铁死亡在阿尔茨海默病中的研究进展

姚 豆，田首元，郭志佳，李 贝，张晋毓

(山西医科大学a.麻醉学系； b.第一医院麻醉科，太原 030000)

铁死亡是DIXON等在2012年首次提出的一种以细胞内铁积累为特征的细胞死亡形式，与细胞坏死、凋亡和自噬不同，铁死亡以细胞体积减少、线粒体膜密度增加为特征，但是无典型的坏死和凋亡的表现[1]。有研究[2]表明，铁死亡在神经元死亡和神经系统疾病(包括创伤性脑损伤、中风、阿尔茨海默病、帕金森式病和亨廷顿氏病)中起关键作用。本文通过总结铁死亡的机制及其与阿尔茨海默病(AD)的关系，为AD的治疗研究提供新的治疗靶点。

1 铁死亡的特点及调控

1.1 铁死亡的特点

在形态学和生物化学上，铁死亡与其他形式的细胞死亡有所区别[3]。铁死亡的主要形态学特征表现为线粒体嵴的减少或消失，线粒体膜的收缩和线粒体体积的缩小[4]。铁依赖性活性氧(ROS)的积累、谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的失活和谷胱甘肽(GSH)水平降低是铁死亡的主要生物化学变化。

1.2 铁死亡的代谢调控

目前，铁死亡的代谢调控机制比较复杂，许多方面尚未明确，下文主要从铁代谢、氨基酸代谢、脂质代谢3个方面来阐述。

1.2.1 铁代谢

铁代谢是铁死亡的调控机制之一，可作为调节铁死亡的靶点。铁离子的积累会引起铁死亡，因此，铁离子的吸收、释放和储存会影响铁死亡的敏感性。在铁死亡过程中起调节作用的蛋白包括转铁蛋白(Tf))、转铁蛋白受体(TfR)、铁调节蛋白铁应答元件结合蛋白2(IREB2)和核受体共激活因子4(NCOA4)等。铁死亡时，Tf与TfR结合把铁从细胞外转移到细胞内，促进铁死亡。相反，从培养基中去除Tf则抑制细胞发生铁死亡[2]，提示Tf在铁死亡中发挥着重要的作用。同时，铁死亡受IREB2的调控。沉默IREB2基因可以减少细胞铁死亡的发生[5]。此外，热休克蛋白β1(HSPB1)可通过抑制TfR1的表达而降低细胞内的铁离子浓度，故过表达HSPB1可抑制铁死亡[6]。

1.2.2 氨基酸代谢

胱氨酸是参与铁死亡的关键氨基酸。细胞内的胱氨酸主要通过谷氨酸/半胱氨酸逆向转运体摄取胞外的胱氨酸而获得[7]。进入细胞内的胱氨酸能迅速还原成半胱氨酸，并参与GSH的合成。GSH是保护细胞免受氧化损伤的关键酶[8]，对GSH依赖性酶如GPX4的功能活性非常重要。同时，GPX4利用GSH中的硫醇基团作为电子供体，影响细胞的抗氧化反应[9]。因此，GSH耗尽引起GPX4失活，将增加细胞内脂质过氧化物，诱导铁死亡[10]。有研究[11]表明，敲除小鼠GPX4或直接使用RSL3(GPX4抑制剂)可促进脂质过氧化和细胞内ROS的积累，提示GPX4可能是铁死亡的关键调控因子。

1.2.3 脂质代谢

脂质代谢也是影响细胞对铁死亡灵敏度的重要因素。多不饱和脂肪酸(PUFA)含有容易被提取的双烯丙基氢原子，易发生脂质过氧化，是铁死亡所必需的物质。游离的PUFAs是合成脂质信号传递介质的底物，但必须将其酯化为膜磷脂并进行氧化才可成为铁死亡信号[12]。脂质组学研究[13]显示，含有花生四烯酸(C20：4)或其衍生产物肾上腺酸(C22：4)的磷脂酰乙醇胺(PEs)是脂质氧化和驱动细胞向铁死亡发展的关键磷脂。

酰基-CoA合成酶长链家族成员4(ACSL4)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(LPCAT3)是2个脂质代谢相关基因，分别编码PUFAs酰化和插入膜磷脂所需的酶[11]。DIXON等[14]研究发现，LPCAT3和ACSL4的缺失可以防止RSL3和ml162诱导的KBM7细胞的死亡，这表明抑制磷脂的合成可以抑制铁死亡。

2 铁死亡与AD

AD是一种神经退行性疾病，起病隐匿，进展缓慢，是痴呆症最常见的一种。其主要病理特征是细胞外含有的淀粉样蛋白(A)肽的神经性斑块和细胞内含有的tau蛋白神经纤维缠结的聚集，主要临床症状是认知功能逐渐丧失，最终导致丧失进行日常生活的能力[15]。由于AD的发病机制尚不十分清楚，目前尚无有效的手段来预防该病的发生或延缓该病的进展。

