鐵死亡與卒中相關(guān)性研究進(jìn)展

李俞辰，劉耀，劉斌冰，田楊，史懷璋

全世界范圍內(nèi)，僅2010年對比于1990年，缺血性卒中和出血性卒中的發(fā)病率分別增高了37%和47%，其死亡和殘疾患者的數(shù)量也顯著增加，尤其在低、中等收入國家和地區(qū)[1]。其中，出血性卒中雖然僅占卒中總體的15%，患者卻有著更高的死亡率[2]。缺血性卒中是常見的卒中類型，占卒中總體的85%，盡管類似于溶栓技術(shù)的緊急治療已開展多年，但實(shí)際僅有11%的患者可從中獲益[3-4]。而近些年興起的取栓技術(shù)也并未對急性腦梗死患者的治療帶來明顯的改善。為此，探尋卒中更全面的致病機(jī)制及有效的診療方法是全人類的迫切需要，特別是出血性卒中，其研究進(jìn)展已遠(yuǎn)落后于缺血性卒中。

Scott J.Dixion等[5]于2012年首次提出鐵死亡是一種氧化性、鐵離子依賴性的細(xì)胞死亡形式，與經(jīng)典的凋亡、焦亡、自噬、壞死性凋亡等有著顯著的差異。目前對于鐵死亡在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究已涉及多種疾病，包括有阿爾茨海默病、亨廷頓病及卒中等。研究已發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激、鐵穩(wěn)態(tài)失衡、谷氨酸異常均參與到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的鐵死亡機(jī)制中[6]。雖然鐵死亡與卒中相關(guān)的研究尚少，但鐵死亡已經(jīng)成為卒中發(fā)生發(fā)展過程中重要機(jī)制之一是毋庸置疑的。本文以鐵死亡的主要機(jī)制為基礎(chǔ)，回顧總結(jié)其在卒中相關(guān)研究中的已知成果。

1 鐵死亡

鐵死亡是一種獨(dú)特的程序性細(xì)胞死亡方式，特點(diǎn)為細(xì)胞內(nèi)過量的鐵離子、脂質(zhì)過氧化物及相關(guān)代謝產(chǎn)物的蓄積，并可出現(xiàn)質(zhì)膜多元不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的過氧化反應(yīng)[7]。在形態(tài)學(xué)上，鐵死亡發(fā)生時細(xì)胞內(nèi)的線粒體的體積明顯縮小，雙層膜結(jié)構(gòu)的密度增加，內(nèi)膜形成的嵴結(jié)構(gòu)較少或消失；在生化改變上，谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性下降，谷胱甘肽（glutathione，GSH）過量消耗，細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)被二價鐵離子以類似芬頓（Fenton）反應(yīng)的方式氧化，產(chǎn)生大量活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）；在遺傳學(xué)上，鐵死亡涉及多種基因的表達(dá)異常，尤其是鐵調(diào)節(jié)相關(guān)的基因，包括有RPL8、IREB2、ATP5G3、CS、TTC35、ACSF2等[8]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中證實(shí)鐵死亡的誘導(dǎo)劑主要是RAS選擇性殺傷因子家族（RAS Selective Lethal，RSL），其中以erastin和RSL3為代表；而抑制劑相對較多，有經(jīng)典的Ferrostatin-1及鐵螯合劑甲磺酸去鐵胺（deferoxamine，DFO）、抗氧化劑Trolox、絲裂原細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（mitogen extracellular signal-regulated kinase，MEK）抑制劑U0126等[8]。

