铁死亡与糖尿病及其并发症的研究进展

武攸，吴仪伟，张珂承，陈琰

(吉林大学第二医院内分泌科，长春 130000)

铁稳态的维持对于生命活动十分重要，缺铁或铁超载与代谢性疾病密不可分。人体内存在严格的铁代谢机制，大部分以铁蛋白的形式储存在肝脏、脾脏中，少部分通过二价金属转运蛋白1的介导储存在不稳定铁池中，而细胞内铁的输出由铁转运蛋白1介导[1]。当铁超载时，芬顿反应产生的超氧阴离子和羟自由基通过氧化作用损伤核酸、蛋白质和脂质。铁死亡是近年的研究热点，其与细胞内铁超载密切联系，参与多种疾病的发展，如神经退行性疾病(阿尔茨海默病、亨廷顿病、帕金森病)、癌症、脑卒中、缺血再灌注损伤和哺乳动物的肾脏变性[2]，而抑制铁死亡可为神经退行性疾病的防治提供策略。膳食铁的摄入量与糖尿病的发生风险有关。国内的研究显示，总铁和非血红素铁摄入与糖尿病的发生风险有关，在男性中呈反向J型，即当非血红素铁和总铁摄入量较低时，与糖尿病的风险呈负相关，当非血红素铁摄入量超过41 mg/d或总铁摄入量超过46 mg/d，糖尿病的患病风险显著增加，该曲线在女性中呈L型曲线，且曲线前半部分与男性曲线类似，但较高的铁摄入量并不能显著增加糖尿病的患病风险，故推测充分摄入非血红素铁或总铁可预防糖尿病，而铁摄入过量可增加男性糖尿病的发生风险[3]，提示铁摄入过量与糖尿病存在关联。铁死亡与铁摄入过量关系密切，然而目前关于铁死亡与糖尿病及其并发症的研究相对较少，甚至不同研究结论也不同。现对铁死亡与糖尿病及其并发症的研究进展进行综述，以为靶向防治及更深一步的研究提供参考依据。

1 铁稳态与铁死亡

1.1铁死亡 铁死亡是一种由铁依赖性的脂质过氧化引起的调节性细胞死亡[4]，在形态学、生物化学、遗传学上与凋亡、自噬、各种形式的坏死和自噬不同，这一过程的主要特点是致死性的脂质活性氧的累积[5]。铁死亡细胞中可观察到完整的细胞膜，细胞肿胀、线粒体嵴减少或消失，无核浓缩或染色质边缘化[6]，细胞质透明、细胞核透明，核周间隙没有扩张也是其病理特征[7]。铁死亡受多层次的调节，包括铁代谢、氨基酸代谢、多不饱和脂肪酸的代谢及谷胱甘肽的生物合成、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)的水平[8]。铁死亡需要游离铁的毒性、抗氧化剂谷胱甘肽的耗竭、膜脂质氧化损伤的累积共同作用才能发生，三者缺一不可[9]。研究表明，铁螯合剂可在体内与体外阻断铁死亡，而不能被其他细胞死亡抑制剂逆转，目前用于治疗铁超载性疾病[10]。

1.2铁稳态与铁死亡的关系 细胞内铁稳态与铁死亡关系密切，参与铁摄取、储存、利用、流出的多种调节因子均影响细胞对铁死亡的敏感性。如细胞中不稳定铁池中的Fe2+可通过芬顿反应产生大量的活性自由基，以促进铁死亡[11]。铁依赖性的脂氧合酶通过诱发脂质过氧化，进而诱发铁死亡，同时其他铁依赖性的酶也可诱发铁死亡，如细胞色素P450还原酶[12]。近期研究发现，细胞色素P450还原酶缺失可促进细胞对铁死亡的强烈抵抗，其在癌细胞系中高表达也支持其在脂质过氧化中的驱动作用[13]。除了脂氧合酶和细胞色素P450还原酶，其余含铁酶类也参与调节铁死亡，如通过铁蛋白增加铁的储存或通过铁转运蛋白1促进细胞内铁的流出，减少细胞内不稳定铁的利用，进而抑制铁死亡[14]。

