铁死亡与神经系统疾病

王 杰 吴 蔚

长沙市第一医院药剂科，湖南长沙 410000

细胞是生命的基本组织单位，在个体发育成熟的过程当中，细胞会经历增殖、分化、衰老并最终走向死亡。其中死亡过程在细胞整个生命周期当中至关重要，了解并控制细胞死亡的机制将有助于人类解决其在各种疾病中的作用。一般来说，受损或衰老细胞会通过激活不同的细胞死亡方式被清除。在过去的几十年里，细胞死亡的几种形式被确定并归类。2015 年细胞死亡命名委员会（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）根据功能方面的不同，将细胞死亡的类型分为意外性细胞死亡（accidental cell death，ACD）和调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD），前者是一个被动过程，而后者则是一个主动的过程[1]。调节性细胞死亡可以通过一系列分子机制和信号通路介导，其中细胞凋亡是受调控的细胞死亡中最普遍，同时也是研究最为深入的形式，它主要是由caspase 家族蛋白酶的激活引发[2]。然而，在涉及感染、创伤或神经退行性疾病等情况下，细胞死亡主要通过其他非凋亡调节性细胞死亡途径，包括坏死性凋亡、细胞焦亡、细胞自噬及铁死亡等[3-6]。

铁死亡是Dixon 等于2012 年首次确认并报道，其特征表现为铁依赖性的有毒脂质活性氧（reactive oxygen species，ROS）积聚[7]。在随后的几年中，研究人员陆续在急性缺血性卒中及脑出血等急性脑损伤过程中发现铁死亡可能是细胞死亡的重要机制，并可能在某些神经退行性疾病中发挥作用[8]。

在分子水平，铁死亡是以铁依赖型的脂质ROS积聚为特征，这一过程与不可修复的脂质损伤和膜透化作用相关[9]。形态学上铁死亡的细胞表型主要是线粒体形态的改变，包括线粒体皱缩和线粒体嵴的消失[10]。导致这些改变的原因以及这种形态学的改变是否对铁死亡的发生起关键作用仍不清楚，但其仍可以作为细胞发生铁死亡的证据之一。

事实上铁依赖型的细胞死亡并不是一个全新的概念，早在铁死亡发现之前便有学者在神经退行性疾病和脑损伤过程中报道了许多与铁或氧化应激相关的病理性细胞死亡事件。随着铁死亡的发现，对铁死亡途径有更好的理解有助于我们对神经系统或其他组织损伤寻找新的治疗方法。本文回顾了铁死亡的机制以及关于神经系统疾病与铁死亡之间的关系。

1 铁死亡的机制

1.1 铁离子积聚

铁需求增加是铁死亡的显著特征。铁离子或亚铁离子螯合剂可有效抑制铁死亡的发生，而其他二价金属离子螯合剂没有这种作用[11]。另外由于铁在血液中通过转铁蛋白运输，研究人员通过敲低转铁蛋白后发现能够阻止铁死亡的发生，并且重新补充转铁蛋白而不是脱铁转铁蛋白后可以重新诱导铁死亡的发生[12]。

此外有文献报道在分子水平沉默铁代谢的关键基因铁反应蛋白结合元件2（iron responsive element binding protein 2，IREB2）和转铁蛋白受体（transferrin receptor，TFRC）可以减少细胞对铁的摄取同时可以显著降低肿瘤细胞对铁死亡的敏感性[13]。以上结果提示无论是直接减少局部铁离子的摄取和积聚，亦或是减少铁离子的运输过程均能有效降低细胞对铁死亡的敏感性。

1.2 胱氨酸/谷氨酸反向转运体（cystine/glutamate antiporter，System Xc-）功能障碍

System Xc-是存在于细胞膜上的一种转运蛋白，其由调控亚基溶质载体家族3 成员2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）和溶质载体家族7 成员11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）组成[14]，小分子化合物Erastin 可显著抑制其活性。在功能上System Xc-将细胞外的胱氨酸转运进入细胞的同时，可以把细胞内的谷氨酸交换出去，这一过程是非三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）依赖性的，其主要由细胞内高浓度的谷氨酸介导，因此不同类型神经系统损伤所引起的细胞外高浓度的谷氨酸能显著抑制这一过程[15]。

