肝移植围术期诱发肠损伤铁死亡的研究新进展

吴威 谭永星 王永旺

1桂林医学院，桂林 541000；2桂林医学院附属医院麻醉科，桂林 541000

铁死亡是一种新的调节性细胞程序性死亡形式，其发生与脂质活性氧过量累积相关。铁死亡在细胞形态、基因调控、代谢等方面明显不同于坏死、凋亡及其他细胞死亡形式。这种由铁依赖性脂质过氧化引起的独特的细胞死亡方式受多种代谢途径的调节，包括铁离子水平，氨基酸、脂质和糖的代谢，线粒体活性，氧化还原稳态以及与疾病相关的各种信号通路［1-2］。诸多退行性病变及器官损伤均是由铁死亡引起的。自铁死亡概念被提出以后，研究者们发现在诸多疾病的发生发展的关键过程中都有铁死亡的参与。缺血再灌注（ischemia reperfusion，I∕R）损伤是肝移植（liver transplantation，LT）的主要问题。LT 时I∕R 损伤会造成肝本身的损伤，也可能导致机体的远隔器官损伤。铁死亡可能参与了LT 围术期I∕R 损伤和机体远隔器官损伤的发病机制。

铁死亡概念、形态生化特征

铁离子稳态对维持细胞平衡有十分重要的作用［3］。细胞内铁离子稳态取决于铁离子的细胞外载体［转铁蛋白（transferrin，TF）］的表达情况，转铁蛋白受体（transferrin receptor，TFR）与其一起内化TF、Fe 及铁蛋白，以无毒形式储存细胞内Fe。铁死亡不会引起细胞形态的变化，主要表现为线粒体皱缩、线粒体嵴减少或消失、线粒体膜密度增加［3］，但细胞核形态未出现明显改变。在生化层面上，主要体现为细胞内Fe 及致死性活性氧（reactive oxygen species，ROS）的大量聚集，还原型谷胱甘肽、谷胱甘肽过氧化酶4（glutathione per-oxidase 4，GPX4）等的耗竭［4-5］。

铁死亡过程的相关调节及分子机制

1、铁离子代谢途径

铁离子是一种具有活性的氧化还原金属离子，其可参与铁死亡过程中ROS 的形成与累积，故铁离子的大量累积会增加铁死亡的发生概率。相关研究证实铁离子代谢调节相关因子包括TF、核受体辅激活蛋白4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）、TFR 等。TF 是一种与铁离子相结合的血清蛋白，在TF 与TFR1 融合后，将细胞外的铁离子转运进入细胞内，铁离子的大量累积从而导致铁死亡的产生。相反，有实验证实TF 的免疫缺失会抑制铁死亡的发生，并且TFR1 的表达量下降也会使铁死亡激活剂Erastin 的敏感度降低［6-7］。另外，现有研究显示TFR 还是一种具有特异性的铁死亡标记蛋白［8］。NCOA4 是将Fe 相关蛋白转运至细胞溶酶体所必需的调节因子，细胞内缺少NCOA4 会导致细胞无法降解铁离子相关蛋白，这会使细胞内的铁离子含量减少，从而减少铁死亡的发生概率［9］。总之，铁离子代谢调节因子功能缺失或者表达出现异常都可能导致胞内Fe 含量上升，引起Fe 相关的ROS 积累，继而诱导细胞发生铁死亡。相关研究证实，热休克蛋白β-1（heat shock protein β-1，HSPB1）也可经过铁离子代谢途径调控铁死亡发生。热休克预处理和HSPB1 的过表达可使Erastin 诱导的细胞铁死亡受到抑制，而敲除HSPB1 基因则可使Erastin 诱导的细胞铁死亡增加。另外，磷酸化的HSPB1 可导致细胞铁离子摄取量减少和脂质ROS 的产生减少，同时对细胞铁死亡产生负性调节作用［10］。总之，可能还有其他的铁离子代谢调节因子也对铁死亡的进程产生影响，这需要以后更加深入的研究和探索。

