铁死亡在急性肾损伤中的作用研究现状

张金石 梁明珠 刘琳 何强

急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）是一种由多种原因引起的疾病，常见原因包括缺血、肾毒性药物和尿路阻塞等[1]。AKI在住院患者中的发病率和病死率都很高，然而除血液净化外，目前预防和治疗AKI的方法研究进展缓慢。因此，迫切需要新的治疗方案来预防AKI以及促进AKI发生后肾脏的修复。2012年，Dixon等[2]提出了一种新的细胞死亡概念，即铁死亡，该概念随后被证明与许多疾病的病理生理过程密切相关[3-4]。一项研究从侧面证明了铁稳态在AKI发病机制中的作用以及治疗潜力[5]。本文就目前关于AKI中涉及铁死亡的调控机制、研究进展和治疗潜力作一综述。

1 铁死亡

2003年Dolma等[6]发现了一种对RAS基因突变的肿瘤细胞具有选择性致死作用的新化合物erastin，但是其导致细胞死亡的方式与传统的细胞凋亡不同，没有细胞核形态变化、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抑制剂不能抑制这种细胞死亡。随后，Yang等[7]和Yagoda等[8]发现这种细胞死亡模式可以被铁螯合剂抑制，并发现了另一种也可以引起这种细胞死亡的化合物RSL3。2012年Dixon等[2]根据其特征，将该类型细胞死亡正式命名为“ferroptosis”，即“铁死亡”。铁死亡的形态特征主要表现为：线粒体变小、嵴减少或消失、双层膜密度增加以及外膜破裂；细胞膜保持完整，细胞核大小正常，没有染色质浓缩[2，7]。其生化特点主要表现为，细胞内谷胱甘肽（glutathione，GSH）耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性降低，脂质过氧化物不能被GPX4催化的还原反应代谢，二价铁离子通过芬顿反应氧化脂质，产生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS），引起铁死亡[7，9]。在基因层面，铁死亡是由多个基因调控的生物学过程，主要涉及铁稳态和脂质过氧化代谢的遗传变化，但具体调控机制有待进一步研究。

诱导铁死亡的物质可分为四类：第一类为erastin，它是最早发现的铁死亡诱导剂，可通过直接抑制细胞膜上的半胱氨酸或谷氨酸交换器，降低胞内GSH水平。同时，erastin还会影响电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs），以引起的线粒体功能障碍导致细胞铁死亡[10]。第二类为RAS选择性致死性小分子（RAS-selective lethal 3，RSL3）和铁死亡诱导剂（DPI7），通过直接抑制GPX4活性导致细胞铁死亡。第三类为新型化合物FIN56，它可以通过两种途径诱导铁死亡。首先其促进GPX4降解直接诱导铁死亡，其次FIN56还可以与角鲨烯合成酶结合，引起内源性的抗氧化剂辅酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10）耗尽，增强细胞对 FIN56 诱导的铁死亡的灵敏性[11]。第四类为新型化合物FINO2，这是一种与青蒿素有多重相同特征的有机过氧化物，由不稳定铁的直接氧化和GPX4的失活的综合作用而导致细胞铁死亡[11]。

随着对铁死亡机制研究的深入，许多铁死亡的特异性抑制剂也被发现，除铁螯合剂外，还发现了新型化合物 Ferrostatin-1（Fer-1）、liproxstatin-1（Lip-1）和维生素E等。这些物质可以通过抑制脂质过氧化物的形成来抑制铁死亡。2014年，Skouta等[12]发现Fer-1能在亨廷顿病性痴呆、儿童脑室周围白质软化症和肾功能不全3种体外模型中抑制细胞死亡。这为在疾病中应用铁死亡小分子抑制剂提供了基础。明确铁死亡发生的机制及其调节能为涉及铁死亡的相关疾病提供新的研究思路和治疗手段，具有重要的意义。

