铁死亡与脑出血后脑损伤▲

彭驰伟 陈薇 陈玲 罗北娇

桂林医学院附属医院药学部，广西桂林市 541001

【提要】 脑出血是神经科常见疾病，患者脑出血后继发脑损伤是当今临床治疗的难点。引起脑出血后患者脑损伤的主要原因是神经炎症反应和氧化应激反应，而神经细胞铁死亡(Ferroptosis，简称铁死亡)与二者有着千丝万缕的关系。铁死亡是一种铁依赖性的非凋亡细胞死亡方式，其特征为细胞内铁诱导的脂质活性氧积累引起氧化应激造成细胞死亡。本文就铁死亡与脑出血后脑损伤的关系以及药物治疗的研究进展进行了综述，旨为患者脑出血后继发脑损伤的预防和治疗提供参考。

脑出血是常见的神经科疾病，占脑血管疾病的35%，全球每年约有200万新发脑出血患者，其发病率还在逐年增加[1]。脑出血患者预后极差，病死率、致残率极高，存活患者大多存在严重的神经和认知功能障碍[2]。目前，外科手术是治疗脑出血患者的主要手段，同时通过给予患者控制血压、脱水、止血、营养神经等对症治疗，可以在一定程度上减轻其原发性损伤，但不能阻止或逆转患者脑出血后继发性损伤。新的研究发现，引起脑出血后患者继发损伤的原因主要是炎症反应介导的神经损伤和自由基引起的细胞凋亡，而这二者都与铁死亡密切相关。铁死亡是一种由铁依赖性脂质活性氧积累引起的细胞程序性死亡，其特征主要是细胞体积缩小和线粒体膜密度增加,没有典型的细胞凋亡和坏死表现[3-4]。既往对铁死亡的研究大多集中于肿瘤领域，即通过诱导肿瘤细胞铁死亡达到清除肿瘤细胞的目的，但近年来的研究发现，在阿尔兹海默病、帕金森综合征、亨廷顿舞蹈征等神经内科疾病机体中也有铁死亡现象[5-6]。本文就铁死亡与脑出血后脑损伤关系的研究进展综述如下。

1 脑出血后脑损伤与铁死亡

脑出血发生后，血管破裂，血液流出，血红蛋白从红细胞释放出来后，被小胶质细胞吞噬，代谢成Fe2+/Fe3+，过量的亚铁从小胶质细胞中被转运出去，通过转铁蛋白受体系统在神经元中积累，并通过芬顿反应与过氧化氢反应生成剧毒羟基自由基(·OH)。这些羟基自由基攻击DNA、蛋白质和脂质膜，破坏细胞功能，导致细胞铁死亡[7]。铁死亡过程中铁在出血部位聚集，又会激活小胶质细胞，加重出血部位的炎症；同时铁还会参与氧化还原反应，进一步增加羟基自由基浓度，造成氧化损伤[8]。产生积累的脂质活性氧又会通过一氧化氮、炎性因子等相关通路破坏血脑屏障，加重出血部位脑水肿[9]。这一系列连锁反应，使脑出血患者的治疗更加棘手。

脑出血后血液积聚并压迫周围脑组织，造成组织损伤、炎症和神经元死亡，释放的血红蛋白代谢形成过多的铁造成铁过载，引起铁死亡。而铁死亡过程带来的氧化应激、炎症、铁过载又会加重脑损伤。因此，脑出血后的脑损伤与铁死亡的关系，是一种相互影响、相互促进的关系[10]。见图1。

图1 Fe3+与谷氨酸在铁死亡过程的作用

2 脑出血后的脑损伤引起铁死亡

2.1 脑出血后神经系统谷氨酸转运通路抑制引发铁死亡 脑出血后，机体脑内谷氨酸浓度升高，而高浓度的谷氨酸具有一定的神经毒性[11]。由轻链亚基(SLC7A11)和重链亚基(SLC3A2)通过二硫键连接构成的异二聚体系统Xc-是体内半胱氨酸-谷氨酸的交换转运蛋白。胞内谷氨酸可在系统Xc-作用下转运至胞外，同时胞外的胱氨酸也在其作用下转运至胞内，然后胱氨酸在胞内转化为半胱氨酸，并进行谷胱甘肽(GSH)合成(见图2)。而GSH是细胞内重要的抗氧化剂,对清除自由基、维持细胞内外氧化还原平衡起重要的作用[3]。脑出血后，机体神经细胞外谷氨酸表达水平明显升高，系统Xc-对谷氨酸的转运平衡被破坏，胞内谷氨酸摄取减少，GSH合成受抑制，细胞抗氧化防御受到影响，造成脂质活性氧积累而引发铁死亡[12]。