1.3铁死亡标志物和调节机制 铁死亡在许多代谢途径中同时起作用，主要代谢标志物有谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPX)4、p62 Kelch样ECH相关蛋白1、核转录因子红系2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)、花生四烯酸脂氧合酶、长链脂酰辅酶A合成酶4等[15]。最常见的铁死亡调节机制为：①谷氨酸-胱氨酸反向转运体/还原型谷胱甘肽(glutathione，GSH)/GPX4轴，谷氨酸-胱氨酸反向转运体作为调节铁死亡的中心枢纽，是一种由溶质载体家族7成员11和溶质载体家族3成员2组成的异二聚体氨基酸转运蛋白，逆向转运谷氨酸和胱氨酸，胱氨酸随即进入细胞内被还原为半胱氨酸，参与GSH的合成。当细胞内向转运的胱氨酸减少时，细胞内GSH水平降低，抗氧化能力减弱，可诱导铁死亡的发生。Erastin与柳氮磺胺吡啶均通过上述途径诱导细胞发生铁死亡，但其具体机制仍有待研究。有数据表明，Erastin可直接抑制溶质载体家族7成员11[16]。此外，GPX4的活性也影响铁死亡的发生，GPX4通过将毒性脂质氢过氧化物还原为相应的醇类负向调控铁死亡，而硒代半胱氨酸在GPX4的活性中心起重要作用[17]。RSL3可通过不可逆地抑制GPX4的活性诱导铁死亡[18]。②NADPH/铁死亡抑制蛋白1/辅酶Q10，辅酶Q10可捕获介导脂质过氧化的自由基，铁死亡抑制蛋白1可通过NADPH酶催化辅酶Q10的再生，并通过α-生育酚循环间接减少自由基的生成，以抑制铁死亡。铁死亡抑制蛋白1的药理学靶向性与GPX4抑制剂具有协同作用，在许多癌症中诱导铁死亡。总之，NADPH/铁死亡抑制蛋白1/辅酶Q10作为一个独立的平行系统存在，与GPX4和GSH共同抑制脂质过氧化和铁死亡[19]。③GTP环水解酶-1/四氢生物蝶呤系统，近年新发现的GTP环水解酶-1/四氢生物蝶呤可独立于GPX4系统抑制铁死亡，四氢生物蝶呤具有生成辅酶Q10减少氧化损伤和引起脂质重塑的双重作用；此外，当单不饱和脂肪酸插入磷脂中时通过未知的机制抑制铁死亡[20-21]。

2 铁死亡在糖尿病中的作用

胰岛β细胞可表达低水平的抗氧化酶类，如超氧化物歧化酶、GPX和过氧化氢酶[22]，因此其易受到氧化应激的影响。活性氧易于积累，且其积累可引发多种形式的细胞死亡，包括铁死亡。研究表明，铁死亡的诱导可导致胰岛功能受损，但糖尿病铁死亡的分子机制仍不明确[23]。1型糖尿病作为一种自身免疫性疾病，由胰岛β细胞的选择性破坏引起，而胰腺移植是一种具有应用前景的治疗方法。近年研究发现，铁死亡与移植的胰岛β细胞数目减少和功能障碍有关，胆红素可显著减轻离体胰岛β细胞的铁死亡，同时降低氧化应激[24]。除了胰岛素抵抗，糖毒性和脂毒性所造成的胰岛β细胞分泌胰岛素减少也是2型糖尿病进展的主要机制之一。胰腺特别是胰岛中存在铁沉积，故推测铁死亡也可通过脂质过氧化在胰岛β细胞功能丧失和数目减少中起重要作用[25]。体内实验中，RNA干扰沉默GPX4可导致大鼠胰岛β细胞铁死亡，表现为脂质过氧化增加、GSH水平降低和GPX4降解，而GPX4过表达可显著减少胰岛β细胞死亡[26]。体外实验中，铁死亡诱导剂Erastin和RSL3处理的胰岛在培养24 h后均发生显著死亡，而经铁抑素或去铁胺预处理的胰岛死亡情况得到改善[23]。因此，铁死亡与胰岛素分泌障碍有关，监测铁死亡相关因素有助于2型糖尿病的早期诊断和治疗。