早期的研究就已證實(shí)鐵死亡發(fā)生時存在細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的失衡，鐵離子參與的機(jī)制可能是二價鐵離子釋放電子，進(jìn)而產(chǎn)生過量的ROS，并且鐵離子依賴的脂質(zhì)氧合酶可以催化PUFA產(chǎn)生氧化反應(yīng)，鐵螯合劑則可抑制這些氧化損傷[5，9]。在erastin誘導(dǎo)鐵死亡的研究中發(fā)現(xiàn)一類命名為Xc-系統(tǒng)的胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體成了新的作用靶點(diǎn)，Xc-系統(tǒng)是異二聚體細(xì)胞表面的氨基酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體，負(fù)責(zé)胞內(nèi)谷氨酸和細(xì)胞外胱氨酸的互換，GSH是大腦中主要的神經(jīng)遞質(zhì)和內(nèi)源性抗氧化劑，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)erastin可抑制Xc-系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)GSH消耗和過氧化物累積[6，9]。GPX4作為一種抗氧化酶，可將脂質(zhì)過氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)橹|(zhì)醇類，是RSL3誘導(dǎo)鐵死亡的作用靶點(diǎn)之一，當(dāng)GPX4活性被抑制時，細(xì)胞內(nèi)的ROS蓄積，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[9]。此外有研究表明線粒體谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶2、?；o酶A合成酶長鏈家族成員4（acyl-CoA synthetase long chain family member 4，ACSL4）及核轉(zhuǎn)錄因子2等也參與到鐵死亡的機(jī)制中[7]。當(dāng)鐵死亡發(fā)生時，調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)的蛋白同樣出現(xiàn)異常表達(dá)，如鐵蛋白表達(dá)下降，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TfR1）表達(dá)升高，二價金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1（divalent metal transporter 1，DMT1）表達(dá)下降，鐵調(diào)節(jié)蛋白1和2（iron regulatory protein 1/2）則分別降低和升高等[10-11]。反過來這些蛋白的異常表達(dá)也可提示鐵死亡的發(fā)生，或成為調(diào)節(jié)鐵死亡的作用靶點(diǎn)，如雷帕霉素被證實(shí)可通過抑制TfR1的升高來減輕細(xì)胞鐵死亡[10]。

2 鐵死亡與出血性卒中

出血性卒中對神經(jīng)系統(tǒng)的損傷包括血液沖破血管的首次損傷，及血液中血紅蛋白及其代謝產(chǎn)物等所造成的二次損傷，研究已證實(shí)血紅蛋白無論在體內(nèi)還是體外實(shí)驗(yàn)中均可以導(dǎo)致細(xì)胞死亡，涉及的細(xì)胞死亡形式涵蓋凋亡和鐵死亡等多種機(jī)制[12-13]。目前大多的體外實(shí)驗(yàn)都是用氯化血紅素或者血紅蛋白作用于不同種系的細(xì)胞來模擬鐵死亡的發(fā)生，例如在小鼠的海馬神經(jīng)元HT22細(xì)胞中，就觀察到了鐵死亡的形態(tài)學(xué)改變，及GPX4活性下降等氧化損傷的出現(xiàn)[2，14]。在人和動物顱內(nèi)出血（intracerebral hemorrhage，ICH）的腦組織標(biāo)本中均發(fā)現(xiàn)血腫周圍的神經(jīng)元存在壞死、凋亡、自噬、壞死性凋亡及鐵死亡等多種死亡方式[15]。Marietta Zille等[2]經(jīng)體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ICH后皮質(zhì)神經(jīng)元的死亡具有鐵死亡和壞死性凋亡的特點(diǎn)，使用兩者的抑制劑可明顯較少細(xì)胞的死亡，而抑制凋亡和自噬后卻沒有這樣的作用。Qian Li等[13]證實(shí)ICH后血腫周圍的神經(jīng)元出現(xiàn)鐵死亡的形態(tài)學(xué)改變，且Ferrostain-1可以減少ICH損傷后細(xì)胞內(nèi)的ROS過量產(chǎn)生和細(xì)胞死亡，當(dāng)聯(lián)合使用多種細(xì)胞死亡方式的抑制劑后效果更加明顯，并提出環(huán)氧化酶-2可能是鐵死亡的生物學(xué)標(biāo)志物。鐵螯合劑DFO、抗氧化劑Trolox、MEK抑制劑U0126等也被證實(shí)可以抑制由氯化血紅素作用導(dǎo)致的細(xì)胞死亡[6]。在大鼠蛛網(wǎng)膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）模型的研究中，DMT1和GPX4在早期即分別表達(dá)明顯增高和降低，皮質(zhì)神經(jīng)元出現(xiàn)鐵死亡的代謝改變，而側(cè)腦室注射依布硒林（ebselen）后可顯著抑制上述改變，對SAH后的早期腦損傷起到保護(hù)作用[16]。雖然近年來對出血性卒中后鐵死亡的研究取得了一些進(jìn)展，但關(guān)于鐵死亡的生物學(xué)標(biāo)志物及相關(guān)通路的探索還有待進(jìn)一步加深。

