铁死亡在不同肝脏疾病的研究进展

刘晓萍，毛德文，林玉培，廖莹莹，莫世聪，罗银冰，李飞燕

（1.广西中医药大学，广西 南宁 530001；2.广西中医药大学第一附属医院肝病科，广西 南宁 530023）

2015 年世界卫生组织发布的数据显示：亚太地区因肝病造成的死亡有628 444 例，占全部死亡人数的20.11%，肝病给亚太地区带来了巨大的健康挑战［1］。细胞死亡在推过各种形式肝病的进展中起着关键作用。细胞死亡是氧化组织损伤和器官功能障碍的关键致病过程，包括细胞凋亡、线粒体通透性转变驱动的坏死、坏死性凋亡、焦亡、铁死亡等形式。其中，铁死亡是近年来提出的一种新型细胞死亡形式，其特征是自由基产生、脂肪酸供应和脂质过氧化物累积［2］。随着对铁死亡认识的加深，发现其在许多疾病的发生和发展中起着重要的调节作用，包括肿瘤、神经系统疾病、缺血再灌注损伤、肝损伤、急性和慢性肾脏疾病［3］，为治疗这些疾病提供了新的线索。各种肝病的进展通常伴随肝细胞死亡，作为一种新型细胞死亡形式的铁死亡，被越来越多的证据证明，其与不同类型的肝病之间存在关联［4］，故通过了解铁死亡在肝脏疾病中的病理生理过程，与铁死亡相关的靶点和药物将有望为肝脏疾病的诊断、治疗和预后提供一种新的治疗策略。因此，本文将简要介绍铁死亡的概念和机制，并总结铁死亡在不同肝脏疾病中的作用，以期为其提供新的研究方向和新的治疗策略。

1 铁死亡的概念和机制

铁死亡是一种新发现的铁依赖性、非凋亡细胞死亡的形式，在细胞死亡过程中通常伴有过量铁积累和脂质过氧化，在形态学、生物学和遗传学上都不同于各种形式的坏死和自噬的细胞死亡模式。在形态学上，表现为线粒体形态的独特性：线粒体体积减小、双层膜密度增加及线粒体嵴减少或消失［5］。在生物学上，细胞内谷胱甘肽（GSH）耗竭和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）活性降低，脂质过氧化物不能通过GPX4 催化的还原反应代谢，并且Fe2+以芬顿样方式氧化脂质，产生大量脂质活性氧（ROS），促进铁死亡［6］。与其他细胞死亡的形式相比，独特的遗传网络控制着erastin 诱导的细胞死亡。HT-1080 和Calu-1 细胞中的-RPL8（核糖体蛋白L8）、IREB2（铁反应元件结合蛋白2）、ATP5G3（ATP 合 酶F0复 合 物 亚 基C3）、CS（柠 檬 酸 盐 合酶）、TTC35（四三肽重复结合域35）和ACSF2（酰基辅酶A 合成酶家族成员2）六个基因调控了erastin 诱导的铁死亡［7］。

铁死亡的主要调节机制有3 种［6，8，9］：（1）系统Xc--GSH-GPX4 途径：erastin、柳氮磺嘧啶通过阻断胱氨酸-谷氨酸反向转运蛋白（即system Xc--）的功能，抑制胱氨酸输入导致GSH 消耗，从而降低细胞的抗氧化能力并使Gpx4 失活，导致ROS 的产生，从而诱导细胞死亡。（2）P53 相关途径：一方面， P53 通过抑制SLC7A11 和CBS（L-丝氨酸水解酶）来下调胱氨酸摄取，从而限制细胞内GSH 的合成，使Gpx4 失活，导致ROS 的产生，最终导致铁死亡。另一方面，P53 可以通过减少SLC12A7 来促进ALOX11 释放，进而引起脂质过氧化。（3）铁代谢途径：过量的细胞铁通过芬顿反应产生的羟基自由基会导致ROS 的产生促进脂质过氧化，从而引发铁死亡。无论途径如何，其最终效果都是降低细胞的抗氧化能力并促进脂质过氧化反应，从而导致铁死亡。

2 铁死亡在肝脏疾病中的作用

铁死亡是许多肝脏疾病的普遍病理特征，在肝脏疾病的发生、发展中起着重要的调节作用。一方面，铁死亡会诱导大多数肝脏疾病的进展，如病毒性肝炎、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病、自身免疫性肝炎、肝衰竭。另一方面，铁死亡能够抑制肝纤维化和肝细胞癌的进展。

