铁死亡与子痫前期发病的研究进展

2022-11-16廖婷婷徐霞颜建英

中国计划生育和妇产科 2022年3期

廖婷婷,徐霞,颜建英

1 铁死亡简介

1.1 铁死亡生物生理特点

2012年Dixon等[1]发现小分子化合物 Erastin影响原癌ras基因突变的人纤维肉瘤细胞系HT-1080细胞内亚铁离子(Fe2+)过载会导致质膜特征性脂质活性氧(reactive oxygen species,ROS)聚集，导致细胞死亡，该团队将这种新型的细胞死亡方式命名为铁死亡(ferroptosis)。胱氨酸/谷氨酸逆转运体(the cystine/glutamate antiporter system，system xc-)抑制剂Erastin，一方面可抑制膜两侧底物半胱氨酸的转运，减少细胞内合成谷胱甘肽(glutathione，GSH)，GSH耗竭及谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase4，GPX4)失活，促进细胞内ROS聚集，细胞致死[2]；另一方面发生于胞内的胱氨酸/半胱氨酸氧化还原循环反应失活，限制供应半胱氨酸及合成GSH,最终导致细胞死亡[3]。

1.2 铁死亡病理生理机制

铁死亡是一种新型细胞死亡方式，参与多种病理生理过程，在肿瘤及神经退行性疾病等领域中已有大量研究，如阿尔兹海默病(Alzheimer's disease，AD)、帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷顿病(Huntington's disease,HD)。目前有关铁死亡的机制主要有：亚铁离子(Fe2+)过载、抗氧化系统失活及质膜脂质ROS堆积等。虽然质膜过氧化被认作铁死亡的最终原因，但有诸多证据表明铁死亡与传统的细胞死亡方式如凋亡、自噬及坏死之间存在协同作用。

2 子痫前期发病的病理生理因素

子痫前期(pre-eclampsia，PE)是妊娠特发性疾病，其具体发病机制虽至今尚未阐明，目前研究认为与营养失衡、氧化应激损伤、炎症反应及细胞凋亡介导的滋养层细胞侵袭过浅、母体螺旋动脉重塑不良有关。

3 铁死亡参与子痫前期发病

随着深入研究PE病理生理及铁死亡过程，不难发现二者存在许多相似之处，推测存在多种机制通过诱导铁死亡参与PE发病。

3.1 铁离子过载介导滋养细胞铁死亡参与子痫前期发病

胎盘氧化应激(oxidative stress，OS)在正常妊娠早、中、晚期都存在，是获得正常细胞功能、促进胎盘形成所必需的，而PE患者体内存在过度OS现象，具体表现为其胎盘组织中滋养细胞线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential，MMP)失衡[4]及铁死亡标志物丙二醛(malondialdehyde，MDA)浓度、ROS、通透性转换孔开放水平升高[5]，而GSH及GPX的表达水平均降低[6]。

铁死亡是一种独特的非程序性细胞死亡方式，其特征是铁、脂质过氧化氢及其代谢物在胞质中累积，并受到质膜中致死性多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFAs)过氧化的影响。尚未完全阐明驱动铁紊乱和产生致死性脂质反应链的最终因素，但诸多的证据表明破坏铁稳态参与铁死亡过程，包括损害铁调节蛋白(iron regulatory protein，IRP)2的活性、升高转铁蛋白及其受体以及线粒体铁蛋白的水平[7]。研究发现，与对照组比较，细胞中铁过载不仅可显著上调其铁死亡相关基因溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7,member 11，SLC7A11)的表达水平，还可诱导SLC7A11-/-细胞铁死亡，而单独的SLC7A11基因缺失不足以诱导细胞铁死亡，表明缺失SLC7A11基因可以促进高铁条件下发生铁死亡，即铁过载在触发SLC7A11介导的铁死亡中发挥关键作用[8]。Nishizawa H等[9]研究发现，转录因子BTB结构域及调节血红素和铁代谢的CNC同源基因1(BTB and CNC holomogy 1，BACH1)可抑制细胞内与不稳定铁诱导的氧化应激反应相关的对抗基因，包括谷氨酸半胱氨酸连接酶(glutamate cysteine ligase modifier，GCLM)、SLC7A11、铁蛋白重链1(ferritin heavy polypeptide1，FTH1)、铁蛋白轻链1(ferritin light chain,FTL1)和溶质载体家族40成员1(SLC40A1)子集，降低其转录活性启动铁死亡，表明保护基因的转录诱导和铁过载的积累损伤之间的平衡被破坏时，BACH1可于转录水平上刺激发生铁死亡。

