铁死亡与胎盘源性疾病的研究进展

裴娇娇，黄超林，陈蛟

程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）是由基因决定的细胞主动有序的死亡方式，是机体正常发育、功能分化、组织稳态和适应细胞环境变化过程中的关键环节。而铁死亡（ferroptosis）是一种新近发现的由铁依赖性脂质过氧化介导的PCD过程。其主要机制是磷脂氢过氧化物（phospholipid hydroperoxides，PLOOHs）积累引起的细胞死亡。其中PLOOHs是花生四烯酸或肾上腺素与磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，HP-PE）结合的产物[1]。因此，铁死亡反映了PLOOHs过量累积或还原代谢不足，无法将PLOOHs转化成无害形式的磷脂。PLOOHs的积累触发了一系列信号，导致铁死亡的独特形态、生化和代谢过程[2]。近年有研究证实铁死亡在胎盘源性疾病中发挥关键作用[3]。本文对胎盘发生铁死亡的易感性及病理生理妊娠过程中铁死亡现象进行综述，进一步分析胎盘铁死亡与产科疾病的关系，为未来产科疾病的精准预防及靶向治疗药物的开发提供依据。

1 胎盘对铁死亡的易感性

1.1 物质基础

1.1.1 脂质脂质双层的不饱和程度是决定细胞对铁死亡敏感性的关键。胎盘是母胎间脂质转运、代谢调节的枢纽。测量分娩后胎盘的相对脂质含量发现，胎盘脂质由约60%磷脂、34%胆固醇、4%胆固醇酯和2%三酰甘油组成[4]。在铁死亡的诱导下，大多数含氧磷脂被上调，表明铁死亡最终会损害大多数膜磷脂，其中含有花生四烯酸和肾上腺素的磷脂是导致铁死亡的主要脂质过氧化底物，也是胎盘滋养细胞铁死亡的主要特征[5]。

1.1.2 游离铁铁是细胞内所有生物过程中必不可少的微量元素，在妊娠期平均每日铁需求量为1 000～1 200 mg，为了满足母体自身和胎儿胎盘对铁的需求，母体铁调素被下调，促进了膳食铁的吸收和储存铁的释放，以维持血清铁浓度。铁通过转铁蛋白受体1和膜铁转运蛋白被胎盘吸收[6]。目前研究已证实过量的铁是有毒的，游离铁可以引起氧化应激、炎症，甚至发生铁死亡[7]。

1.1.3 脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）LOX是属于含非血红素铁的一类双加氧酶，催化多不饱和脂肪酸的双键加氧原子形成脂质过氧化[8]。脂质过氧化主要有两种机制：非酶氧化和酶促氧化。在非酶氧化中，游离铁与过氧化氢反应，生成亚铁和羟基自由基。羟基自由基通过多不饱和脂肪酸的双烯丙基位置吸收氢，启动脂质过氧化过程[8]。LOX的消耗可以抑制铁死亡诱导剂诱导的铁死亡，其可能在铁死亡的早期阶段提供脂质过氧化，而自氧化反应可能是铁死亡的实际驱动因素[9]。

1.2 铁死亡调节铁死亡是一种复杂的铁依赖性的调节性细胞死亡模式，由多种代谢物和生物分子组成。目前发现了253个调节因子（包括108个驱动因子、69个抑制因子、35个诱导因子和41个抑制剂）、111个标志物和95种疾病与铁死亡相关联[10]。随着铁死亡的研究逐渐深入，胎盘铁死亡的调节途径越来越清楚，以下列举了部分重要的参与铁死亡的调节分子。