2.1 病毒性肝炎

长期以来，人们一直认为过量的铁蓄积可能通过诱导氧化应激导致肝损伤。慢性丙型肝炎（CHC）常与血清铁和肝铁储备升高有关，早期研究证实了CHC 患者铁调素（参与细胞释放铁）水平降低，导致十二指肠中铁转运蛋白-1（Fpn1）水平升高，而使血清铁水平升高［10］。在D-GalN 诱导的肝损伤小鼠模型中，证明了乙型肝炎病毒相关重症肝病中的一种必须调节蛋白HBV X 蛋白（HBx）可通过抑制溶质载体家族7 成员11（SLC7A11）诱导脂质过氧化，触发铁死亡［11］。最近研究数据表明人甲型肝炎病毒3C 蛋白酶（3Cpro）诱导的细胞死亡与铁死亡的脂质过氧化有关。而且铁死亡抑制剂铁抑素-1（Fer1）能有效阻断3Cpro 诱导的细胞死亡。尽管这项研究的数据不足以确定3Cpro 作为铁死亡诱导剂的生物学作用，但这可以扩展对铁死亡的机制和生物学作用的了解［12］。可见，阻止病毒性肝炎中的肝死亡可能是预防疾病进一步发展的可行策略；但关于转运蛋白、蛋白酶在机体中参与铁死亡的具体表达仍认识不足。

2.2 酒精性肝病

酒精性肝病（ALD）是一种酒精导致的肝损伤，包括一系列肝脏疾病，从脂肪变性、脂肪性肝炎、纤维化、肝硬化到肝细胞癌、肝衰竭的演变。一方面，酒精会诱导肝脏中铁的过度积累，另一方面，酒精代谢产生大量乙醇，降低线粒体中抗氧化剂GSH 的水平，增加ROS 的产生，导致肝细胞脂质过氧化，两者的综合效应加速肝损伤，从而引发铁死亡［13］。同时，在大量的动物验中，观测到抑制铁死亡信号传导可减轻酒精性肝病的肝损伤。Strtuin1（SIRT1）与酒精性脂肪性肝病的发病机制有关，在肠道SIRT1 缺乏症的小鼠模型中观察到铁积累水平降低，增强GSH 水平，提高NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）/NADPH9（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）含量，减弱脂质过氧化，以减轻铁死亡来减轻乙醇所致肝损伤［14］。高剂量岩藻依聚糖增高了铁调素水平，抑制铁调素-肠道二价金属转运蛋白1（DMT1）/FPN1对铁的吸收，来抑制铁负荷，并通过上调大鼠p62/Nrf2/SLC7A11 通路，减轻了酒精暴露引起的氧化应激，增加了GSH 水平，减弱脂质积累来改善酒精引起的肝过载和铁死亡［15］。综上，铁调素、铁死亡抑制剂可能成为减少酒精性肝病患者铁负荷和脂质过氧化的治疗方法。

2.3 非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是最常见的肝脏疾病，从简单的脂肪变性到严重的脂肪性肝炎、肝纤维化。非酒精性脂肪性肝炎（NASH）是NAFLD 的一种严重形式，其特征是脂肪变性和小叶炎症［16］。大量数据证实了铁超负荷与NASH 相关。一项NASH 小鼠模型实验发现铁死亡抑制剂Trolox 和DFP 几乎完全抑制坏死细胞死亡、炎症细胞浸润和炎性细胞因子表达，即铁死亡是引发脂肪性肝炎的触发因素［17］。铁死亡参与了NASH 相关肝细胞损伤和病理过程，研究发现铁死亡诱导剂RSL-3 使NASH 小鼠的肝铁水平显著增高，GSH 水平和GPX4 肝脏表达降低，加剧脂肪变性和小叶炎症，而用亚硒酸钠（一种GPX4 激活剂）处理的小鼠显示肝脏GPX4 增加，降低NASH 严重程度；铁死亡抑制剂Lip-1 能减弱NASH 相关的病理过程，包括减弱脂肪积累、炎症细胞因子水平、脂质过氧化［18］。因NASH 发病机制复杂，其药物治疗相对罕见，主要以生活方式干预为治疗手段。所以根据铁死亡在NASH 中的巨大研究潜力，靶向铁死亡可能成为未来治疗NASH 的新策略。

