鐵死亡在缺血性中風(fēng)中的作用及中醫(yī)藥干預(yù)的研究進(jìn)展

黃秋霞，鄧秋媚，袁 莉，向軍軍，胡躍強(qiáng)

缺血性中風(fēng)是全球范圍內(nèi)死亡和致殘的主要原因，導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題和社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。根據(jù)2020年美國心臟協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，每年約有79.5萬例新發(fā)或復(fù)發(fā)中風(fēng)病人，其中缺血性中風(fēng)占所有中風(fēng)的87%[2]。在缺血性中風(fēng)中，神經(jīng)元細(xì)胞中活性氧(reactive oxygen species，ROS)的增加會破壞ROS產(chǎn)生和消耗之間的平衡。ROS誘導(dǎo)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和死亡[3]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡(ferroptosis)與ROS生成之間存在密切關(guān)系[4]，并且鐵死亡是缺血性中風(fēng)損傷的重要機(jī)制之一[5]。大量文獻(xiàn)研究表明，中藥提取物及中藥復(fù)方可干預(yù)鐵死亡，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。本研究就鐵死亡在缺血性中風(fēng)的作用及其中醫(yī)藥干預(yù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 鐵死亡概述及其機(jī)制

鐵死亡是近年來研究發(fā)現(xiàn)的一種全新的細(xì)胞程序性死亡方式，是一種因鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化物積累引起細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)形式。2008年，Yang等[6]研究發(fā)現(xiàn)致癌基因鼠肉瘤病毒(RAS)可上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TFR1)并增加細(xì)胞中不穩(wěn)定的鐵庫，觸發(fā)類似非凋亡形式且具有鐵依賴性的細(xì)胞死亡方式。2012年，Dixon等[7]首次提出鐵死亡的概念，認(rèn)為鐵死亡是一種不同于細(xì)胞凋亡的新型非細(xì)胞死亡，是受鐵依賴的膜脂質(zhì)過氧化作用驅(qū)動的細(xì)胞死亡的一種調(diào)控模式。大量脂質(zhì)堆積破壞了氧化還原反應(yīng)的平衡并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這是一種可調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式，與細(xì)胞凋亡、壞死以及自噬等方式不同，鐵死亡有獨(dú)特的死亡形式及生物學(xué)特性，主要表現(xiàn)在形態(tài)、生物化學(xué)和遺傳上的不同[8]，其主要機(jī)制為氧化還原體系失衡，脂質(zhì)過氧化物的過度蓄積。

2 鐵死亡在缺血性中風(fēng)中的作用

缺血性中風(fēng)是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致死亡和殘疾的主要原因，其特點(diǎn)是局部流向大腦的血液突然阻塞，導(dǎo)致不可逆的損傷和神經(jīng)功能的缺陷。缺血性神經(jīng)元損傷涉及多種機(jī)制，其中氧化應(yīng)激在缺血性損傷的進(jìn)展中起重要作用。鐵死亡被認(rèn)為是缺血/再灌注時(shí)導(dǎo)致神經(jīng)元損傷的主要事件之一。缺血/再灌注損傷是缺血性中風(fēng)最重要的機(jī)制之一，抑制Tau蛋白的表達(dá)，從而增加神經(jīng)元中鐵的積累而加速鐵死亡[9]。研究表明，缺血會提高大腦中不穩(wěn)定鐵水平[10-11]。在缺血腦組織中，由于ROS升高，抗氧化系統(tǒng)的防御能力減弱，隨之而來的是氧自由基的過度產(chǎn)生，抗氧化酶的失活，抗氧化劑的耗竭。這會導(dǎo)致多種有害事件，包括脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的過氧化、DNA損傷和細(xì)胞死亡。在大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)模型中，向小鼠鼻腔中注射鐵死亡抑制劑liproxstatin-1，已知該途徑可透過血腦屏障。結(jié)果顯示，liproxstatin-1治療可減輕MCAO誘導(dǎo)的小鼠認(rèn)知功能障礙[12]，鐵螯合作用減輕了缺血再灌注動物模型中的腦組織損傷[13]。通過核磁共振影像學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，單側(cè)缺血性中風(fēng)病人與正常人相比，同側(cè)丘腦的T2加權(quán)成像(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[14]。

