铁死亡在心血管疾病中的研究进展

王新羽，张霖柯，符艾青，朱家璇，朱洪

（1.中南大学湘雅医学院，湖南长沙 410013；2.中南大学湘雅医院国家老年疾病临床医学研究中心，湖南长沙 410008）

铁死亡的概念最早在2012年提出[1]，这是一种区别于细胞凋亡、坏死和自噬的细胞死亡方式。目前，关于铁死亡与肿瘤、神经退行性疾病和缺血再灌注损伤的研究收获颇丰，但铁死亡与心血管疾病发病机制相关性的研究尚处于起步阶段。本文综述近年来铁死亡与心血管疾病发病机制的研究进展，为心血管疾病的诊疗提供新思路。

1 铁死亡的概念及其调控机制

铁死亡最主要的特点是完整的细胞膜脂质过氧化，从而导致致死量的活性氧（reactive oxygen species, ROS）沉积，这一过程是铁依赖性的，且可被铁螯合剂抑制[1]。铁死亡细胞的主要变化有：线粒体外膜的破裂和皱缩、线粒体嵴的减少和消失及线粒体深染，而细胞核未发生明显的改变[2]。

铁死亡过程受多种因子调控，如Erastin、p53 等可正性调控铁死亡，而谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）、核因子红细胞系2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2）等则为负性调控因子[3]。其中一种主要调控机制为基于谷胱甘肽（Glutathione, GSH）消耗的GPX4失活，导致GPX4 不能催化谷胱甘肽还原酶反应代谢脂质氧化物，进而二价铁氧化脂质产生ROS，导致细胞的铁死亡[4]。

2 铁死亡与心血管疾病

随着研究的逐渐深入，发现心血管疾病的发生发展过程中存在铁代谢紊乱、脂质过氧化物集聚和ROS 超载等铁死亡特征，且铁死亡相关调控因子如Toll 样受体4（Toll-like receptor 4, TLR4）上调[5]：提示调控铁死亡可以影响心血管疾病进程。本文着重论述铁死亡在各种常见心血管疾病或相关病理过程，如动脉粥样硬化、动脉瘤、动脉夹层、心肌梗死、心力衰竭、心肌病、心脏瓣膜病及其他心血管疾病中可能发挥的作用及机制。

2.1 铁死亡与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是多种心脑血管疾病的主要原因和病理学基础。而脂质代谢障碍是其病理变化中的关键一环，内皮损伤、氧化应激、炎症等在其病理发展中也起着重要的作用。异常升高的铁蛋白水平促进氧化应激，内皮细胞内铁浓度升高导致还原剂谷胱甘肽的消耗及低密度脂蛋白的形成，进一步促进氧化应激及细胞内脂质过氧化物的积累。此外，铁超载通过ROS 和环氧合酶通路导致内皮细胞中线粒体损伤，影响巨噬细胞的炎症表型[6]，促进早期动脉粥样硬化形成。研究[7-8]表明，铁还通过影响体外和体内的脂质过氧化物（lipid peroxide, LPO）参与动脉粥样硬化病变的发展。过氧化的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFA-OOH）是LPO 的主要来源，可能引发内皮ROS 增加、一氧化氮减少、巨噬细胞慢性炎症和泡沫细胞的形成，并最终导致动脉粥样硬化病变的形成[9]。铁催化的自由基反应可引起内皮细胞、平滑肌细胞或巨噬细胞中低密度脂蛋白（low density lipoprotein, LDL）的氧化，这可能是动脉粥样硬化性病变形成的危险因素[10]。