2.4 自身免疫性肝炎

自身免疫性肝炎（AIH）是一种肝组织学显示界面性肝炎的慢性炎症性疾病［19］。因GPX4 和GSH耗竭、脂质过氧化产物升高和铁代谢紊乱是铁死亡和炎症性疾病的共同特征，已在多种感染性和非感染性炎症性疾病中观察到铁死亡［20］，越来越多的研究发现铁死亡参与了AIH 的发展。在S100 诱导的AIH 小鼠模型中检测到了通过下调GPX4 引起了铁死亡，诱发肝脏炎症，而铁死亡抑制剂Fer1 通过抑制核因子E2 相关因子2（Nrf2）/血红素加氧酶-1（HO-1）途径介导的铁死亡来减轻肝损伤，保护肝脏结构［21］。在ConA 诱导的AIH 也存在GPX4 下调和铁死亡［22］。铁死亡是AIH 发病机制的关键，并且AIH 中铁死亡的发生受GPX4 的调节。除了传统铁死亡抑制剂，许多其他物质也能减弱AIH 中铁死亡。Caveolin-1 通过调节氮应激反应来抑制AIH 中的铁死亡［23］。人重组成纤维细胞生长因子（rFGF4）通过上调CISD3 水平及激活Nrf2/HO-1 信号通路来缓解肝细胞中的铁死亡［24］。因此，深入研究铁死亡在AIH 中的作用，有助于发现AIH 的致病机制和开发新的治疗方法。

2.5 肝衰竭

肝衰竭是一种导致合成、解毒、代谢和生物转化功能严重障碍或失代偿的严重肝细胞损害，根据起病特点和病情进展速度可分为急性肝衰竭（ALF）、亚急性肝衰竭、慢性急性（亚急性）肝衰竭（ACLF）和慢性肝衰竭［25］。肝移植是目前治疗肝衰竭最效的手段，但肝源稀缺加上移植后容易引起肝细胞死亡，导致肝移植失败，因此，寻找新的治疗方法去抑制肝细胞死亡，减轻肝脏损伤，可提高治疗存活率［26］。作为细胞死亡形式之一的铁死亡被证明是诱导肝衰竭时肝细胞死亡的原因。在对乙酰氨基酚（APAP）诱导的急性肝衰竭小鼠模型中观测到GPX4 耗竭和脂质过氧化，铁抑制剂抑制APAP诱导的肝毒性和脂质过氧化，证明了铁死亡是APAP 诱导体内肝衰竭的细胞死亡的初始和主要机制［27］。铁死亡也被证明参与ACLF 的发病机制，并通过激活Nrf2 介导的途径减轻脂质过氧化抑制铁死亡，恢复肝损伤［28］。许多物质被证明能通过抗铁死亡保护肝脏免受AIF 的影响。UT1（ALF 的治疗药物）通过SIRT1/Nrf2/HO-1 途径抗铁死亡和抗氧化作用保护肝脏免受APAP 诱导的急性肝损伤［29］。组蛋白H3 抗体通过NOD2 介导的HDAC6/NF-kb信号通路抑制ALF 小鼠铁死亡［30］。但是，也有研究者认为基于脂质过氧化导致的细胞死亡推断铁死亡引起APAP 肝毒性证据不足［31］。因此，尽管有大量文献证实了肝衰竭中存在铁死亡，但需要进一步的研究来确定铁死亡导致肝细胞损伤的具体靶点，才能为肝衰竭治疗提供新策略。

