铁死亡在肾脏疾病中的研究进展

郑秉暄，王博， 田普训，2，丁晨光，2（. 西安交通大学第一附属医院肾脏病医院肾移植科，陕西 西安 7006；2. 西安交通大学器官移植研究所，陕西 西安7006；3. 澳大利亚莫纳什大学材料科学与工程系，墨尔本 3800；4. 澳大利亚莫纳什大学医学中心肾病学系，墨尔本 3800）

2012 年Dixon 等［1］首次提出铁死亡（Ferroptosis），这一种新的细胞死亡类型，其特征主要是铁离子过载、毒性脂质过氧化物积累导致细胞死亡；形态学主要表现为胞膜破裂，无染色质凝聚，线粒体膜密度增加、体积减小等［2］。越来越多的证据表明，铁死亡与多种肾脏疾病的发生发展密切相关。例如急性肾损伤、缺血/再灌注［3-4］。本文将针对铁死亡在肾脏疾病中的作用及进展进行阐述，探讨铁死亡发生的重要环节，加深对肾脏疾病的认识，利用铁死亡相关的调控为临床治疗提供思路。

1 铁死亡与急性肾损伤

急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）是临床上常见的一种临床综合征，其主要是因各种原因导致患者的肾功能在短时间内突然下降，血清肌酐（serum creatinine，Scr）和尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）升高，尿量减少，水、电解质、酸碱平衡紊乱等，目前缺乏有效的治疗方法，具有较高的死亡率［5］。尽管最初有人认为肾小管细胞发生坏死性凋亡（necroptosis）是AKI 的关键促成因素，但其抑制剂necrostatin-1 并不能显著改善肾小管缺氧性损伤，相比之下，有证据表明，铁死亡可能是介导AKI 的关键因素，并且铁死亡抑制剂对AKI 具有很好的保护作用［3，6］。在叶酸诱导的急性肾损伤模型中，有证据表明其早期损伤是由铁死亡引起的，且铁死亡抑制剂ferrostatin-1 可以减轻小鼠急性肾损伤，改善肾功能［7-8］，这表明铁死亡在急性肾损伤的过程是一个早期事件，会触发炎症反应和继发性坏死性细胞死亡，从而加剧肾功能损伤。因此在急性肾损伤中，铁死亡可能是导致其他形式的细胞死亡的驱动因素［9-10］，但其具体机制仍未完全阐明。有研究显示铁死亡参与了横纹肌溶解导致的AKI，尽管在这过程中，肾脏的凋亡和坏死性凋亡途径被激活，但只有ferrostatin-1 降低了体内和体外的氧化应激和细胞死亡，并显著改善了小鼠肾功能，提示铁死亡在其中的关键作用［11-12］。

在AKI 中，氧化应激扮演着重要的角色，其中核因子E2 相关因子（nuclear factor E2-related factor，Nrf2）被认为是细胞内具有抗氧化效应的重要转录因子，其下游靶基因GSH、GPX4 等均参与维持细胞的氧化还原稳态，Nrf2 过度活化会增加细胞内GSH 的产生并可以阻止活性氧介导的肾小管损伤［13］，而Nrf2 或其靶基因的功能异常可以诱导铁死亡导致细胞死亡［14-15］。Adedoyin 等［16］研究发现血红素加氧酶-1（heme oxygenase 1，HO-1）在AKI是一种细胞保护酶，具有抗氧化和抗炎等作用，可以抑制AKI 中铁死亡的发生。HO-1 的增加可以上调近端小管的H-铁蛋白（FtH）的增加，而FtH 可以通过将Fe2+转化为Fe3+，从而防止脂质氧化，抑制铁死亡的发生，在AKI 中起着重要的保护作用［17］。此外system xc－系统、铁离子、泛链接蛋白及辅酶Q 等均被证明参与了AKI 中铁死亡的过程，但其具体参与的程度，需要进一步研究证实。

2 铁死亡与缺血/再灌注损伤

缺血/再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury ，IRI）会导致严重的急性肾损伤和器官移植后功能延迟恢复的不良后果。肾脏在缺血和再灌注的过程中均受到损伤，从而导致肾小管细胞死亡，并可能导致进行性慢性肾脏损伤。越来越多的证据表明，调节性坏死在肾脏IRI 中起着特定的作用［18］。最近，穆勒等在小鼠肾IRI 模型中验证了坏死性凋亡和铁死亡两种细胞死亡途径在病理学中独立发生并相互交织，说明不止一种受调控的细胞死亡途径参与了肾脏IRI 的发生发展［19］。另一项研究也支持该观点，IRI 的缺血缺氧病理过程中，主要特征为能量衰竭，细胞死亡以凋亡为主［4］；再灌注病理过程中，ROS过度产生，会诱导铁死亡，而人肾小管上皮细胞在这两个病理过程中均会发生自噬。