图2 谷氨酸转运与铁死亡过程

2.2 脑出血后脂质活性氧积累引发铁死亡 脑出血后产生的游离铁，通过参与炎症反应诱导氧化应激和芬顿反应，促进脂质活性氧生成，使体内脂质活性氧积累。其中，谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX 4)是一种作用于膜脂修复的抗氧化酶，可在GSH的辅助下将毒性脂质活性氧(L-OOH)转化为无毒的脂醇(L-OH)，避免了细胞氧化性损伤。而脑出血过程产生的大量脂质活性氧破坏了这一氧化平衡，使脂质活性氧大量积累，导致过氧化[13]。铁死亡的特征恰恰在于毒性脂质活性氧的铁诱导性积累(见图1、图2)；此外，脂质活性氧还可直接与脂膜上的多聚不饱和脂肪酸(PUFAs)发生氧化反应，直接导致细胞铁死亡[14]。脑出血发生后产生的游离铁，通过炎症反应引起氧化应激和芬顿反应，促进脂质活性氧生成，使体内脂质活性氧积累过载而导致铁死亡发生[15]。

2.3 脑出血后铁代谢紊乱引起铁死亡 血液中的铁大多是以Fe3+与转铁蛋白结合的形式存在。血液中的Fe3+可与细胞膜上转铁蛋白受体1结合进入细胞，形成稳定的核内体。而在细胞内，Fe3+可在铁还原酶STEAP3作用下被还原为Fe2+，然后Fe2+被二价金属转运体1(DMT1，也称为SLC11A2)从核内转运到不稳定的胞质溶胶中储存。其中过量的Fe2+储存在铁蛋白中，或被细胞膜铁转运蛋白氧化为Fe3+再转移至细胞外[16]。脑出血发生，血红蛋白从血液中释放出来，被小胶质细胞和周围的巨噬细胞吞噬，代谢成Fe2+/Fe3+，随后过量的Fe2+从小胶质细胞中被转运出去，通过转铁蛋白受体系统在神经元中积累。因此，脑出血后机体Fe2+含量增加、细胞内外铁代谢平衡紊乱，产生过量的游离铁而导致铁死亡发生。

3 铁死亡加重脑出血后脑损伤

3.1 铁死亡加重脑水肿 脑出血发生后，红细胞破裂，产生大量血红蛋白，血红蛋白分解产生含铁血红素和珠蛋白，其中的含铁血红素通过与血红素加氧酶-1( heme oxygenase-1, HO-1)反应，进一步裂解生成游离铁，进而使出血部位Fe2+积累[17]。Fe2+参与芬顿反应，其中生成的水会直接加重出血部位水肿；而生成的羟基自由基会攻击脑细胞膜磷脂中的多聚不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化反应，导致机体Ca2+-Mg2+-ATP酶等失活，进而造成离子运转障碍，导致血-脑脊液屏障结构受损，血管通透性增加而加重出血部位水肿[18]。再者，铁死亡过程中产生的活性氧会抑制细胞膜上Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶以及Na+-Ca2+离子转运体活性，进而引起细胞内钙超载，兴奋性氨基酸增多、酸中毒等毒性反应，导致细胞毒性脑水肿[9]。脑出血患者的脑水肿体积与血清铁蛋白含量呈正相关，因此铁死亡过程中的血清铁蛋白含量被认为是影响脑出血后水肿体积的一个重要因素[19]。

3.2 铁死亡加重神经炎症 小胶质细胞占全脑神经细胞的5%～20%，可以介导神经炎症，是中枢神经系统的巨噬细胞[20]。脑出血后，血液外溢，引发铁死亡，铁死亡过程中产生的血红蛋白、红细胞、铁等物质使小胶质细胞激活，吞噬红细胞、血红蛋白，其中活化的核因子(NF)-κB可上调白细胞介素(IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF)-α的表达，导致神经炎症[21]。由此可见，铁死亡过程中的游离铁和含铁血红蛋白能通过激活小胶质细胞的吞噬作用，诱导相关炎症因子的释放而加重脑出血后的神经炎症。

