铁死亡在阿尔茨海默病中作用的研究进展

徐 娟，李 晔

(昆明理工大学 医学院， 云南 昆明 650500)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种神经退行性疾病，患病者多表现记忆力减退、意识模糊和认知功能受损，且该病多发于老年人群，又称为老年痴呆[1]。目前，没有有效治疗方法来减缓、治疗或逆转AD。其主要的病理学假说是：β-淀粉样蛋白(amyloid beta, Aβ)沉积形成的老年斑和异常p-Tau蛋白形成的神经原纤维缠结导致神经元的丢失和死亡[2-3]。但全球范围内基于这两个假设的大量靶向药物临床试验均以失败告终，AD的研究重点正在转向替代或创新领域。铁死亡(ferroptosis)是近年来发现的一种调节性细胞死亡方式，它由铁依赖性脂过氧化驱动，是细胞代谢和氧化还原稳态失衡的结果[4]，可以通过药理学或遗传手段直接消耗铁来抑制脂质过氧化进而抑制铁死亡。铁死亡的特征如：铁失调、活性氧(reactive oxygen species, ROS)累积、谷胱甘肽(glutathione, GSH)水平降低和谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)失活[5]，也是AD和认知功能障碍的重要病理事件；并且通过高通量测序后发现铁死亡相关差异表达基因在AD相关的基因集中高度富集[6]。因此，铁死亡可能为AD的基础研究和临床治疗提供新的研究方向。

1 铁死亡与阿尔茨海默病(AD)

1.1 AD中的铁稳态失调

铁稳态失调参与了AD的发病机制，已通过影像学和组织学检查证实AD中下颞叶皮层是主要受铁负荷影响的脑区[7]。铁是生物化学中大多数自由基的生化来源，铁稳态失调与AD的氧化应激密切相关。

AD大脑中会出现铁蛋白的功能异常并形成铁蛋白聚集体，正常铁蛋白用于储存惰性形式铁Fe(Ⅲ)，它不会促进脂质过氧化，相反铁蛋白的功能异常会导致铁释放到不稳定的亚铁池中，导致对铁死亡的敏感性更高[8]。铁稳态失调与AD中β-淀粉样蛋白(Aβ)和Tau蛋白病变有关，其通过将淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)运输到神经元表面来促进铁输出蛋白和转运蛋白的稳定，可溶性Tau蛋白的损失可能导致铁升高，并且Tau导致的铁升高会加剧Aβ毒性[7]。铁转运蛋白1(ferroportin 1, FPN1)是目前被证实唯一的哺乳动物体内表达的非血红素铁输出蛋白，在阿尔茨海默病模型小鼠和阿尔茨海默病患者大脑中，高浓度Aβ引起的细胞毒性可以直接诱导原代神经元和海马中FPN1的下调，表明Aβ形成、FPN1下调和铁积累会形成AD复杂恶性循环。此外，FPN1过表达可缓解AD模型小鼠的记忆障碍。随着AD中FPN1的表达降低，细胞中铁排出减少导致氧化还原活性亚铁池升高，通过芬顿反应产生羟基自由基，生成活性氧(readive oxygen species,ROS)诱导铁死亡并增强神经炎性反应[6]。

1.2 AD中与铁死亡有关的脂质过氧化

1.2.1 AD中脂质过氧化的物质基础：过量的脂质过氧化物会产生细胞毒性，影响膜结构，从而影响许多生物能量和信号传递过程，甚至影响细胞膜的完整性[9]。大脑富含脂质，耗氧量高，极易受到脂质过氧化的攻击。在AD大脑中，细胞内Aβ积累可以诱导内质网应激反应，会影响内质网合成蛋白质和二硫键导致蛋白质错误折叠，同时也会使细胞内主要内源性抗氧化剂GSH水平降低，这种应激条件会导致内质网内ROS增加[10]。内质网应激可以通过Ca2+信号传导改变线粒体代谢，Aβ也可以直接导入线粒体并对其功能产生负面影响，导致ROS产生和GSH减少[11]。这种氧化应激的增加可能直接导致脂氧合酶(lpoxygenases, LOXs)的激活，LOXs是一类非血红素型铁酶家族，这种酶需要铁来催化，可通过细胞膜多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)过氧化作用引起铁死亡[12]。因此，AD患者大脑中大量ROS可以与PUFA反应并诱导脂质过氧化，为铁死亡的发生提供驱动力。

1.2.2 AD中NOX4过表达促进脂质过氧化：在AD的早期，线粒体功能障碍引起的氧化应激会导致ROS的过度产生[10]。在AD患者和AD模型小鼠的大脑皮层受损星形胶质细胞中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(NADPH oxidases 4, NOX4)蛋白水平显著升高。NOX4的过表达会减少星形胶质细胞线粒体中组成电子传递链的五种蛋白质复合物和ATP的产生，从而抑制线粒体呼吸，显著增加线粒体代谢损伤，促进ROS产生、线粒体断裂并抑制星形胶质细胞抗氧化过程诱导氧化应激，增加了铁死亡依赖性细胞毒性[13-14]。NOX4水平升高会还会导致脂质过氧化最常见的有毒副产物和标志物之一——高度反应性亲电子醛4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal, 4HNE)的积累促进铁死亡。4HNE能够修饰Aβ肽并促进其错误折叠和聚集，已在不同阶段AD患者的大脑中检测到4HNE复合物[15]，这说明与铁死亡有关的脂质过氧化累及AD大脑。铁死亡衍生的死细胞还可以释放损伤相关分子模式，将细胞微环境引向促炎状态[16]。提示铁死亡损伤相关分子模式可能作为AD患者的诊断标志物。