1.2.1 谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase4，GPX4）GPX4是一种硒蛋白，在酶活性部位含有必需的硒半胱氨酸，是催化HP-PL还原的主要酶，也是铁死亡的主要抑制因子。GPX4将脂质过氧化物转化为脂醇，这一过程阻止了铁依赖的活性氧（reactive oxygen species，ROS）的形成。GPX4通过维持细胞内脂质稳态防止ROS积累，从而阻止铁死亡的发生[11]。GPX4在人胎盘滋养层细胞中表达。因此，GPX4的表达量下降或功能降低都可能导致滋养层细胞对铁死亡的敏感性增加，引发胎盘功能障碍和随后的妊娠期并发症[12]。

1.2.2 磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）PLA2是一种催化磷脂甘油分子上二位酰基的水解酶，也是花生四烯酸、前列腺素和血小板活化因子等生成的限速酶，所产生的脂质在炎症和组织损伤时起关键性作用[13]。其中磷脂酶A2第Ⅵ亚型（phospholipase A2 groupⅥ，PLA2G6）和非钙依赖磷脂酶A2β（calciumindependent phospholipase A2 beta，iPLA2β）是铁死亡关键调节因子。当滋养细胞发生氧化磷脂或ROS激活时，PLA2G6可以将HP-PE水解为溶血型HP-PE和氧化脂肪酸，从而保护滋养细胞，避免发生铁死亡，Pla2g6基因缺乏时会引起妊娠期小鼠铁死亡[14]。iPLA2β可以从脂质的甘油骨架上切割酰基尾并从磷脂中释放氧化脂肪酸，抑制ROS诱导的p53驱动的铁死亡[15]。也就是说iPLA2β以不依赖GPX4的方式抑制铁死亡[14]。未来PLA2G6和iPLA2β可能成为高危妊娠发展过程中的一个关键治疗靶点，用于抑制应激态下铁死亡介导的胎盘源性疾病。

1.2.3 其他去乙酰化酶3（Sirtuin 3，SIRT3）对丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，AMPK）的磷酸化具有正向调节作用，在调节细胞死亡与维持细胞氧化还原稳态方面起着重要的作用[16]。当人滋养细胞暴露于铁死亡诱导剂中，SIRT3蛋白的表达显著升高，而SIRT3消耗抑制了AMPK的激活并增强了GPX4水平，从而抑制铁死亡[17]。铁硫簇生物合成酶是线粒体铁-硫簇机制的核心组成部分，其可以保护患者免受铁死亡诱导剂或GPX4耗竭导致的铁死亡影响[18]。电压依赖性阴离子选择性通道（voltage dependent anion-selective channel，VDAC）是一类位于线粒体外膜上的孔蛋白离子通道。药物靶向标志物分析研究发现，VDAC2和VDAC3是线粒体中铁死亡诱导剂的直接药理靶点[19]。氨基酸逆向转运系统Xc也可通过干预谷胱甘肽的合成防止脂质过氧化，保护细胞免受铁死亡[20]。另外，滋养层细胞表达相对较高的溶血卵磷脂酰基转移酶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）[12]是铁死亡的重要驱动因素。ACSL4在铁死亡中能较好地将长链多不饱和脂肪酸与辅酶A连接，然后被LPCAT3重新酯化成磷脂[21]。

1.3 胎盘发育的生理过程胎盘的发育和功能执行过程中，容易发生组织灌注不足和再灌注、缺氧-复氧及ROS[22]。其中ROS是胚胎形成和早期胎盘发育过程中的关键信号分子。在囊胚着床和胚泡从全能性、多能性细胞向早期滋养外胚层和内细胞团分化的过程中，氧含量和氧化还原缓冲物质明显减少。这种环境可以保护胚胎免受ROS的破坏，也有助于维持干细胞的潜能。但一旦主要器官分化后，胚胎就进入到一个新的发育阶段，母体循环必须从组织营养供应向血液营养供应转变[23]。妊娠3个月后绒毛间隙开始灌注，导致氧分压急剧升高，从15～20 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）增加到大于50 mmHg。这种相对较快的灌注和氧饱和度的增加使组织易于形成ROS和脂毒性损伤。而这种复氧过程可能是早期妊娠丢失的原因。另外，在产前和分娩期间宫缩导致胎盘灌注减少和再灌注[23]。最后，胎盘表达相对较高的LOX进一步促进HP-PL的积累，从而增加胎盘滋养细胞铁死亡的风险[24]。

