铁聚集及铁死亡在肌萎缩侧索硬化症中的研究进展

田梅,刘亚玲,李志广,杨静,辛成,霍家

铁参与了大脑的许多生理过程,如DNA合成、髓鞘形成、氧气运输以及线粒体呼吸,因此维持铁稳态对于大脑的正常生理活动是必要的[1]。过多的铁会增加细胞内活性氧物种(ROS)的生成,进而引发细胞损伤[2]。铁死亡是一种铁依赖的程序性细胞死亡形式,以膜脂质过氧化、线粒体萎缩等为特征[3]。肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种神经系统退行性疾病,越来越多的研究[4-36]表明,ALS存在铁聚集及铁死亡现象,并且去铁治疗有效。现将相关研究进展综述如下,以期为ALS的进一步治疗研究提供方向。

1 ALS存在铁代谢异常及铁聚集

铁是人类大脑中含量最丰富的微量金属,存在于神经元和胶质细胞中,作为多种酶的催化中心促进大脑中DNA、神经递质的合成和髓鞘的形成。此外,它还参与氧气运输、神经递质代谢和线粒体呼吸。其主要以铁蛋白的形式进行储存,铁蛋白由两个亚基所构成,包括重链和轻链。保证细胞处于铁稳态环境对于维持大脑正常的生理功能至关重要[1],铁过多聚集会通过芬顿反应导致细胞内ROS产生过多[2],进而对机体产生不利影响。近年来,越来越多的研究[1,37-38]表明,铁参与了神经系统退行性疾病的发生、发展。ALS是一种罕见的神经系统变性病,不论是临床患者[4-18]还是小鼠模型[19-27],不论是在CNS内[22-23,25]或外周骨骼肌[19-21,24,26-27]中,均发现ALS存在铁代谢异常及铁聚集现象,并且会影响患者的临床分型、疾病进展及预后[4-5,8-14,18]。其主要与铁相关调节蛋白表达异常有关[19-20,22-23,25,27],给予去铁治疗后可以改善小鼠的运动症状,延长生存期[22,25,28]。

1.1 血液及CSF铁代谢异常 多项研究及meta分析[4-6,10]表明,与对照组相比,ALS患者血清铁蛋白水平升高,并且以延髓起病、伴有吞咽困难、病程较长(超过12个月)和ALS功能评定量表修订评分(ALSFRS-R)较低患者的铁蛋白水平更高[11]。生存分析[5,10]表明,较高的血清铁蛋白水平是ALS患者存活率降低的预测因素。Devos等[4]进行了一项为期18个月的纵向随访研究发现,ALS患者基线血清铁蛋白水平与随访时的ALSFRS-R呈负相关,并且血清铁蛋白水平随着疾病的进展而逐渐升高。进一步根据患者ALSFRS-R评分的下降率将患者分为缓慢进展组和快速进展组进行分析发现,快速进展组的血清铁蛋白水平显著高于缓慢进展组。既往研究[6-7,10-11]显示,与对照组相比,ALS患者血清铁水平可能升高,可能降低,也有可能无明显改变。

在CSF检查中,Sun等[10]未发现ALS患者与对照组的CSF铁蛋白水平存在明显差异。而Zheng等[9]的研究表明,与对照组相比,ALS患者CSF铁蛋白重链、铁蛋白轻链含量显著升高,并且与疾病进展率呈正相关,与病程呈负相关,此外铁蛋白重链/轻链水平较低的患者比铁蛋白重链/轻链水平较高的患者存活时间更长。Patti等[8]发现,延髓起病的ALS患者CSF中铁的水平高于脊髓起病的患者,并且病程<19个月的患者更为显著。

