铁死亡与子宫内膜异位症发生发展研究进展

周建星,白 茹,红 霞,托 娅

(1.内蒙古医科大学,内蒙古 呼和浩特 010059;2.内蒙古医科大学附属医院,内蒙古 呼和浩特 010050)

子宫内膜异位症(Endometriosis,EMs)是指正常的子宫内膜组织在宫腔以外的部位异常繁殖和浸润,其发病率约为10%[1]。是一种以盆腔疼痛、月经不调及不孕为主要特征的性激素依赖性疾病。EMs对患者的生活质量造成了一定的影响,其生育能力也遭受着持久的损伤,甚至可引发癌变。关于EMs在近年间的研究也暴露出了一些亟待解决的问题,如发病机制、信号传导通路并不完全清楚等,近年来,有研究表明铁死亡与EMs有着一定的关联。基于此,本文综述以往相关的研究为基础,以期给后续读者有所借鉴和启示。

1 铁死亡概况

1.1 铁离子平衡稳态的维持 铁离子是多种蛋白质和免疫系统的重要组成成分,也是人体所需要的元素。铁代谢过程主要经由胞内吸收、贮存和运输来实现长期稳定的调节。铁浓度的异常变化会损害细胞及器官的正常功能,人体的铁浓度是通过严密的反馈信息来校准的。研究显示,铁介导的芬顿反应参与了细胞内活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的组成,其具有强氧化性、能攻击胞内DNA分子、脂质和蛋白质等物质,最终使胞内ROS积聚,抗氧化能力耗尽,从而破坏了正常的细胞膜结构,诱发细胞死亡,促进了各种疾病的发展进程[2]。铁代谢途径对于维持体内铁的动态平衡具有不可替代的作用,与此相关的代谢分子有:转运蛋白1(Divalent metal transporter 1,DMT1)、转铁蛋白受体(Transferrinreceptor,TFR)、膜铁转运蛋白(Ferroportin,FPN)及铁蛋白(Ferritin)等;FPN在人体内起着重要的铁转移蛋白的作用。

1.2 铁超载与铁死亡 铁死亡概念最早由Dixon于2012年提出,主要是由于胞内铁超载导致ROS积聚从而造成氧化还原反应失调,最终诱发脂质过氧化而导致细胞死亡,它与已知的坏死、凋亡、自噬等细胞形态和生物化学不同,是一种高度铁依赖的程序性细胞死亡[3];此过程是通过细胞内铁的代谢、脂质的代谢及氧化还原的水平来调控的。近年来发现铁代谢异常为EMs发生发展的一个特征性表现。学者多采用美国国家计划生育学会(AFS)于1985年提出的“子宫内膜异位症分期纠正法”将EMs患者分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期。Lousse等[4]通过采集和测定血清及腹膜液中铁离子含量,经比较发现:Ⅲ-Ⅳ期EMs患者转铁蛋白饱和度、腹膜液铁含量及血清转铁蛋白含量,较Ⅰ-Ⅱ期患者和对照组显著增高,且EMs患者病变的累及范围与铁含量水平呈正相关。由此可见,铁超载和氧化应激微环境可以促进内膜细胞的大量繁殖、侵袭和黏附等特性,参与EMs的发生发展。去铁胺(Desferrioxamine,DFO)作为医学上广泛使用的铁离子螯合剂,其可降低铁离子浓度,从而抑制铁死亡的发生并缩小异位病灶,由此也证明了铁超载可促进EMs的发生及发展[5]。上述现象也说明:不同分期的EMs患者内膜细胞对铁含量的耐受性和产生铁死亡的水平都有所不同,且铁含量对诱导铁死亡的发生发展有着举足轻重的意义。

2 铁死亡与EMs的发生机制

关于EMs病因学说种类繁多,Sampson 提出“经血逆流”学说是最被接受的EMs假说,并且有学者提出76%～90%的EMs患者有输卵管经血逆流的现象[1]。我国郎景和教授主张建立“在位子宫内膜决定论”,并首次提出:在位子宫内膜结构的根本性异常可以决定内膜在宫腔外能否黏附及侵袭周围的组织,以及能否促进病灶部位血管的生成,其对不同类型EMs的发病机制进行了解释和补充,但对此疾病的发生和发展仍不能作出全面的解释[6]。EMs 患者的子宫内膜在基因表达、代谢水平及不同信号传导通路的反应方面都有所差异。目前铁死亡发生发展机制的研究主要聚焦于ROS和脂质的积聚及氧化-抗氧化系统失衡,涉及这一途径的相关分子包括:血红素加氧酶-1 (Heme oxygenase-1,HO-1)、腹腔巨噬细胞核因子κB蛋白(Nuclear factor kappa-B,NF-κB)、谷胱甘肽过氧化物酶 4(Glutathione peroxidase 4,GPX4)、胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白(System Xc-)等[5]。此外Nrf2-Keap1-ARE信号通路、SLC7A11信号通路、P53信号通路、线粒体相关核糖体GTP酶1(Mitochondrial GTPases 1,MT1G)、促血管生成特征、子宫内膜干细胞增殖(Endometrial stem cells,EnSCs )等在驱动EMs的发生发展中也发挥着重要的作用。

