鐵死亡在腎臟疾病中的研究進(jìn)展

鄭秉暄，王博， 田普訓(xùn)，2，丁晨光，2（. 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院腎臟病醫(yī)院腎移植科，陜西 西安 7006；2. 西安交通大學(xué)器官移植研究所，陜西 西安7006；3. 澳大利亞莫納什大學(xué)材料科學(xué)與工程系，墨爾本 3800；4. 澳大利亞莫納什大學(xué)醫(yī)學(xué)中心腎病學(xué)系，墨爾本 3800）

2012 年Dixon 等［1］首次提出鐵死亡（Ferroptosis），這一種新的細(xì)胞死亡類型，其特征主要是鐵離子過(guò)載、毒性脂質(zhì)過(guò)氧化物積累導(dǎo)致細(xì)胞死亡；形態(tài)學(xué)主要表現(xiàn)為胞膜破裂，無(wú)染色質(zhì)凝聚，線粒體膜密度增加、體積減小等［2］。越來(lái)越多的證據(jù)表明，鐵死亡與多種腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。例如急性腎損傷、缺血/再灌注［3-4］。本文將針對(duì)鐵死亡在腎臟疾病中的作用及進(jìn)展進(jìn)行闡述，探討鐵死亡發(fā)生的重要環(huán)節(jié)，加深對(duì)腎臟疾病的認(rèn)識(shí)，利用鐵死亡相關(guān)的調(diào)控為臨床治療提供思路。

1 鐵死亡與急性腎損傷

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是臨床上常見(jiàn)的一種臨床綜合征，其主要是因各種原因?qū)е禄颊叩哪I功能在短時(shí)間內(nèi)突然下降，血清肌酐（serum creatinine，Scr）和尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）升高，尿量減少，水、電解質(zhì)、酸堿平衡紊亂等，目前缺乏有效的治療方法，具有較高的死亡率［5］。盡管最初有人認(rèn)為腎小管細(xì)胞發(fā)生壞死性凋亡（necroptosis）是AKI 的關(guān)鍵促成因素，但其抑制劑necrostatin-1 并不能顯著改善腎小管缺氧性損傷，相比之下，有證據(jù)表明，鐵死亡可能是介導(dǎo)AKI 的關(guān)鍵因素，并且鐵死亡抑制劑對(duì)AKI 具有很好的保護(hù)作用［3，6］。在葉酸誘導(dǎo)的急性腎損傷模型中，有證據(jù)表明其早期損傷是由鐵死亡引起的，且鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 可以減輕小鼠急性腎損傷，改善腎功能［7-8］，這表明鐵死亡在急性腎損傷的過(guò)程是一個(gè)早期事件，會(huì)觸發(fā)炎癥反應(yīng)和繼發(fā)性壞死性細(xì)胞死亡，從而加劇腎功能損傷。因此在急性腎損傷中，鐵死亡可能是導(dǎo)致其他形式的細(xì)胞死亡的驅(qū)動(dòng)因素［9-10］，但其具體機(jī)制仍未完全闡明。有研究顯示鐵死亡參與了橫紋肌溶解導(dǎo)致的AKI，盡管在這過(guò)程中，腎臟的凋亡和壞死性凋亡途徑被激活，但只有ferrostatin-1 降低了體內(nèi)和體外的氧化應(yīng)激和細(xì)胞死亡，并顯著改善了小鼠腎功能，提示鐵死亡在其中的關(guān)鍵作用［11-12］。

在AKI 中，氧化應(yīng)激扮演著重要的角色，其中核因子E2 相關(guān)因子（nuclear factor E2-related factor，Nrf2）被認(rèn)為是細(xì)胞內(nèi)具有抗氧化效應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子，其下游靶基因GSH、GPX4 等均參與維持細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)，Nrf2 過(guò)度活化會(huì)增加細(xì)胞內(nèi)GSH 的產(chǎn)生并可以阻止活性氧介導(dǎo)的腎小管損傷［13］，而Nrf2 或其靶基因的功能異?？梢哉T導(dǎo)鐵死亡導(dǎo)致細(xì)胞死亡［14-15］。Adedoyin 等［16］研究發(fā)現(xiàn)血紅素加氧酶-1（heme oxygenase 1，HO-1）在AKI是一種細(xì)胞保護(hù)酶，具有抗氧化和抗炎等作用，可以抑制AKI 中鐵死亡的發(fā)生。HO-1 的增加可以上調(diào)近端小管的H-鐵蛋白（FtH）的增加，而FtH 可以通過(guò)將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，從而防止脂質(zhì)氧化，抑制鐵死亡的發(fā)生，在AKI 中起著重要的保護(hù)作用［17］。此外system xc－系統(tǒng)、鐵離子、泛鏈接蛋白及輔酶Q 等均被證明參與了AKI 中鐵死亡的過(guò)程，但其具體參與的程度，需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