3 鐵死亡與缺血性卒中

目前雖然有很多學(xué)者致力于缺血性卒中的相關(guān)研究，但缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷的預(yù)防和治療進(jìn)展仍然十分有限[17-18]。臨床研究發(fā)現(xiàn)有缺血性腦血管疾病的患者，其腦組織中鐵沉積顯著增加。并認(rèn)為鐵沉積可能是缺血區(qū)中小出血灶的影像學(xué)標(biāo)志[19]。利用核磁共振影像學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，單側(cè)缺血性卒中的患者與正常人相比，身體同側(cè)丘腦的T2WI信號降低，這可能預(yù)示在梗死區(qū)外圍存在異常的鐵沉積[20]。對于人群樣本的流行病學(xué)調(diào)查還表明缺血性卒中與缺鐵性貧血之間關(guān)聯(lián)密切[21]。進(jìn)一步研究顯示可能是缺鐵性貧血通過影響頸動脈血栓斑塊導(dǎo)致TIA[22]。也有學(xué)者將機(jī)體缺鐵歸為是缺血性卒中發(fā)生的危險因素之一[23]。更有研究直接證實(shí)缺血性卒中患者血清中的鐵離子明顯升高，鐵調(diào)素在腦缺血后的鐵超載中起重要作用[24]。以上研究均表明缺血性卒中的發(fā)生伴有鐵離子的異常，除此之外，氧化應(yīng)激參與I/R損傷，抑制氧化應(yīng)激則可有效減輕I/R后的神經(jīng)元損傷的研究證據(jù)也得到了廣泛的認(rèn)可[25-26]，可見鐵死亡的機(jī)制已參與到缺血性卒中的機(jī)制研究中。值得關(guān)注的是近期，Q-Z Tuo等[4]用大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MACO）模型發(fā)現(xiàn)腦組織缺血半暗帶有明顯的鐵沉積，神經(jīng)元出現(xiàn)鐵死亡，而沉默Tau蛋白可改善這一損傷，表明Tau蛋白可能參與調(diào)節(jié)I/R誘導(dǎo)的鐵死亡機(jī)制。鐵死亡與缺血性卒中直接相關(guān)的研究較少，所以鐵死亡參與腦組織缺血性損傷的具體機(jī)制及干預(yù)方法也是研究者下一個要探尋的方向。

4 總結(jié)與展望

卒中后神經(jīng)元死亡機(jī)制多種多樣，本文主要介紹了鐵死亡及其在卒中病理機(jī)制中的研究進(jìn)展，作為近年來新發(fā)現(xiàn)的一種非典型細(xì)胞死亡方式，鐵死亡已被證實(shí)參與包括卒中在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生發(fā)展中，且抑制鐵死亡可一定程度上減輕病變所造成的損傷，甚至改善愈后。但目前為止已有的研究成果十分有限，特別是與卒中直接相關(guān)研究。而且鐵死亡的發(fā)生機(jī)制、生物學(xué)標(biāo)志物和預(yù)防方法也有待研究者去突破。鐵死亡的發(fā)現(xiàn)也讓研究者更加深入地認(rèn)識到細(xì)胞死亡的復(fù)雜性，在未來的探索中，研究者在試圖干預(yù)鐵死亡所造成損傷的同時，更要尋找各類死亡方式調(diào)控機(jī)制的共同部分，進(jìn)而有效且全面的調(diào)控細(xì)胞死亡。

【點(diǎn)睛】本文總結(jié)了鐵死亡在卒中病理機(jī)制中的研究進(jìn)展及調(diào)節(jié)鐵死亡對卒中愈后的影響。