2.1 GPX4与铁死亡 谷胱甘肽(Glutathione,GSH)主要存在于细胞质中,GSH参与了多种生物学过程,对调控胞内氧化还原平衡状态发挥着重要的作用。GPX4是谷胱甘肽过氧化物酶中唯一能保护细胞膜抵抗过氧化物损伤的物质,GSH是GPX4还原ROS的重要底物,GSH的耗尽和GPX4功能的丧失促进了EMs的发生发展,此生物学功能在铁死亡中起着至关重要的作用[7]。另一方面,有研究表明,铁死亡激活剂Erastin可以通过影响GSH以降低GPX4反应底物的浓度,从而造成ROS积聚,以间接的方式诱导铁死亡的进程[8]。半胱氨酸双加氧酶1(Cysteine dioxygenase1,CDO1)既是半胱氨酸的催化剂,又是抗氧化剂。Hao等[9]研究发现CDO1可以通过上调GPX4水平和重建GSH储存来防止ROS产生,从而保护细胞免于发生铁死亡。GSH在生殖细胞中也有着重要的生物学价值,影响受精卵结合及胚胎形成发育。总体而言,氧化还原之间的平衡状态与EMs病因学之间的联系非常密切。

2.2 HO-1与铁死亡 与EMs相关的典型抗氧化剂HO-1、胆红素和GSH等,已被证实与氧化损伤和炎症的保护有关,且总抗氧化能力(Total antioxidant capacity,TAC)反映了囊液中抗氧化化合物的累积能力[10]。血红素经HO-1还原,被解离为胆绿素、铁和一氧化碳(CO),胆绿素随后又被还原为胆红素。胆绿素和CO发挥着独特的抗氧化作用,并具有抗炎和抗细胞凋亡的特性[11]。Imanaka等[10]研究发现EMs患者的胆红素、HO-1和TAC与非EMs患者相比显著升高,且EMs患者总铁与HO-1呈正相关,而对于非EMs患者中没有与铁相关的抗氧化剂,提示在EMs中HO-1可能有助于控制铁诱导的氧化应激,并且发挥着微妙的平衡反应。另一个细胞内因素是血红素,Hecht等[12]发现高水平的血红素抑制EMs细胞系的生长,而低水平的血红素促进EMs细胞系的生长,HO-1通过降低内膜微环境中的高血红素水平来促进EMs的生长。异位病灶中总铁、血红素铁和游离铁的浓度,可预测EMs患者的恶性转化。以上可以说明,在本病的发展过程中HO-1的作用不可或缺。

2.3 腹腔巨噬细胞与铁死亡 EMs患者子宫内膜细胞和红细胞通过逆行月经血进入盆腔,被腹腔巨噬细胞(Peritoneal macrophages,PMs)吞噬。一般来说,浸润的巨噬细胞根据它们的作用被分为促炎型(经典活化的M1型)和抗炎/促分解型(选择性活化的M2型)。M2型具有免疫抑制能力,可增强异位细胞的存活和侵袭能力,诱导异位病灶的生长和血管形成;M1型和M2型分别抑制和促进EMs的发展[13]。引发炎性反应的炎症因子大多由M1型分泌,主要包括白细胞介素6(Interleukin-6,IL-6)、白细胞介素1β(IL-1β)及肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor,TNF-α),其可抑制内膜异位细胞的繁殖和黏附以及促进组织的损伤,且转录活性被NF-κB信号通路激活[14-15]。经进一步研究发现,PMs的极化是可逆的,极化为M1型后促进ROS的积聚从而导致炎症的发生,铁超载产生的ROS同样也能促进PMs向M1型极化,然而,M2型却具有抗炎特性和低氧活性的特征[16]。PMs中NF-κB核转位的比例明显升高,影响异位环境中PMs的极化,且NF-κB信号通路参与M2向M1表型的转化[14]。由此可见,其表型的转变介导了免疫抑制过程,是疾病进展的一个标志。具有黏附特性的EMs内膜细胞触发炎症信号,招募更多的PMs,其是占据EMs病灶巨噬细胞群的主要来源,PMs的激活促使氧化应激反应,从而产生ROS,后者进一步促进PMs中NF-κB的增加[15]。NF-κB是EMs中各种炎症和病理反应的重要调节因子,诱导内膜细胞异常增殖、触发炎性反应并干扰细胞凋亡过程,因此可促进EMs患者体内促炎因子和血管生成介质的增加[17]。也有研究报道Nrf2-keap1-ARE信号通路也可抑制NF-κB的表达[18]。由此可见,PMs的NF-κB在EMs的炎性反应中起着关键的作用。