2.1 缺血性中風(fēng)后的鐵代謝障礙 鐵參與人類生物學(xué)的許多生理過程，是必不可少的金屬離子，在調(diào)節(jié)各種生物過程中起著至關(guān)重要的作用。鐵是具有氧化還原特性的元素，是許多酶的活性位點(diǎn)。但是，鐵作為氧化還原元素，又會促進(jìn)自由基的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致氧化損傷和細(xì)胞死亡。在生理?xiàng)l件下，轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin，Tf)受體1和轉(zhuǎn)鐵蛋白之間的相互作用是大多數(shù)細(xì)胞攝取鐵的主要機(jī)制[15]。不穩(wěn)定Fe2+積累過多，通過芬頓(Fenton)反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，通過分解脂質(zhì)氫過氧化物產(chǎn)生脂質(zhì)過氧自由基，從而引發(fā)脂質(zhì)過氧化。過量的鐵也可以替代其他過渡金屬與蛋白質(zhì)相結(jié)合，導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能缺陷和酶活性降低。Tuo等[16]研究表明，永久性或短暫性缺血性中風(fēng)后，缺血區(qū)域中總鐵含量增加，鐵和鐵調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)增加，而鐵螯合劑可防止自由基產(chǎn)生并延遲神經(jīng)元鐵死亡。鐵調(diào)素(hepcidin)被認(rèn)為是鐵穩(wěn)態(tài)的中樞調(diào)節(jié)因子，主要調(diào)控亞鐵透鐵酶(ferroportin)的鐵輸出功能，這是目前已知的唯一由哺乳動物細(xì)胞表達(dá)的鐵輸出蛋白[17]。一般來說，缺氧會抑制鐵調(diào)素的表達(dá)。然而，最近的一項(xiàng)研究表明，缺氧環(huán)境下鐵調(diào)素具有雙向調(diào)節(jié)作用[18]。鐵調(diào)素在腦組織中表達(dá)[19]，并在與炎癥相關(guān)的病理?xiàng)l件下上調(diào)[20]，增加鐵蓄積，促使神經(jīng)元損傷[21]。有研究顯示，在缺血性中風(fēng)病人中，從癥狀發(fā)作開始的前6 h內(nèi)血液中鐵調(diào)素水平增加，缺血性中風(fēng)期間血液中鐵調(diào)素的增加表明鐵調(diào)素從缺血性腦細(xì)胞內(nèi)到細(xì)胞外的表達(dá)和分泌增加，細(xì)胞內(nèi)鐵的輸出減少，進(jìn)一步加重細(xì)胞內(nèi)鐵的積累[22]。在缺血的大腦中，鐵蛋白升高和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Fpn)水平降低、鐵調(diào)素升高相關(guān)[23]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，腦出血后Fpn表達(dá)明顯升高，但在小鼠缺血腦中Fpn表達(dá)下調(diào)，缺血大鼠大腦皮層、海馬和紋狀體中鐵蛋白水平升高，鐵蛋白水平的增加與這些腦區(qū)Fpn水平的降低有關(guān)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵的積累[24]。Hepcidin-Fpn軸是一個(gè)重要的系統(tǒng)，在包括大腦在內(nèi)的許多器官中維持鐵穩(wěn)態(tài)。因此，靶向Hepcidin治療是一種潛在的保護(hù)神經(jīng)元免受氧化損傷的方法[17]。此外，鐵超載可能通過上調(diào)細(xì)胞內(nèi)鈣離子而誘導(dǎo)線粒體斷裂，在檸檬酸鐵銨(ammonium ferric citrate，F(xiàn)AC)刺激下的HT-22海馬神經(jīng)元細(xì)胞中，腦動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)及其磷酸化位點(diǎn)絲氨酸637(Ser637)表達(dá)的發(fā)生變化，使腦線粒體去磷酸化而破碎，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡數(shù)量增加[25]。

