Nrf2抑制创伤性脑损伤后铁死亡的研究进展

【摘要】创伤性脑损伤（TBI）是全球范围内一个重要的健康问题。铁死亡是一种新近发现的细胞死亡方式，被证实参与TBI后继发性神经元死亡，可以导致TBI后神经退行性和神经功能障碍。核因子E2相关因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）不仅是抗铁死亡基因的重要转录调节因子，还是细胞抗氧化反应的关键调节因子，可通过缓解氧化应激反应和游离铁的积累来减轻创伤性脑损伤造成的神经损伤，从而抑制创伤性脑损伤后铁死亡。本文通过分析创伤性脑损伤、铁死亡和Nrf2三者之间的联系，就Nrf2对创伤性脑损伤后神经细胞铁死亡的保护作用作一综述。

【关键词】创伤性脑损伤；核因子E2相关因子2；铁死亡

Research progress of Nrf2 inhibiting ferroptosis after traumatic brain injury

LIANG Baiwei1， MA Zhuangzhuang1， ZHANG Mengzhu1， YAO Yewei1， YAN Baobao2

1.College of Basic Medicine and Forensic Medicine， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan 471023， China； 2.Baoding No.1 Central Hospital， Baoding， Hebei 071000， China

【Abstract】Traumatic brain injury （TBI） is an important health issue on a global scale.Ferroptosis is a newly discovered mode of cell death that has been confirmed to be involved in secondary neuronal death after TBI，which can lead to neurodegeneration and neurological dysfunction after TBI.Nuclear factor E2 related factor 2 （Nrf2） is not only an important transcriptional regulator of anti ferroptosis genes，but also a key regulator of cellular antioxidant response，which can alleviate nerve damage caused by traumatic brain injury by alleviating oxidative stress response and accumulation of free iron，thereby inhibiting ferroptosis after traumatic brain injury.This paper reviews the protective effect of Nrf2 on neuronal ferroptosis after traumatic brain injury by analyzing the relationship between traumatic brain injury，ferroptosis and Nrf2.

【Key Words】Traumatic brain injury； Nuclear factor E2 related factor 2； Ferroptosis

随着社会的进步，由于交通事故、意外跌倒、高处坠落等因素导致的TBI（创伤性脑损伤）也日益普遍。其高发病率、高致残率和高致死率给我国造成了巨大的社会压力，同时也成为世界亟待解决的医疗难题和公共卫生问题。铁死亡是一种铁依赖性、脂质过氧化驱动的细胞死亡级联反应。有研究表明[1]，铁死亡是连接中枢神经系统继发性损伤的关键点，在创伤性脑损伤中发挥着重要作用。Nrf2是细胞内氧化还原反应的主要调节因子，也是抗铁死亡基因的重要转录调节因子。有研究提示[2-3]，Nrf2能减轻TBI后的神经损伤，可能与调控铁死亡发挥抗氧化作用有关。本文以氧化应激切入，通过综述Nrf2、TBI与铁死亡三者之间的联系，深入探讨铁死亡对TBI的影响机制，阐述Nrf2对神经细胞TBI后铁死亡的保护作用。

1 铁死亡与创伤性脑损伤（TBI）

1.1铁死亡的定义与特点

铁死亡是一种由铁依赖性的磷脂过氧化驱动的细胞死亡方式，其特征包括形态学、生化、遗传水平的变化。在形态上，铁死亡细胞具有典型的坏死形态，包括线粒体缩小、嵴减少、细胞膜浓缩、细胞外膜破裂等，但细胞核变化不明显。在生化方面，铁死亡细胞丧失了谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）修复脂质过氧化物的能力，导致氧化还原活性铁的可用性增加，以及含有多不饱和脂肪酸的磷脂发生氧化。这些变化最终引发了致命的脂质氧化过程。至于遗传方面的调控机制，目前尚不完全清楚，但铁代谢异常、脂质过氧化物的积累以及GPX4的失活被认为是铁死亡的主要调控方式。

1.2铁死亡中的氧化应激

“氧化应激”是指当身体受到有害刺激时，体内的高活性分子如活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等自由基产生过多，导致氧化系统和抗氧化系统之间的平衡被破坏，进而引发组织损伤。氧化应激是导致脂质过氧化的主要机制之一，也是导致铁死亡的关键因素。目前的研究显示，铁死亡的发生可以通过胱氨酸/谷氨酸反向转运体（系统Xc-）进行调节。谷胱甘肽是体内一种重要的自由基清除剂和抗氧化剂，可分为还原型（GSH）与氧化型（GSSG），细胞内胱氨酸可以通过一系列生化反应转化为GSH，而GSH则能在GPX4的作用下转化为GSSG。同时，GPX4是一种氧化还原酶，不但可以通过降低脂质过氧化物的水平抑制铁质疏松；同时还可以在反应性醛（PUFAs-OOH）还原成醇形式（PUFAs-OH）中起着至关重要的作用，降低ROSs的含量。