2.6 肝纤维化

肝纤维化是肝星状细胞（HSC）产生的胶原蛋白和其他细胞外基质（ECM）成分过度积累引起的肝脏损伤，是多种慢性肝脏疾病进展的结果，进一步发展会导致肝硬化，甚至肝细胞癌。抗肝纤维化治疗除了可以治疗原发病，也可以通过灭活HSC 来逆转或消除纤维化［32］。铁死亡在肝纤维化的发展中似乎起着双重的作用。一方面，肝损伤和纤维化的进展被认为与铁超负荷通过过度诱导脂质过氧化促进肝细胞铁死亡有关［33］。另一方面，可以通过调节铁死亡来抑制HSC 活化而减轻肝纤维化。铁死亡诱导剂erastin 通过诱导HSC 铁死亡来改善肝纤维化的病理损伤［34］。许多中药提取物显现出有效的抗纤维化作用。雷公藤中提取的一种三萜类化合物celastrol，通过抑制氧化还原蛋白家族成员（PRDXs）和HO-1，以促进ROS 的产生和诱导活化的HSC 中铁死亡来发挥抗纤维化作用［35］。从水果、蔬菜中分离出的鞣花酸（EA）通过诱导活化HSC 的铁死亡来损害铁转运蛋白附着蛋白受体（SNARE）复合物的形成，来减轻肝纤维化［36］。青蒿素的衍生物蒿甲醚（ART）可以通过促进HSC 中的铁积累来诱导铁死亡来发挥抗纤维化的作用［37］。原来越多的证据表明，诱导铁死亡成为治疗肝纤维化的新方向，新型铁死亡调节因子帮助更好的了解铁死亡和开发铁死亡相关疾病的治疗方法。但是，铁死亡在肝纤维化中的具体作用仍不够明确，需要更多的证据来证明铁死亡在肝纤维化中的诱导或抑制作用。

2.7 肝细胞癌

原发性肝癌是全球第6 大常见癌症和第3 大癌症死亡原因，其中肝细胞癌（HCC）约占75%～85%［38］，早、中期HCC 患者可通过手术切除、肝移植、射频消融、化疗栓塞来治疗，但晚期患者仅能选择六种获批的全身疗法，且因其耐药性严重，治疗效果不足，导致患者预后较差［39］。因此为肝癌患者找到新的更好的治疗方法很重要。越来越多的研究证实了铁死亡在杀死癌细胞和抑制癌症生长中的关键作用［40］。铁死亡诱导剂erastin 增加了铁和ROS 的积累，并抑制了HCC 细胞的增值和进展［41］。除了传统的铁死亡诱导剂，许多其他物质在诱导HCC 铁死亡的过程中发挥了重要作用。RNA 结合基序单链相互作用蛋白1（RBMS1）过表达下调了GPX4 水平，促进HCC 细胞中的铁死亡并抑制HCC细胞的增值［42］。最近发现了一种FSP1 抑制途径诱导铁死亡：铁死亡抑制蛋白1（FSP1）降低导致细胞内脂质过氧化积累，最终导致铁死亡诱导的HCC 细胞死亡；而FSP1 抑制剂iFSP1 治疗后降低了癌细胞抵消脂质过氧化的能力，诱导了癌细胞中的铁死亡并显著抑制了HCC 肿瘤的生长［43］。因此，区别于肝脏的其他疾病，铁死亡能够抑制肿瘤生长，为肝癌患者提供一种治疗耐药性的可行治疗策略。

3 结论

综上所述，作为一种新型细胞死亡形式的铁死亡，受到越来越多的关注，尽管铁死亡的生理功能仍模糊不清，但它在众多人类疾病中作用已被广泛记录，特别是在肝脏疾病中。过量的铁蓄积可能通过诱导氧化应激，触发肝细胞铁死亡，导致肝损伤，导致病毒性肝炎、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病、自身免疫性肝炎、肝衰竭等肝脏炎症的发生发展和肝纤维化。铁死亡抑制剂被证明可以阻断氧化应激，保护肝细胞。然而，在肝纤维化和HCC 的治疗中，发现了诱导铁死亡不仅没有加重病情，反而抑制了肝纤维化和肿瘤细胞的生长。可见，铁死亡不仅参与了各种肝脏疾病的发展和发生，而且能够抑制肝细胞损害。许多新型铁死亡调节因子被证实参与了铁死亡的调控，这将能够进一步了解铁死亡调节机制和靶向因子，为未来治疗肝脏疾病的新机制、新药物开发提供研究方向。但是，铁死亡的研究仍处于起步阶段，许多问题仍待解决。目前研究观察的指标是基于给药时引起疾病本身变化的临床指标，并没有特定的生物标志物来判断铁死亡。因此，需要进一步的研究来确认铁死亡对肝脏病理生理的影响，才能提出更有针对性的治疗方法。

作者贡献度说明：

刘晓萍：负责文献整理及分析，文章的写作；毛德文：项目（国家自然科学基金）负责人， 负责对文章进行审校；林玉培，廖莹莹：参与文献整理及分析；莫世聪，罗银冰，李飞燕：参与文献搜集与整理。

所有作者声明不存在利益冲突关系。