铁死亡调控骨质疏松症和骨肉瘤的研究进展

张志敏 梅其杰 延伟伟 青恒臻 岳 星 戴 易 段 戡

1.广西中医药大学研究生院，广西南宁 530000；2.广西中医药大学第一附属医院关节创伤骨科，广西南宁 530023

人体的骨骼细胞始终处于代谢平衡状态，一旦失衡，就会出现骨质疏松症、骨肉瘤等骨代谢异常性疾病。骨质疏松症是由成骨细胞介导的骨形成减少和破骨细胞驱动的骨破坏增加的一种骨代谢失常疾病，其显著特征为全身骨量减少。据报道，骨质疏松症在全球范围内发病人数已超2 亿，且发病率随年龄增长而增加，在我国50 岁以上人群中骨质疏松症的患病率约为19.2%，而65 岁以上人群则高达32.0%。同时，由于患病人数的增多，相应的骨折风险及残疾问题也凸现出来，使其成为重大公共卫生问题。骨肉瘤作为另一种骨代谢疾病，常见于儿童和青少年，约占全球儿童和青少年癌症的2.4%。恶性程度高和易复发转移是骨肉瘤的主要临床特征，且其发病部位常包含丰富的血管，一旦发病，可通过细胞快速增殖和转移，对人体侵害性极强，约35%的患者将面临截肢风险。然而对于骨质疏松症与骨肉瘤，目前尚无治愈之法。因此，迫切需要新的有效疗法来改善骨质疏松症及骨肉瘤患者的治疗现状。

铁死亡作为一种新定义的细胞死亡形式，与骨质疏松症及骨肉瘤的发生发展密切相关。它的发生机制涉及铁代谢、脂质代谢、氧化应激、谷胱甘肽（glutathione，GSH）和辅酶Q10 的生物合成等多种生物学过程，并对破骨细胞及骨肉瘤细胞有着重要的调控作用。从细胞角度去探寻此两种疾病的发生机制意义重大。因此，本文就国内外最新研究进展作一综述，有望为骨质疏松症及骨肉瘤的预防、药理研究和靶向治疗等提供新依据。

1 铁死亡概述

铁死亡是一种不同于细胞焦亡、坏死、自噬和坏死性凋亡等的新型细胞死亡方式，2012 年由Dixon等首次发现并提出。铁死亡主要以胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白系统的活性受到抑制、GSH 合成减少及谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的失活为主要特征。在形态上，铁死亡以线粒体变化为主，主要表现为膜密度浓缩，外膜破裂，体积变小，线粒体嵴减少或消失；在生化特征上，主要体现为大量铁积累和脂质过氧化，其过程还涉及还原型GSH、GPX4 或维生素E 等内源性铁死亡抑制剂的耗竭与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）氧化酶的增加；从基因遗传学角度看，铁死亡是一个多基因调控的生物学过程，主要涉及铁代谢、氧化应激、脂质代谢异常等多方面的基因表达异常。简而言之，其发生的核心机制是高度依赖铁的脂质过氧化。

2 铁死亡的调节机制

2.1 铁代谢

在人体中，经小肠吸收或衰老红细胞降解形成的Fe被铜蓝蛋白氧化成Fe后，继而与转铁蛋白（transferrin，Tf）结合形成Tf-Fe复合体。随后Tf-Fe复合体经由转铁蛋白受体 1（transferrin receptor 1，TfR1）的介导通过膜蛋白进入细胞内，定位于核内体。此过程完成后细胞核内的Fe被前列腺跨膜上皮抗原3 的铁还原酶还原成Fe，并在二价金属转运蛋白1 介导下从核内体进入细胞质中的不稳定铁池（labile iron pool，LIP），经不断堆积，最终过量的Fe被铁转运蛋白（ferroportin，FPN）氧化储存在铁蛋白中。如此循环往复的代谢过程严格控制着细胞中的铁稳态。铁调素作为一种由肝脏产生的肽激素，在铁稳态中起着至关重要的调节作用，可与体内储存的FPN 相结合导致内化和水解，从而减少FPN 介导的细胞内铁向细胞外的输出，致使细胞内铁含量过高。体内Fe吸收的增高或输出减少都将引起细胞内Fe的增加，Fe与过氧化氢（HO）发生芬顿（fenton）反应产生羟自由基，造成氧化还原反应失衡，产生大量脂质活性氧（reactive oxygen species，ROS），进而诱导细胞铁死亡发生。

