铁死亡与糖尿病肾病关系的研究进展

关同娟 刘靖芳

1.兰州大学第一临床医学院，甘肃兰州 730000；2.兰州大学第一医院内分泌科，甘肃兰州 730000

糖尿病及其并发症是严重影响人类健康的一种慢性疾病。糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）是糖尿病最常见的微血管并发症之一，也是慢性肾病（chron ic kidney disease，CKD）及终末期肾病（end-stage renal disease，ESRD）的常见病因之一。据统计，全球糖尿病的患病率在20～79 岁人群中目前大约为10.5%，其中约40%的糖尿病患者患有DN[1]。DN 的发病机制非常复杂，包括葡萄糖代谢紊乱、氧化应激、晚期糖基化终末产物的形成、免疫炎症反应及线粒体损伤等。高血糖导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的过度积累，进一步引起氧化应激的持续激活，并抑制谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶的表达，导致脂质过氧化物积累和线粒体功能障碍。铁死亡是铁依赖性调节性细胞死亡的一种新形式，其特征性变化为铁过载、抗氧化能力的丧失和含磷脂的多不饱和脂肪酸的过氧化。最近的研究表明，在多种肾脏疾病中可观察到铁死亡现象，包括急性肾损伤、肾缺血再灌注损伤和DN 等[2-3]。本文就铁死亡在DN 发病中的作用和机制进行综述，为临床上DN的诊断和治疗探索新的治疗靶点和策略。

1 铁死亡的主要调控机制

铁死亡是一种铁依赖性的程序化细胞死亡形式，由Dixon 等[4]于2012 年提出。其在形态学和生化学上与细胞凋亡、坏死和自噬等细胞死亡类型不同。在形态学上，铁死亡会出现特征性的线粒体变化，例如线粒体收缩和线粒体外膜密度增加。铁死亡的本质是铁依赖性ROS 产生、氧化还原失衡导致细胞膜多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，该过程受以下多种细胞代谢途径及信号通路的调节[4]。

1.1 铁代谢途径与铁死亡

铁是维持生命活动非常重要的微量元素之一，细胞铁稳态的维持与铁的吸收、储存、循环和利用密切相关。人体每天从饮食中吸收1～2 mg 铁，饮食中的铁在小肠刷状缘上细胞色素b 的帮助下被还原为具有催化活性的亚铁，然后在二价金属转运体1 的调节下进入肠上皮细胞。在细胞质中亚铁离子（Fe2+）可储存在铁蛋白重链中，也可被铁转运蛋白调节排出到血浆中。输出的Fe2+在铁调素的帮助下被氧化为三价铁离子，并与转铁蛋白结合，启动铁循环。进入血浆中转铁蛋白结合铁通过细胞膜上的转铁蛋白受体1 进入细胞后被铁还原酶还原为Fe2+。Fe2+和过氧化氢通过芬顿反应产生ROS，生成的ROS 可将脂质氧化为脂质过氧化物。当细胞内的Fe2+过多时，加速细胞内ROS的形成，导致细胞内脂质过氧化物积累，诱导铁死亡。

1.2 与铁死亡相关的其他调控机制

生物体膜和细胞器膜均富含长链多不饱和脂肪酸，其在酰基辅酶A 合成酶长链家族成员4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）和脂氧合酶等一系列酶的作用下被转化为脂质过氧化物[5]。研究发现噻唑烷二酮能抑制谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）基因敲除的急性肾损伤小鼠ACSL4 高表达所导致的铁死亡，提高小鼠的存活率[6]。机体的抗氧化系统可清除脂质过氧化物，从而减轻铁死亡。与铁死亡密切相关的抗氧化系统为胱氨酸、谷氨酸反向转运体/谷胱甘肽（glutathione，GSH）/GPX4 轴。胱氨酸、谷氨酸反向转运体，又名Xc-系统，是由溶质载体家族7 成员11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和溶质转运蛋白家族3 成员2两个亚基组成的异二聚体，其活性亚基为SLC7A11。谷氨酸（glutamate，Glu）和胱氨酸（cystine，Cys）通过Xc-系统以相同比例进出细胞。GSH 是一种细胞内抗氧化剂，由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸结合形成。Cys为GSH 合成的重要原料，进入细胞影响GSH 的合成。GPX4 是体内还原过氧化磷脂所必需，也是铁死亡的关键上游负调节剂，其催化功能需要GSH 激活才能恢复其活性状态。GPX4 可将GSH 转化为谷胱甘肽二硫，并将细胞毒性脂质过氧化氢还原为相应的醇，从而抵御氧化损伤[7]。柳氮磺吡啶及索拉非尼可以抑制Xc-系统活性，干扰Cys 的吸收和GSH 的合成，导致GPX4 活性降低，细胞抗氧化能力下降，导致脂质ROS 积累增加，最终导致铁死亡[8]。

