铁死亡在糖尿病肾病中的研究进展

蔡荣丹 刘建帅 冯俊霞 张云芳 刘云启 王雅宁

1滨州医学院附属医院肾内科，滨州 256600；2南方医科大学附属花都医院，广州 510800

糖尿病肾病（DKD）是糖尿病的微血管并发症之一，是全球范围内导致终末期肾病（ESRD）最常见的原因［1］。DKD的发病机制复杂，包括遗传、代谢、血流动力学改变等多方面因素［2］。铁死亡（ferroptosis）是一种以铁蓄积和脂质过氧化为特征的细胞死亡方式，最近研究表明，铁死亡与DKD相关，通过调节铁死亡可以干预DKD的发生发展［3］。本文将近年来铁死亡在DKD中的研究进展作一综述。

铁死亡的发现及特点

2012年，Dixon等［4］提出了铁死亡的概念，这是一种伴有大量脂质活性氧（ROS）生成的依赖铁的非凋亡性细胞死亡方式。铁死亡在形态学、生物学与细胞凋亡、坏死及自噬都不同，其形态学改变为细胞中的线粒体体积减小、双层膜密度增加、线粒体嵴减少或消失，但细胞膜完整、细胞核大小正常、染色质不凝聚，其生物化学特征为细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）活性降低，脂质过氧化物不能被GPX4催化的还原反应代谢，Fe2+以Fenton反应的方式氧化脂质，细胞内大量ROS生成［3-4］。

1.铁死亡的相关物质代谢

1.1.铁代谢 铁是一种重要的微量元素［5］，参与了人体内氧转运、能量代谢、酶活性调节等多种生理过程。循环中的铁与转铁蛋白（TF）结合后以Fe3+的形式存在，通过细胞膜上的转铁蛋白受体1（TFR1）转运到细胞内，存在于内涵体中。Fe3+可通过前列腺六次跨膜上皮抗原3（STEAP3）的铁还原酶还原为Fe2+，通过二价金属转运蛋白1（DMT1）释放到细胞质的可变铁池（LIP）中［6］。在LIP中的Fe2+可以直接参与Fenton反应，导致脂质过氧化。人体内没有清除铁的机制，一旦铁过载并超过细胞储存能力，Fenton反应将增强并消耗细胞的抗氧化能力，导致ROS蓄积，膜结构破坏、细胞死亡［7］。Yan等［8］研究表明，TFR表达增加及铁摄入增加，均可导致胶质瘤细胞发生铁死亡。Hou等［9］发现，成纤维细胞和癌细胞通过自噬降解细胞内铁蛋白，进而发生铁死亡。铁蛋白缺乏时，铁释放到LIP中增加［10］，导致ROS迅速蓄积［11］，细胞对铁死亡更敏感。

1.2.脂质代谢 铁死亡与脂质代谢密切相关。多不饱和脂肪酸（PUFAs）是细胞膜的组成部分，可调节炎症、免疫、细胞生长等多种生物学功能，但其容易成为ROS攻击的靶点［8］。游离PUFAs是合成脂质信号介质的底物，但它们必须酯化为膜磷脂并经过氧化才能成为铁死亡的信号［12］。Kagan等［13］通过生物学分析发现，酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱转移酶3（LPCAT3）是铁死亡过程中的关键酶，减少ACSL4和LPCAT3的表达可减少脂质过氧化物在细胞内积累，进而抑制铁死亡。Doll等［14］发现ACSL4基因敲除的细胞中花生四烯酸（AA）、肾上腺酸（AdA）合成减少。用GPX4的抑制剂RSL3刺激乳腺癌细胞后，ACSL4表达水平越高，细胞更易发生铁死亡。

1.3.氨基酸代谢 铁死亡过程也涉及氨基酸代谢。谷氨酸与胱氨酸通过Xc-以1∶1的比例在体内交换，Xc-将细胞内的谷氨酸转运到细胞外，同时将胞外的胱氨酸转运到细胞内，胱氨酸在细胞内还原为半胱氨酸［15］。在细胞内半胱氨酸-谷氨酸连接酶（GCL）和谷胱甘肽合成酶（GSS）催化下，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸合成GSH［16］。Badgley等［17］用erasin预处理小鼠胰腺导管癌细胞，发现细胞内半胱氨酸缺乏，导致GSH合成减少，细胞不能清除由Fenton反应和铁参与的其他过氧化反应产生的ROS，细胞对铁死亡敏感性增加。