胱氨酸在进入细胞后立刻还原为半胱氨酸，随后用于合成抗氧化剂谷胱甘肽（glutathione，GSH），研究人员在GSH 的3 种氨基酸中发现半胱氨酸含量最少，因此半胱氨酸也被认为是GSH 从头合成的限速氨基酸。以上研究表明System Xc-活性对于GSH 的合成至关重要。有意思的是Sato等[16]在部分细胞中抑制System Xc-活性后发现其并不能诱导铁死亡的发生，进一步研究发现在某些细胞中甲硫氨酸可通过转硫作用合成半胱氨酸。尽管如此，胱氨酸转运在大部分细胞中似乎是维持半胱氨酸和GSH 水平的最重要因素，因此维持System Xc-功能正常对预防铁死亡的发生以及降低细胞对铁死亡的敏感性至关重要。

1.3 脂质过氧化过程被激活

铁死亡最重要的标志是铁依赖性的有毒脂质ROS 积聚。其与质膜上的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）过度氧化有关[17]。

谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）可以使用GSH 作为辅因子将PUFAs 脂质过氧化物还原为脂质醇。因此脂质过氧化物和脂质醇之间通过GPX4 维持相对平衡。当GPX4 耗竭或失活时，脂质过氧化物积聚并超过正常水平，其在Fe2+作用下生成强氧化性的烷氧基团。这些基团能够通过自由基介导的链式反应直接损伤邻近的PUFAs，从而导致严重的膜损伤。以上结果表明铁死亡的发生发展可能与GPX4 之间存在强烈的相关性。最直接的证据是研究人员在GPX4 抑制剂RAS 选择性致死性小分子（RAS-selective lethal 3，RSL3）中被观察到可以诱导铁死亡的发生。进一步研究发现RSL3 可与GPX4 共价结合并直接导致其失活[18]。因此GPX4 功能缺失被认为是导致铁死亡发生的关键因素。

2 铁死亡与神经系统相关疾病

2.1 铁死亡与脑卒中

脑卒中可分为缺血性卒中以及出血性卒中。Tuo等[19]通过建立暂时性大脑中动脉闭塞（transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO）模型发现受损半球神经元内铁离子水平升高。另外其他研究也证实了GPX4 水平在脑缺血半影区皮层和海马中显著下调。另一个涉及铁死亡的过程是脑出血性损伤，该过程主要与血液中血红蛋白内的二价铁释放有关[20]。与在脑缺血性损伤中所观察到的一致，研究人员发现GPX4 水平在出血性脑损伤区域显著下降。

此外过表达GPX4 对于缺血性或出血性脑损伤均具有保护作用。铁死亡抑制剂ferrostatin-1 或liproxstatin-1 也被观察到在tMCAO 诱导的脑损伤以及血红蛋白或游离铁诱导的脑片海马区细胞死亡过程均有保护作用[21]。以上证据表明无论是在缺血性卒中还是出血性卒中导致的神经细胞损伤里，铁死亡均发挥重要作用。

2.2 铁死亡与创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）

TBI 包括原发性和继发性损伤，可造成皮质或皮质下挫伤和撕裂伤、颅内出血和血脑屏障破裂。通过磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，研究人员发现在TBI 患者的丘脑、苍白球和深部灰质中铁含量显著升高，提示铁离子参与TBI形成过程中的白质和皮质下灰质损伤[22]。因此铁死亡与TBI 损伤可能密切相关。

在动物模型中，损伤1 h 后可以检测到脂质ROS 水平升高，这与GPX4 功能被抑制有关。另外在损伤部位可观察到与铁死亡相一致的形态学证据，即线粒体皱缩。而给予ferrostatin-1 后可减少细胞死亡和相关的神经行为学改变。以上证据提示在TBI 损伤过程中存在铁死亡的发生。