核因子红细胞2 相关因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2）是调节细胞氧化应激的关键转录因子，对细胞内氧化还原稳态的维持有重要影响。Nrf2 信号通路通过调节GSH 稳态、脂质代谢和线粒体功能参与铁死亡过程。研究表明，右美托咪定通过Nrf2 通路上调GPX4 的表达抑制铁死亡，从而改善糖尿病心肌病[9]。然而，另一项研究发现肿柄菊内酯C 通过激活Nrf2/血红素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）信号通路可诱导结直肠癌细胞铁死亡[10]。这些研究表明Nrf2 在铁死亡中具有双重作用。

除了上述这些直接参与铁死亡的酶和蛋白质外，一些抑癌基因及非编码RNA（non-coding RNA，ncRNAs）也参与铁死亡调控。p53 是一种抑癌蛋白，可通过调控SLC7A11 的表达来参与铁死亡的调节[11]。微小核糖核酸（microRNA，miRNA）和环状RNA（circular RNA，circRNA）均属于ncRNA。miRNA 可以通过干扰癌细胞中的脂质代谢调节铁死亡，也可以通过调节氨基酸代谢和干扰铁代谢来调节铁死亡。circRNA 是一种最近鉴定的内源性ncRNA，可通过肿瘤细胞中的miRNA 调节细胞铁死亡[12]。

2 铁死亡在糖尿病肾病中的作用和分子机制

DN 是糖尿病最常见的并发症之一，大约40%的2 型糖尿病患者患有DN，其患病率随着年龄的增长而增加，是ESRD 的主要原因[13]。DN 发病机制除血流动力学因素外，还包括高血糖引起的氧化应激、晚期糖基化终末产物的形成、自噬失调等，最终导致肾脏发生炎症和纤维化[14]。除细胞凋亡、坏死和自噬等细胞死亡外，研究表明，铁死亡与DN 的发生、发展也密切相关。Kim 等[15]在DN 患者的肾活检标本中观察到了铁死亡相关因子ACSL4、前列腺素内过氧化物合成酶2 水平显著升高，而GPX4 水平降低。同时，Li 等[16]在DN 的动物模型中也发现了铁死亡的参与，且在高糖培养的人肾近端小管细胞（human renal tubular epithelial cells，HK-2）中观察到铁死亡特异性的线粒体形态变化。

铁稳态平衡对于肾脏的正常功能至关重要。细胞铁积累是导致铁死亡的重要因素。在生理条件下，铁调节蛋白表达水平正常的人，肾脏铁积累不会发生。然而，对于DN 患者，其铁蛋白、铁运输蛋白的表达异常，导致肾小管中铁积累，从而诱发铁死亡。一项回顾性研究结果显示，与健康对照者比较，DN 患者的肾小管上皮细胞表现出较高浓度的铁沉积和转铁蛋白表达[17]。二价金属转运蛋白ZRT/IRT 样蛋白14（ZRT/IRT-like protein 14，ZIP14）是一种转运蛋白，可介导细胞对铁的摄取。Fei 等[18]在DN 动物模型中发现ZIP14 表达上调且Fe2+水平增加，GSH 降低和GPX4 表达下调，在铁死亡抑制剂处理后ZIP14 表达下调，Fe2+的水平降低，这表明ZIP14 参与DN 中铁死亡的启动。另外，已有研究证实低铁饮食可以减轻DN 大鼠的肾脏损伤[19]。以上研究提示铁积累导致的铁死亡可能参与了糖尿病的慢性肾脏损害，而低铁饮食可能减轻DN 的肾脏损伤。