3.3 铁死亡加重氧化应激 氧化应激是指机体内氧化与抗氧化作用平衡被打破，氧化占主导作用的一种状态。氧化应激导致中性粒细胞炎性浸润、蛋白酶大量分泌、氧化中间产物产生，使核酸、蛋白质、脂质等生物大分子遭受氧化损伤而影响正常生命活动[22]。由于脑出血后释放出的游离Fe2+在铁死亡过程中可作为体内氧化应激反应过程中的催化剂，通过芬顿反应产生强氧化性的活性氧，从而打破了氧化平衡、加速氧化应激的过程，最终导致脑组织生物大分子损伤[23]。另外，脑出血后铁死亡引起的炎症反应、高度表达的IL-6能通过Toll样受体4/MyD88信号通路促进铁调素表达水平上调，进而抑制脑微血管内皮细胞内铁离子外排入血，从而加重脑内活性氧堆积，造成神经细胞的氧化应激损伤[24]。可见，铁死亡产生的Fe2+会直接促进或通过引起炎症反应间接加重脑出血后的氧化应激。

4 抑制铁死亡减轻脑出血后脑损伤的药物

4.1 脂质活性氧抑制剂 脂质活性氧抑制剂可通过减少体内脂质活性氧的堆积，降低细胞的氧化损伤而达到抑制铁死亡的目的。Fer-1是一种含芳烷胺的抗氧化物，因可通过清除胞质中脂质活性氧而成为一种有效的选择性小分子铁死亡抑制剂[25]。Fer-1能特异性地抑制铁死亡，但对凋亡、坏死、自噬等其他死亡形式不具有抑制作用[26]。liproxstatin-1是一种具有酰胺和磺酰胺亚基结构的螺环喹喔啉胺衍生物，能抑制脂质过氧化，从而抑制细胞铁死亡[27]。此外，维生素E也有类似的作用，可通过抑制脂质氧化途径减轻细胞铁死亡，从而避免脑出血后引起的各种神经细胞损伤[28]。

4.2 铁螯合剂 铁螯合剂能通过其与游离铁离子的强结合作用，将铁离子包合到螯合剂内部形成稳定的大分子化合物降低毒性，维持体内铁代谢平衡，从而抑制铁死亡。去铁胺(desferrioxamine，DFO)是一种细菌的代谢物，能与游离铁离子或与铁蛋白和铁血黄素结合的铁离子螯合，但不能从转铁蛋白、血红蛋白或其他含氯高铁血红素的物质中除去铁离子，因此不会导致缺铁性贫血；其通过与胞外Fe3+螯合，降低胞质中Fe2+含量[29]。程丽婷等[30]报道，去铁胺能通过降低细胞内铁含量，增加细胞抗氧化损伤能力抑制铁死亡。氯碘羟喹是另一种Fe2+螯合剂，可减少活性氧产生并上调膜铁转运蛋白1(ferroportin1，Fpn1)的表达水平，减轻脑出血后脑水肿[31]。去铁酮是一种小分子螯合剂，可与Fe3+螯合，具有口服易吸收、血脑屏障透过率高且价格低廉等优点而逐渐受到重视，但因其会降低血清铁浓度，而且不能减少活性氧的产生和降低脑组织含水量，因此其抑制铁死亡的作用仍需进一步研究证实[32]。

4.3 中药干预脑出血后铁死亡 从黄芪的茎秆或干燥根系中提取出的黄芪多糖，是一种具备生物活性的水溶性杂多糖，有抗氧化、免疫调节等药理作用，可抑制线粒体脂质活性氧聚积而减轻脑出血后铁死亡所致的神经功能障碍[33-34]。葛根的提取物葛根素能通过抑制活性氧产生，减少脂质活性氧积累引起的铁死亡；还可抑制DMT-1表达、上调Fpn1表达，减轻脑出血后铁过载引起的铁死亡[35]。黄芩的主要有效成分黄芩素因能抑制Erastin诱导的Fe2+生成、减少谷胱甘肽消耗和抑制脂质过氧化等而作为一种铁死亡抑制剂，能保护细胞不受膜脂质的氧化损伤[36]。黄芩素作为一种有效的铁螯合剂，在调节机体的铁代谢平衡中发挥着关键作用，可通过调节铁代谢平衡和抑制芬顿反应抑制脑出血后的铁死亡[37]。

5 小 结

铁死亡是机体脑出血后发生的一种严重细胞损伤，也是加剧脑出血后脑损伤的重要原因之一。铁死亡的发生原因复杂，脑出血后出现谷氨酸转运抑制、脂质活性氧积累、铁代谢平衡破坏等；铁死亡过程中的一系列复杂的生化反应，又促进炎症、氧化应激反应，加重脑出血后的脑损伤，所以铁死亡是脑出血后脑损伤的关键问题。脑出血后铁死亡涉及的铁稳态调节通路、胱氨酸转运通路以及活性氧代谢途径，是基于抑制铁死亡药物治疗脑出血后神经细胞损伤的重点；抑制铁死亡在脑出血的脑损伤治疗与预防方面具有重要意义。