2 鐵死亡與缺血/再灌注損傷

缺血/再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury ，IRI）會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的急性腎損傷和器官移植后功能延遲恢復(fù)的不良后果。腎臟在缺血和再灌注的過(guò)程中均受到損傷，從而導(dǎo)致腎小管細(xì)胞死亡，并可能導(dǎo)致進(jìn)行性慢性腎臟損傷。越來(lái)越多的證據(jù)表明，調(diào)節(jié)性壞死在腎臟IRI 中起著特定的作用［18］。最近，穆勒等在小鼠腎IRI 模型中驗(yàn)證了壞死性凋亡和鐵死亡兩種細(xì)胞死亡途徑在病理學(xué)中獨(dú)立發(fā)生并相互交織，說(shuō)明不止一種受調(diào)控的細(xì)胞死亡途徑參與了腎臟IRI 的發(fā)生發(fā)展［19］。另一項(xiàng)研究也支持該觀點(diǎn)，IRI 的缺血缺氧病理過(guò)程中，主要特征為能量衰竭，細(xì)胞死亡以凋亡為主［4］；再灌注病理過(guò)程中，ROS過(guò)度產(chǎn)生，會(huì)誘導(dǎo)鐵死亡，而人腎小管上皮細(xì)胞在這兩個(gè)病理過(guò)程中均會(huì)發(fā)生自噬。

有研究顯示鐵死亡抑制劑ferrostatin-1 及其類似物16-86 均可預(yù)防小鼠的腎臟IRI，并減輕腎小管損傷，改善腎功能。而且16-86 聯(lián)合necrostatin-1對(duì)腎臟IRI 的保護(hù)作用，比單一使用更有效。表明腎臟IRI 過(guò)程中同時(shí)存在壞死性凋亡和鐵死亡，兩者通過(guò)不同的途徑導(dǎo)致AKI［3］。對(duì)于腎臟IRI 中鐵死亡的發(fā)生機(jī)制，有研究顯示在病理生理性急性缺血性腎損傷過(guò)程中，長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A 合成酶（longchain acyl-CoA synthetase，ACSL）4 最初被上調(diào)，其表達(dá)水平與組織損傷的嚴(yán)重程度相關(guān)；而敲除細(xì)胞中的ACSL4，可以保護(hù)細(xì)胞免受愛(ài)拉斯?。‥rastin）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4 抑制劑RSL3 誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡［19］。在IRI 中，鐵死亡引起了最初的死亡浪潮，引發(fā)了炎癥反應(yīng)，繼而促進(jìn)了腎小管細(xì)胞壞死性死亡，從而使腎臟功能障礙長(zhǎng)期存在。在IRI 領(lǐng)域，接下來(lái)最重要的挑戰(zhàn)之一是要確定IRI 過(guò)程中發(fā)生的總體壞死性損害中鐵死亡、壞死性凋亡和其他細(xì)胞死亡途徑的相對(duì)貢獻(xiàn)。

3 鐵死亡與慢性腎臟疾病

慢性腎臟疾?。╟hronic kidney disease，CKD）可由許多異質(zhì)性疾病通過(guò)不同途徑導(dǎo)致，這些疾病可以使得腎臟功能和結(jié)構(gòu)在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)不可逆轉(zhuǎn)地改變和持續(xù)性損傷，其最終病理表現(xiàn)為腎纖維化，特征為腎小球硬化、腎小管萎縮和間質(zhì)纖維化［20］。長(zhǎng)期以來(lái)，腎小管損傷被認(rèn)為是腎臟疾病進(jìn)展的驅(qū)動(dòng)力，其可以引起炎癥，繼而炎癥的加劇導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并使腎小管損傷惡化。腎小管細(xì)胞死亡、壞死性炎癥和間質(zhì)性炎癥之間不斷的循環(huán)，導(dǎo)致腎損傷持續(xù)性加重，最后導(dǎo)致進(jìn)行性腎小管間質(zhì)纖維化［21］。因此，進(jìn)一步了解細(xì)胞死亡驅(qū)動(dòng)的炎癥與纖維化之間的機(jī)制至關(guān)重要。

