性脑梗死患者的治疗带来明显的改善。为此，探寻卒中更全面的致病机制及有效的诊疗方法是全人类的迫切需要，特别是出血性卒中，其研究进展已远落后于缺血性卒中。

Scott J.Dixion等[5]于2012年首次提出铁死亡是一种氧化性、铁离子依赖性的细胞死亡形式，与经典的凋亡、焦亡、自噬、坏死性凋亡等有着显著的差异。目前对于铁死亡在神经系统疾病中的研究已涉及多种疾病，包括有阿尔茨海默病、亨廷顿病及卒中等。研究已发现氧化应激、铁稳态失衡、谷氨酸异常均参与到神经系统疾病的铁死亡机制中[6]。虽然铁死亡与卒中相关的研究尚少，但铁死亡已经成为卒中发生发展过程中重要机制之一是毋庸置疑的。本文以铁死亡的主要机制为基础，回顾总结其在卒中相关研究中的已知成果。

1 铁死亡

铁死亡是一种独特的程序性细胞死亡方式，特点为细胞内过量的铁离子、脂质过氧化物及相关代谢产物的蓄积，并可出现质膜多元不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的过氧化反应[7]。在形态学上，铁死亡发生时细胞内的线粒体的体积明显缩小，双层膜结构的密度增加，内膜形成的嵴结构较少或消失；在生化改变上，谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性下降，谷胱甘肽（glutathione，GSH）过量消耗，细胞内的脂质被二价铁离子以类似芬顿（Fenton）反应的方式氧化，产生大量活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）；在遗传学上，铁死亡涉及多种基因的表达异常，尤其是铁调节相关的基因，包括有RPL8、IREB2、ATP5G3、CS、TTC35、ACSF2等[8]。细胞实验中证实铁死亡的诱导剂主要是RAS选择性杀伤因子家族（RAS Selective Lethal，RSL），其中以erastin和RSL3为代表；而抑制剂相对较多，有经典的Ferrostatin-1及铁螯合剂甲磺酸去铁胺（deferoxamine，DFO）、抗氧化剂Trolox、丝裂原细胞外信号调节激酶（mitogen extracellular signal-regulated kinase，MEK）抑制剂U0126等[8]。

早期的研究就已证实铁死亡发生时存在细胞内铁稳态的失衡，铁离子参与的机制可能是二价铁离子释放电子，进而产生过量的ROS，并且铁离子依赖的脂质氧合酶可以催化PUFA产生氧化反应，铁螯合剂则可抑制这些氧化损伤[5，9]。在erastin诱导铁死亡的研究中发现一类命名为Xc-系统的胱氨酸/谷氨酸反向转运体成了新的作用靶点，Xc-系统是异二聚体细胞表面的氨基酸反向转运体，负责胞内谷氨酸和细胞外胱氨酸的互换，GSH是大脑中主要的神经递质和内源性抗氧化剂，体外实验证实erastin可抑制Xc-系统，导致细胞内GSH消耗和过氧化物累积[6，9]。GPX4作为一种抗氧化酶，可将脂质过氧化物转变为脂质醇类，是RSL3诱导铁死亡的作用靶点之一，当GPX4活性被抑制时，细胞内的ROS蓄积，进而导致细胞死亡[9]。此外有研究表明线粒体谷氨酰胺转氨酶2、酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（acyl-CoA synthetase long chain family member 4，ACSL4）及核转录因子2等也参与到铁死亡的机制中[7]。当铁死亡发生时，调节铁稳态的蛋白同样出现异常表达，如铁蛋白表达下降，转铁蛋白受体1（transferrin receptor 1，TfR1）表达升高，二价金属转运体1（divalent metal transporter 1，DMT1）表达下降，铁调节蛋白1和2（iron regulatory protein 1/2）则分别降低和升高等[10-11]。反过来这些蛋白的异常表达也可提示铁死亡的发生，或成为调节铁死亡的作用靶点，如雷帕霉素被证实可通过抑制TfR1的升高来减轻细胞铁死亡[10]。