2 铁死亡与AKI

2.1 铁死亡与横纹肌溶解综合征导致的AKI 横纹肌溶解综合征的病因十分复杂，有研究指出获得性病因就有190余种，遗传性相关的病因40余种，常见的原因有剧烈运动、直接创伤、代谢性肌病、化学、物理或生物制剂的毒性反应、遗传因素等[13]。以往研究认为横纹肌溶解诱导AKI的机制主要有:（1）骨骼肌大量受损后，肌红蛋白（myoglobin，Mb）在肾脏中的积累阻塞远端肾小管是导致肾脏损害的核心机制；（2）肌肉受损后体液渗出，血容量不足，肾素-血管紧张素、交感神经系统激活，血浆抗利尿激素释放，其他炎性介质如内皮素-1、TNF-α等促进血管收缩；（3）肾微循环中一氧化氮被Mb清除导致扩血管物质不足。收缩血管物质增加和扩张血管物质减少导致肾动脉收缩引起肾脏供血不足。

目前有研究认为铁死亡在Mb诱导AKI中起到更为重要的作用。在横纹肌溶解时，Mb大量释放，超出α2-球蛋白的结合能力，Mb从肾小球滤出进入近端肾小管，最终被分解为游离铁离子和亚铁血红素。转铁蛋白受体和二价金属离子转运体将胞外游离铁离子转移至胞内，进入胞内的 Fe3+被转化为Fe2+，一部分Fe2+被存储在铁蛋白内，另一部分则由膜铁转运蛋白转运出细胞外，重新被Hb或Mb结合[12，14]。如肾小管内的Mb过多，在细胞内ATP不足、低血压及低灌注的情况下，将导致肾小管细胞内的Fe2+超载。超载的Fe2+则将通过芬顿反应，诱导近端小管脂质过氧化的直接损伤导致急性肾小管坏死或肾功能衰竭[15-16]。Guerrero-Hue等[17]的研究发现铁死亡小分子抑制剂Fer-1可以抑制Mb诱导的AKI，这一发现从侧面证明了铁死亡在这一过程中起到的关键作用。Skouta等[12]在体外研究中也发现，Fer-1在横纹肌溶解诱导的铁死亡模型中，能有效抑制羟基喹啉和硫酸亚铁铵诱导的细胞坏死。综上所述，可以表明铁死亡是引起横纹肌溶解导致AKI的重要机制之一。

2.2 铁死亡与缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury，IRI）导致的AKIIRI是指遭受一定时间缺血的组织细胞恢复血流（再灌注）后，组织损伤程度迅速增剧的情况，由此引起的临床疾病称为再灌注综合征。该过程可通过触发涉及ROS、细胞因子、趋化因子和白细胞激活的炎症级联反应，加剧组织损伤[18-19]。IRI也是引起AKI的重要因素之一。肾IRI的病理生理机制主要包括炎症，氧化应激和脂质过氧化，线粒体功能障碍，肾素-血管紧张素系统活化等[20]。有研究表明，铁死亡可能是肾IRI的主要驱动因素之一[21]。在IRI的小鼠模型中，应用铁死亡小分子抑制剂可保护小鼠免受AKI和其他器官的损害[22]。在临床上，肾IRI通常是心脏手术后AKI的主要原因。心脏术后AKI的发病机制复杂且多因素，这些损伤机制可能在不同时间发挥不同的作用，且可能协同作用，其中游离铁的释放是一个关键的节点[23]。

由于体外循环期间，血细胞长期暴露于机械性的体外循环管道系统以及外科手术中的各种操作，均可能导致红细胞的破坏，导致游离Hb进入血液循环[24]。有研究表明，体外循环期间血液中的游离Hb含量会增至生理水平的数倍，直至手术后数小时[25]。Hb在诱导AKI中的作用跟Mb相似，肾小管细胞铁超载是最终导致急性肾功能衰竭或肾小管坏死的主要原因[12]，并且有研究表明游离Hb水平是心脏手术后肾功能损伤的显著独立危险因素[26]。