此外，核受体辅助激活因子4 作为货物受体介导铁蛋白靶向转运至溶酶体并进行自噬性降解，释放游离铁至LIP 中，进而增加细胞内不稳定铁水平，使细胞内的ROS 迅速积累，促进铁死亡出现。同时，铁反应元件结合蛋白2 是铁代谢的主要调节因子，沉默该基因可特异性地减弱erastin 诱导的铁死亡。另外，核转录因子红系2 相关因子2、热休克蛋白β1、铁硫域蛋白1、金属硫蛋白-1G 等蛋白作为负调节因子，能够直接或间接进行铁代谢调节，影响脂质过氧化，进而调控细胞对铁死亡的敏感度。由此可见，循环中铁的摄取、释放及转运对铁死亡有着至关重要的调节作用。

2.2 GPX4 代谢

GPX4 是一种抗氧化酶，可淬灭磷脂氢过氧化物，将膜脂氢过氧化物还原为无毒脂质醇，在此过程中发挥重要的抗氧化作用。通过间接和直接灭活两种形式敲低GPX4 的活性，可造成细胞抗过氧化能力下降，脂质ROS 堆积，最终诱发细胞铁死亡。Yang 等在研究中发现胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白系统可影响氨基酸的跨膜转运，进而降低细胞内GSH 含量并间接引起GPX4 失活，诱发细胞铁死亡。而Shintoku 等及Eaton 等分别发现小分子化合物RSL3 和ML162 均可通过其亲电子氯乙酰胺部分与GPX4 的硒代半胱氨酸残基共价结合，从而以不可逆方式直接抑制过氧化物酶的催化活性，导致细胞铁死亡。此外，Woo 等在实验中还揭示altretamine作为一种新的GPX4 抑制剂，不会降低细胞内GSH水平，而是直接降低GPX4 活性，导致脂质过氧化，最终致铁死亡发生。因此，调节GPX4 的活性在保护细胞免受脂质过氧化和铁死亡方面非常重要。同时，它也被发现是减少复杂的脂质过氧化氢唯一的哺乳动物蛋白质。

2.3 脂质过氧化代谢

脂质过氧化是铁死亡的标志之一，由脂质代谢的复杂过程引起，是指氧化剂攻击多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）等脂质的碳碳双键过程。据报道，PUFA 对脂质过氧化有高度敏感度，并被认为是发生铁死亡的先决条件。研究表明，脂质代谢相关基因溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）和酰基辅酶A 合成酶长链家族成员4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）是抑制铁死亡不可或缺的重要基因。而花生四烯酸（arachidonic acid，AA）被视为铁死亡中最常消耗的PUFA，常作为ACSL4 的主要底物，通过在内质网相关的氧合中心产生氧化磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）促进铁死亡。

ACSL4 催化AA 或肾上腺素酸（adrenic acid，AdA）的连接以产生AA 或AdA 酰基辅酶A 衍生物。随后这些衍生物被LPCAT3 酯化成PE 形成AA-PE和AdA-PE，最后被15-脂肪氧化酶（15-lipoxygenase，15-LOX）氧化生成脂质氢过氧化物，从而执行铁死亡脂质信号传导。此过程进一步受磷脂酰乙醇胺结合蛋白1 调节，其与15-LOX 相互作用并激活对PUFA-PE 的催化能力，从而发生细胞铁死亡。反之，通过使ACSL4 基因失活，能抑制脂质过氧化物产生，在一定程度上预防铁死亡出现。所以，ACSL4被确定为对铁死亡敏感的关键决定因素。

3 铁死亡在骨相关疾病中的调控作用

3.1 铁死亡与骨质疏松症

骨质疏松症是一种常见的全身性骨骼疾病，可增加骨脆性和骨折风险。其发病常与激素失衡、营养因素及遗传因素等相关联。铁死亡的显著特征包含铁过载及ROS 的增加，这两方面可影响骨质疏松症的病情进展。

3.1.1 铁过载 铁过载是指机体铁离子蓄积过多导致的一种严重病理状态。研究表明机体铁过载是引发骨质疏松的独立危险因素。Liu 等在用柠檬酸铁铵（ferric ammonium citrate，FAC）干预行卵巢切除术的雌性大鼠实验中发现，与假手术组相比，FAC组可加速卵巢切除大鼠的骨质流失并降低骨密度和骨小梁的数量，进而促进骨质疏松症的发生。此外，在临床观察中也发现铁过载可诱导骨质疏松出现。过多的铁积累使得绝经后女性更易引发骨质疏松，在50 岁以上女性中约有一半患有骨质疏松症，这是由于绝经后女性的血清铁蛋白水平升至绝经前的2～3 倍。因此，抑制铁过载可能有助于维持机体的铁稳态平衡，并对预防骨质疏松症及降低患病率具有重要意义。