2.铁死亡过程的调节因子

2.1.GPX4 GPX4属于GPX家族［18］。作为铁死亡过程中的主要调节因子，GPX4可以将过氧化氢物复合物还原为相应的产物，从而干扰脂质过氧化反应［19］。此外，GPX4还可将GSH转换为氧化型谷胱甘肽（GSSG），并将脂质过氧化物（L-OOH）转化为相应的醇（L-OH）。因此，GPX4失活会导致脂质过氧化，这也是铁死亡的一个标志［3］。Yang等［20］用RSL3刺激COH BR1乳腺癌细胞，发现7α-胆固醇过氧化氢物不能被还原，GPX4活性被抑制，细胞发生铁死亡，提示RSL3是一种铁死亡诱导剂，它可以抑制GPX4的活性，降低细胞的抗氧化能力而发生铁死亡。

2.2.Xc- Xc-是一种广泛分布于磷脂双层中的胱氨酸/谷氨酸逆向转运体［21］，是细胞内重要的抗氧化物质，是由溶质载体家族7成员11（SLC7A11）和溶质载体家族3成员2（SLC3A2）两个亚单位组成的异二聚体［3］。研究发现，p53激活会抑制肿瘤细胞内SLC7A11表达，导致Xc-摄取胱氨酸减少，GSH合成下降、GPX4的活性降低，细胞发生氧化损伤和铁死亡［22］。在Dixon等［4］的实验中，erasin被证明是一种铁死亡诱导剂，它与细胞内SLC7A5或SLC7A5/SLC3A2复合物结合可干扰胱氨酸的摄取，从而降低GSH水平，大量ROS产生，细胞发生铁死亡。

2.3.核因子E2相关因子2（Nrf2） Nrf2是一种转录因子［23］，参与了铁蛋白和膜铁转运蛋白（FPN）的转录，从而调节细胞内可变铁水平［24］。此外，GSH合成过程所需的酶GSS、GCL受Nrf2控制，许多利用GSH或还原型烟碱酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的氧化还原酶也是Nrf2的靶点［16］。Kerins和Ooi［24］发现，Nrf2通过增强GSH合成过程中的基因表达，增加细胞内GSH水平，使细胞不易发生铁死亡。Nrf2还促进SLC7A11的表达，增加细胞内半胱氨酸水平，促进细胞内GSH合成，因此推测Nrf2与铁死亡过程有关。Sun等［25］在肝癌细胞中发现Nrf2通过调节与铁代谢及与ROS产生有关的基因表达，比如醌氧化还原酶-1（NQO-1）、血红素加氧酶-1（HO-1）、重链铁蛋白1（FTH1），阻止肝癌细胞发生铁死亡。

DKD与铁死亡

1.肾脏与铁代谢

肾脏中的铁以转铁蛋白结合铁（TBI）和非转铁蛋白结合铁（NTBI）两种形式存在［26］。TFR1表达于肾皮质近端小管腔面、髓质集合管和远端小管的顶膜［27］。在生理条件下，TBI可以与TFR1结合后被近端小管上皮细胞摄取［5］。肾脏NTBI的摄取则依赖于肾小管上皮细胞的转运蛋白，如ZIP8、ZIP14 和 DMT1［28］。Fujishiro 等［29］在小鼠体内发现DMT1表达于肾脏皮质近端小管上皮细胞的腔面和刷状缘，参与了肾小管对铁的重吸收，肾脏内铁则通过近端小管上的FPN从细胞质内转运到细胞外［5］。

2.肾小管与铁死亡

近端小管富有线粒体、溶酶体等细胞器，是一种代谢旺盛、能量需求高的细胞。近年来研究发现糖尿病肾小管病变导致线粒体功能障碍，包括能量代谢、氧化应激、线粒体自噬等。在DKD早期，肾小管重吸收、糖异生等因素导致近端小管细胞缺氧、线粒体功能障碍，诱发和加重肾小管病变［30］。Wu 等［31］在 DKD 大鼠模型中检测到近端小管中ZIP14表达上调，并且发现高糖环境下人近端肾小管上皮HK2细胞内ZIP14水平增加，铁沉积增多，推测ZIP14可诱导近端小管上皮细胞发生铁死亡，加重糖尿病肾脏损伤。

Kim 等［32］用转化生长因子（TGF）-β1刺激大鼠NRK-52E肾小管上皮细胞，发现细胞内SLC7A11、GPX4表达下降，GSH浓度降低，细胞发生脂质过氧化。而铁抑素-1（Fer-1）处理上述NRK-52E细胞后，细胞内SLC7A11、GPX4、GSH浓度水平增加，铁水平降低，细胞不易发生铁死亡。Huang等［33］实验发现，在2型糖尿病小鼠模型中，肾小管细胞内GPX4、SLC7A11表达降低，且在电子显微镜下观察到小鼠肾脏组织线粒体膜破裂、线粒体嵴消失。而腹腔注射达格列净后，小鼠肾小管细胞内GPX4、SLC7A11表达增加，线粒体形态改变显著改善。由此推测，铁死亡在DKD肾小管损伤的进展中有重要的作用，达格列净、Fer-1可抑制铁死亡从而减轻肾小管损伤。

