铁死亡与氧化应激的关系及其在运动系统疾病中的研究进展

张 宇，孙文爽综述，赵建宁，孟 嘉审校

0 引 言

细胞死亡在所有多细胞生物的发育、衰老、组织稳态、免疫和应激耐受中起着重要作用[1]。细胞死亡的形式有多种形式，比如凋亡、坏死、自噬和程序性细胞死亡等[1-3]。过去调控细胞死亡被认为是凋亡的同义词，直到最近才发现调控细胞死亡有多种形式，其分子机制和形态学特征各不相同[4]。铁死亡是Dixon于2012年提出的一种新的细胞死亡方式[5]。OS广泛存在有氧生物体内，并已有研究证明OS可以诱导产生细胞凋亡、坏死、细胞衰老及炎症[6]。目前尚未有明显的证据证实铁死亡与氧化应激的关系，故本文就铁死亡与氧化应激之间的共性进行论述，试图找到两者之间的关联，并综述了目前铁死亡在运动系统相关疾病方面的研究进展。

1 铁死亡和氧化应激的关系

已知在铁死亡途径中systemXc-、GPx4、活性氧及Fe均是其核心组成部分，systemXc-、GPx4均与谷胱甘肽 (Glutathione，GSH)的含量密切相关，systemXc-是GSH的合成原料谷氨酸的运载体，GPx4是以GSH为原料合成的过氧化物酶[7]。以下分别从这几种重要物质出发叙述铁死亡与氧化应激之间的关系。

1.1GSH和活性氧GSH的合成需要以谷氨酸为原料，细胞对谷氨酸的摄取有四种途径,其中一条很重要的途径是谷氨酸胱氨酸转运体systemXc-[8]。OS带来的氧化损伤一开始是发现在谷氨酸诱导的细胞死亡途径中，而谷氨酸诱导的细胞毒性可由谷氨酸受体激活后的钙离子内流或者竞争性抑制systemXc-产生[7],故GSH的下降很可能就是OS产生的氧化损伤的一个重要原因。有趣的是第一个被报道的铁死亡诱导剂erastin[5],被证实是一种systemXc-抑制剂[9]，所以铁死亡途径中也存在着GSH的减少。

活性氧是一种高活性氧化自由基，包括超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、氧化基(ROO-)和羟基(OH-)[10],正常情况下ROS可以作为信号分子、调节分子以及转录调控分子发挥作用，而当活性氧等自由基浓度超过临界水平，体内平衡受到干扰时，过高的自由基会对细胞、细胞器以及脂类、蛋白质和DNA等成分造成损伤，如不及时修复，就会导致细胞死亡[11]。铁死亡发生于谷胱甘肽(GSH)依赖的脂质过氧化物修复系统受损时，致死的脂质活性氧的积累而发生[5，12]。氧化应激是活性氧生成与抗氧化防御系统失衡的结果[13]。既往研究发现氧化应激的活性氧主要来源于线粒体电子传递链的复合体I和能够被复合体I的抑制剂DPI所抑制[14]，同时也发现经抗霉素A处理后能抑制erastin诱导的细胞死亡，已知抗霉素A是一种线粒体复合体III抑制剂[15]。即铁死亡和氧化应激都有着GSH的下降，GSH下降又会导致与其相关的抗氧化系统受损，最终线粒体来源的活性氧产生大于消除，产生细胞毒性作用。

1.2铁铁作为一种生物必需元素，参与许多过程，包括细胞增殖、氧气运输和DNA合成，但过量的铁会产生毒性[16]。因为铁容易还原为Fe2+和氧化成Fe3+，故铁经常参与底物之间的电子转移[17]，电子的转移是机体有氧代谢产生活性氧必不可少的一步，Fe2+可以与过氧化氢(H2O2)通过芬顿反应生成具有更强氧化能力的羟基(OH-)，使细胞内的活性氧水平增加，即Fe2+是能诱导产生氧化应激的[18];Luo等[19]在研究以青蒿素为基础的智能纳米药物时，发现添加有转铁蛋白肽能够增加细胞内Fe2+的水平，从而导致活性氧的增加和GSH的下降，激活氧化应激，杀死癌细胞; Totsuka等发现OS可以反馈性影响铁稳态调节相关基因的表达，对细胞内Fe2+浓度起到调控作用[20]。细胞内的铁离子水平已被证明在细胞铁死亡期间会明显增加，铁负载是铁死亡的一个重要标志[[21-22]，在铁螯合剂干预后，铁死亡会明显收到抑制。综上所述铁离子无论是在氧化应激还是铁死亡中都一同扮演着重要的角色。