铁可催化脂质自氧化，酯化PUFAs产生脂质ROS[10]，维持细胞铁稳态对于其发挥正常功能至关重要。铁依赖的脂质过氧化机制有两种：① 非依赖酶的自由基链式反应涉及Fenton化学反应，产生剧毒的羟基和过氧基；② 依赖酶的过程涉及脂氧合酶等含铁酶的作用[11]。PE病理状态下多种营养元素代谢失衡，与对照组相比，早发型及晚发型PE患者血清铁蛋白(serum ferritin,SF)水平较高而其胎盘组织中铁蛋白(ferritin)及重肽铁蛋白(FTH)表达水平降低[12]。Zhang Y等[13]研究发现，铁沉积增加的妊娠子宫中ERK/p38/JNK通路的磷酸化水平升高，且铁死亡相关基因(Acsl4、Tfrc、SLC7A11和Gclc)异常表达，推测母体铁代谢紊乱一方面可能通过启动铁死亡相关基因的转录介导滋养层细胞铁死亡抑制其迁移活性，导致形成病理性胎盘组织，另一方面还可激活凋亡信号通路，与凋亡过程协同作用共同导致子宫螺旋动脉重塑不良，共同参与PE发病。

3.2 GPX4损伤促进铁死亡参与子痫前期发病

1993年的一项横断面研究[14]发现PE患者血浆脂质过氧化反应，包括共轭双烯和MDA的浓度与血压水平高度相关，并伴随GPX活性升高，这不仅支持当时的少数观点认为脂质过氧化是PE发病的重要因素，并推测增加的抗氧化剂可能参与PE患者过氧化氢负荷增加的一种代偿性反应，反映疾病严重程度。Taravati A等[15]荟萃分析结果显示PE患者血清MDA浓度及GPX活性均显著升高，推测抗氧化能力初级降低和氧化应激产物水平增加可能破坏负责血压稳态的通路，但具体机制还有待探讨。

膜脂质过氧化被认作铁死亡的最终原因，不仅损害细胞结构、流动性和通透性，还可导致损伤甚至死亡，可以通过抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)及GPX等将脂质氢过氧化物转化为脂醇，阻止有毒脂质ROS的形成[16]。脂质过氧化产物在PE患者不同部位与抗氧化剂GPX的同步变化，验证GPX失活可能以促进细胞铁死亡方式参与PE发病。缺氧时，HTR-8/SVneo和TEV-1细胞的ROS水平均显著升高,而PAX3、GPX4、SLC7A11和FPN1的表达下调，且铁抑素-1和二氟甲烷均可阻断HTR-8/SVneo和TEV-1细胞中的高水平ROS，铁死亡抑制剂DFOM可缓解TEV-1细胞中GPX4下调[17]，推测GPX4作为一种保护脂质过氧化的重要抗氧化酶，抑制其活性可同时通过直接诱导质膜脂质过氧化或间接抑制铁死亡相关基因SLC7A11的活性导致人类滋养层细胞铁死亡，可能作为诱导滋养层细胞侵袭过浅或子宫螺旋动脉重塑不良的关键环节参与PE发病。Sakai O等[18]发现敲除血管内皮细胞GPX4基因可升高膜脂质氧化水平，升高细胞毒性作用并延缓细胞增殖，铁抑素-1可逆转GPX4-/-上皮细胞膜脂质过氧化，表明GPX4是血管内皮细胞铁死亡的调节因子，推测其活性丧失可促进血管内皮细胞铁死亡，抑制细胞迁移侵袭功能使螺旋动脉重塑不良，介导病理性胎盘组织参与PE发病。