ROSs是细胞中最常见的氧化剂，该物质的积累可导致氧化应激，诱导脂质过氧化；而脂质过氧化能进一步产生ROSs。铁离子可直接催化细胞质中自由基的形成，或通过芬顿反应产生ROSs，可见系统Xc-、铁离子等能促进ROSs增加，加重氧化应激，调节铁死亡。

1.3创伤性脑死亡的铁死亡发生机制

铁死亡发生有三条重要途径，分别是铁稳态失调、脂质过氧化及GSH耗竭。

1.3.1神经细胞的铁稳态失调

铁稳态是铁死亡的关键因素，已经在研究中得到证实。在正常生理条件下，循环铁以三价铁（Fe3+）的形式通过膜蛋白转铁蛋白受体1（TFR1）导入细胞，并在内体中定位。在内体中，Fe3+被还原为亚铁（Fe2+），并借由STEAP3还原酶的活性实现。最后，二价金属转运蛋白1（DMT1）介导Fe2+的释放，使其从内体进入细胞质中的不稳定铁池。而细胞质中铁池内的Fe2+受膜铁转运蛋白（FPN）、Poly C结合蛋白1/2（PCBP1/2）、线粒体等细胞器及血红素氧合酶-1（HO-1）的调节。当过量Fe2+存在时，芬顿反应会生成过量活性氧（ROS），对细胞造成损伤，甚至引发铁死亡。

1.3.2神经细胞的脂质过氧化

细胞脂质过氧化是铁死亡级联反应的关键过程，通常分为三个阶段：起始、放大和终止。起始阶段，RNS和RLS通过ROSs，从烯丙基碳中提取氢原子，形成脂质自由基（L）。扩增阶段，新形成的L与氧快速反应形成过氧自由基（LOO），提取烯丙基碳形成新的L和脂质过氧化物（LOOH），此过程中产生的LOOH可以通过GPX4还原为脂醇，或者降解为羟基脂肪酸或反应醛。

1.3.3神经细胞的system Xc-/GSH/GPX4途径

谷氨酸诱导的神经细胞死亡具有氧化性和铁依赖性，与铁死亡信号通路相似，因此可能存在共同的信号通路。谷氨酸诱导的细胞死亡可以通过抑制胱氨酸谷氨酸转运受体（system Xc-）或钙离子流入来启动。System Xc-是一种异二聚体氨基酸转运蛋白，可以将胱氨酸转运到细胞内，同时将谷氨酸或半胱氨酸转运出细胞。当胱氨酸进入细胞后，会被谷胱甘肽或硫氧还蛋白还原酶1还原为半胱氨酸，为合成谷胱甘肽做准备。如果system Xc-受到抑制，会导致代偿性上调SLC7A11的转录，影响细胞摄取胱氨酸，减少GSH的合成，最终导致GSH耗竭。当GSH耗竭后，GPX4失活，增加细胞内脂质过氧化，导致铁死亡。

1.3.4神经细胞的p53基因

p53是一种重要的抗癌基因，通过显著降低SLC7A11的mRNA和蛋白表达水平，证实了SLC7A11是p53的靶标之一，将p53与铁死亡联系起来。p53可以通过转录抑制SCL7A11的表达，抑制Xc-系统胱氨酸的摄取，导致GSH的合成和GSH依赖性GPX4的活性降低，以及降低细胞抗氧化能力和脂质过氧化物积累，铁死亡的发生也会随之减少。

2 Nrf2与创伤性脑死亡

2.1Nrf2的结构和功能

核因子E2相关因子2（Nrf2）是一种在应激条件下诱导产生的转录因子，它在抗氧化反应中扮演着核心角色。在正常氧气稳态下，Nrf2与Keap1结合。然而，在氧化应激环境下，Nrf2会从与Keap1的结合位点释放出来，并迅速转移到细胞核内。Nrf2与抗氧化反应元件（ARE）相互作用，从而激活转录过程，促进下游抗氧化基因的转录，帮助维持细胞的氧化还原稳态[4]。Nrf2的下游基因可以调节谷胱甘肽的产生，调节ROSs解毒，调节铁代谢。