BAI 等[11]发现铁死亡抑制剂铁抑素-1（Ferrostatin-1, Fer-1）可以缓解载脂蛋白 E（Apolipoprotein E,ApoE）高脂肪饮食引起的动脉粥样硬化病变和脂质过氧化。体外研究[11]表明，Fer-1 可以改善LDL 引起的铁质疏松症和内皮功能障碍，从而延缓动脉粥样硬化的进展。因此，抑制铁死亡可能是治疗动脉粥样硬化相关疾病的新策略。此外，YANG 等[12]通过复制人冠状动脉内皮细胞（human coronary artery endothelial cells, HCAEC）的动脉粥样硬化模型发现戊酰基二磷酸合酶亚基2（prenyl diphosphate synthase subunit 2, PDSS2）过表达激活Nrf2 来抑制HCAECs 的铁死亡，因此PDSS2 可能在动脉粥样硬化中起到心脏保护的作用。还有体内实验[13]证实，内皮祖细胞分泌的细胞外囊泡（extracellular vesicles secreted by endothelial progenitor cells, EPC-EVs）转移microRNA-199a-3p 以抑制特异性蛋白1（specificity protein 1, SP1），从而抑制内皮细胞的铁死亡并延缓动脉粥样硬化的发生。也有实验数据[14]表明，丹参酮IIA（Tanshinone IIA, TSA）通过激活HCAECs 中的Nrf2 来抑制铁死亡。

综上所述，铁死亡参与动脉粥样硬化形成的诸多环节，通过不同路径抑制血管内皮细胞的铁死亡可以延缓动脉粥样硬化的发展。

2.2 铁死亡与动脉瘤及动脉夹层

动脉粥样硬化是动脉瘤及动脉夹层形成的病因之一，铁死亡同样可能参与动脉瘤及动脉夹层形成的过程。实验发现与吸烟相关的主动脉瘤及主动脉夹层，可能是由于相关烟草提取物（cigarette smoke extract, CSE）引起血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell, VSMCs）铁死亡引起的，且这一过程可被Fer-1 抑制[15]。这提示铁死亡可能与主动脉瘤及主动脉夹层患者VSMCs 的功能障碍相关[16]。

2.3 铁死亡与心肌梗死

心肌梗死是因冠状动脉狭窄，粥样硬化性斑块破裂形成血栓，冠状动脉完全闭塞，或冠状动脉痉挛引起心肌持续性缺血缺氧导致心肌坏死。及时的血运重建恢复心肌灌注可逆转这种损害。心肌梗死后造成的微血管损伤及心肌的再灌注均可造成心肌内出血（intramyocardial hemorrhage, IMH）[17]。临床通过及时恢复梗死区心肌血液灌注以缓解病情、改善预后，而恢复供血时发生的缺血-再灌注损伤也会进一步损害心肌。心肌细胞坏死是心肌梗死中最不可逆的损害。心肌细胞依赖线粒体有氧呼吸产生三磷酸腺苷作为能量来源。有研究18]也表明线粒体功能障碍是心肌细胞死亡的重要原因。动物实验证明Liproxstatin-1（LIP-1）作为铁死亡的特异性抑制剂能够保持线粒体结构的完整性从而减少心肌坏死[17，19]。

虽然目前心肌梗死后缺血再灌注损伤机制尚不明确，但已有研究[20]证实铁死亡在心肌梗死后缺血再灌注损伤的再灌注阶段起重要作用。ZHAO 等[21]研究发现铁死亡通过内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERS）、ROS 产生、GPX-4 失活和自噬依赖性铁质途径调节缺血再灌注损伤。临床研究[22]表明，心肌梗死患者经皮再灌注治疗后梗死区铁水平升高。同时有研究[22-23]证明，IMH 及心肌铁残留是ST 段抬高心肌梗死后左室重构不良的独立预测因素。

因此，通过铁螯合剂或其他途径阻断铁死亡以减少缺血再灌注损伤，可对心肌梗死的预后产生积极影响，可防止心力衰竭的发生发展。CHAN 等[24]研究表明，原发性经皮冠状动脉介入治疗在再灌注前给予去铁胺可以迅速改善氧化应激，但不能限制梗死区域大小。PARASKEVAIDIS 等[25]的研究发现静脉注射去铁胺可保护心肌免受冠状动脉旁路移植手术期间的再灌注损伤和减少脂质过氧化。