2 铁死亡与出血性卒中

出血性卒中对神经系统的损伤包括血液冲破血管的首次损伤，及血液中血红蛋白及其代谢产物等所造成的二次损伤，研究已证实血红蛋白无论在体内还是体外实验中均可以导致细胞死亡，涉及的细胞死亡形式涵盖凋亡和铁死亡等多种机制[12-13]。目前大多的体外实验都是用氯化血红素或者血红蛋白作用于不同种系的细胞来模拟铁死亡的发生，例如在小鼠的海马神经元HT22细胞中，就观察到了铁死亡的形态学改变，及GPX4活性下降等氧化损伤的出现[2，14]。在人和动物颅内出血（intracerebral hemorrhage，ICH）的脑组织标本中均发现血肿周围的神经元存在坏死、凋亡、自噬、坏死性凋亡及铁死亡等多种死亡方式[15]。Marietta Zille等[2]经体内和体外实验发现ICH后皮质神经元的死亡具有铁死亡和坏死性凋亡的特点，使用两者的抑制剂可明显较少细胞的死亡，而抑制凋亡和自噬后却没有这样的作用。Qian Li等[13]证实ICH后血肿周围的神经元出现铁死亡的形态学改变，且Ferrostain-1可以减少ICH损伤后细胞内的ROS过量产生和细胞死亡，当联合使用多种细胞死亡方式的抑制剂后效果更加明显，并提出环氧化酶-2可能是铁死亡的生物学标志物。铁螯合剂DFO、抗氧化剂Trolox、MEK抑制剂U0126等也被证实可以抑制由氯化血红素作用导致的细胞死亡[6]。在大鼠蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）模型的研究中，DMT1和GPX4在早期即分别表达明显增高和降低，皮质神经元出现铁死亡的代谢改变，而侧脑室注射依布硒林（ebselen）后可显著抑制上述改变，对SAH后的早期脑损伤起到保护作用[16]。虽然近年来对出血性卒中后铁死亡的研究取得了一些进展，但关于铁死亡的生物学标志物及相关通路的探索还有待进一步加深。

3 铁死亡与缺血性卒中

目前虽然有很多学者致力于缺血性卒中的相关研究，但缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤的预防和治疗进展仍然十分有限[17-18]。临床研究发现有缺血性脑血管疾病的患者，其脑组织中铁沉积显著增加。并认为铁沉积可能是缺血区中小出血灶的影像学标志[19]。利用核磁共振影像学分析发现，单侧缺血性卒中的患者与正常人相比，身体同侧丘脑的T2WI信号降低，这可能预示在梗死区外围存在异常的铁沉积[20]。对于人群样本的流行病学调查还表明缺血性卒中与缺铁性贫血之间关联密切[21]。进一步研究显示可能是缺铁性贫血通过影响颈动脉血栓斑块导致TIA[22]。也有学者将机体缺铁归为是缺血性卒中发生的危险因素之一[23]。更有研究直接证实缺血性卒中患者血清中的铁离子明显升高，铁调素在脑缺血后的铁超载中起重要作用[24]。以上研究均表明缺血性卒中的发生伴有铁离子的异常，除此之外，氧化应激参与I/R损伤，抑制氧化应激则可有效减轻I/R后的神经元损伤的研究证据也得到了广泛的认可[25-26]，可见铁死亡的机制已参与到缺血性卒中的机制研究中。值得关注的是近期，Q-Z Tuo等[4]用大脑中动脉闭塞（middle cerebral artery occlusion，MACO）模型发现脑组织缺血半暗带有明显的铁沉积，神经元出现铁死亡，而沉默Tau蛋白可改善这一损伤，表明Tau蛋白可能参与调节I/R诱导的铁死亡机制。铁死亡与缺血性卒中直接相关的研究较少，所以铁死亡参与脑组织缺血性损伤的具体机制及干预方法也是研究者下一个要探寻的方向。

4 总结与展望

卒中后神经元死亡机制多种多样，本文主要介绍了铁死亡及其在卒中病理机制中的研究进展，作为近年来新发现的一种非典型细胞死亡方式，铁死亡已被证实参与包括卒中在内的多种疾病的发生发展中，且抑制铁死亡可一定程度上减轻病变所造成的损伤，甚至改善愈后。但目前为止已有的研究成果十分有限，特别是与卒中直接相关研究。而且铁死亡的发生机制、生物学标志物和预防方法也有待研究者去突破。铁死亡的发现也让研究者更加深入地认识到细胞死亡的复杂性，在未来的探索中，研究者在试图干预铁死亡所造成损伤的同时，更要寻找各类死亡方式调控机制的共同部分，进而有效且全面的调控细胞死亡。

【点睛】本文总结了铁死亡在卒中病理机制中的研究进展及调节铁死亡对卒中愈后的影响。