铁死亡在糖尿病心肾并发症中的作用研究进展

石彤彤 郭志新

糖尿病(diabetes mellitus,DM) 是21世纪全球最常见的慢性疾病之一,由于糖尿病管理的进步以及预期寿命的延长,糖尿病相关慢性并发症如糖尿病心血管疾病和糖尿病肾脏疾病因其高患病率、高医疗成本和高病死率在国内获得更多关注。铁死亡是一种由脂质过氧化介导的铁依赖性的新型细胞死亡模式,其实质是细胞内脂质氧化物代谢障碍,随着对糖尿病发病机制的不断深入探索,铁死亡机制被证实参与糖尿病的发生、发展。β细胞功能缺失是引起1型糖尿病与2型糖尿病进展的关键机制,目前,细胞和动物实验都表明,铁死亡促进胰岛β细胞损伤[1, 2]。在此,本文就铁死亡及相关抑制剂在糖尿病心肾并发症中的作用进行总结。

一、铁死亡概述

铁死亡的发生伴随着特定的脂质过氧化和阻止过氧化脂质积累的天然防御机制受损。该过程依赖于过渡金属铁、活性氧(reactive oxygen species,ROS)积累,含有多不饱和脂肪酸链的磷脂(PUFA-PE)以及抗氧化体系表达的减弱:主要包括胱氨酸/谷氨酸反向转运体(xCT)、谷胱甘肽(glutathione,r-glutamyl cysteingl +glycine,GSH)、谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)。

正常情况下,进入循环的铁以Fe3+的形式与转铁蛋白(tansferin,Tf)结合,运输至各组织器官。随后被金属还原酶还原为Fe2+,通过二价金属转运蛋白1释放到细胞质中的不稳定铁池。细胞内的铁输出主要是由铁转运蛋白介导。铁蛋白吞噬控制铁蛋白的水平并进一步的调节Fe2+的丰度调控细胞铁死亡[3]。当Fe2+过量时,通过芬顿反应产生大量的ROS和羟自由基,诱发细胞膜发生铁死亡[4]。因此体内铁摄入、储存、利用和流出的不平衡影响细胞对铁死亡的敏感度。

特定膜脂的过氧化作用驱动铁死亡的发展。酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(LPCAT3)参与活化和整合多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)形成PUFA-PE,能量应激通过激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine activated protein kinase,AMPK)以及控制乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)限制PUFA生物合成。在不稳定铁池或脂氧合酶、细胞色素p450氧化还原酶的作用下,PE-PUFA氧化为磷脂氢过氧化物(PLOOHs,一种基于ROS的脂质形式),其生成和累积导致膜结构发生快速且不可修复的损伤,这种连锁反应进而引起细胞死亡[5]。

铁死亡通过抑制依赖GPX4的经典调控机制和GPX4非依赖性途径完成。GPX4是一种硒蛋白,是哺乳动物细胞中催化PLOOHs还原的主要酶。GSH是GPX4的必要辅助因子,由谷氨酸、甘氨酸和半胱氨酸3个亚基组成,半胱氨酸是GSH生物合成中的限速底物。半胱氨酸可以通过xCT(含有SLC7A11和SLC3A2亚单位的跨膜蛋白复合物)被氧化并从环境中吸收,或通过蛋氨酸和葡萄糖的转硫途径合成。研究筛选发现,Erastin和RSL3两类化合物分别通过抑制xCT阻止胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)的摄取导致半胱氨酸生产减少、GSH消耗和直接抑制GPX4活性触发铁死亡的发生,而且在GPX4条件性敲除的小鼠中观察到脂质过氧化和随后的铁死亡,充分证实GPX4是铁死亡的关键调节因子[6, 7]。除了GPX4依赖系统,铁死亡抑制蛋白1(FSP1)/辅酶Q10(CoQ10)、环GTP水解酶-1 (GCH1)/四氢生物蝶呤(BH4)、吲哚-3-丙酮酸等也参与铁死亡调控。具有泛醌氧化还原酶活性的FSP1通过还原CoQ10能够直接减少脂质自由基,终止脂质自氧化反应[8]。GCH1及其代谢衍生物BH4/BH2引起脂质重塑,通过其抗氧化作用来保护细胞免于铁死亡,并且完全独立于GPX4介导的铁死亡保护[9]。氨基酸氧化酶白细胞介素4诱导因子1产生的代谢物吲哚-3-丙酮酸通过直接清除自由基和激活抗氧化基因表达程序两种模式来对抗铁死亡[10]。

