铁死亡在蛛网膜下腔出血早期脑损伤发病机制中作用的研究进展

曲大鹏，孙会艳，李 强，王洪权

赤峰学院附属医院 1.急诊科； 3.神经内科, 内蒙古自治区 赤峰 024005；2 赤峰学院 医学部, 内蒙古自治区 赤峰 024000；4.航天中心医院/北京大学 航天临床医学院 神经内科，北京 100049

蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)是一种神经系统急症，其特征是脑周围充满脑脊液的空间出血[1]。SAH后通过多种病理生理机制导致脑组织不可逆损坏。SAH也与较高的医疗并发症发生率和40%～50%的病死率有关。与其他卒中患者相比，SAH更影响年轻人。尽管每年仅占所有卒中的3%，但SAH卒中是导致过早死亡的主要原因，占65岁之前所有卒中相关潜在寿命损失的27%[2-3]。此外，幸存者经常经历长期的功能残疾或认知障碍。动脉瘤性SAH仍然是致残率和致死率极高的卒中，并造成巨大的医疗和经济负担。

SAH发生后血红蛋白裂解物释放铁， 介导铁代谢失调、脂质过氧化增加和谷胱甘肽/谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione/glutathione peroxidase 4,GSH/GPX4)的抑制，即导致铁死亡(ferroptosis)发生，从而导致早期脑损伤(early brain injury-SAH,EBI-SAH)，导致神经元的不可逆损伤和SAH预后不良[4]。近年在细胞和动物模型中研究显示，靶向抑制铁死亡可以有效地防治EBI-SAH。因此，本文系统总结了铁死亡参与EBI-SAH的病理机制的最新进展，总结了药物靶向抑制铁死亡能够防治EBI-SAH的最新进展，为SAH的治疗和预防提供了有价值的信息。

1 铁死亡

铁死亡是2012年提出的一种由铁依赖性、脂质过氧化引起的调节性细胞死亡形式。铁死亡的关键特征包括膜脂质过氧化(lipid peroxidation, LPO)、细胞内铁稳态失衡和抗氧化防御体系的丧失。铁死亡的发生需要两个关键启动信号，即抑制抗氧化系统溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)/谷胱甘肽(glutathione，GSH)/谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)通路受到抑制和游离铁的积累[5]。在铁死亡过程中，多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)极易发生过氧化，从而破坏脂质双层，破坏膜功能。将PUFA掺入细胞磷脂(尤其是磷脂酰乙醇胺)需要参与脂肪酸合成的特定酶即酯酰辅酶A合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain familymember 4, ACSL4)的作用。ACSL4使PUFA酯化生成PUFA-CoA，随后通过溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3 (lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)将PUFA-CoA掺入磷脂膜。铁死亡的最后一步是脂质过氧化或其次级产物(如4-HNE和MDA)直接或间接诱导血浆或细胞器膜上的孔隙形成，最终引发细胞死亡。

2 铁死亡与蛛网膜下腔出血早期脑损伤(EBI-SAH)

2.1 铁死亡在EBI-SAH发病中的作用

利用SAH大鼠动物模型和细胞模型阐明了铁死亡在EBI-SAH中的作用，同时发现抑制铁死亡能够抑制EBI-SAH[6]，这一研究开启了铁死亡在EBI-SAH发病机制中的作用。目前研究表明铁稳态失调、氧化还原稳态失衡和脂质过氧化途径增强参与EBI-SAH发病机制。

2.1.1 铁稳态失调参与EBI-SAH发病机制: 在SAH 大鼠模型中，铁稳态失调，SAH后皮质中的铁含量增加[6]。SAH后皮质中的铁含量增加[7-10]。稳态失调可能与铁转运异常和铁自噬(ferritinophagy)相关。SAH大鼠中，铁调素可以通过二价金属离子转运体(divalent metal transportor 1, DMT1)信号激活来调节铁代谢并促进铁死亡的发生，介导EBI-SAH[11]。铁调素(hepcidin)通过与膜铁转运蛋白 (ferroportin1, Fpn1)结合来抑制铁离子输出，铁离子被隔离在细胞中。依布硒啉(ebselen)是具抗氧化和抗炎作用的一种有机硒化合物，能够抑制DMT1进而抑制SAH大鼠的铁积累和脂质过氧化，从而减轻SAH大鼠的铁死亡和EBI[11]。铁调素抑制剂肝素可下调铁调素和DMT1的表达，增加Fpn1，抑制铁死亡和EBI-SAH。而铁调素激活剂抑瘤素(moncostatin M, OSM)增加了铁调素和DMT1的表达，降低了FPN1，加重铁死亡和EBI-SAH，综上所述在SAH中，铁调素可能介导脑内铁稳态失调。