GPX4不仅能单独诱导胎盘组织不同细胞铁死亡形成子宫内缺血缺氧环境，还可能协同传统的细胞死亡方式介导PE发病。Han D等[19]研究发现，铁死亡诱导剂作用于人滋养层细胞系HTR8/SVneo和猪滋养层细胞系pTr2后，沉默信息调节因子3(silent mating type information regulator3,SIRT3)的表达水平明显升高，同时导致细胞铁死亡和自噬激活，推测自噬与SIRT3铁死亡有协同作用，自噬抑制可削弱SIRT3增强的铁死亡，而SIRT3缺失通过抑制激活AMPK-mTOR通路并提高GPX4水平，从而抑制滋养细胞启动自噬和铁死亡，推测GPX4水平降低可通过与SIRT3相关的自噬激活，协同诱导滋养层细胞铁死亡，滋养细胞膜脂质ROS过度聚集可抑制其增殖、侵袭等生物学功能，可能诱导滋养细胞侵袭不良及螺旋动脉重塑障碍参与PE发病。

3.3 铁死亡促进炎症反应可能参与子痫前期发病

促炎和抗炎因子在细胞功能和胎盘发育中发挥至关重要作用，其浓度变化可能介导妊娠相关疾病包括PE的发生。PE是母体对妊娠的一种过度炎性反应，其全身性表现可能与多种循环因子，包括促炎性细胞因子、抗炎性细胞因子及损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)等共同参与胎盘组织过度性炎症反应有关。欧阳艳琼等[20]研究指出，PE患者血浆脂质过氧化产物8-异前列腺素(8-isoprostane)、MDA、氧化修饰低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL)及多种炎症介质，包括高敏C-反应蛋白(high sensitivity C-reactive protein,hs-CRP)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)均明显高于对照组，且8-异前列腺素与hs-CRP、IL-6、TNF-α呈显著正相关，提示脂质过度氧化应激及炎症反应均在PE发病过程中发挥重要作用，但其内在联系还有待探究。

近年来，有不少研究发现细胞铁死亡中也存在不同性质炎症反应，但其具体机制还不明确。Mao H等[21]指出，一方面由于细胞质膜上掺入的PUFAs，使细菌性和非细菌性刺激易于侵袭细胞，另外，几种病原体例如牙龈假单胞菌、铜绿假单胞菌、结核分枝杆菌等，还可能以PUFAs为靶标，通过操纵细胞发生铁死亡利于自身繁殖；另一方面，微生物和宿主细胞之间对铁离子的竞争关系可能是促进感染的基础，铁死亡细胞裂解释放的DAMPs可与微生物感染形成恶性循环[22]。Proneth B等[23]研究表明，铁死亡细胞裂解释放的DAMPs可触发先天免疫系统，如病变的肾和脑组织，导致相应器官发生坏死性炎症；另外，铁死亡关键结点GSH/GPX4可调节脂质氧合酶(lipoxygenase，LOX)和前列腺素内过氧化物合酶(prostaglandin-endoperoxide synthase，PTGS)的活性，其产物也可介导促炎和抗炎作用，表明铁死亡与炎症反应之间存在协同作用。

铁死亡促进炎症反应介导PE发病的可能机制有多种。一方面，El-Saka MH等[24]研究PE大鼠模型发现，与血压正常组比较，子宫灌注压降低组血清中可溶性FMS样酪氨酸激酶(soluble FMS-like tyrosine kinase,sFlt-1)、IL-6和MDA水平显著升高，过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator activated receptor-γ,PPAR-γ)表达、血管紧张素1-7(angiotensin1-7,Ang 1-7)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、一氧化氮(NO)产物、内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)、IL-10和总抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)水平显著降低，提示全身性过度炎症反应可能协同细胞铁死亡破坏孕妇体内促血管生成因子及抗血管生成因子平衡，导致PE特征性滋养细胞浸润及螺旋动脉重塑障碍。另一方面，Rajamanickam K 等[25]研究发现，铁调节蛋白Hepcidin和Feportin的表达与胎盘非血红素铁储备、脂质过氧化和ROS水平呈正相关，且Hepcidin的表达与IL-6和干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的表达呈正相关，铁孔蛋白的表达与IL-6、IL-1β和IFN-γ的表达呈负相关，表明Hepcidin和Feportin可能通过充当铁运输和炎症之间的分子桥梁调控局部胎盘铁通量，滋养细胞及血管内皮细胞发生炎性损伤的同时，炎性因子介导细胞内失调性铁代谢可能诱发铁死亡恶性循环，参与PE发病。