有研究显示铁死亡抑制剂ferrostatin-1 及其类似物16-86 均可预防小鼠的肾脏IRI，并减轻肾小管损伤，改善肾功能。而且16-86 联合necrostatin-1对肾脏IRI 的保护作用，比单一使用更有效。表明肾脏IRI 过程中同时存在坏死性凋亡和铁死亡，两者通过不同的途径导致AKI［3］。对于肾脏IRI 中铁死亡的发生机制，有研究显示在病理生理性急性缺血性肾损伤过程中，长链脂酰辅酶A 合成酶（longchain acyl-CoA synthetase，ACSL）4 最初被上调，其表达水平与组织损伤的严重程度相关；而敲除细胞中的ACSL4，可以保护细胞免受爱拉斯汀（Erastin）和谷胱甘肽过氧化物酶4 抑制剂RSL3 诱导的细胞死亡［19］。在IRI 中，铁死亡引起了最初的死亡浪潮，引发了炎症反应，继而促进了肾小管细胞坏死性死亡，从而使肾脏功能障碍长期存在。在IRI 领域，接下来最重要的挑战之一是要确定IRI 过程中发生的总体坏死性损害中铁死亡、坏死性凋亡和其他细胞死亡途径的相对贡献。

3 铁死亡与慢性肾脏疾病

慢性肾脏疾病（chronic kidney disease，CKD）可由许多异质性疾病通过不同途径导致，这些疾病可以使得肾脏功能和结构在数月或数年内不可逆转地改变和持续性损伤，其最终病理表现为肾纤维化，特征为肾小球硬化、肾小管萎缩和间质纤维化［20］。长期以来，肾小管损伤被认为是肾脏疾病进展的驱动力，其可以引起炎症，继而炎症的加剧导致细胞死亡，并使肾小管损伤恶化。肾小管细胞死亡、坏死性炎症和间质性炎症之间不断的循环，导致肾损伤持续性加重，最后导致进行性肾小管间质纤维化［21］。因此，进一步了解细胞死亡驱动的炎症与纤维化之间的机制至关重要。

最初的研究表明，铁死亡在形态、生化和遗传上与其他形式的调节性细胞死亡和自噬不同。然而，最近的研究表明铁死亡和自噬有共同的调节因子（SLC7A11、GPX4、Nrf2、P53、HSPB1、CISD1、FANCD2 和ACSL4）［22］。自噬是一种在进化上保守的降解途径，可维持体内稳态。核受体辅激活蛋白（nuclear receptor coactivator，NCOA）4 是铁蛋白的选择性自噬受体，可以选择性地自噬铁蛋白（即铁蛋白自噬），引起的离子增加，进而促进了癌细胞和成纤维细胞的铁死亡［23］。虽然自噬在细胞死亡中起着双重作用，其取决于细胞所处的环境和阶段，但它可能提供一种新的观点，即铁死亡在急性肾损伤甚至纤维化过程中具有促进细胞自噬的作用。与坏死性凋亡不同，铁死亡取决于外部信号。因各种形式的调节性细胞死亡都会释放损伤相关分子模式（damage associated molecule pattern，DAMP），进而驱动细胞死亡和炎症，从而导致铁死亡。由外而内的信号的独立性使铁死亡成为可能导致初始坏死并开始扩增循环的潜在途径。因此，旨在控制铁死亡的治疗可能成为纤维化的新方法。

使用转基因小鼠（Nrf2-KO［24］、Keap1-KD［25］和Keap1-CKO［13］）的研究证明，Nrf2 可以防止一系列疾病引起的肾脏的氧化应激。而氧化应激传感器分子Kelch 样ECH 相关蛋白1（Keap1）可通过泛素化Nrf2 降低其活性。Keap1-Nrf2 系统是预防肾脏疾病进展的最有希望的靶标之一。合成的三萜类化合物Bardoxolone methyl 可通过抑制Keap1 的泛素化而激活Nrf2，并已完成4 期CKD 和T2DM 患者的3 期临床试验（BEACON 试验）［26］。最近的基础研究已经在CKD 的中度阶段积累了Keap1 抑制剂的积极作用，进行的项目数据表明，Keap1 抑制剂可改善3 期CKD 和T2DM 患者的肾小球滤过率，而无需担心安全性，它仍有望成为治疗CKD的一流药物［27］。