二、铁死亡与糖尿病

DM是一种由遗传因素和环境因素长期共同作用所致的慢性、全身性、代谢性、进展性疾病,其主要病理特征是胰腺β细胞衰竭和胰岛素抵抗。值得注意的是,由于胰腺中ROS的高内源性产生和抗氧化酶的低表达,β细胞极易受到氧化应激的影响[11]。研究发现,铁死亡诱导剂会损害体外人类胰岛细胞的活力和功能,包括胰岛β细胞,且在铁死亡抑制剂的作用下有所恢复[12]。

独立于促炎性细胞因子所致的细胞死亡,高糖刺激下铁沉积、ROS/脂质ROS过量产生、GPX4轴紊乱促进β细胞铁死亡,进而参与膜完整性的破坏导致胰岛素分泌功能障碍[2]。体内铁代谢与糖尿病进展有关,将体内铁含量降低至适当水平可以改善糖尿病的状况和发展[13]。在糖尿病细胞及动物模型中均观察到ROS/脂质ROS表达量的增加,还发现细胞活力的降低和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、GSH、GPX4等抗氧化防御活性的变化[14]。Li等[14]研究结果支持槲皮素对长期糖毒性胰腺β细胞死亡的保护作用,该机制与铁代谢、GSH消耗、GPX4失活和脂质过氧化有关。可见铁死亡促进了胰腺β细胞的减少及胰岛素分泌功能障碍,对与铁死亡有关的因素进行监测与控制,可能对糖尿病及其并发症早期诊治有一定帮助。

三、铁死亡与糖尿病心肌病

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)作为糖尿病最常见的心血管并发症,逐步成为糖尿病患者死亡的主要原因之一。DCM在早期通常以心肌纤维化、左心室肥大、不良重构和舒张功能障碍为特征,晚期退化为收缩功能障碍和射血分数降低,最终导致心力衰竭。有研究表明,铁死亡参与糖尿病心肌缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury,IRI)的过程[15]。Li等[16]研究发现,在糖尿病心肌中铁死亡与内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)之间存在着功能偶合,ROS和ERS相互关联触发铁死亡,进一步导致IRI的发生,体内外实验结果显示铁死亡抑制剂ferrostatin-1(Fer-1)能降低ERS和心肌损伤,反之铁死亡激动剂Erastin的应用加重该损伤。棕榈酸 (palmitic acid,PA) 诱导的心肌损伤被认为是肥胖和2型糖尿病相关心肌病发展的关键因素。Wang等[17]研究发现,热休克因子1(HSF1)负调控PA诱导的细胞死亡和脂质过氧化,与HSF1+/+小鼠比较,PA攻击的HSF1-/-小鼠通过增加SLC40A1和FTH1 mRNA 表达、降低GPX4和铁转运蛋白受体(TFRC)表达以及强化心脏中的ERS等方式呈现更为严重的铁死亡现象。

表观遗传学中DNA甲基化和非编码RNA(ncRNA)的研究使我们对糖尿病的发病机制和相关并发症有新的认识。在糖尿病IRI期间抑制DNA (胞嘧啶-5)-甲基转移酶1 (DNMT-1) 可降低核受体辅激活因子4 (NCOA4) 介导的铁蛋白吞噬减轻细胞损伤程度[18]。Ni等[19]研究发现,抑制lncRNA-ZFAS1可能通过海绵化miR-150-5p激活细胞周期蛋白D2(CCND2)来减弱心肌细胞铁死亡,从而缓解DCM心肌纤维化和心脏功能。由此可见,这些发现均强烈表明铁死亡在DCM中起着至关重要的作用,抑制铁死亡可对抗DCM改善其病理改变和心脏功能。

四、铁死亡与糖尿病肾脏疾病

糖尿病肾脏疾病(diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病严重的微血管并发症,是终末期肾病的主要原因。高血糖、氧化应激、持续性慢性炎症、晚期糖基化终产物积累、脂质代谢紊乱和诱导的异常过程影响多个肾细胞,导致不同的调节细胞死亡模式,引起肾脏结构和功能的破坏。铁死亡被证实与DKD息息相关。Wang等[20]在DKD小鼠模型中发现GPX4表达水平降低,ACSL4表达水平升高、脂质过氧化产物和铁含量增加。Kim等[21]从人体水平揭示铁死亡与DKD的关联,他们了评估DKD患者肾活检组织中铁死亡相关分子的变化,发现SLC7A11和GPX4 mRNA表达的减低。