在从完全的体外循环支持过渡到患者自身循环期间，可能发生血流动力学不稳定，而这种血流动力学不稳定的状态将可能导致全身低灌注，特别是肾脏的缺血、缺氧[27]。在缺血期间，肾脏中的游离铁水平会因pH值降低和与蛋白质结合铁的解离而增加。游离铁的增加可能会激活细胞铁死亡，最终导致肾小管坏死[24]。在肾小管上皮细胞缺氧损伤的模型中，应用铁死亡小分子抑制剂可以有效减轻缺氧对肾小管上皮细胞的损害，提示在缺氧的肾小管上皮细胞中，铁死亡可能是较早出现的细胞死亡方式，而缺氧在缺血再灌注AKI的发生、发展过程中起着至关重要的作用[28]。体外循环期间其他脏器的再灌注损伤也可能会给肾脏带来额外的铁，并且上游坏死肾单位释放的铁会进一步下降至下一个肾单位，从而进一步加剧氧化应激导致组织损伤[24]。Linkermann等[29]在研究中发现，铁死亡是肾小管细胞在缺血性AKI后连续死亡的关键机制，通过抑制半胱氨酸谷氨酸转运体和应用铁死亡激活剂erastin，以减少细胞内GSH来触发铁死亡可引起近端肾小管细胞级联细胞死亡。使用铁死亡小分子抑制剂Fer-1不仅可以在体外抑制铁死亡，还能减轻小鼠肾脏的IRI。因此，可以推断铁死亡是IRI所致AKI的重要机制之一。

3 铁死亡的治疗与AKI

近期的研究表明了铁死亡在AKI中的重要性，并且发现了很多药物对涉及铁死亡的AKI有潜在治疗作用。

GPX4是一种抗氧化酶，它以减少GSH为代价来催化脂质过氧化物的还原，从而防止氧化损伤和铁死亡。如果GPX4缺失，将会触发脂质过氧化产物蓄积，最终将导致小鼠因急性肾衰竭死亡[9]。小分子物质铁死亡抑制剂（lipoxygenases）可完全阻断脂质过氧化作用，能够增加缺失GPX4小鼠35%的存活率[30]。另有研究发现噻唑烷二酮类药物（如罗格列酮）通过抑制酰基辅酶A合成酶4可以降低GPX4缺失小鼠的死亡率，从侧面证明了其对于AKI的潜在益处[31]。Fer-1可以通过氧化还原反应来防止膜脂质损伤，从而抑制细胞铁死亡[32]。Linkermann等[29]研究发现，使用铁死亡小分子抑制剂Fer-1，不仅可以在体外阻断erastin诱导的铁死亡，还可以预防小鼠肾IRI。研究发现，去铁胺可通过结合铁金刚烷衍生物，获得细胞毒性较少的化合物3-hydroxyadamant-1-yl，该化合物可通过抑制脂质过氧化、减少Mb的亚铁形式，抑制铁死亡，减轻大鼠横纹肌溶解致AKI[33]。去铁酮已被证实可用于反复输血的亚铁负荷过高的患者，但尚无应用去铁酮预防或治疗横纹肌溶解导致AKI的相关研究[34]。黄芩素是中药黄芩的主要有效成分之一，其通过调控B淋巴细胞瘤-2基因、细胞外信号调节激酶1/2和Bax基因激活蛋白激酶B，可减轻心肌缺血再灌注诱导的AKI[34-35]。有研究表明，黄芩素还可以通过限制细胞中的铁积累和脂质过氧化以增强细胞的抗铁死亡能力，有望作为铁死亡相关组织损伤的治疗药物[36]。

4 小结

铁死亡是近几年发现的一种铁依赖性的、非细胞凋亡性的细胞死亡，目前对其发生机制、特点，有了初步的了解。在AKI中，已经可以明确铁死亡是导致细胞死亡的重要原因之一。应用铁死亡小分子抑制剂抑制铁死亡有望成为治疗AKI的新策略。尤其是应用在主要由血红素和非血基质铁引起的横纹肌溶解导致AKI或IRI所致AKI中。虽然这些针对铁死亡小分子抑制剂的大多数研究是在小鼠AKI模型或体外实验中完成的，但是深入探讨铁死亡在AKI过程中所扮演的角色，合理利用铁死亡对AKI的调节作用，在未来将为AKI治疗提供新的视角和新的策略。