1.2 CNS内铁代谢异常及铁聚集 有研究者[16,39]应用MRI检查发现,ALS患者大脑运动皮质存在T2低信号,并且与尸检病理显示的铁沉积有关,这些铁主要蓄积在小胶质细胞内。神经元变性区域和小胶质细胞铁蓄积之间存在的联系可能是神经元变性、死亡后释放铁,小胶质细胞通过清除多余的铁并将其储存在铁蛋白中,从而维持大脑的铁稳态[16]。此后越来越多的研究[12-18,40-41]也有类似发现。也有研究[14]应用MRI检查发现,ALS患者除了运动皮质外,丘脑中也存在铁沉积。基于以上ALS患者MRI的特征性信号表现,研究者将其与患者的临床资料进行了相关分析:Li等[14]发现ALS患者运动皮质中的铁沉积与上运动神经元(UMN)评分呈正相关,而丘脑中的铁沉积与ALSFRS-R评分呈负相关;然而,Yu等[15]则发现ALS患者运动皮质的低信号与其发病部位、病程和ALSFRS-R评分之间没有相关性。因此,需要进一步研究来探讨患者运动皮质铁沉积与其疾病状态之间的关系。在ALS不同临床亚型方面,相比于下运动神经元(LMN)-ALS患者,UMN-ALS患者初级运动皮质的低信号更为显著,具有特异性[12-13],并且与UMN评分呈正相关[14];而Bhattarai等[18]则表明以腰段症状起病的ALS患者比以颈段症状起病的ALS患者更容易受到运动皮质铁代谢紊乱的影响。在诊断及鉴别诊断方面,Conte等[12]对受试者的MRI检查结果进行了运动皮质敏感性(MCS)评分发现,有UMN损害表现或无明显UMN或LMN损害表现的ALS疑诊患者,MCS的评估可作为辅助诊断的有用工具来鉴别类ALS综合征。

与ALS患者一致的是,在ALS相关小鼠模型中也观察到了铁沉积[22-23,25]。通过铁染色显示的铁聚集主要发生在腹侧的运动神经元,呈圆形的胞浆内包涵体,而背侧受累不明显,在小鼠的灰质和白质中的一些胶质细胞也呈现出铁染色阳性,弥漫于整个细胞体,并且在疾病的早期阶段就出现异常改变[22,25]。细胞内铁聚集可能与铁相关蛋白表达失调有关[22-23,25],包括二价金属蛋白1(DMT1)、转铁蛋白受体(TfR)、铁蛋白及铁转运蛋白等。这些蛋白参与了细胞内铁的摄入、储存、输出,从而维持铁稳态[37],而在神经变性的过程中伴随的炎症可能导致了这些异常改变[42]。Jeong等[22]认为,神经元和胶质细胞可能通过不同的机制来积聚铁:胶质细胞通过TfR和铁蛋白,而神经元通过DMT1和其他机制;除此之外,细胞内铁聚集可能与轴突运输中断、线粒体功能障碍有关。细胞内铁聚集会导致氧化应激损伤,胶质细胞内铁聚集会促进TNF-α的分泌[25,43],给予小鼠铁清除剂治疗后,小鼠发病延迟,ROS的产生减少,TNF-α的分泌下降,存活的运动神经元数量增加并且延长了生存期[22,25]。

1.3 骨骼肌中铁聚集 骨骼肌是机体内重要的代谢器官,能够产生肌肉因子,对包括神经组织在内的其他组织起到保护作用[26]。骨骼肌内铁沉积会引发氧化应激,进而促进肌肉生长抑素的合成,不仅直接影响骨骼肌的收缩功能,同时也会间接影响其支配的神经元,从而影响ALS的发生、发展[19,21]。与CNS内铁沉积类似,ALS骨骼肌内铁沉积也与铁相关调节蛋白的表达改变有关[19-20,27];Halon-Golabek等[24]的研究表明,Akt/FOXO3a信号通路的改变导致了ALS转基因动物模型骨骼肌内铁代谢紊乱,并且这些变化在肌肉萎缩之前就已经发生了。

2 铁死亡在ALS中的相关研究

维持正常的发育及组织稳态依赖于程序性细胞死亡,而铁死亡是一种铁依赖的程序性细胞死亡形式,最初是由Stockwell所命名。与凋亡不同,铁死亡以膜脂质过氧化、线粒体萎缩等为特征[3],可以导致细胞内促炎相关物质释放,进而激活免疫系统,进一步加剧组织损伤[44]。运动神经元选择性死亡是ALS的典型特征,而小胶质细胞介导的炎症作为一种非细胞自主机制加速了疾病进展[45]。现有研究[29-36]表明,铁死亡参与了ALS的发病过程,导致运动神经元死亡,并且参与了小胶质细胞介导的炎症反应。