最初的研究表明，鐵死亡在形態(tài)、生化和遺傳上與其他形式的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡和自噬不同。然而，最近的研究表明鐵死亡和自噬有共同的調(diào)節(jié)因子（SLC7A11、GPX4、Nrf2、P53、HSPB1、CISD1、FANCD2 和ACSL4）［22］。自噬是一種在進(jìn)化上保守的降解途徑，可維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。核受體輔激活蛋白（nuclear receptor coactivator，NCOA）4 是鐵蛋白的選擇性自噬受體，可以選擇性地自噬鐵蛋白（即鐵蛋白自噬），引起的離子增加，進(jìn)而促進(jìn)了癌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的鐵死亡［23］。雖然自噬在細(xì)胞死亡中起著雙重作用，其取決于細(xì)胞所處的環(huán)境和階段，但它可能提供一種新的觀點(diǎn)，即鐵死亡在急性腎損傷甚至纖維化過(guò)程中具有促進(jìn)細(xì)胞自噬的作用。與壞死性凋亡不同，鐵死亡取決于外部信號(hào)。因各種形式的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡都會(huì)釋放損傷相關(guān)分子模式（damage associated molecule pattern，DAMP），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)細(xì)胞死亡和炎癥，從而導(dǎo)致鐵死亡。由外而內(nèi)的信號(hào)的獨(dú)立性使鐵死亡成為可能導(dǎo)致初始?jí)乃啦㈤_(kāi)始擴(kuò)增循環(huán)的潛在途徑。因此，旨在控制鐵死亡的治療可能成為纖維化的新方法。

使用轉(zhuǎn)基因小鼠（Nrf2-KO［24］、Keap1-KD［25］和Keap1-CKO［13］）的研究證明，Nrf2 可以防止一系列疾病引起的腎臟的氧化應(yīng)激。而氧化應(yīng)激傳感器分子Kelch 樣ECH 相關(guān)蛋白1（Keap1）可通過(guò)泛素化Nrf2 降低其活性。Keap1-Nrf2 系統(tǒng)是預(yù)防腎臟疾病進(jìn)展的最有希望的靶標(biāo)之一。合成的三萜類化合物Bardoxolone methyl 可通過(guò)抑制Keap1 的泛素化而激活Nrf2，并已完成4 期CKD 和T2DM 患者的3 期臨床試驗(yàn)（BEACON 試驗(yàn)）［26］。最近的基礎(chǔ)研究已經(jīng)在CKD 的中度階段積累了Keap1 抑制劑的積極作用，進(jìn)行的項(xiàng)目數(shù)據(jù)表明，Keap1 抑制劑可改善3 期CKD 和T2DM 患者的腎小球?yàn)V過(guò)率，而無(wú)需擔(dān)心安全性，它仍有望成為治療CKD的一流藥物［27］。

4 鐵死亡與多囊腎

多囊腎（polycystic kidney disease，PKD）是常見(jiàn)的遺傳性腎臟疾病，其特征是腎上皮囊腫的進(jìn)行性發(fā)展，并最終導(dǎo)致終末期腎?。?8］。PKD 患者發(fā)生CKD 的主要病因是囊腫的形成和增大，其可以破壞腎實(shí)質(zhì)功能，因此減少囊腫的發(fā)生和進(jìn)展對(duì)于延緩和治療PKD 有重要的意義［29］。許多證據(jù)表明氧化應(yīng)激、內(nèi)皮功能障礙和缺氧發(fā)生在PKD 疾病進(jìn)展的早期，通過(guò)升高二甲基精氨酸水平和降低一氧化氮的生物利用度，引起局部血管收縮和腎血流受損；而缺氧會(huì)增加缺氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子1a 和其他血管生成因子的水平，進(jìn)而可能導(dǎo)致囊腫生長(zhǎng)［30］。

據(jù)報(bào)道，Cl-通道的囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）已被證明可誘導(dǎo)凋亡，正常表達(dá)CFTR 的細(xì)胞比CFTR 缺陷的細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡更敏感［31］。跨膜蛋白16F（transmembrane protein 16F，TMEM16F）位于腎小管細(xì)胞的初級(jí)纖毛中，且在人多囊腎的囊壁上皮細(xì)胞中高度表達(dá)，而敲低TMEM16F 會(huì)損害MDCK 細(xì)胞的囊腫腔形成［32］。Simoes 等［33］研 究 表 明TMEM16F 和CFTR協(xié)同作用于ROS 介導(dǎo)的細(xì)胞死亡，而這一過(guò)程可能是TMEM16F 通過(guò)誘導(dǎo)鐵死亡，進(jìn)而促進(jìn)與CFTR表達(dá)相關(guān)的細(xì)胞死亡。而最近研究顯示脂質(zhì)過(guò)氧化可以激活腎臟TMEM16A，促進(jìn)Ca2+釋放，進(jìn)一步刺激了CFTR 活化，而ferrostatin-1 可以通過(guò)抑制TMEM16A 的激活，進(jìn)而抑制囊腫的生長(zhǎng)，提示抑制TMEM16A 是延緩PKD 囊腫發(fā)展的潛在治療方法［34-35］。這些數(shù)據(jù)一致認(rèn)為，鐵死亡是PKD 中的一種可能機(jī)制，這為PKD 的治療提供了新的視角。