1.2.3 Xc-系统和GPX4是脂质过氧化的防御系统：人体中有两个重要的铁死亡防御系统，关闭这些脂质过氧化的防御系统例如，抑制胱氨酸-谷氨酸逆向转运蛋白(system Xc-)使细胞缺乏半胱氨酸，GSH合成减少，并导致依赖GSH的GPX4失效，导致致死水平的脂质过氧化，诱导铁死亡。Xc-由一个轻链亚基(xCT/SLC7A11)和一个重链亚基组成，其工作原理是排出胞内谷氨酸的同时，摄取胞外胱氨酸，促进GSH合成[17]。在AD大脑中xCT上调并伴随Xc-系统的功能抑制，并且观察到兴奋性谷氨酸盐与抑制性神经递质γ-氨基丁酸的比率增加，表明AD中谷氨酸盐诱导的兴奋性毒性增强。xCT上调导致的谷氨酸输出增加可能会降低细胞内谷氨酸转氨反应，从而产生柠檬酸循环中间体，进而导致AD中的能量缺乏[18]。GPX4是一种细胞内抗氧化酶，可以将GSH氧化为氧化型谷胱甘肽(GSSG)的同时解毒细胞膜上产生的过氧化产物。GPX4活性降低将直接抑制或耗尽细胞内GSH导致过氧化脂类的积累，脂质氧化降解导致ROS积聚促进铁死亡发生[19]。此外，在AD中，GPX4水平降低会导致长链脂酰辅酶A合成酶4(long-chain acyl-CoA synthetase 4, ACSL4)表达增强。ACSL4负责将花生四烯酸(一种PUFA)插入磷脂，特别是磷脂酰乙醇胺，有助于形成4HNE[20](图 1)。Xc-系统和GPX4是铁死亡的重要保护机制，或许也能保护AD大脑避免遭受脂质过氧化损伤，但试图通过Xc-靶向恢复谷胱甘肽抗氧化能力来抑制铁死亡时必须谨慎，因为xCT上调，可能会导致AD中的进一步兴奋性毒性和能量缺乏。

2 针对铁死亡对阿尔茨海默病(AD)的治疗

目前，AD药物开发的进展受到阻碍，以Aβ和Tau作为AD治疗靶点的大量药物临床试验均未成功，因此迫切需要寻找新的治疗策略。研究人员针对氧化应激、氧化还原金属和神经元死亡的几种有前景的疗法进行了新的探索。一些抗氧化剂例如，维生素E和C并没有改变AD疾病进程。铁螯合剂去铁酮，虽然在AD的临床实验中使AD进程显著减慢，但患者认知或记忆力没有得到改善，并出现食欲和体重减轻等副作用[21]。铁死亡抑制剂，例如ferrostatins-1，通过降低铁含量和脂质过氧化，上调SLC7A11和GPX4的水平可以改善退行性脑疾病模型，如帕金森病(Parkinson’s disease, PD)的神经元丢失和认知障碍[22]，这说明通过抑制铁死亡来抑制神经退行性疾病的发展是有潜力的。然而，铁死亡抑制剂在AD模型中的治疗效果仍然难以捉摸，因为关于铁死亡抑制剂治疗AD的实验研究还严重缺乏，这或许能成为未来AD治疗可行方向。脂质过氧化在AD发生铁死亡的潜在机制中起着关键作用，脂肪酸合酶抑制剂黄酮类漆黄素的小分子和衍生物CMS121可以通过靶向抑制脂肪酸合酶(一种将丙二酰辅酶A转化为脂质前体棕榈酸酯的酶，AD中脂质合成关键酶)来增加脂质利用并减少脂质合成，可防止过度脂质过氧化导致的铁死亡，并能减少AD小鼠海马中有毒的脂质过氧化产物4HNE，从而减轻AD模型小鼠的认知功能障碍[15]。但需要进一步研究以确定CMS121是否确实可以逆转任何预先存在的AD病理，探索新的保护机制，开发一种新的潜在抗AD药物。

图1 AD中的铁死亡相关机制Fig 1 Mechanisms related to ferroptosis in AD

3 问题与展望

虽然在AD中发现了多种与铁死亡相关的特征，但许多与铁死亡相关的靶点在AD模型中暂时还没有得到证实。例如，铁死亡抑制蛋白1和GTP环水解酶-1分别通过还原辅酶Q10和合成四氢生物蝶呤来抑制铁死亡的发生和发展[23-24]。最新发现的二氢乳清酸脱氢酶通过将泛醌还原为泛醇来抑制线粒体内膜中的铁死亡[25]。这两种独特的铁死亡保护机制，独立于GPX4/谷胱甘肽系统，这是否为细胞对铁死亡自主抵抗力的一种表现？可惜在AD中的作用尚未见有研究，但这些铁死亡的新发现或许也能推动AD疾病治疗的进展。此外，脂质过氧化的积累是一种死亡信号，但脂质过氧化导致细胞铁死亡的确切原因和方式仍然未知——这可能是未来铁死亡研究的一个关键领域，解决这个问题或许也会对AD治疗提供许多益处。虽然人类AD中铁死亡相关过程的体内证据依旧十分缺乏，对于铁死亡在AD中的作用及调控机制仍需要进行更深入的探索。尽管如此，铁死亡这一新的细胞死亡方式还是为AD临床治疗提供了许多新启发。