4 铁死亡与多囊肾

多囊肾（polycystic kidney disease，PKD）是常见的遗传性肾脏疾病，其特征是肾上皮囊肿的进行性发展，并最终导致终末期肾病［28］。PKD 患者发生CKD 的主要病因是囊肿的形成和增大，其可以破坏肾实质功能，因此减少囊肿的发生和进展对于延缓和治疗PKD 有重要的意义［29］。许多证据表明氧化应激、内皮功能障碍和缺氧发生在PKD 疾病进展的早期，通过升高二甲基精氨酸水平和降低一氧化氮的生物利用度，引起局部血管收缩和肾血流受损；而缺氧会增加缺氧诱导转录因子1a 和其他血管生成因子的水平，进而可能导致囊肿生长［30］。

据报道，Cl-通道的囊性纤维化跨膜电导调节剂（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）已被证明可诱导凋亡，正常表达CFTR 的细胞比CFTR 缺陷的细胞对氧化应激诱导的凋亡更敏感［31］。跨膜蛋白16F（transmembrane protein 16F，TMEM16F）位于肾小管细胞的初级纤毛中，且在人多囊肾的囊壁上皮细胞中高度表达，而敲低TMEM16F 会损害MDCK 细胞的囊肿腔形成［32］。Simoes 等［33］研 究 表 明TMEM16F 和CFTR协同作用于ROS 介导的细胞死亡，而这一过程可能是TMEM16F 通过诱导铁死亡，进而促进与CFTR表达相关的细胞死亡。而最近研究显示脂质过氧化可以激活肾脏TMEM16A，促进Ca2+释放，进一步刺激了CFTR 活化，而ferrostatin-1 可以通过抑制TMEM16A 的激活，进而抑制囊肿的生长，提示抑制TMEM16A 是延缓PKD 囊肿发展的潜在治疗方法［34-35］。这些数据一致认为，铁死亡是PKD 中的一种可能机制，这为PKD 的治疗提供了新的视角。

5 铁死亡与糖尿病肾病

糖尿病性肾病（diabetic nephropathy，DN）现在被认为是终末期肾脏疾病（end-stage renal disease，ESRD）的主要原因，其致病本质是肾脏纤维化，其临床特征是蛋白尿的逐渐增加和肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）的下降。目前简单的控制血糖、血压，或联合使用药物均无法有效缓解或逆转DN,阻止其发展为ESRD［36］。

据报道，自噬，细胞凋亡和坏死等程序性细胞死亡方式与DN 发生发展密切相关，但目前尚无减轻DN 损伤的有效药物［37］。研究显示在DN 中，活性氧（reactive oxygen species，ROS）的积累和铁超载是促进DN 发生的重要决定因素。DN 小鼠中ACSL4 的表达水平增加和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的表达水平下降，同时脂质过氧化产物和铁含量也增加。而ACSL4 抑制剂罗格列酮可通过减少脂质过氧化产物MDA 和铁含量，阻断肾小管细胞铁死亡而抑制促炎性细胞因子的产生，阻止DN 的发展［37-38］。在小鼠DN 模型中，采用ferrostatin-1 进行治疗可减轻其肾脏病理损伤。同时在DN 模型中观察到Nrf2 降低。在高糖条件下，特异性敲低HK-2 细胞的Nrf2，增加了其对铁死亡的敏感性。而使用非诺贝特治疗，可上调Nrf2，进而改善铁死亡的状况。此外，在非诺贝特治疗的糖尿病DN 小鼠中，Nrf2 的增加可抑制与铁死亡相关的改变，从而延缓了DN 的发展［39］。另有报道，维生素E 可以改善患者的血脂和谷胱甘肽水平，进而对DN 的功能改善产生积极作用［40］。

目前DN 的发生发展的机制仍不清楚。但以铁依赖的脂质过氧化作用为特征的铁死亡为我们提供了探索DN 进程的新思路。未来可以关注铁死亡过程中的免疫学特征对DN 进展的作用，通过抑制铁死亡，可以作为缓解DN 的潜在有效靶点。

6 小结与展望

自从2012 年首次鉴定出铁死亡以来，关于铁死亡与肾脏疾病的研究越来越多，但大多数研究都集中在铁死亡对IRI 过程的贡献上，未来的研究也应该着力于探索如何通过干预铁死亡而抑制肾脏纤维化。尽管已经证明了铁死亡可以参与AKI，但对于铁死亡和进一步的免疫反应之间的关系知之甚少。同时，许多基因已被证实会导致铁死亡，但关于调节铁死亡的表观遗传修饰知之甚少。此外尽管已证明沉默miR-182-5p 和miR-378a-3p 可抑制铁死亡而减轻IRI 诱导的大鼠肾损伤［41］，但还需要更多研究来探索lnc RNA 和循环RNA 等在调节铁死亡中的作用。我们认为，铁死亡是肾脏疾病中重要的细胞死亡形式之一，而对于铁死亡的更深入研究将为肾脏疾病的诊断和治疗干预提供新的机会。