铁蛋白的选择性自噬降解被称为铁自噬，铁自噬参与EBI-SAH的发病机制[12]。铁蛋白沉积对维持铁稳态至关重要，而过量的铁蛋白沉积则会导致铁超载和铁死亡。而ATG5基因敲除抑制自噬后可以降低细胞内铁水平和LPO，提高铁死亡保护蛋白的表达，从而缓解SAH诱导的细胞死亡。另外，抑制自噬还减弱了SAH预后指标，如脑水肿、血脑屏障通透性和神经功能缺损，这一发现提示SAH通过激活铁蛋白吞噬引发神经元性铁死亡，还表明调节铁吞噬和维持铁稳态可以为预防SAH早期脑损伤提供线索[12]。

2.1.2 氧化还原稳态失衡参与EBI-SAH发病机制: SAH发生后，SLC7A11/GSH/GPX4抗氧化通路受到抑制，进而介导EBI-SAH。SAH后神经元中SLC7A11[13-14]和GPX4表达降低[7-8, 10, 13, 15-17]，同时存在GSH的耗竭[7-8,10,15]。内源性GPX4主要表达于神经元，在实验性SAH后24 h其表达降低[18]。在体内和体外实验性SAH模型中，GPX4的过度表达显著降低脂质过氧化和细胞死亡，GPX4的过度表达改善了SAH后24 h的脑水肿和神经功能缺损，因此，GPX4表达的降低可能在SAH后早期脑损伤的铁死亡中起重要作用，GPX4的过度表达在SAH后具有神经保护作用[18]。

2.1.3 脂质过氧化途径增强与EBI-SAH：由于脑内存在大量PUFA，神经元可能更容易受到ROS攻击，导致脂质过氧化发生，而后者反过来又促进产生更多ROS，形成恶性循环。SAH模型中脂质过氧化生成增加[6-7,9,12,14-16]。在自体血注入大鼠裂孔前池建立大鼠SAH模型中的研究发现，大鼠脑组织中ACSL4水平显著升高，使用小干扰RNA抑制ACSL4的表达可减轻SAH后的炎性反应、血脑屏障(BBB)损伤、氧化应激、脑水肿、行为和认知缺陷，并增加存活神经元的数量，表明ACSL4介导EBI-SAH[19]。而铁死亡抑制剂Fer-1和利普罗他汀-1(liproxstatin-1)治疗也获得了类似的效果，这些发现表明，ACSL4介导EBI-SAH的发病机制，而同时也为旨在缓解EBI-SAH的潜在治疗提供理论基础[19]。综上所述，铁死亡参与EBI-SAH的发病机制，SAH后主要通过GPX4活性降低、ACSL4活性升高和铁蛋白吞噬介导神经元铁死亡，促进EBI-SAH的发生。

2.2 抑制铁死亡对EBI-SAH的治疗作用

伴随铁死亡参与EBI-SAH发病机制研究的伊始，对药物抑制铁死亡 防治EBI-SAH进行了有益探索[7]。铁死亡抑制剂 Fer-1能够通过降低体外模型中铁含量、降低脂质过氧化物生成进而减弱EBI-SAH，表明抑制剂铁死亡对EBI-SAH具有神经保护作用[6]。Fer-1治疗可增加SLC7A11和GPX4，减轻SAH损伤相关的分子和炎性细胞因子，抑制铁死亡减轻了血脑屏障损伤、脑水肿、行为缺陷和神经元损伤。更重要的是，p53抑制剂pifithrin-α能显著阻断皮层SAH诱导的铁死亡，这表明SAH后铁死亡加重EBI部分依赖于p53，抑制铁死亡可能是EBI的有效治疗靶点[14]。铁死亡的特异性抑制剂利普罗他汀-1可通过抑制脂质ROS产生和减血红蛋白诱导的铁沉积来防止神经元死亡，从而改善EBI-SAH[13]。