罗格列酮是一种ACSL4抑制剂，它可以与ACSL4发生反应减少膜磷脂的生成［34］。在链脲佐菌素（STZ）诱导的DKD小鼠模型中，肾小管ACSL4表达上调，GPX4表达下调，脂质过氧化产物和铁含量增加，而予以罗格列酮灌胃后，小鼠体内肾小管细胞铁死亡减轻。因此推测ACSL4为铁死亡的作用靶点，DKD的发病机制与铁死亡有关［35］。HO-1可将血红素降解为铁和胆绿素，体内HO-1蓄积可导致氧化应激［36］，且HO-1的表达受缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的调节［37］。Feng等［38］发现，糖尿病小鼠模型的肾小管HIF-1α和HO-1表达水平增高，HO-1可导致细胞内铁含量增加，肾小管发生氧化应激和脂质过氧化，造成铁死亡，而HIF-1α的表达上调可导致小鼠肾脏纤维化。这表明，铁死亡加重糖尿病肾小管损伤、加速肾脏纤维化，促进DKD的发展。向小鼠腹腔内注射Fer-1后发现肾小管中HIF-1α和HO-1水平下降，肾小管损伤和肾脏纤维化减轻，进一步表明脂质过氧化诱导的铁死亡参与了DKD发生发展，Fer-1可能改善这一进程。

3.肾小球与铁死亡

肾小球系膜扩张和足细胞丢失是DKD的重要特征［39］，DKD患者的大量蛋白尿与足细胞的功能和形态改变有关［40］。关锡梅等［41］发现，高糖诱导的肾小球MPC5足细胞GPX4表达降低、ACSL4表达增加、GSH耗竭、ROS水平升高，电子显微镜下观察到线粒体体积缩小，双层膜密度增加、线粒体嵴减少或消失，提示足细胞内存在铁死亡。将上述细胞用小檗碱（60 μmol/L）处理后，细胞内Nrf2、HO-1、GPX4蛋白表达增加，线粒体病变减轻，据此推测小檗碱可能通过Nrf2/HO-1/GPX4信号通路抑制足细胞铁死亡。

过氧化物酶原6（Prdx6）被认为是铁死亡的一种负调节因子［42］。Prdx6是一种含有半胱氨酸的过氧化物酶，它利用GSH作为还原剂参与氧化还原反应［43］。转录因子特异性蛋白1（Sp1）是锌指家族，研究已经确认Sp1可以直接与Prdx6启动子的GC盒结合，进而明显减轻氧化应激［43］。在高糖环境下，足细胞内铁蓄积，SLC7A11、GPX4及Prdx6、Sp1表达下调。而Prdx6过表达时MPC5足细胞内铁水平下降，SLC7A11、GPX4表达增加，推测Prdx6减轻高糖诱导的足细胞功能障碍，Sp1介导Prdx6表达上调可以减轻氧化应激和铁死亡［44］。

系膜细胞是一种特殊的平滑肌细胞，位于肾小球毛细血管之间。DKD的系膜细胞损伤以细胞凋亡增加、大量炎症因子产生和细胞外基质合成为特征［45］。高迁移率族蛋白1（HMGB1）是一种参与染色质重塑、DNA重组和修复过程的转录因子［46］。Wu等［47］通过培养系膜SV40-MES13细胞发现，HMGB1在肾小球系膜细胞中具有调节铁死亡的作用：抑制HMGB1表达可促进细胞增殖，减少ROS及ACSL4生成，提高系膜细胞的GPX4水平。此外，实验还观察到了Nrf2靶基因（NQO-1、HO-1）的下调，提示系膜细胞内HMGB1依赖于Nrf2信号通路调节铁死亡，阻断HMGB1可以预防DKD的发展。

小结与展望

目前，DKD的治疗包括改善不良生活方式、营养调整、控制蛋白尿和强化降糖等［48］。然而，现有治疗临床效益有限，许多患者仍将发展为ESRD，所以寻找新的干预途径对减缓DKD的进展至关重要。铁死亡是一种由铁离子、自由基及脂质过氧化物介导的非凋亡性程序性细胞死亡方式，目前肾脏疾病领域中绝大多数的铁死亡相关研究集中在急性肾损伤和肾细胞癌，随着对铁死亡在DKD研究的不断深入及其机制的阐明，未来将会对DKD的防治提供新的干预靶点。

作者贡献声明蔡荣丹：文献查阅、起草文章；刘建帅：资料整理；冯俊霞：获取研究经费、支持性贡献；张云芳：支持性贡献；刘云启：对文章的内容作批判性审阅；王雅宁：思路设计，对文章的内容作批评性审阅，获取研究经费，行政、技术或材料支持