2.1 ALS中运动神经元与铁死亡 铁死亡由复杂的氧化和抗氧化途径所调节,氧化途径涉及铁代谢失调导致的细胞内铁聚集,进而产生过多的ROS以及脂质过氧化物的积累,而细胞最终发生铁死亡的主要原因是由于细胞内抗氧化途径的失活,特别是胱氨酸/谷氨酸逆向转运体-谷胱甘肽(GSH)-谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)抗氧化系统[46]。在ALS中,除了上文已提到的铁代谢异常及铁聚集外,GSH代谢异常[30]、GPX4的表达下降[31,34]和脂质过氧化物的积累[4,47-49]也有相关的文献报道。运动神经元选择性死亡是ALS的典型特征,但介导运动神经元死亡的主要机制目前仍然不清楚。现有研究[31,33-34]表明,不论是在ALS患者还是在小鼠模型脊髓中均表现出GPX4的表达下降,甚至在小鼠在无症状阶段就已经出现异常。Peng等[33]的研究表明,运动神经元中错误折叠的铜/锌超氧化物歧化酶1蛋白会激活髓过氧物酶/次氯酸途径,使得GPX4表达下降,促使运动神经元发生铁死亡。使用GPX4的抑制剂可以使运动神经元发生变性、死亡[29-30,32];而过表达GPX4可以显著延迟小鼠发病,改善运动功能,延长生存期[31,34]。这些研究均提示针对铁死亡的治疗干预手段对于提高运动神经元的存活至关重要,也为未来的治疗研究提供新的方向。

2.2 ALS中小胶质细胞与铁死亡 小胶质细胞是CNS内的主要免疫细胞,在保护神经元免受感染或损伤以及突触调节方面起着关键的作用。简单来说,小胶质细胞在应对不同刺激时可极化为M1或M2表型,分别对神经元起到有害或是保护作用[50]。越来越多的证据表明,ALS运动神经元的死亡是一种非细胞自主事件,其中小胶质细胞介导的炎症反应会加速疾病的进展[51-52],并且小胶质细胞本身也可以通过释放谷氨酸从而直接导致ALS相关的兴奋性毒性[36,43]。

系统Xc-是一种胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白,广泛分布于磷脂双层中,可以摄取细胞外的胱氨酸,用于细胞内GSH的合成,发挥抗氧化、抗铁死亡的作用,在此过程的同时将谷氨酸释放到细胞外[53]。Mesci等[36]的研究表明,在ALS中,系统Xc-的表达水平及其释放的谷氨酸水平依赖于小胶质细胞的激活状态,而系统Xc-的缺失不仅会减少谷氨酸的过度释放,还直接影响小胶质细胞M1/M2的激活状态,减少了促炎因子的分泌,促进了更多运动神经元的存活。因此,铁死亡过程在小胶质细胞与运动神经元中发挥的作用可能存在着差异。

与此类似,有研究[54-56]表明,M1、M2型的小胶质细胞对于铁死亡的敏感性不同,M1型小胶质细胞对于铁死亡更不敏感,其原因与M1型小胶质细胞高表达诱导型一氧化氮合酶有关[54]。基于此发现,Qu等[57]利用iNOS特异性抑制剂促进了M1型小胶质细胞发生铁死亡,进而减少M1型小胶质细胞数量,减轻了炎症反应。在ALS中,小胶质细胞的表型在疾病进展过程中会发生变化,由最初的保护性表型逐渐向毒性状态转变[50],因此在疾病的不同阶段产生不同的影响。利用小胶质细胞对于铁死亡的耐受性来调节小胶质细胞的功能活动可能为ALS的治疗提供新的思路。

3 总结

ALS是一种罕见的、进展的神经系统变性病,通常在出现症状后3～5年内死亡,目前尚无显著延长生存期的治疗方法。关于介导运动神经元选择性死亡的主要机制目前仍不清楚,铁聚集、铁死亡可能在运动神经元死亡中发挥着重要的作用。鉴于此,铁清除剂已在临床初步尝试,有待进一步评估和改进[58-59]。小胶质细胞是CNS内的主要免疫细胞,有免疫监视的功能。在ALS中,小胶质细胞的表型在疾病进展过程中会发生变化,在疾病不同阶段产生不同影响。铁聚集及铁死亡似乎在运动神经元及小胶质细胞内发挥着不同的作用,利用小胶质细胞本身铁死亡的耐受性来调节小胶质细胞的功能活动可能为ALS的治疗提供新的思路,值得进一步探讨。