GAO 等[26]发现转铁蛋白和谷氨酰胺可作为铁死亡的诱导剂，抑制细胞表面转铁蛋白受体及细胞内谷氨酰胺分解代谢途径可有效减轻小鼠心肌的缺血再灌注损伤。BABA 等[27]研究发现，在小鼠心肌细胞缺血再灌注中发生的铁死亡可以被雷帕霉素（mTOR）抑制，但其机制尚不清楚，可能与ROS 减少有关。FANG 等[28]的实验也发现抑制铁死亡可延缓心肌梗死缺血再灌注模型小鼠的心室重塑，在短期和长期内均可保护心肌细胞，防止心力衰竭发生，这一过程可能与维持线粒体功能有关。

因此，诸多研究均表明心肌梗死后心肌缺血再灌注损伤与铁死亡的过程有一定的相关性，可通过抑制铁死亡减轻心肌的缺血再灌注损伤，缓解心肌梗死的进展。

2.4 铁死亡与心力衰竭

心力衰竭即心脏结构或功能疾病导致的心功能受损，使心排血量无法满足机体需要，主要表现为体、肺循环充血及组织灌注量不足。引起心力衰竭的常见病因包括高血压、心肌梗死、心肌病、糖尿病、退行性心瓣膜病、风湿性心脏病等，依据生理功能可将心力衰竭分为舒张性和收缩性两种。近年来，心力衰竭的病因学、病理生理学、诊断、治疗等多方面已取得很大进展，但心力衰竭和铁死亡关系的研究尚存在诸多未知。

铁死亡与心力衰竭过程中心室重构有关。在主动脉束带（aortic banding,AB）诱导心力衰竭的大鼠模型中，大鼠心肌细胞数量减少、有左心室扩大和心脏收缩功能障碍，同时也可观察到脂质过氧化提示物4-羟基壬烯醛（4-hydroxy-trans-2-nonenal, 4-HNE）表达上调、不稳定铁池（labile iron pool, LIP）增加，以及铁死亡关键分子GPX4 和铁死亡重链蛋白1（ferritin heavy chain 1,FTH1）表达下调，心肌细胞内存在线粒体收缩、线粒体膜密度增加等铁死亡相关线粒体特征性结构改变，表明在心力衰竭的过程中可能伴随着铁死亡的发生[5，30]。

随着研究的不断深入，生物信息学分析也为相关机制的发现提供支持。基于生物信息学分析及大鼠模型实验，CHEN 等[5]发现，在心力衰竭发生过程中敲低TLR4 或NADPH 氧化酶-4（NADPH oxidase-4, NOX4）均可导致GPX4、FTH1 表达升高，细胞内不稳定铁减少，脂质过氧化程度降低，左心室重构有所抑制，心室功能改善；同时验证了TLR4是NOX4 的上游分子，证明了TLR4-NOX4 通路是心力衰竭过程中铁死亡的相关通路之一。ZHENG等[31]构建circRNA-miRNA-mRNA 调控网络，即circSnx12 的下游靶点为miR-224-5p，而miR-224-5p可直接调控FTH1 转录。FTH1 是铁蛋白的主要组成部分之一，在心力衰竭模型小鼠的心肌细胞中表达降低，导致大量亚铁离子释放进入细胞质，可能通过Fenton 反应提高活性氧水平，进而攻击心肌细胞线粒体细胞膜，导致其功能障碍甚至细胞死亡。ZHENG 等[32]基于生物信息学分析，构建与心力衰竭相关的两个lncRNA 介导的ceRNA 网络，并预测网络中GAS5/miR-18b-5p/PLIN2、GAS5/miR-185-5p/LPCAT3 和GAS5/miR-29b-3p/STAT3 通路可能与铁死亡有关，但3 个通路与铁死亡是否直接相关仍需进一步验证。在慢性心力衰竭的进程中，混合谱系激酶3（mixed lineage kinase 3, MLK3）可以控制JNK/p53 通路介导的氧化应激导致铁死亡，最终造成心肌纤维化[33]，但其具体机制尚不明确。