5 鐵死亡與糖尿病腎病

糖尿病性腎?。╠iabetic nephropathy，DN）現(xiàn)在被認(rèn)為是終末期腎臟疾病（end-stage renal disease，ESRD）的主要原因，其致病本質(zhì)是腎臟纖維化，其臨床特征是蛋白尿的逐漸增加和腎小球?yàn)V過(guò)率（glomerular filtration rate，GFR）的下降。目前簡(jiǎn)單的控制血糖、血壓，或聯(lián)合使用藥物均無(wú)法有效緩解或逆轉(zhuǎn)DN,阻止其發(fā)展為ESRD［36］。

據(jù)報(bào)道，自噬，細(xì)胞凋亡和壞死等程序性細(xì)胞死亡方式與DN 發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，但目前尚無(wú)減輕DN 損傷的有效藥物［37］。研究顯示在DN 中，活性氧（reactive oxygen species，ROS）的積累和鐵超載是促進(jìn)DN 發(fā)生的重要決定因素。DN 小鼠中ACSL4 的表達(dá)水平增加和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的表達(dá)水平下降，同時(shí)脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物和鐵含量也增加。而ACSL4 抑制劑羅格列酮可通過(guò)減少脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物MDA 和鐵含量，阻斷腎小管細(xì)胞鐵死亡而抑制促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，阻止DN 的發(fā)展［37-38］。在小鼠DN 模型中，采用ferrostatin-1 進(jìn)行治療可減輕其腎臟病理?yè)p傷。同時(shí)在DN 模型中觀察到Nrf2 降低。在高糖條件下，特異性敲低HK-2 細(xì)胞的Nrf2，增加了其對(duì)鐵死亡的敏感性。而使用非諾貝特治療，可上調(diào)Nrf2，進(jìn)而改善鐵死亡的狀況。此外，在非諾貝特治療的糖尿病DN 小鼠中，Nrf2 的增加可抑制與鐵死亡相關(guān)的改變，從而延緩了DN 的發(fā)展［39］。另有報(bào)道，維生素E 可以改善患者的血脂和谷胱甘肽水平，進(jìn)而對(duì)DN 的功能改善產(chǎn)生積極作用［40］。

目前DN 的發(fā)生發(fā)展的機(jī)制仍不清楚。但以鐵依賴的脂質(zhì)過(guò)氧化作用為特征的鐵死亡為我們提供了探索DN 進(jìn)程的新思路。未來(lái)可以關(guān)注鐵死亡過(guò)程中的免疫學(xué)特征對(duì)DN 進(jìn)展的作用，通過(guò)抑制鐵死亡，可以作為緩解DN 的潛在有效靶點(diǎn)。

6 小結(jié)與展望

自從2012 年首次鑒定出鐵死亡以來(lái)，關(guān)于鐵死亡與腎臟疾病的研究越來(lái)越多，但大多數(shù)研究都集中在鐵死亡對(duì)IRI 過(guò)程的貢獻(xiàn)上，未來(lái)的研究也應(yīng)該著力于探索如何通過(guò)干預(yù)鐵死亡而抑制腎臟纖維化。盡管已經(jīng)證明了鐵死亡可以參與AKI，但對(duì)于鐵死亡和進(jìn)一步的免疫反應(yīng)之間的關(guān)系知之甚少。同時(shí)，許多基因已被證實(shí)會(huì)導(dǎo)致鐵死亡，但關(guān)于調(diào)節(jié)鐵死亡的表觀遺傳修飾知之甚少。此外盡管已證明沉默miR-182-5p 和miR-378a-3p 可抑制鐵死亡而減輕IRI 誘導(dǎo)的大鼠腎損傷［41］，但還需要更多研究來(lái)探索lnc RNA 和循環(huán)RNA 等在調(diào)節(jié)鐵死亡中的作用。我們認(rèn)為，鐵死亡是腎臟疾病中重要的細(xì)胞死亡形式之一，而對(duì)于鐵死亡的更深入研究將為腎臟疾病的診斷和治療干預(yù)提供新的機(jī)會(huì)。