3 铁死亡在糖尿病并发症中作用

3.1铁死亡与微血管病变

3.1.1铁死亡与糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是2型糖尿病的主要并发症，可导致不可逆的心肌损伤甚至心力衰竭，是2型糖尿病患者死亡的主要原因。铁死亡与心肌缺血再灌注损伤和心肌梗死有关，其与糖尿病心肌病的关系尚不明确[27]。糖尿病心肌病的临床特征主要是心肌肥厚和纤维化，其发病机制复杂，受到多种因素的影响，其中氧化应激是公认的糖尿病心肌病的发病机制[28]。铁死亡过程中产生大量的活性氧，故推测铁死亡产生的活性氧与糖尿病心肌病相关。近年研究表明，Nrf2表达和转录活性的升高可通过抑制铁死亡预防糖尿病心肌病的发生[29]，但在糖尿病心肌病的发病和进展中，激活的Nrf2改变铁死亡的机制尚不清楚，Nrf2通常可通过抗氧化以及调节铁、脂质代谢调控铁死亡[30]。Nrf2被认为是抗氧化的主要调节因子，故可能作为糖尿病心肌病等氧化应激相关疾病的药物靶点。Ni等[31]的动物实验发现，抑制铁死亡可抑制糖尿病心肌病的心肌纤维化，进一步佐证了铁死亡参与糖尿病心肌病。

3.1.2铁死亡与糖尿病肾病 糖尿病肾病已成为终末期肾病的主要原因，延缓其进展仍是一个世界性问题。低铁饮食或铁螯合剂可延缓糖尿病肾病的进展，然而过量的铁促进糖尿病肾病发展的确切机制尚未阐明[32]。既往研究认为，铁的积累可通过增加氧化应激或降低抗氧化能力而增加糖尿病的肾损伤[33]。由于铁死亡过程会产生大量的活性氧，而肾脏富含线粒体结构更易受到氧化应激的损伤，提示铁死亡与糖尿病肾病可能相关。例如，在糖尿病肾病小鼠中，铁死亡途径脂质过氧化产物丙二醛水平增加，抗氧化酶水平降低[34]。动物实验显示，糖尿病肾病小鼠铁死亡相关标志物显著变化，长链脂酰辅酶A合成酶4表达水平升高以及GPX4表达水平降低，同时糖尿病肾病小鼠脂质过氧化产物和铁含量增加，而长链脂酰辅酶A合成酶4抑制剂罗格列酮可抑制糖尿病肾病的发展，降低脂质过氧化产物丙二醛和铁含量[35]。Li等[32]的研究证实，糖尿病小鼠肾脏和高糖培养的人肾近端小管细胞中存在铁超载，且伴有大量活性氧的生成和脂质过氧化，在进一步转化生长因子刺激的近端肾小管上皮细胞及糖尿病小鼠模型的研究中发现，肾小管细胞内谷胱甘肽水平降低，脂质过氧化增强，铁抑素作为一种铁死亡抑制剂，可减轻转化生长因子诱导的肾小管细胞铁死亡，糖尿病小鼠模型检测到与肾小管细胞类似的变化，肾脏GPX4的表达和GSH水平降低，脂质过氧化增加，而铁抑素治疗后，上述变化减轻。因此，铁死亡过程中产生的大量活性氧可通过氧化应激造成糖尿病肾病肾损伤，抑制铁死亡可能是糖尿病肾病的一种治疗选择[36]。

3.1.3铁死亡与糖尿病视网膜病变 糖尿病视网膜病变主要包括非增殖性和增殖性两个阶段，这两个阶段的发生机制均涉及视网膜毛细血管内皮细胞的功能障碍和通透性增加，目前的治疗只能部分缓解疾病的严重程度。糖尿病视网膜病变的发生发展是多元醇通路活性增加、自由基氧化作用等因素共同作用的结果。抗氧化剂可保护视网膜内皮细胞免受氧化应激的损害，糖尿病视网膜病变中氧化应激水平升高，故推测活性氧的积累可能触发视网膜内皮细胞铁死亡[37]。以往研究提示，铁螯合剂对视网膜的光感受器有保护作用[38]，而近年研究则发现，铁死亡参与糖尿病视网膜病变的发展，尤其损伤视网膜内皮细胞[39]，因此抑制铁死亡可作为抗糖尿病视网膜病变的新疗法。