2、氨基酸及谷胱甘肽代谢途径

GPX4 是由sulfasalazine（SAS）诱导的细胞铁死亡发生的关键调节因子。同时GPX4 也是还原型谷胱甘肽依赖性的过氧化物酶，它可以将脂质过氧化物（lipid peroxide，LOOH）还原成为脂质醇（lipid alcohol，L-OH）。当SAS 间接或直接抑制GPX4 的活性时，LOOH 转化为L-OH 则会呈现下降趋势，进而引发细胞脂质过氧化增强，并诱导细胞发生铁死亡。胱氨酸∕谷氨酸逆向转运体（System Xc-）主要功能是将谷氨酸从细胞内转至细胞外，并将胱氨酸从细胞外转移至细胞内。研究发现SAS会抑制System Xc-，从而减少细胞内胱氨酸含量，最终导致还原型谷胱甘肽耗竭而诱导产生铁死亡。谷胱甘肽（glutathione，GSH）在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶的催化下，经过两个步骤合成，并可由氧自由基、活性氧氧化成为GSH 二硫化物（glutathione disulfide，GSSG）。GSH∕GSSG 偶联则是评价细胞抗氧化能力十分关键的分子偶联［11］，GSH 的合成能力减少或氧化能力增强均可导致细胞的氧化还原失衡。半胱氨酸主要由System Xc-摄取胞外的胱氨酸，并将其还原而生成［12-13］，是胞内GSH 合成过程中的关键性因素。System Xc-是由调节亚基溶质载体家族3成员2（SLC3A2）和具有特异性功能结构的催化亚基溶质载体家族7 成员11（SLC7A 11）形成的二硫键异二聚体。在一些研究中发现，Erastin、SAS 可通过抑制System Xc-的功能，诱导铁死亡在细胞内发生［14］。

3、脂质相关代谢途径

脂质组学相关研究中发现：多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFAs）在铁死亡过程中也起关键作用，在磷酸化酶激酶G2（phos-phorylase kinase G2，PHKG2）催化下PUFAs 被彻底氧化，当GSH 大量耗竭时，PUFAs 有更强的氧化效果［15-16］。研究证实，铁死亡的脂质化包括两种脂肪酰基——花生四烯酸（arachidonic acid，AA）和肾上腺素（adrenaline，AdA）［17］。在2017年Kagan等［18］通过在单倍体细胞中大量植入突变基因的方法，发现参与合成PUFAs 的酰基CoA 合成酶长链家族成员4（Acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）在铁死亡信号通路中起主要作用。有研究显示，ACSL4 有利于铁死亡途径中脂质中间产物的累积，所以敲除ACSL4 基因可减轻铁死亡发生的风险［19］。除PUFAs之外，脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）也可诱导铁死亡发生，同时VE 可通过竞争结合位点来抑制LOX，从而预防铁死亡［17］。

铁死亡与肝移植肠损伤

1、肠-肝循环

机体在胚胎发育期，于胚胎分化过程中肠与肝出现共同起源。人体肠和肝之间的相互密切的联系形成肠-肝轴，肝机能紊乱是导致肝相关疾病产生的十分重要的因素，同时维持机体内部环境的相对稳定也需要健全的肠稳态和良好的肝保护机制。胆汁酸（胆盐）不仅参与了机体对营养物质的消化过程，还作为一种信号分子和代谢调节因子参与肠-肝循环，其能通过激活核受体和G 蛋白偶联受体（GPCR）的相关信号通路，而参与调节肝脂质、葡萄糖和能量代谢的平衡，而维持机体稳定。法尼脂X 受体（FXR）主要存在于肠、肝脏、肾和肾上腺等器官，是参与肠-肝循环的最主要的受体之一［20］。肠上皮细胞存在的FXR被胆汁酸激活，进而促进成纤维细胞生长因子19（FGF19）的表达，其从回肠末端通过肝门静脉及肠系膜静脉输送到肝，并作用于肝的成纤维细胞生长因子受体4（FGFR4）及β-klotho（即KLB）受体，FGFR4 和KLB 受体被激活后，可共同抑制肝脏CYP7A1和CYP8B1的蛋白活性［21-23］。高剂量的胆汁酸会对机体细胞造成损害，而且会通过负反馈的形式抑制FXR 激活胆汁酸的合成。FXR 会调节胆汁酸的结合、生成、回收和摄取过程，通过多种途径影响胆汁酸产生。在一项小鼠实验中，研究显示FXR 介导的胆汁酸信号分子通路对胆汁酸产生和代谢稳态有关键作用，其不足与诸多疾病的病理生理过程有密切联系［24-26］。另外，肠道与外界环境相通，微生物群寄居于此，可以产生无数的代谢物质，如抗原∕细菌相关模式分子（P∕MAMPs）、激素∕肽类、细菌产物∕毒素。研究表明，肠道微生态与I∕R 损伤、免疫因素和胆汁酸均有一定的联系。胆汁酸与肠道微生态之间存在肠-肝循环，主要表现在两方面：首先，胆汁酸对肠道微生态构成结构有影响；其次，肠道微生态也可以调节胆汁酸的代谢稳态。初级胆汁酸进入肠道后，肠道内多种细菌分泌的酶对进入肠道的初级胆汁酸进行解离、脱羟基、异构化、氧化一系列的过程使胆汁酸的亲水性增加，防止其通过疏水的肠上皮丢失。另外，肠道细菌可分泌产生7α-脱羟基酶，初级胆汁酸向次级胆汁酸转化的过程需要此酶的参与［27-28］。综上所述，肠道微生态与胆汁酸之间存在重要联系，肠道菌群失调可影响胆汁酸代谢稳态，胆汁酸代谢失衡同样也会导致肠道微生态紊乱。