2.3 铁死亡与神经退行性病变

2.3.1 阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD） AD是目前世界上最常见的神经退行性疾病，占痴呆病例的60%～80%，临床上表现为记忆减退和认知功能下降[23]。在AD 患者损伤脑区中还发现了铁离子水平的异常升高，这提示AD 的发生可能与铁死亡存在关联。研究人员通过对成年小鼠大脑神经元中定向敲除GPX4 后发现可导致AD 样认知功能障碍，同时这一症状可通过铁死亡抑制剂减轻[24]。另外由于神经细胞膜富含PUFAs，易于被氧化，因此脂质过氧化可能导致氧化应激相关的神经退行性病变。

以上证据均提示靶向铁死亡过程可能对AD 的治疗具有一定的意义。在一项临床试验中，口服去铁酮（deferiprone，DFP）被证明可以减轻AD 患者神经功能评分并改善铁死亡相关的神经症状[25]，因此铁螯合剂可以作为治疗AD 的潜在药物。

2.3.2 帕金森病（Parkinson’s disease，PD） PD是仅次于AD 的第二大神经退行性疾病，其典型特征仍与运动表现有关，如运动迟缓、静息性震颤和肌强直[26]。PD 的病理生理特征是黑质多巴胺能神经元的进行性退化，这与铁离子积聚有关，其后果是细胞内出现以聚集的α-突触核蛋白为主要成分的Lewy 小体[27]。Lewy 小体会导致ROS 的产生，随后发生脂质过氧化，进而导致细胞死亡。

研究人员在小鼠PD 模型中用去铁肽治疗发现可以显著降低氧化应激细胞中的铁离子水平并改善运动功能，同时提高纹状体多巴胺水平。同时研究发现ferrostatin-1 和去铁胺（deferoxamine， DFO）等铁死亡抑制剂可以阻断神经毒素诱导的多巴胺能神经元死亡[28]。

另外在PD 进展过程中，氧化应激、脂质过氧化和线粒体功能障碍的增加也与GPX4 的消耗有关，这也支持了铁死亡参与的PD 的发病机制。

2.3.3 亨廷顿病（Huntington’s disease，HD） HD是常染色体显性遗传的神经退行性疾病[29]。虽然HD 的病理机制非常复杂，但越来越多的证据表明氧化应激是引起HD 的初始因素。

研究人员在HD 小鼠模型和HD 患者的死亡神经元中观察到高水平的脂质过氧化，另外Kumar等[30]的研究表明在HD 患者大脑皮层、纹状体和海马中检测到GSH 显著减少。以上结果提示在HD 的发展过程中，GSH 耗竭导致脂质ROS 积聚，随后引发的铁死亡过程可能是最主要的细胞死亡方式。

此外MRI 显示HD 患者纹状体中有过多的铁沉积，通过体内研究发现增加铁含量后进一步降低了HD 小鼠的纹状体体积，同时使神经功能评分进一步恶化[31]。以上结果提示铁离子积聚在HD 发展过程中发挥重要作用。

3 展望

目前对铁死亡研究主要集中在肿瘤相关疾病，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）已经批准使用的六甲密胺（Altretamine）、索拉非尼（Sorafenib）等药物被发现可以诱发肿瘤细胞铁死亡，这对肿瘤相关疾病的干预具有重要临床意义[32]。但目前关于非肿瘤疾病如神经系统疾病的相关研究仍然较少。

与诱导肿瘤细胞铁死亡的目标不同，我们在神经系统疾病中的目标是尽可能使损伤的神经细胞尽可能恢复正常，目前在基础研究中已经发现包括抗氧化剂及铁螯合剂可以作为一种潜在的替代手段来缓解各种类型神经系统损伤中的铁死亡过程。因此在这一领域继续深入研究并开发相关药物可能为神经系统非肿瘤疾病的发生发展提供潜在的干预手段。