Nrf2 信号通路及转化生长因子-β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）在DN 的发生、发展中也有非常重要的作用。Nrf2 信号通路可激活一种抗氧化机制，该机制在减少氧化应激和改善细胞死亡中起关键作用，因此可能在DN 中对肾脏提供保护作用。研究发现DN 小鼠Nrf2 蛋白表达降低，且在高糖情况下敲低HK-2 细胞中的Nrf2 表达，肾小管上皮细胞对铁死亡敏感性有所增强。而非诺贝特可以通过上调Nrf2 的表达从而使GPX4 和SLC7A11 表达上调，来减轻铁死亡对HK-2 细胞的损害，延缓糖尿病小鼠肾脏病理改变的进展[16]。然而，研究也发现Nrf2 介导的HO-1上调可促进血红素降解，导致游离铁释放和脂质过氧化，从而诱导铁死亡[20]。因此，Nrf2 的适当激活和持续激活之间的临界点需要大量的研究进一步证实，进而更好地指导DN 的预防和治疗。此外，研究发现在TGF-β1处理的肾小管上皮细胞中观察到GSH 和GPX4 表达水平显著降低，同时脂质过氧化明显增加，而铁死亡抑制剂可显著改善TGF-β1诱导的肾小管上皮细胞死亡，说明TGF-β1通过氧化应激可能导致铁死亡的发生，从而促进了DN 的发展[15]。

铁死亡除了与肾小管损伤有关，还可引起足细胞和系膜细胞损伤。肾小球滤过屏障功能高度依赖于足细胞，足细胞损伤常导致肾小球源型白蛋白尿。高浓度果糖可诱发伴有足细胞损伤和白蛋白尿相关的肾小球损伤。Wu 等[21]的研究发现，高浓度果糖喂养的大鼠肾小球足细胞中线粒体单链DNA 结合蛋白1（single-strand DNA-binding protein 1，SSBP1）表达上调，增强的SSBP1 可通过激活DNA 依赖性蛋白激酶以正向调节p53，促进p53 积累，从而下调SLC7A11 表达抑制系统-Xc 对cys 的摄取，从而影响GPX4 的活性，导致抗氧化能力降低，足细胞发生铁死亡和损伤，并进一步发现紫檀芪可抑制SSBP1 的过表达，从而减轻高浓度果糖导致的足细胞损伤，这可能为足细胞铁死亡提供潜在的治疗方法。此外，Jin 等[22]在DN小鼠中发现一种新型circRNA，mmu_circRNA_0000309，吉马酮可通过mmu_circRNA_0000309/miR-188-3p/GPX4信号轴上调GPX4 表达，增强抗氧化能力，进而抑制线粒体损伤和足细胞死亡，改善DN 小鼠的肾脏损伤。

DN 患者处于长期慢性高血糖状态，其可促进细胞外基质过多的积累和系膜细胞自限性增殖，导致基底膜增厚和系膜扩张[23]。研究发现高迁移率族蛋白B1（high-mobility group box-1，HMGB1）在DN 患者和体外系膜细胞中可被高糖所激活，而HMGB1 的敲除可促进Nrf2 表达，进而抑制ROS 的产生，降低ACSL4并增加系膜细胞中的GPX4 水平，提示HMGB1 在系膜细胞中可通过Nrf2 通路调节高糖诱导的铁死亡[24]。以上研究说明，铁死亡与肾小球足细胞及系膜细胞的损伤密切相关，需要更多的研究来发现铁死亡与足细胞及系膜细胞损伤的机制，开发靶向治疗足细胞及系膜细胞损伤的新药对DN 的治疗是非常有前途的。

3 铁死亡抑制剂对糖尿病肾病的影响

通过铁死亡与DN 之间的病理生理联系说明铁死亡抑制剂可治疗DN。调控铁死亡可能是未来治疗DN 的一个新的方向和靶点。近年来，已经研究出一些通过调节铁死亡主要信号通路来抑制铁死亡的制剂，包括抗氧化剂、ACSL4 抑制剂、钠-葡萄糖协同转运蛋白2（sodium-dependent glucose transporters 2，SGLT-2）抑制剂及一些天然中草药提取物等。