1.3其他调控物质可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanylate cyclase,sGC)抑制剂LY83583被发现不仅能抑制谷氨酸诱导的氧化作用，还能抑制erastin和RSL3诱导的铁死亡[23]。瞬时过表达Bcl-2可抑制HT22细胞的氧化，而si-RNA介导的Bcl-2敲除可通过增加活性氧的产生使细胞更加敏感化[24];同样的在由星形胶质细胞向神经元细胞再编程的细胞中导入Bcl-2基因后可对铁死亡起到抑制作用[25]。p53功能失调可导致肿瘤细胞中systemXc-上调，从而对氧化应激诱导的铁死亡产生抵抗作用[26]。有研究表明新型的MEK抑制剂U0126可完全抑制铁死亡，同时U0126具有抗氧化能力和保护细胞免受氧化应激损伤的作用[27]。还有发现溶酶体均可以影响氧化损伤和铁死亡中活性氧的产生[23]。

既往研究认为，高氧化应激水平会导致细胞的坏死，中度的氧化应激导致细胞凋亡，低水平的氧化应激引起细胞增殖[28-29]。即可以认为氧化应激损伤细胞及组织器官的方式有很多种，比如上述内容提到的细胞凋亡、坏死、自噬等多种方式，而铁死亡是最近提出来的主要以铁依赖性、活性氧堆积为特点新的细胞死亡方式，综上所述，可以发现铁死亡和氧化应激在很多方面是非常相似的，不能单纯认为铁死亡是一个独立的细胞死亡途径，甚至有可能就是氧化应激损伤作用方式中一种比较特殊的方式。比如Totsuka等[20]在对老年性黄斑变性发病机制的研究中，发现视网膜色素上皮细胞的氧化应激损伤是导致其发病的重要原因，并且发现多种细胞死亡模式均参与到氧化应激诱导的视网膜色素上皮细胞死亡，并以铁死亡尤为重要，铁死亡抑制剂可以挽救氧化应激引起的视网膜色素上皮细胞死亡。又比如Shimada等[30]发现与NSC319726结合的铜也能诱导活性氧的生成，从而产生氧化应激。即又发现继铁这一过渡金属之后又一新的与氧化应激损伤相关的铜离子。

2 铁死亡在运动系统疾病方面的应用

2.1 运动系统肿瘤骨肉瘤是最常见的恶性骨肿瘤，占原发性骨肿瘤的60%，骨肉瘤患者中70%为儿童和青少年。骨肉瘤的治疗是多模式的，主要包括手术和全身化疗[31]。其中化疗在提高骨肉瘤预后生存率中发挥着重要的作用，非转移性骨肉瘤患者高剂量联合化疗后5年生存率由55%提高到70%，而转移性骨肉瘤患者的5年生存率仅为5%～20%[32]。Liu等[33]通过测定MG63和Saos-2骨肉瘤细胞株和其相应的耐顺铂细胞株-MG63/DDP and Saos-2/DDP中铁死亡相关指标，发现顺铂耐药骨肉瘤细胞在暴露于低剂量的顺铂后可抑制铁死亡，在增加铁死亡激动剂和STAT3抑制剂后，又重新激活了骨肉瘤细胞的铁死亡的作用，从而增加了MG63/DDP and Saos-2/DDP对顺铂的敏感性,为体外降低骨肉瘤对顺铂的耐药性提供了一种新的方法。Isani等[34]在研究青蒿素对D-17犬骨肉瘤细胞的细胞毒性作用时，发现在纯青蒿素和黄花蒿提取物的作用下培养后，D-17细胞的铁代谢发生了变化，即细胞内铁总量显著减少，并证实了青蒿素对D-17细胞毒性作用中包含着铁死亡这一新的细胞死亡形式。并且已有报道，青蒿素可诱导细胞凋亡和铁死亡，通过细胞周期阻滞减少细胞增殖，抑制肿瘤的血管生成和组织侵袭以及癌症转移[35-37]。

横纹肌肉瘤(rhabdomyosarcoma,RMS)是一种来源横纹肌的恶性软组织肉瘤(soft-tissue sarcomas,STS)[38]，也是儿童和青少年最常见的软组织肉瘤[39-40]。Christina等[41]在研究致癌RAS突变体通过调控氧化应激作用作用于RMS13横纹肌肉瘤细胞时，发现致癌RAS基因不仅能保护RMS13免受像RSL3、Auranofin促氧化应激物的刺激作用，而且还证实了这种作用主要是通过直接或间接的减少谷胱甘肽(glutathione, GSH)量实现的，即最终证实了RMS13横纹肌肉瘤细胞中铁死亡的存在[42]。Fanzani等[43]发现RMS是一种以氧化应激为特征的软组织肉瘤，证实具有更高水平RAS/ERK活性RMS细胞系更倾向于对铁死亡敏感，证实了GSH在RMS铁死亡的重要性，尽管没有发现在铁死亡中发挥重要作用的铁代谢和铁蛋白在RMS中也发挥着作用，但仍可以为更好的了解RMS机制及改善治疗方案提供参考。

