铁死亡在心血管疾病中的作用机制研究进展

曹政

（ 重庆市巫山云鸿医院内科，重庆 404700）

0 引言

随着我国逐渐进入老年社会，心血管疾病相发病率和死亡率逐年上升，带来极大的医疗负担。因此，心血管疾病的预防、治疗和预后一直是医学研究的重点[1]。研究表明，各种形式的调节性细胞死亡(RCD)，包括凋亡、热分解和坏死，可以破坏心脏和血管的结构，影响它们的生理功能，从而导致心血管疾病[2]。最近的研究发现，铁死亡与多种心血管疾病的发生和发展有关，特别是在缺血再灌注损伤中[3]。了解铁死亡的潜在作用机制及涉及的调控网络可能为铁死亡相关心血管疾病提供有效的治疗策略。本文就铁死亡的机制及其与心血管疾病的关系作一综述。

1 铁死亡分子机制概述

细胞死亡是生命活动中的一种基本现象，是维持机体内环境平衡的重要过程。铁死亡是由Brent R等人于2012年首次提出一种不同于细胞凋亡、坏死性凋亡和自噬的独特细胞死亡形式[4]。铁死亡在形态学、生化、免疫学等方面有其自身的特点。在遗传学方面，主要是调节铁稳态和脂质过氧化代谢的基因变化[5]。铁超载导致细胞中铁的过度沉积，产生可逆的组织损伤和器官衰竭[6]。铁死亡的本质是氧化损伤，是由于铁依赖的脂质过氧化产物过度积累引起线粒体改变[7]。铁死亡的发病机制与多种生理过程密切相关，包括铁代谢、氨基酸代谢、脂质代谢等。

1.1 脂类代谢异常

细胞膜的脂质双层对于维持膜功能的完整性必不可少。细胞膜主要由脂质、蛋白质和碳水化合物组成，其中多不饱和脂肪酸是重要成分[8]。不饱和脂肪酸与自由基相互作用引起的脂质过氧化是引起铁亡的主要原因。花生四烯酸和肾上腺素酸分别由长链脂肪酰基-辅酶A合成酶4(ACSL4)催化合成相应的脂肪酰基辅酶，参与膜磷脂[9]的合成。这些产物由溶血磷脂酰基转移酶3通过酯化反应生成磷脂酰乙醇胺PEAA和PE-Ada，然后分别被脂氧合酶和细胞色素P450氧化还原酶(POR)氧化成有害的脂质过氧化产物。正常情况下，这些有害物质会被Gpx4还原成无毒的脂醇；然而，当Gpx4水平较低时，这些过氧化产物会过度积累，导致铁死亡[10]。

1.2 谷氨酸代谢异常

谷胱甘肽是谷胱甘肽过氧化物酶4的重要辅因子，是其抗氧化活性所必需的[11]。谷胱甘肽有两种形式，还原型(GSH)和氧化型二硫化物型(GSSG)。在自由基和重金属的刺激下，Gpx4将GSH转化为GSSG，并将脂质过氧化物还原为相应的脂醇。这限制了膜中脂质过氧化的扩散[12]。当谷胱甘肽水平降低时，活性氧和过氧化脂质会积累，导致铁死亡[13]。

1.3 铁代谢异常

细胞内铁的动态平衡依赖于铁的吸收、排泄、利用和储存之间的动态平衡。铁水平受关键蛋白调节，如TFR1、DMT1和FTH1，以维持细胞内铁稳态。当铁离子过载时发生芬顿反应，Fe2+和H2O2反应生成具有较强氧化能力的羟基自由基和Fe3+，再被H2O2还原成Fe2+重新参与芬顿反应。这一循环被称为Haber-Weiss反应，将会产生大量的自由基[14]，可导致一系列临床疾病[15]。

总体而言，铁死亡主要是由自由基和抗氧化系统之间的失衡引起的，从而导致调节性细胞死亡。现有的研究大多从脂质过氧化的来源和降解两个方面描述了铁死亡的发生机制。调节上述代谢分子可以明显影响铁死亡，但目前仍有许多问题需要进一步解决。

2 铁死亡与心血管疾病

2.1 铁死亡与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是以脂质代谢紊乱为特征的病理过程。内皮损伤、氧化应激、炎症和免疫功能障碍均可促进AS的发生和发展[16]。临床上，冠心病是AS最常见的器官损害类型。研究表明，与健康动脉相比，AS患者组织中的铁含量显著增加，这种铁超载会促进氧化应激和炎症反应[17]。提示铁死亡可能参与AS的发生发展。研究发现，在体内，铁死亡抑制剂Fer-1可以减轻高脂饮食诱导的小鼠动脉粥样硬化损伤和脂质过氧化。体外研究表明，Fer-1可以改善氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)诱导的铁死亡和内皮功能障碍，并可以延缓AS的进展[18]。因此，抑制铁死亡可能成为冠心病治疗的新策略。