3.4 铁死亡协调凋亡可能参与子痫前期发病

滋养细胞氧化应激或凋亡均可能引起自身侵袭过浅及螺旋动脉重铸不足，介导胎盘缺血缺氧参与不同阶段PE的发病[26]。Feng YL等[27]研究细胞及动物实验模拟PE病理环境发现，与正常组比较，缺氧/再灌注组抗氧化系统包括SOD、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性及细胞增殖、迁移能力均降低，而ROS、脂质氧化应激产物MDA及凋亡因子、凋亡率升高，Kasture V等[28]研究PE大鼠胎盘组织，发现早发型PE组促凋亡标志物水平升高包括Bcl-2相关x蛋白(Bcl-2 associated x protein,Bax)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(caspase-3)、caspase-8和脂质氧化应激产物MDA，而抗凋亡标记物B细胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2,Bcl-2)蛋白水平在早发及晚发型PE组中均降低，表明滋养细胞凋亡参与PE发病，但其与氧化应激反应间是否存在相互作用以及具体的作用方式仍有待阐明。

多项研究均发现不同组织细胞铁死亡与凋亡之间存在协同作用，共同调节病理生理过程。胞浆中的lncRNA P53RRA与Ras-GTP酶激活蛋白(Src同源结构域3)结合蛋白1[Ras-GTPase activating protein(Src homology domain 3)binding protein 1，G3BP1]通过P53RRA的1和871位核苷酸与G3BP1的RRM相互作用结构域(aa177-466)结合，P53RRA与G3BP1相互作用取代了G3BP1复合体中的p53，导致p53在细胞核内滞留增多，不仅影响代谢基因SLC7A11、CS、SLC1A5、SLC2A4和SLC2A14的转录导致细胞铁死亡，而且降低细胞周期蛋白D1和磷酸化Rb的水平调控细胞周期停滞和凋亡[29]。凋亡基因p53一方面可通过抑制SLC7A11或增强精嘧啶/精胺N1-乙酰基转移酶1(spermidine/spermine N1-acetyltransferase 1，SAT1)和谷氨酰胺酶2(glutaminase2，GLS2)的表达以促进铁死亡，另一方面也可通过直接抑制二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase4，DPP4)活性或诱导细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子1A (cyclin dependent kinase inhibitor1A，CDKN1A/p21)的表达以抑制铁死亡[30]。稳定细胞凋亡因子p53可延迟因SLC7A11失活介导的半胱氨酸剥夺而发生铁死亡[31]，在PE发病过程中发挥重要作用。与正常妊娠相比，PE患者绒毛滋养层细胞中蛋白二硫键异构酶3(protein disulfide isomerase，PDI3)表达降低；体外实验发现，siRNA介导的PDI3基因敲除可同时上调p53和p21蛋白的表达水平，促进HTR8/SVneo细胞凋亡并抑制增殖，提示PDI3低表达通过调节MDM2/p53/p21通路抑制滋养层细胞增殖，诱导其凋亡，协同铁死亡参与PE发病[32]。Wang W等[33]研究发现，苯并(a)芘-7，8-二氢二醇-9，10-环氧化物(benzo(a)pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide,BPDE)可呈剂量依赖性抑制人滋养层细胞系Swan 71的侵袭和人绒毛膜促性腺激素(human chorionic gonadotropin，hCG)分泌，其不仅可通过调控促凋亡蛋白(p53和Bak1)及抗凋亡蛋白(Bcl-2)表达情况诱导细胞凋亡，而且可通过增加细胞内ROS和MDA浓度，降低SOD活性及线粒体膜电位启动铁死亡。此外，随着增加BPDE浓度和延长孵育时间，线粒体融合基因(Mfn1、Mfn2和OPA1)蛋白表达水平降低，而分裂基因(Fis1和Drp1)蛋白表达水平升高，导致Cytc释放和Caspase 3激活，从另一途径不可逆地诱导滋养层细胞凋亡，表明滋养细胞中存在凋亡和铁死亡的协同作用，使细胞丧失正常的生物学功能，参与PE发病时的滋养细胞侵袭过浅。