2.2骨髓和脊髓损伤骨髓损伤是传统癌症治疗中最常见的剂量限制副作用之一[44],它会导致剂量减少和耽误治疗。Song等[45]通过发现范可尼贫血补体组(fanconi anemia complementation group D2, FANCD2)能抑制erastin诱导的骨髓间充质干细胞的DNA损伤的现象，找到并证实FANCD2同时还通过减少铁的积累、脂质过氧化作用及调控铁死亡相关基因的表达等多种方式抑制骨髓间充质干细胞的铁死亡过程。为保护骨髓细胞、减少抗癌治疗的副作用提供新的治疗策略。

脊髓损伤(Spinal cord injury，SCI)可分为初次损伤和二次损伤[46]，初次损伤可导致细胞立即死亡，而二次损伤是我们可以通过治疗干预减少的[47-48]。有研究通过观察到外伤性脊髓损伤会导致出血和活性氧的堆积和损伤部位的出血会导致铁离子的增加等现象[49-50]，大胆猜测脊髓二次损伤中存在铁死亡，最终发现SCI的二次损伤和铁死亡之间很强的相关性，并找到一个其中有效的铁死亡抑制剂SRS-16-86[51]。Yao等[52]通过Allen法建立大鼠T10段脊髓损伤模型，用去铁胺腹腔注射干预,并检查相关铁死亡指标后，发现去铁胺处理组较安慰剂组的SCI的情况得到缓解,证实了去铁胺对SCI的促修复作用是通过抑制铁死亡这一机制完成的[5，49]。

3 展 望

在本文中我们简要的论述了铁死亡和氧化应激之间的关系，发现我们还不能简单的把铁死亡当成一种全新的独立的细胞死亡形式，尽管在某些情况铁死亡具有它特有的特性，比如说在某种细胞中铁死亡只能被铁死亡诱导剂或抑制剂作用，并且这些诱导剂或抑制剂对氧化应激没有作用，但考虑到我们采用的方法的差异及那怕是同一情景下细胞类型也会有特异性和变异的情况，不能完全把两者独立分隔开，而相反铁死亡和氧化应激之间存在着千丝万缕的关系，很有可能两者之间存在着包含的关系，即氧化应激中包含着铁死亡，铁死亡是氧化应激损伤中一个重要的一环。在理清这个关系之后，很重要的带给我们的启示就是：在一些氧化应激所致的疾病当中，我们可以做出一个假设，假设这些疾病中也存在着铁死亡，从铁死亡这一新的角度去理解这个疾病，从而发掘出新的东西，比如说疾病的发病机制；如果这些氧化应激疾病中存在着铁死亡，那么我们还可以通过调控铁死亡这一途径来减轻和治疗氧化应激带来的损伤，为治疗疾病提供新的靶点；在生命体中发挥重要作用的过渡金属元素和非金属元素有很多，比如铁、铜、钙、镁、锌等，除了本文提到的铁、铜、钙对细胞活性的影响，是否还存在着其他元素对细胞的增殖和生长发挥着重要的作用，这值得我们思考。

氧化应激存在于很多种疾病当中，在运动系统相关疾病方面，已经发现很多疾病与氧化应激有着密不可分的关系，比如类风湿性关节炎、骨关节炎、肩袖损伤和肌腱病等骨骼肌损伤疾病等。关节炎的发病率在运动系统疾病占有很大的比重，每年的发病率也逐年上升，给个人乃至整个社会带来很大经济负担，尽管关节炎的种类有很多，但总的来说关节软骨的损伤是所有关节炎的发病基础，已有研究发现氧化应激参与关节软骨的损伤和修复过程中，那么着其中是否也有铁死亡的呢？这值得我们去深究。还有肌腱病，肌腱病的发病机制目前也尚不清楚，只发现与氧化应激有关，那么我们是不是也可以通过铁死亡这一新途径去解释。总之铁死亡因为其自身独特性和与氧化应激的相似性可以在很多领域得到应用，可以解释一些我们未曾触及的现象和问题，当然铁死亡也存在着很多不够完善和严谨的地方，比如也会受到一些其他非相关因素的影响，所以也需要我们不断去完善和发掘。