2.2 铁死亡与心肌梗死

在心肌梗死小鼠中，梗死区FTH1水平降低，游离铁水平升高[19]。研究还发现，与正常组织相比，心肌梗死组织中Gpx4蛋白的数量减少，使用Gpx4抑制剂RSL3可诱导H9c2细胞铁死亡[20]。这表明，增加铁或减少Gpx4可促进心肌细胞铁死亡并导致心肌梗死。目前，对心肌梗死首选的治疗方法是尽快进行血管再通[21]。虽然及时恢复血流可以部分挽救受损的心肌，但即使血流恢复，延长缺血时间也会导致损伤，这种缺血再灌注损伤会增加MI患者的死亡率[22]。研究发现，在大鼠心肌缺血再灌注损伤模型中，铁死亡主要发生在再灌注阶段，进一步的研究表明DFO的使用可以减轻心肌再灌注损伤[23]。造成缺血和再灌注时的差异原因可能是在再灌注过程中产生了大量的自由基，从而导致铁死亡。此外，铁死亡抑制剂Lip1和Fer-1通过减少ROS的产生来减轻缺血再灌注损伤[24]。自噬也被发现在心肌缺血再灌注损伤时促进铁死亡，导致心肌损伤[25]。

2.3 铁死亡与心肌病

心肌中铁的蓄积可导致铁超负荷心肌病，通常在早期表现为舒张功能障碍。随着病情的发展，可能会出现心脏增大和收缩受限。铁死亡与多种类型的心肌病有关。虽然发病机制不同，但最终是由于自由基的产生和清除失衡导致脂质过氧化物增加。研究发现，化疗药物DOX可诱导心肌细胞DNA双链断裂，并使线粒体中Fe2+和Ca2+水平升高，由此导致的ROS和铁的增加可能是DOX引起的铁死亡导致心肌病的主要原因[26]。由于线粒体是DOX所致心肌损伤的主要细胞器，线粒体抗氧化剂MitoTEMPO可用于消除DOX所致的脂质过氧化和铁死亡[27]。以Fe2+为靶点的铁络合剂也可能是治疗DOX[28]引起的心肌损伤的理想方法。研究还表明，高铁喂养的小鼠敲除心肌细胞铁蛋白重链(FTH)基因容易诱发肥厚性心肌病[29]。这进一步表明，SLC7A11下调导致的谷胱甘肽缺乏是引起心肌细胞铁死亡的主要机制。

2.4 铁死亡与心力衰竭

心力衰竭是脑血管病的终末期，但及时预防心肌肥大可以维持心功能，延缓病情进展。在心力衰竭的小鼠中观察到了铁死亡[30]。Toll样受体4（TLR4)与NADPH氧化酶4(NOX4)结合，促进超氧阴离子和H2O2的产生，诱导心肌细胞铁死亡。因此，阻断TLR4-NOX4信号通路可能成为通过抑制铁死亡来治疗HF患者的潜在治疗策略[31]。铁被认为是参与心肌细胞能量代谢的辅因子，补充铁剂可以改善一些缺铁的慢性心力衰竭患者的心功能[32]。因此，明确铁死亡的发病机制也将有利于心力衰竭患者的治疗。

2.5 心脏移植后的炎症反应

心脏移植是治疗终末期心脏病最有效的方法。然而，移植后冠状动脉血流的恢复可能会导致无菌性炎症，并降低移植的成功率[33]。心脏移植后，损伤组织释放的损伤相关分子模式(DAMP)通过TLR4/TRIF信号通路促进中性粒细胞募集和浸润。FER-1可减少中性粒细胞粘附在血管上的数量，并抑制炎症。这些发现表明，通过减少炎症和湿气的释放，抑制铁死亡可能是治疗心脏移植受者的一种可行的治疗策略[33]。

3 调节铁死亡治疗心血管病

3.1 适当的低铁饮食

体内正常的铁含量为3-5克，不足铁的供应可能会损害铁蛋白的合成水平正常细胞生理所必需的，导致一系列不良后果[34]。相反，铁过载可能导致产生大量 ROS 并诱导脂质过氧化和铁死亡[29]。因此，适当考虑最低要求的低铁饮食可能有助于预防由铁死亡引起的心血管疾病。

3.2 临床药物

DFO是一种高亲和力的铁螯合剂，可减少细胞内的铁，已被FDA批准用于治疗铁超载。在缺血再灌注损伤的大鼠中，DFO可以降低心肌组织中的过氧化脂质，减轻心肌损伤[23]。研究表明，地塞米松预处理可通过TLR4MyD88-NF-βB信号通路抑制炎症因子IL-1β、IL-6和TNF-α的释放，从而减轻心肌缺血再灌注损伤。地塞米松可通过激活PI3K/Akt信号通路抑制细胞凋亡和氧化应激，从而保护糖尿病大鼠免受缺血再灌注损伤[35]。对缺血再灌注器官也有抗炎、抗氧化和保护作用。最近发现，地塞米松可以降低HO-1的表达，减少铁超载和炎症因子，增强Gpx4的表达，从而抑制铁死亡，减轻脓毒症引起的心肌细胞损伤[36]。