目前研究普遍认为,肾小球是DKD的主要损伤部位,系膜细胞和足细胞功能障碍是糖尿病介导的肾组织破坏的重要病理事件。一项研究结果显示,在DKD患者中观察到血清铁蛋白、乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)、ROS和高迁移率族蛋白1(high mobility group protein 1,HMGB1)水平显著升高及铁死亡相关分子的失调;经过体外测定表明高糖介导的HMGB1在系膜细胞中易位并通过核因子E2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信号调节铁死亡,敲除HMGB1可恢复细胞增殖、抑制高糖诱导的Toll样受体4(TLR4)/核因子κB(NF-κB)轴激活、促进Nrf2及其下游靶点的表达对抗铁死亡,并减少暴露于高葡萄糖的系膜细胞中的促炎性细胞因子[22]。过氧化物酶6(PRDX6)是铁死亡的负调节因子。转录因子特异性蛋白1(specificity protein 1,Sp1)可与PRDX6启动子中的3个Sp1反应元件结合调节转录激活PRDX6,PRDX6过表达抑制HG诱导的足细胞氧化应激和铁死亡,沉默Sp1则逆转了PRDX6对HG环境下足细胞功能的影响,STZ诱导的DKD小鼠的体内研究同样验证了PRDX6在DKD中的保护作用[23]。

此外,肾小管细胞铁死亡也参与DKD的发生、发展。Feng等[24]研究已表明,铁死亡可能通过缺氧诱导因子1α(HIF-1α)/血红素加氧酶(HO-1)途径影响DKD的进展并损伤肾小管。Kim等[21]研究发现,转化生长因子β1(TGF-β1)刺激的肾小管细胞和糖尿病小鼠的肾脏中GSH水平显著降低,同时伴随着xCT和GPX4表达降低以及脂质过氧化的显著增加。使用Fer-1处理可以明显改善上述变化及减轻糖尿病小鼠的肾脏病理损伤。总之,铁死亡通过足细胞、系膜细胞和肾小管细胞中的多种机制促进 DKD。深入研究铁死亡的病理机制,有助于及时、合理地通过靶向铁死亡防治DKD。

五、糖尿病及心肾并发症中的铁死亡抑制剂

随着铁死亡机制探索的不断深入,目前已发现多种铁死亡特异性抑制剂,如Fer-1、去铁胺、维生素E等。糖尿病及并发症中的铁死亡抑制亦有较多研究报道。研究显示,某些药物可抑制铁死亡继而有利于糖尿病及并发症的治疗。非诺贝特作为第3代贝特酸衍生物被广泛应用于治疗血脂异常的患者,可通过上调Nrf2基因恢复铁死亡相关改变,延缓DKD的进展[25]。罗格列酮是最强的ACSL4抑制剂,通过维持肾功能和通过阻断肾小管细胞铁死亡来抑制促炎性细胞因子的产生来改善DKD[26]。达格列净是临床上用于治疗糖尿病的降糖药物之一,其主要功能是通过钠-葡萄糖协同转运蛋白2减少近端小管中的葡萄糖重吸收。近年来研究发现,达格列净和SLC40A1相互结合减少泛素化降解,通过稳定SLC40A1缓解糖尿病肾小管铁死亡[27]。

从天然产物中提取的一些化合物已被开发用来保护细胞免受铁死亡的侵害。前文提到槲皮素通过抑制胰腺铁沉积和胰腺β细胞铁死亡对T2DM发挥有益作用[14]。Zhou等[28]研究发现,隐绿原酸也可通过激活胱氨酸/xCT/Gpx4/Nrf2和抑制糖尿病中的核受体辅激活因子4来削弱铁死亡而保护糖尿病β细胞功能。姜黄素是从姜黄植物的根茎中提取的一种多酚类化合物,具有广泛的生物活性,可促进Nrf2核易位,增加血红素加氧酶等氧化清除因子表达,减少Gpx4过度丢失,抑制糖诱导心肌细胞铁死亡[29]。来源于黄连根茎中的小檗碱可能介导Nrf2/HO-1/Gpx4通路调节DKD足细胞中铁死亡相关蛋白水平缓解足细胞质膜和线粒体改变[30]。这类天然产物拥有潜在的抗铁死亡特性,但该类化合物的作用靶点和临床试验有待进一步研究讨论。

综上所述,糖尿病可通过调控铁代谢、抗氧化系统和脂质氧化途径3个方面诱导靶细胞发生铁死亡,而铁死亡的发生加剧糖尿病及并发症损害。研究已经证实,糖尿病及心肾并发症和铁死亡之间存在关联。尽管对铁死亡的研究还不够深入,其在糖尿病及糖尿病并发症的具体作用机制还有待于进一步探讨,但是铁死亡这一潜在的糖尿病治疗靶点或许会给临床防治工作带来新思路。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。