2、肠I∕R损伤中的铁死亡

肠道发生缺血缺氧性损伤后，由于血液再灌注常引起肠I∕R 损伤，肠I∕R 损伤往往是某些严重疾病的主要致死致残原因，如重症感染、严重创伤导致的休克等。在I∕R 过程中，大量氧自由基随血液再灌注而造成的毒理损害，其可直接致使细胞凋亡、坏死或铁死亡的发生［29］。在肠I∕R损伤小鼠实验模型中，抑制ACSL4 的功能可阻止肠缺血期上皮细胞发生铁死亡，继而减轻机体原位器官或远隔相关脏器的损伤［3］。在肠相关缺血缺氧性疾病的诊疗过程中，我们可以通过抑制铁死亡以减轻肠组织细胞I∕R损伤的发生。

SAS与铁死亡

SAS 是溃疡性结肠炎治疗的重要药物，也是临床上常用的抗炎药物之一。SAS 在关节炎和视网膜炎性病变的治疗过程中也起重要作用。有研究显示，在人纤维肉瘤的治疗中，SAS 能抑制其细胞膜上System Xc-的表达，提示SAS可在一定程度上抑制肿瘤的发生与发展，其诱导铁死亡的可能原因是通过中断胱氨酸摄取信号通路而引起的［3］。System Xc-的功能性亚基xCT 是由SLC7A11 基因编码组成的System Xc-轻链蛋白，xCT 可调控胞内谷氨酸与胞外胱氨酸的交换，因此通过检测xCT 的表达水平可反映System Xc-的表达量［30］。SAS 在LT 围术期肠损伤中的作用与机制目前还未见相关报道。

总结与展望

铁死亡与L-ROS过量累积密切相关，其主要由氨基酸、脂质或铁代谢异常而引起，同时这一过程与肝移植围术期I∕R的发生发展也紧密联系。目前对铁死亡在LT围术期I∕R诱发的肠损伤的研究还处于初步阶段，仍有许多问题待解决。首先，铁死亡分子调控机制较复杂，现已初步揭开铁死亡分子机制，但关于铁死亡与线粒体的关系，目前还存在一些争议，仍需进一步探索。其次，对于铁死亡与在LT 围术期I∕R 诱发的肠损伤之间的关系有待进一步明确，对于铁死亡在肝移植围术期I∕R 诱发的肠损伤中的具体机制、发生阶段及特定靶点有待进一步探究，能否通过铁死亡实现对LT围术期I∕R 诱发的肠损伤的临床靶向治疗尚未阐明。另外，在LT 围术期，长期服用SAS 会不会比同类型未服用SAS 的患者有更高的肠损伤风险？这些都是我们需要思考的问题，总之，铁死亡可能在LT 围术期I∕R 诱发的肠损伤中发挥重要作用，但其具体机制还需深入挖掘，随着对铁死亡研究的不断深入，靶向铁死亡途径将在LT 围术期I∕R 诱发的肠损伤的防治中发挥重要作用。

作者贡献声明吴威负责文献检索及论文撰写；王永旺负责论文语句修改；谭永星指导论文选题、设计及质量把控。