3.3 ROS抑制剂

FER-1是通过对小分子文库[37]的高通量筛选而鉴定的铁死亡的特异性抑制剂，可抑制Erastin或RSL3诱导的脂质ROS积聚，减轻细胞铁死亡。研究发现，Fer-1能抑制糖尿病大鼠的铁死亡，改善DOX所致的心肌损伤，减轻心肌缺血/再灌注损伤[27]。LIP-1的作用机制与Fer-1相似。在不影响Ca2+诱导的线粒体通透性转换孔开放的情况下，Lip-1通过下调VDAC1水平来减少线粒体ROS的产生，恢复Gpx4水平，减轻铁死亡，从而保护心肌线粒体免受缺血/再灌注损伤[38]。Mito-Tempo是一种针对线粒体的细胞渗透性抗氧化剂，可以减少超氧化物的积累[39]。近年来，Mito-Tempo被证明通过消除线粒体脂质过氧化而有效地抑制DOX诱导的心肌细胞铁死亡，这是一种与Fer-1[27]相似的心脏保护作用。

3.4 抑制死亡的关键靶点

SLC7A11，也称为XCT，是一种多通道跨膜蛋白，是胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白系统XC-的组成部分。XC-是一个反向转运蛋白，由SLC7A11作为轻链亚基和SLC3A2作为重链亚基组成。XC-将细胞内的谷氨酸转移到细胞外，将细胞外的胱氨酸转移到细胞内。进入细胞的半胱氨酸通过还原反应转化为半胱氨酸，然后用于合成谷胱甘肽，谷胱甘肽保护细胞免受氧化应激损伤。当胞外谷氨酸浓度较高时，XC-系统对胱氨酸的摄取受到抑制，导致细胞内谷胱甘肽合成减少，细胞抗氧化能力降低，最终导致脂质ROS积累，诱导铁死亡[11,29]。核因子E2相关因子2(NRF2)是一种转录激活因子，通过p62-Keap1-NRF2信号通路[40]在抗氧化反应中发挥重要作用，调节铁死亡。P62的结构包括可与Keap1的Kelch结构域结合的STGE序列，这降低了Keap1/NRF2复合物的稳定性，导致NRF2从复合物中解离并被激活[41]。这进一步激活了NQO1、HO-1和FTH1的转录，或者增加了SLC7A11的表达，从而抑制了铁死亡[42-43]。

3.5 非编码RNA

根据长度不同，ncRNA可分为长非编码RNA(LncRNA)、微RNA(MiRNA)和小干扰RNA(SiRNA)。最近的研究表明，ncRNAs在心血管疾病中有不同的表达，并且在心血管疾病的发生发展中起着重要作用[44]。先前的一项研究发现，人脐带间充质干细胞来源的外切体可以通过传递miR-23a-3p来抑制DMT1的表达，从而抑制铁死亡和减轻心肌损伤，DMT1通过转运Fe2+促进铁代谢，DMT1基因敲除可显著抑制铁死亡[34]。这表明ncRNAs可能是干预铁死亡的一个重要因素，外切体可能是运送ncRNAs的运输载体[45]。

在心血管领域，现有的研究表明可以通过多种机制抑制铁死亡的发生，防止疾病的发展。然而，大多数实验仍停留在动物或细胞水平，因此将这些发现应用于临床治疗需要额外的详细分析和适当的临床试验。

4 总结与展望

自从铁死亡作为一种新型的程序性细胞死亡（RCD）被发现以来，越来越多的研究为探索其发生机制和在多种疾病中的作用提供了新的途径。脂质过氧化引起的铁死亡是脑血管病发生的重要发病机制。目前的研究揭示铁死亡在各种疾病中作用机制，也提出了许多值得研究人员思考的问题。首先，需进一步研究铁死亡与其他类型的RCD之间的相互作用。关键的铁死亡蛋p53、Gpx4和SLC7A11也与其他死亡方式有关。当这些蛋白质发生变化时，我们需要能够通过实验手段区分不同类型的RCD之间的相互作用。第二，需要对铁死亡的表现有进一步的了解。第三，确定过氧化反应的阈值是必要的。氧自由基在人类和其他物种中是新陈代谢所必需的，也可以诱发铁死亡。随着科学的进步，对铁死亡的研究将为心血管病的发生发展提供坚实的理论基础，针对铁死亡的特异性靶向治疗将成为治疗心血管病的重要手段。