3.1 抗氧化剂

抗氧化剂包括维生素E、N-乙酰半胱氨酸（Nacetylcysteine，NAC）、铁抑素-1（ferrostatin-1，Fer-1）和利普司他汀-1（Lipstatin-1，Lip-1）等，可通过不同的途径减少脂质过氧化，抑制铁死亡，从而对肾脏具有保护作用。

维生素E 被广泛认为是最重要的保护生物膜的抗氧化剂，可有效地清除铁死亡过程中产生过氧自由基，抑制脂质过氧化物的形成。一项前瞻性的临床研究已证明补充富含生育三烯酚的维生素E 可改善DN 患者的肾功能，延缓DN 进展[25]。

NAC 是一种具有硫醇基团的抗氧化剂，其为L-半胱氨酸的前体。研究表明，NAC 通过增强线粒体GSH的活性来维持线粒体氧化还原稳态，减轻了线粒体氧化损伤，从而减轻DN 中的铁死亡，成为治疗DN 的有潜力的候选药物[26]。

Fer-1 是一种常见的铁死亡抑制剂，其不仅可以清除亲脂性过氧自由基，且可通过上调GPX4 和Nrf2的表达从而抑制铁死亡[27]。Li 等[16]研究发现Fer-1 处理后的DN 小鼠肾脏抗氧化能力增强，铁沉积和脂质过氧化产物减少，减轻了DN 小鼠的肾脏损伤。

肾纤维化是CKD 最终导致ESRD 的常见途径。最近的一项研究表明，Lip-1 降低了HK-2 细胞中的铁含量并抑制了脂质过氧化和促纤维化因子的分泌，从而减轻肾小管上皮细胞中的铁死亡来缓解肾纤维化，延缓CKD 的进展[28]。

3.2 ACSL4 抑制剂及SGLT-2 抑制剂

一些降糖药物也可通过调节铁死亡的信号通路抑制铁死亡进而改善肾脏的损伤，如罗格列酮及达格列净等。罗格列酮通过抑制ACSL4 表达，阻断长链不饱和脂肪酸活化和磷脂化过程，减少脂质过氧化，抑制铁死亡，减少肾损伤，提高了肾功能[2]。溶质载体家族40 成员1（solute carrier family 40 member 1，SLC40A1）是一种铁输出蛋白，抑制SLC40A1 表达导致铁过载可诱导铁死亡的发生。研究表明，SGLT-2 抑制剂达格列净不仅可以减少肾小管对葡萄糖的重吸收，而且可通过稳定SLC40A1，减少其泛素化降解，抑制铁死亡来改善DN 小鼠的肾脏损伤[29]。

3.3 天然中草药

最近研究发现天然中草药提取物可抑制铁死亡，从而改善糖尿病的肾损伤。光甘草定（glabridin，Glab）是甘草的一种生物活性成分。Glab 干预可使DN 大鼠肾脏的GPX4 和SLC7A11 的表达上调，抑制DN 中的氧化应激和铁死亡，减轻了DN 的肾脏损伤[30]。桔梗素（platycodin D，PD）是从桔梗的干燥根中提取得到的，具有抗炎、抗肿瘤、抗衰老的作用。Huang 等[31]的研究发现PD 可通过上调GPX4 表达水平进而抑制肾小管上皮细胞铁死亡，表明PD 可能是DN 治疗的有效药物。

铁死亡是一种新型的铁依赖性的细胞程序性死亡，其特征是铁依赖性ROS 生成、氧化还原失衡、脂质过氧化物蓄积。铁死亡可导致肾脏肾小管、系膜细胞和足细胞的损伤，与DN 的发生和发展密切相关。目前DN 的治疗主要以降低血压和减轻蛋白尿为核心，而以铁代谢紊乱和脂质过氧化为核心的铁死亡机制已经为DN 的治疗提供了新的思路。未来的研究将会进一步探索铁死亡的全过程，揭示铁死亡的特异性生物学标志物，研发更多特异性和稳定性相对较高的铁死亡抑制药物，对DN 的治疗产生深远的影响。

利益冲突声明：本文所有作者均声明不存在利益冲突。