随着AD与铁死亡机制研究的不断深入，越来越多的证据[16-19]表明AD发病机制与铁死亡机制密切相关。

2.1 铁离子的积累与AD的关系

铁是一种内源性金属离子，参与脑内许多重要的生理活动。在生理状态下，铁离子被人体吸收、运输、转化和排出，以维持其在体内的正常水平。一旦游离铁离子富集，细胞就会产生过量的活性氧，导致铁死亡发生。因此，铁离子含量的增加可能是AD发病的原因之一。

有研究[16-19]显示，铁代谢异常与AD的发病有关。有研究[17-19]发现，与对照组相比，AD患者大脑海马、皮质叶和基底神经节区域的铁含量升高，而大脑皮层，脑干和小脑中铁含量较低，而且，脑组织中铁含量和铁蛋白含量与淀粉样蛋白沉积的程度有关，提示大脑中铁含量的增加会影响AD的进程。ROGERS等[20]研究显示，肌肉注射铁螯合剂去铁胺(DFO)的AD患者日常生活能力下降程度较安慰剂的AD患者有所缓解，表明DFO可以减缓AD的进展。

2.2 铁死亡与AD的关系

在AD患者和小鼠的大脑组织中可检测到与铁死亡有关的特征如铁代谢异常，谷氨酸兴奋性中毒和脂质ROS积累等[21]。例如，有研究[22]表明，AD患者脑内的铁蛋白与脑脊液载脂蛋白的含量相关，铁蛋白的增加伴随着AD风险基因APOE-stat4的表达上调，提示铁离子水平可作为AD的危险因素之一，而铁死亡可能在AD时神经元的死亡中起重要作用。另有研究[23]显示，铁作用时胱氨酸谷氨酸转运受体(xc系统)功能障碍可导致细胞外谷氨酸浓度升高，GSH合成减少，引起谷氨酸兴奋性中毒，而谷氨酸兴奋性中毒是AD的发病机制之一。此外，氧化应激也与AD密切相关。最近的研究[24]表明，氧化应激可促进寡聚A蛋白紊乱和tau蛋白缠丝诱导的神经毒性。故铁死亡过程中脂质ROS的积累可引起细胞的氧化损伤，导致神经元损伤和AD的发生[25]。

铁死亡还可影响负责学习和记忆的神经元。在HAMBRIGHT等[26]的一项研究中发现，特异性敲除大脑皮层和海马神经元的GPX4基因的小鼠在水迷宫测试中表现出明显的认知障碍及海马神经元变性，而铁死亡抑制剂Liproxstatin-1可以逆转这些变化；同时，给小鼠喂食高维生素E的食物或给予铁作用抑制物萘普生丁-1可改善神经退行性变，提示退化的神经元可能正在经历铁死亡。ZHANG等[27]研究表明，Tau蛋白的过表达和过磷酸化可导致铁传递蛋白神经元死亡，而α-硫辛酸可通过下调TfR、降低P38水平、上调xCT和GPX4的表达来降低神经元铁死亡的发生。

2.3 基于铁死亡调控的AD治疗研究

如前所述，铁代谢、氨基酸代谢和脂质代谢是调控铁死亡的重要途径，因此这些途径均有可能成为治疗AD的新靶点和新策略。铁螯合剂是靶向铁死亡用于AD的最常用药物。例如，去铁胺是一种目前已在临床使用的可口服铁螯合剂，可穿过血脑屏障。此外，还有作用于脂质过氧化的铁死亡抑制剂。吡格列酮是一种用于治疗2型糖尿病患者的药物，具有降低血糖的作用。最近研究[28]表明它也是ACSL4的抑制剂，长期使用吡格列酮已显示可降低2型糖尿病患者发生痴呆症的风险。维生素E和维生素E的代谢产物也可抑制脂氧合酶并防止铁死亡[29]。例如，DYSKEN等[30]的临床试验表明补充维生素E可以延缓轻度至中度AD患者疾病的发展。

3 结语

铁死亡作为新的细胞死亡形式，有多种代谢途径调控其发生，包括铁代谢、氨基酸代谢和脂质代谢，但其具体机制仍有待探索。铁死亡与AD密切相关，可能是导致AD神经退行性变的一种潜在机制，但是AD中铁死亡的具体机制仍不明确。虽然临床已有部分靶向铁死亡的药物在AD治疗中显示其效果，但众多的其他铁死亡抑制剂仍未在AD模型中进行验证。这些均是未来铁死亡在AD应用研究中的方向。