2 铁死亡与胎盘源性疾病

胎盘能有效地将营养物质和氧从母体输送给胎儿，以维持胎儿正常生长发育。所以胎盘在胎儿生长发育、母胎营养交换、维持母胎动态平衡和面对损伤的适应能力等方面起重要作用。胎盘功能障碍会造成严重的妊娠期并发症，导致不良妊娠结局的发生[25]。

2.1 子痫前期子痫前期是妊娠20周以后出现的高血压、蛋白尿或终末器官衰竭等临床特征的妊娠期并发症。子痫前期的病理生理学特征是由于绒毛外滋养细胞向子宫螺旋动脉迁移障碍，导致绒毛外滋养细胞对母体蜕膜的侵袭不足和螺旋动脉未完全转化，引起子宫胎盘血管阻力增加和全身血管舒张特性降低。其发病率可达7%～10%，严重病例甚至导致孕产妇死亡。根据发病时间，子痫前期可分为早发性和晚发性两类，其血压升高的严重程度与滋养层的侵袭程度有关[26]。

子痫前期患者的胎盘存在慢性缺血再灌注和氧化应激，引起铁死亡相关物质（ROS、脂质过氧化物等）堆积，胎盘滋养细胞发生铁死亡。另外，子痫前期患者胎盘滋养细胞线粒体中存在线粒体功能障碍和线粒体形态改变，进一步促进子痫前期患者胎盘缺氧[27]。通过检测滋养层细胞模型和大鼠胎盘模型铁死亡的特异性标志物、微阵列、生物信息学分析和荧光素酶报告系统分析发现，子痫前期患者胎盘组织中GPX4下调，机制可能是缺氧导致滋养细胞中谷胱甘肽含量和GPX4活性降低，ROS水平增加，以及不稳定Fe2+浓度增加[28]。

2.2 妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）GDM是妊娠期最常见的代谢并发症之一[29]。GDM病因复杂，主要的病理生理学特征是胰岛β细胞不能对妊娠期增加的胰岛素需求做出充分反应，导致不同程度的高血糖。另外，糖代谢异常还同时伴有脂代谢异常[29]，而脂质过氧化是铁死亡的一个特征。GDM患者糖脂代谢异常，脂质过氧化物增加，会引发胎盘功能异常，显著增加母亲和子代患2型糖尿病的风险[30]。

Han等[31]把人滋养细胞系HTR8/SVneo和猪滋养细胞系pTr2暴露于高糖环境中，均发现SIRT3蛋白水平明显上调，滋养细胞的存活率显著降低，过氧化物质产生增加，导致滋养细胞的铁死亡。而这种死亡方式可以被铁死亡特异性抑制剂明显逆转。GDM患者胎盘功能明显变化与胎盘结构改变密切相关。凡是影响铁代谢、抗氧化系统和脂质氧化途径的因素均可导致GDM患者胎盘滋养细胞铁死亡的发生[32]。目前关于GDM铁死亡的具体调控机制尚不清楚。期待更多的GDM患者铁死亡的基础研究为临床诊断及靶向药物治疗提供可能。

2.3 胎儿生长受限（fetal growth restriction，FGR）FGR是各种原因导致的宫内胎儿生长速度下降，胎儿未达到其遗传的生长潜能。排除胎儿异常、感染等因素，子宫胎盘功能不全是导致FGR的主要原因[33]。因为供应胎盘的子宫螺旋动脉重构不足，导致胎盘血管阻力增大、胎盘灌注不良和胎盘缺血缺氧，最终引起蛋白质合成的选择性抑制和细胞增殖的减少[33]。