2.4 其他途径 P53作为主要抑癌因子,其突变或失活将导致肿瘤和癌症的发生。在氧化应激作用下,P53通过转录抑制SLC7A11的表达,同时抑制胱氨酸摄取的过程,使细胞提高对铁死亡的敏感度。作为一种重要的抗氧化蛋白,胱氨酸经胱氨酸运输蛋白System Xc-由SLC7A11和SLC3A2编码,其可提供合成GSH的原料——胱氨酸,实验证明抑制System Xc-的表达能使细胞易于被铁死亡诱导[8]。Nrf2的调节中有多种被认为可以防止铁死亡发生的基因如:GPX4、System Xc-、γ谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glutamylcysteine synthetase,γ-GCS)、重组人铁蛋白轻链(FTL)和蛋白重链1(FTH1)及血红素加氧酶(Heme oxygenase 1,HMOX1)[18]。有文献报道,与非EMs受试者相比,EMs患者子宫内膜细胞的增殖显示出通常在癌细胞中观察到的特征:细胞生长不受控制、促血管生成因子的增加及逃避凋亡的能力[11]。局部炎症和ROS水平的增加有助于获得对EMs发展至关重要的增殖表型和促血管生成特征。刘海青等[19]通过收集 EMs 患者与非 EMs 患者子宫内膜病变深度的数据,在观察比较中发现:EMs患者月经血及内膜细胞中CD34和CD45表达阳性率均高于对照组,其是血管内皮细胞的特异度标志物,且表达的上调与EMs病灶组织内新生血管的生成和有丝分裂等有关。也有研究通过对EMs患者和对照组子宫内膜样本相比中发现,子宫内膜间质细胞中铁死亡引发炎症的产生及血管生长细胞因子的生成,后者包括白细胞介素8(IL-8)和血管内皮生长因子A (Vascular endothelial growth factor-A,VEGF-A)等,VEGF-A和IL-8显示出局部表达,并且在异位病灶中显著上调,EMs异位病灶部位需要充足的血液供应,因此血管生长细胞因子对病灶的发生发展至关重要[20-21]。由此可见,内膜间质细胞在铁死亡的发展中触发细胞因子分泌,并通过旁分泌作用促进邻近病变的血管生成,从而驱动EMs的发生发展。也有研究表明,子宫内膜干细胞(Endometrial stem cells,EnSCs)的功能障碍会使病灶周围血管异常增生及免疫调节能力失衡,直接导致在位内膜的异常,且EnSCs可能是EMs发生的先决条件[22]。

3 铁死亡与EMs相关性不孕

Hayashi等[23]对EMs小鼠进行交配,发现小鼠子宫内膜异位灶出血导致铁超载,从而诱发持续的氧化应激,阻碍卵泡刺激素受体(FSHR)的表达及受精过程,也造成卵泡形成减少,此外,铁超载导致线粒体功能受损,细胞能量储存降低,从而间接影响EMs患者的不孕及减缓卵泡成熟。由此可见,EMs影响卵巢储备和卵母细胞的质量,并导致毒性盆腔环境,减少受精和着床的机会。Cobo等[24]研究表明,与那些接受选择性生育力保存的年轻(<35岁)受试者相比,年轻的EMs患者在接受卵母细胞玻璃化冷冻实验时发现,其卵母细胞的复苏成活率、胚胎发育率和临床妊娠率较生育力保存的受试者显著下降,这表明EMs相关不孕的发病机制可能与卵母细胞的质量和着床率受损有着一定的关联。此外,越来越多的证据表明,ROS积累和线粒体功能受损破坏了卵泡液的抗氧化防御屏障,造成卵母细胞和精子的DNA受损,从而导致受精缺陷,即使实现了受精,氧化应激诱导的凋亡也可能导致胚胎破碎、着床失败、流产、胎盘形成受损[25]。EMs患者孕酮和雌激素信号改变导致了孕酮的抵抗,这种不平衡除了加剧炎症状态的严重性,还可能降低子宫内膜对胚胎植入的容受性[26]。EMs可能以多种方式影响生育能力:输卵管粘连和功能障碍导致的卵母细胞完整性破坏、盆腔解剖结构改变和胚胎质量降低导致的卵巢储备减少、子宫内膜容受性受损导致的着床率及妊娠率的降低,其已被广泛接受为EMs相关不孕的原因[27]。其次EMs与不孕症相互影响,EMs可导致不孕症的发生,反之不孕症也是EMs发生发展的高危因素。中医学以瘀血为基础思想形成了多种成瘀理论,因此活血化瘀被作为中医治疗EMs的根本,而西医则侧重于药物和手术治疗,药物治疗主要由激素和非激素疗法构成,前者主要包括GnRH 拮抗剂,后者包括免疫调节剂、抗血管生成剂以及抗氧化剂等药物的应用[28]。EMs相关性不孕的治疗方法以腹腔镜手术切除病灶以及分离粘连组织的治疗作为首选,其目的是消除EMs可见病变,恢复正常的骨盆解剖结构,手术联合体外受精-胚胎移植(In vitro fertilization-embryo transfer,IVF-ET)为EMs不孕妇女增加了未来生育的机会[29]。

4 结 语

近年来学者已细致综合地研究了铁死亡相关的分子机制、信号通路等,对EMs的发生发展提供了切实可行的新方向,但仍有较多机制尚不明确,如:表观遗传学理论、关键信号分子及通路、特异性诊断靶点、治疗策略等。因此,关注铁死亡将有助于阐明EMs的潜在发病机制,并具有实现早期治疗、防止EMs进展和减轻患者疼痛的潜力。