2.2 Nrf2在创伤性脑损伤中的作用

创伤性脑损伤的继发损伤严重影响预后，主要原因是其氧化应激、钙超载等机制相互交叉、影响。激活Nrf2-ARE通路能减轻以上病理、生理变化，可调节多重机制，而发挥脑保护作用。有实验表明，小鼠动物模型TBI后脑外伤组细胞核内Nrf2蛋白水平较对照组显著升高，Nrf2调节的基因产物HO-1和NQO1的mRNA的水平较对照组下降，Nrf2和HO-1蛋白表达水平则较对照组升高。可以推断TBI后激活了Nrf2-ARE通路。

3 Nrf2与铁死亡

3.1 Nrf2抑制铁死亡

Nrf2是细胞在氧化应激下适应和存活的关键，但随着对铁死亡研究的加深，发现Nrf2是铁死亡的重要调节因子。在叶酸诱导的急性肾损伤小鼠中，Nrf2通过调节下游基因GPX4抑制铁死亡，发挥其肾脏保护作用。以上研究可见，Nrf2能通过抗氧化铁死亡的抑制。

3.2 Nrf2调控铁死亡相关基因表达

Nrf2靶点在介导铁稳态中起关键作用。一、Nrf2-ARE通过促进血脑屏障和神经细胞膜上Tf R1的转录，增加细胞内铁的摄入，降低细胞外游离铁水平。二、铁蛋白由是铁缓冲系统的核心参与者，不但能储存在细胞中，还能隔离多余的游离铁，限制其氧化还原。Nrf2能上调铁蛋白的表达，保证神经细胞储存大量稳定的铁，保护细胞免受铁死亡。三、Nrf2可以正向调控线粒体外膜和内膜的活性物质，将粪卟啉原Ⅲ转运到线粒体内，反应后形成原卟啉IX（PPIX），而FECH可以将Fe2+插入到PPIX中。Nrf2通过PPIX间接维持线粒体内游离铁的稳定性。四、FPN基因的启动子序列包含ARE，这使得它可以与Nrf2结合以调节脑铁的运输。在脑卒中患者中，缺血区域的铁、Tf和TfR水平升高；而当Nrf2被激活后，FPN的mRNA水平也会升高。故Nrf2可以通过诱导铁储存铁蛋白FTL、FTH1及铁输出剂FPN1的表达，减少细胞内不稳定的铁池，进而抑制铁死亡[5]。

4 结语

随着对铁死亡及其相关机制理解的不断深入与增长，Nrf2在介导铁死亡的关键作用变得更加明显，细胞的脂质氧化、铁和中间代谢状态都可以由Nrf2靶基因介导。本文发现TBI后神经细胞通过铁超载及氧化应激发生铁死亡，而Nrf2通过抑制铁超载及氧化应激抑制神经细胞铁死亡。由此，我们推断Nrf2在创伤性脑损伤后铁死亡中，可通过抗氧化实现保护作用。

Nrf2与创伤性脑损伤后的铁死亡调控关系的具体机制尚不明确。本文以氧化应激为着眼点，进一步阐述了TBI、铁死亡、Nrf2的关系。然而，本篇文献还存在着以下局限性：一是Nrf2的其他通路如（TGF-β1、NF-kB和MMP3等）以及未知通路是否可以抑制铁死亡；二是关于Nrf2抑制TBI后铁死亡理论尚可，缺乏实验研究及数据支持。因此，在未来的临床研究中，应继续进行Nrf2在TBI后铁死亡的基础、动物乃至临床研究，为减轻TBI给个人、社会带来的负担进行不断研究。

参考文献

[1] 成佩霞，胡国清.创伤性脑损伤流行病学特点的研究现状[J].中华创伤杂志，2018，34（1）：78-83.

[2] 董妍，聂时南.创伤性脑损伤预后相关生物标志物的研究进展[J].医学研究生学报，2020，33（7）：777-780.

[3] 白金月，马力.以全科医生为基础的轻度创伤性脑损伤管理模式研究[J].中国初级卫生保健，2021，35（12）：29-32.

[4] KERINS M J，OOI A.The Roles of NRF2 in Modulating Cellular Iron Homeostasis[J]. Antioxid Redox Signal，2018，29（17）：1756-1773.

[5] 周涛，宋光捷.己酮可可碱对大鼠脑缺血再灌注损伤氧化应激反应和Nrf2-ARE信号通路的影响[J].解放军医药杂志，2019，31（11）：5-10.