一些已知药物的作用途径也可能与抑制铁死亡的相关过程有关。LIU 等[30]在诱导心力衰竭的细胞和模型小鼠中应用葛根素后发现，铁超载和脂质过氧化物积累均减少，认为葛根素的抗心力衰竭作用可能通过抗铁死亡作用实现。他汀类药物亦可通过抑制铁死亡发挥心肌保护作用[34]。针对糖尿病小鼠射血分数保留的心力衰竭模型，KITAKATA 等[35]发现伊麦格雷明可恢复心脏代谢应激小鼠受损的未折叠蛋白反应及GPX4 的表达，抑制铁死亡和射血分数保留的心力衰竭发生。

由此可见，细胞及动物实验证明了铁死亡通过减少细胞数量及心肌细胞纤维化等方式参与了心力衰竭的发生、发展，针对铁死亡的调控可能为心力衰竭的干预和治疗提供潜在可能。

2.5 铁死亡与心肌病

心肌病是由多种病因引起的心肌病变导致心肌出现的心肌机械和/或心肌电活动障碍的一组异质性疾病，可分为遗传性心肌病、获得性心肌病和混合性心肌病。但以下所论述的心肌病并不包括由冠心病、心脏瓣膜病等其他心血管疾病所继发的心肌病理改变。

铁超载可导致早期的限制型心肌病和晚期扩张型心肌病[36]。铁蛋白H（Ferritin H, Fth）缺乏小鼠的心肌细胞铁死亡调节因子Slc7a11 降低，高铁饮食时可出现铁代谢紊乱，导致肥厚型心肌病[37]。ZHANG等[38]则发现铁死亡抑制剂xCT 可保护心肌细胞，xCT基因敲除的小鼠可发生铁死亡导致的心肌肥大从而引起肥厚型心肌病。铁死亡抑制剂Fer-1 可减轻上述两个过程导致的心肌细胞肥大。此外，铁死亡可能参与了药物导致心肌病的过程。化疗药物多柔比星（Doxorubicin, DOX）可诱发心肌病，该过程与铁死亡相关。TADOKORO 等[39]在DOX 诱导的心肌病小鼠及DOX 体外培养的心肌细胞中均发现了GPX4 的下调，并表明线粒体中DOX-Fe2+复合物诱导的脂质过氧化导致了线粒体依赖的铁死亡，提出DOX 心脏毒性的主要原因是导致了线粒体依赖的铁死亡。E3 泛素连接酶MITOL/MARCH5 对线粒体的正常功能维持起重要作用，研究表明[40]MITOL/MARCH5 可通过调节GSH 的稳态，降低心肌细胞对DOX 的易感性，抑制DOX 相关的心肌病发生。通过投射电子显微镜，LIU等[41]证实了DOX 相关性心肌病中铁死亡的发生，并发现酰基辅酶A 硫酯酶1（Acot1）是该过程中抑制铁死亡发生的关键基因。FANG 等[28]还通过DNA 测序发现心肌细胞铁代谢的调控与Nrf2/Hmox1 通路相关，并证明线粒体靶向抗氧化剂MitoTEMPO 可显著抑制DOX 相关心肌病的发生。ZHANG 等[42]则发现地塞米松通过调节高迁移率族蛋白B1（high mobility group box 1, HMGB1）发挥DOX 诱导心肌病大鼠铁死亡的保护作用。另外，DOX 处理可导致甲基转移酶METTL14 表达下调，通过METTL14/KCNQ1OT1/miR-7-5p 轴调控DOX 相关心肌病中的铁死亡[40]。