研究发现，FGR患者胎盘蛋白质的翻译功能和线粒体活性降低，胎盘新陈代谢更加依赖糖酵解途径[34]。Miller等[35]发现，FGR患者胎盘及胎儿大脑脂质过氧化明显，高浓度的脂质过氧化物堆积造成胎盘滋养细胞及胎儿大脑神经细胞的损失，通过褪黑素抗脂质过氧化治疗后，胎盘脂质过氧化标志物丙二醛浓度明显降低，改善了FGR的预后。推测抗氧化治疗有助于预防与治疗FGR。根据目前证据，暂不能推断铁死亡与FGR的因果关系，未来需要更多关于FGR的基础研究帮助FGR的早期预测及干预。

2.4 自然流产自然流产是妊娠24周内经临床证实的妊娠丢失，是最常见的妊娠相关疾病。胚胎形成是胚胎与母体协同作用的复杂过程。人类胚胎的成功着床、胎盘的形成、胚胎的生长发育与滋养层的增殖、分化和侵袭的功能密切相关[36]。

有学者观察到，氧化应激下流产大鼠出现过度的铁死亡，表现为GPX4、超氧化物歧化酶、丙二醛、谷胱甘肽水平降低，ACSL4水平升高，Nod样受体蛋白1（Nod-like receptor protein 1，NLRP1）炎性小体激活[37]。在慢性炎症状态下，NLRP1长时间过度激活，不断转化为胱天蛋白酶1（caspase-1），caspase-1作为与NLRP1相关的因子，可以促进凋亡蛋白和凋亡因子的产生，也可以增加氧化应激引起的损伤。在铁死亡过度激活的状态下，NLRP1也会过度表达，从而加剧炎症状态[37]。目前关于铁死亡与自然流产的研究较少，未来期待更多关于自然流产与NLRP1、铁死亡的相关研究，以进一步阐明自然流产的发病机制，为治疗自然流产提供新的靶点。

2.5 自发性早产自发性早产是指妊娠不足37周分娩，是早产儿相关并发症导致儿童死亡的主要原因。尽管随着医疗技术发展，产科合并症的预防、处理能力均得到大幅度提高，但在过去的几十年里，全球自发性早产的发病率却有上升的趋势。自发性早产的筛查、管理和后遗症治疗费用是高收入国家卫生服务的主要经济负担。研究表明，促氧化和抗氧化之间的失衡可能与自发性早产有关[38]。

子宫收缩和胎盘缺氧/复氧是自发性早产的标志性临床表现，也是发生铁死亡的诱发因素。在自发性早产患者血液及胎盘标本中也发现了与铁死亡相关的刺激子宫收缩的生物活性脂质和相关酶水平的升高[39]。自发性早产患者胎盘中HP-PE水平升高[14]。当沉默滋养细胞GPX4基因后，滋养细胞获得铁死亡敏感性。另外，RAS选择性致死分子3（RASselective lethal 3，RSL3）是一种GPX4选择性抑制剂和铁死亡激动剂，可减少原代滋养细胞中绒毛膜促性腺激素和胎盘催乳素的释放[14]。铁死亡在自发性早产患者胎盘的病理生理发展中具有重要作用，铁死亡关键分子也成为了自发性早产靶向治疗的研究方向。

3 总结与展望

缺氧-再灌注损伤、氧化应激、ROS积累、脂质过氧化反应通常是许多胎盘源性疾病的最终共同途径，但这些情况潜在的损害途径尚不清楚。近年铁死亡研究的深入把铁死亡与胎盘源性疾病联系起来，帮助研究者理解滋养细胞氧化应激和脂毒性，了解胎盘机制、生化和分子框架。靶向铁死亡抑制疗法的应用可能会在不影响关键的氧化还原信号的情况下，减轻脂毒性的负面影响，为预防或治疗胎盘源性疾病提供新的手段。确定体内铁死亡的精确生物标志物是铁死亡领域今后的发展方向，为胎盘源性疾病的早期诊断及靶向干预提供可能性。