3.2铁死亡与动脉粥样硬化性心脏病 最初认为，铁死亡是糖尿病所致动脉粥样硬化性疾病病理改变中细胞死亡的一种重要形式。既往动物实验显示，铁死亡可导致糖尿病动脉粥样硬化，而铁抑素可有效减轻糖尿病动脉粥样硬化，逆转动脉粥样硬化所致的内皮细胞活力下降[40]。内皮细胞功能障碍往往是发生糖尿病心血管并发症的关键机制和起始因素。在糖尿病心血管并发症中，内皮功能障碍主要表现为氧化应激增强、炎症因子增加、一氧化氮释放减少、内皮修复受损等[41]。细胞内过量的铁可通过芬顿反应造成血管内皮细胞氧化还原失衡，脂质过氧化增强、细胞抗氧化能力减弱，而铁死亡的主要特征是由活性氧诱导的致死性脂质过氧化物的形成，但目前对于铁死亡在糖尿病诱导的内皮功能障碍中的作用及机制的认识有限。p53-谷氨酸-胱氨酸反向转运体-GPX轴激活在内皮细胞铁死亡和功能障碍中起关键作用，近期研究表明，抑制p53表达可减轻血管内皮细胞抗氧化系统的抑制和糖尿病患者的内皮细胞损伤[42]。有研究发现，靶向激活Nrf2可抑制氧化型低密度脂蛋白诱导的人冠状动脉内皮细胞铁死亡，抑制动脉粥样硬化进展，因此，充分保护血管内皮细胞免受氧化应激导致的细胞损伤似乎是维持细胞内稳态和改善动脉粥样硬化的策略之一[43]。糖尿病患者的急性缺血性脑卒中的患病风险是无糖尿病患者的2～6倍，由于铁死亡参与阿尔茨海默病等神经退行性疾病的病理生理，推测铁死亡触发的神经元炎症可导致糖尿病患者发生脑卒中后认知功能障碍[44]。

3.3铁死亡与糖尿病周围神经病变(diabetic peri-pheral neuropathy，DPN) DPN是最常见的一种糖尿病神经系统并发症，其与铁死亡的关系尚不明确，且目前铁与DPN的研究结论尚不统一。在小鼠模型中，铁缺乏与DPN的风险相关，而Kim等[45]的研究显示，高膳食铁摄入与DPN有关，由于氧化应激在DPN发生中处于关键地位，故推测铁死亡很可能与DPN相关。另有研究表明，血红素加氧酶的抗氧化能力对糖尿病神经病变有保护作用，因此推测铁死亡过程中产生的活性氧可能造成神经组织的损伤[46]。

3.4铁死亡与糖尿病足 随着糖尿病足病程进展，可出现溃疡、感染甚至深部组织损伤，已成为糖尿病患者远期截肢风险的最主要原因，糖尿病患者伤口的愈合不遵循正常的生理过程，糖尿病足的持续慢性炎症可破坏巨噬细胞的吞噬功能，晚期可阻止成纤维细胞的功能，进而延缓伤口愈合[47]。近期研究发现，在糖尿病大鼠模型中，铁抑素可通过抗磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路抑制糖尿病患者伤口的炎症细胞浸润，降低氧化应激和炎症标志物[48]。由于糖尿病足后期往往存在皮肤破溃，抑制铁死亡有可能促进伤口愈合，降低感染和远期截肢的发生风险。

4 小 结

铁死亡的确切生理功能尚未证实，但其在人类疾病中的作用已逐渐确定。通过抑制或刺激这种独特的细胞死亡方式，可能对某些疾病产生临床益处。如铁死亡在癌症发展和治疗中的作用正在显现，索拉非尼通过抑制铁死亡治疗肝癌[12]。对于糖尿病，鉴于目前尚无药物可逆转其发生及发展，故认识其机制预防其进展显得尤为重要，铁死亡在其各种并发症中的作用也逐渐显现，相信将来会有更多的研究揭示铁死亡与代谢性疾病的机制，从而明确治疗靶点。