同时对具有铁死亡抑制剂特性的化合物在治疗EBI-SAH方面做出了一定探索。中药黄芩苷(baicalin)能够降低SAH大鼠脑组织中的Fe2+、丙二醛和ROS水平，抑制大鼠脑组织中的beclin1、LC3-II和LC3-I蛋白水平，进而抑制铁死亡，进而改善EBI-SAH的发生[8]。白细胞增生药千金藤素(cepharanthine,CEP)能够通过抑制铁死亡，进而改善EBI-SAH的发生，CEP通过抑制15-脂氧合酶-1 (15-lipoxygenase-1，ALOX15)介导的小胶质细胞和内皮细胞铁死亡减轻小鼠EBI-SAH[20]。褪黑素(melatonin)能够促进GPX4的表达、降低ROS和铁的含量减轻 SAH 大鼠皮层中氧化应激反应，进而减轻皮层神经细胞铁死亡，从而抑制EBI-SAH[9]。依布硒啉(ebselen)能够通过降低DMT1、促进GPX4 表达降低细胞内铁沉积和脂质过氧化，从而以抑制EBI-SAH，改善SAH预后[10]。黄芪甲苷(astragaloside Ⅳ)能够上调SLC7A11/GPX4、降低铁和抑制脂质过氧化进而抑制EBI-SAH[7]。葛根素(puerarin)能够上调Nrf2/GPX4通路、降低脂质过氧化水平和降低脑内铁含量，进而抑制EBI-SAH，改善SAH大鼠神经功能缺损[15]。诱导型一氧化氮合成酶(induci-ble nitric oxide synthase, iNOS)抑制剂L-NIL能够通过诱导诱导M1型小胶质细胞铁死亡、减少神经炎性反应从而抑制EBI-SAH，改善SAH预后和结局[21]。白藜芦醇(resveratrol)通过上调GPX4和铁死亡抑制蛋白1 (ferroptosis suppressor protein 1, FSP1)抑制SAH介导的铁死亡，进而减弱小鼠EBI-SAH[17]。蛋白激酶(protein kinase R, PKR)抑制剂C16通过上调GPX4和铁蛋白重链(ferritin heavy polypeptide 1,FTH1)，抑制脂质过氧化和铁聚集，进而抑制SAH介导的铁死亡，抑制大鼠EBI-SAH，改善SAH预后[16]。综上所述，药物通过抑制铁死亡能在体内外实验模型中抑制EBI-SAH，进而改善SAH预后。

3 问题和展望

综上所述，目前对铁死亡在SAH中的作用学者们进行了初步探索，目前研究表明铁死亡参与EBI-SAH的发病机制。然而目前铁死亡在EBI-SAH中的致病作用研究尚处于起步阶段，例如其他抗氧化通路，如GTP环水解酶-1/四氢生物蝶呤通路是否参与EBI-SAH的病理机制目前仍不清楚，这可能是未来的重要研究方向。另外，介导脂质过氧化的ROS来源目前在SAH中的作用尚不全面，如细胞色素P450氧化还原酶(cytochrome P450 oxidoreductase，POR) 在EBI-SAH进程中的作用目前尚不清楚。此外，药物靶向铁死亡对EBI-SAH治疗的探索方面目前处于起步阶段，方兴未艾，而且大对数研究只是通过体内外SAH模型简单探讨抑制铁死亡对EBI-SAH的效应观察，缺乏足够深度的机制探讨。综上所述，铁死亡参与EBI-SAH的发病机制，通过药物靶向抑制铁死亡具有防治EBI-SAH的作用。未来继续深入研究铁死亡在EBI-SAH中的作用机制和针对抗铁死亡治疗EBI-SAH的药物值得深入探索。