以上实验都从不同的方面表明，心肌细胞铁死亡参与了限制型心肌病、扩张型心肌病、药物性心肌病等病理过程。通过合理抑制心肌细胞的铁死亡可以有效延缓心肌病的进程，侧面证明了铁死亡与心肌病的因果关系。

2.6 铁死亡与心脏瓣膜病

心脏瓣膜是位于心房-心室、心室-大动脉之间的薄片状结构，表面为内皮细胞，内层为致密的结缔组织。尽管心脏瓣膜相关疾病进程中仍缺乏铁死亡的直接完整证据，但小叶内出血和铁代谢紊乱、活性氧的产生及铁死亡相关通路的证据皆提示了钙化相关的瓣膜退行性病变中可能有铁死亡的存在。

在主动脉瓣退行性病变中观察到了小叶内出血（intraleaflet haemorrhage, ILH），且ILH 被认为是导致主动脉瓣退行性狭窄中瓣膜钙化的独立危险因素[43]。ILH 和组织间的铁沉积可以导致瓣膜组织的炎症反应和细胞的成骨分化，对瓣膜钙沉积起到促进作用[44]。研究证明来自血红素的铁可以通过Fenton 和habe-weiss 反应催化ROS 的生成，从而诱导DNA、蛋白质和脂类的氧化损伤[44]。ROS 的产生和积累在瓣膜钙化和狭窄进程中起到关键作用[45]。

新近研究发现心脏瓣膜钙化的过程中，铁死亡过程可能由Nrf2/HO-1 轴调控。Nrf2 参与了多个氧化反应的调节。正常情况下Nrf2 与Keap1 分子结合，通过泛素化途径降解。氧化还原状态下Nrf2 稳定性升高，进入细胞核，进而调控相关基因的转录[46]。在主动脉瓣钙化过程中，不稳定状态的血红素通过Nrf2 诱导瓣膜间质细胞中HO-1 的转录，分解不稳定的血红素，降低瓣膜细胞的氧化应激水平，从而对瓣膜组织起到保护作用[47]。尽管该通路具体机制仍需进一步深入研究，但该结果提示了可能有效干预瓣膜钙化进程的潜在靶点。此外，在二尖瓣及其他瓣膜疾病，如瓣膜炎症、心内膜炎、黏液样退行性二尖瓣病变中也观察到了小叶内出血的情况[48]。但小叶内出血与心脏瓣膜不同病理变化之间的关系仍有待进一步研究。

2.7 铁死亡与其他心血管疾病

糖尿病心肌病、肺动脉高压等心血管病的发生也在一定程度上与铁死亡有关。高糖水平在糖尿病心肌病的发病过程中起着关键作用，长期高血糖可以诱导心肌细胞ROS 蓄积，凋亡水平的升高和炎症细胞的趋化，是糖尿病心肌病的主要病理机制[49]。发生在肺血管内皮细胞（pulmonary artery endothelial cells, PAEC）的铁死亡已在野百合碱（Monocrotaline,MCT）诱导的肺动脉高压大鼠模型中得到证实，铁死亡的PAEC 通过HMGB1/TLR4 通路介导肺动脉重塑，并激活炎症小体NLRP3 刺激炎症因子表达，参与MCT 诱导的肺动脉高压的进展[50]。

3 小结和展望

铁死亡是一种特殊的细胞程序性死亡方式，在多种疾病的发生发展中发挥重要的作用。心血管疾病的发展过程存在着铁代谢紊乱、脂质过氧化物集聚、ROS 积累等铁死亡特征，调控铁死亡可以影响心血管疾病进程，干预铁死亡过程可能是心血管疾病治疗的新策略。然而铁死亡对心血管疾病发展的影响程度仍不明确，具体机制仍不清楚，且在不同的心血管疾病中铁死亡的作用及机制可能存在差异，这些都需要更深入的研究。