3.1.2 ROS 的增加 ROS 主要来源于线粒体，线粒体电子转移机制是其形成的主要形式。ROS 是正常细胞内线粒体进行有氧代谢的副产物，主要包括羟自由基、单线态氧、超氧自由基等含氧的高活性分子。正常情况下，ROS 可被机体的抗氧化系统清除，ROS 的产生与代谢使ROS 处于相对平衡状态。研究表明，ROS 水平的降低可抑制破骨细胞生成并促进骨质疏松性骨缺损的再生。Sithole 等研究报道G 蛋白耦联受体120 信号可能通过下调RAW264.7 鼠巨噬细胞的ROS 水平来抑制破骨细胞的形成和吸收，进而延缓骨质疏松症的发生。He 等在实验中利用中药大黄的提取物rhaponticin 干预RANKL 诱导的破骨细胞，可造成ROS 的产生减少及消耗增加，进而提高抗氧化活性，最终对破骨细胞生成和再吸收产生抑制作用，同时也可为骨质疏松症预防和治疗提供潜在的治疗药物。总之，ROS 的代谢失衡会影响骨代谢的平衡，进而对骨质疏松症的发展起着重要的调节作用。

3.2 铁死亡与骨肉瘤

最新研究认为铁死亡是调节癌细胞生长过程中不可忽视的因素。因此，探索铁死亡相关调控机制在骨肉瘤中的作用对该病的认知和治疗都具有重要意义。目前二者间直接调控机制尚不够明确，但不少中药提取物及化学成分却可靶向调控骨肉瘤中的铁死亡。

3.2.1 青蒿素和姜黄素 Isani 等在用纯青蒿素和青蒿水醇提取物处理的犬骨肉瘤细胞系D-17 细胞中测量到铁浓度显著降低，可能有助于刺激不稳定的氧化还原活性铁池，从而促进ROS 沉积和铁死亡。Lin 等在研究中发现，姜黄素的合成类似物EF24以剂量依赖性方式上调血红素加氧酶1 表达，而血红素加氧酶1 可抑制EF24 诱导的GPX4 表达，并通过增加丙二醛、ROS 和细胞内铁离子水平诱导铁死亡。

3.2.2 异硫氰酸苯乙酯和替拉扎明 Lv 等在人体研究中揭示出异硫氰酸苯乙酯能降低骨肉瘤细胞活力，抑制增殖，并改变与铁吸收、储存和输出过程相关的铁代谢，导致不稳定铁增加和GSH 耗竭，诱导ROS 的生成。Lv 等在另一项动物模型研究中证实同基因原位骨肉瘤小鼠用PEITC 以剂量依赖性抑制K7M2 鼠骨肉瘤细胞的活力，最终也能改变铁代谢并引发细胞的铁死亡。所以，不管是在人体中还是动物中，ROS 的产生被证明是PEITC 诱导的骨肉瘤细胞增殖潜能降低、铁代谢改变、细胞死亡和激活促分裂原活化的蛋白激酶的主要原因。总之，PEITC 可通过诱导氧化应激同时触发骨肉瘤细胞的铁死亡。

Tirapazamine 是骨肉瘤中调控铁死亡的重要药物，作为一种低氧前体药物，可有效抑制低氧条件下骨肉瘤的增殖和迁移。Shi 等首次证实tirapazamine在缺氧条件下可抑制SLC7A11 和GPX4 的表达，促进骨肉瘤细胞产生过量的ROS，从而诱发铁死亡。

4 小结与展望

综上所述，铁死亡作为一种铁依赖形式的新型细胞程序性死亡方式，虽在调控骨质疏松症及骨肉瘤方面起着重要作用，但内在的联系仍未阐明；且中药提取物调控铁死亡机制尚不明确，其他中药成分研究也为之甚少。此外，铁死亡与细胞凋亡、自噬、焦亡等其他细胞死亡形式之间的关系也未揭露。这些都将是我们今后进一步探索的方向和目标，以期为骨质疏松症与骨肉瘤甚至其他疾病的诊治寻求新的有效手段。