2.2 缺血性中風(fēng)后的脂質(zhì)過氧化損傷 鐵的基本性質(zhì)是參與許多氧化還原反應(yīng)，易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移這一特征使鐵具有潛在的危險(xiǎn)，因?yàn)殍F可以通過Fenton反應(yīng)將電子提供給O2和H2O2，從而產(chǎn)生羥基或氫過氧自由基和超氧陰離子。這些分子可以氧化核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷、功能障礙，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[26]。自由基誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激長期以來被認(rèn)為是復(fù)氧后缺血/再灌注損傷的致病因素，脂質(zhì)過氧化是ROS介導(dǎo)的腦損傷的主要結(jié)果之一[27]。脂氧合酶(LOX)是形成脂質(zhì)過氧化物的關(guān)鍵酶。人體內(nèi)至少有6種LOX亞型，其中12/15-LOX 是一種特殊的亞型，因?yàn)樗軌蛑苯友趸卸嗖伙柡椭舅?PUFA)的脂質(zhì)膜并直接攻擊線粒體。12/15-LOX 的過度表達(dá)可以導(dǎo)致缺血性中風(fēng)后神經(jīng)元細(xì)胞死亡和血腦屏障破壞，使用12/15-LOX抑制劑可以改善神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后并減輕缺血性中風(fēng)后的腦水腫。另外，線粒體是內(nèi)源性ROS的主要來源，鐵超載以腺苷5′-單磷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate activated protein kinase，AMPK)依賴性的方式促進(jìn)神經(jīng)母細(xì)胞瘤(SH-SY5Y)細(xì)胞中的線粒體產(chǎn)生ROS，使神經(jīng)元中三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生缺陷、線粒體復(fù)合物I抑制和線粒體凋亡[28]。持續(xù)的鐵暴露會增加多巴胺能SH-SY5Y細(xì)胞中的線粒體ROS水平[29]，而清除線粒體ROS可防止海馬神經(jīng)元鐵超載所致的損傷，從而保持線粒體的形態(tài)完整性和膜電位[30]。這間接表明在神經(jīng)細(xì)胞中鐵累積誘導(dǎo)了腦中線粒體的脂質(zhì)過氧化損傷。

2.3 缺血性中風(fēng)后的氨基酸代謝異常 缺血性中風(fēng)后的氨基酸代謝異常的主要機(jī)制是抗氧化體系中的谷胱甘肽(glutathione，GSH)耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase，GPX4)失活。GPX4和GSH是鐵死亡的內(nèi)源性抑制劑，其含量與缺血性中風(fēng)密切相關(guān)。GSH耗竭和脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的常見原因，但在特定機(jī)制上有所不同[31]。GSH作為細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑緩沖液，在GPX4的作用下，在體內(nèi)維持氧化還原平衡[32]，GSH本身及其相關(guān)酶的損傷均可導(dǎo)致細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)的失衡[33]。在谷氨酸-胱氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(也稱為Xc-system)中，細(xì)胞內(nèi)谷氨酸以1∶1的方式替代細(xì)胞外胱氨酸，可以將其轉(zhuǎn)化為半胱氨酸并用于合成GSH。而溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)是Xc系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過促進(jìn)胱氨酸的攝取和GSH的合成來保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激和鐵死亡[34]。Wang等[35]研究發(fā)現(xiàn)，活化的轉(zhuǎn)錄因子3(ATF3)與SLC7A11啟動子結(jié)合，通過抑制SLC7A11的表達(dá)而抑制Xc系統(tǒng)，消耗細(xì)胞內(nèi)GSH，從而促進(jìn)脂質(zhì)過氧化。GPX4是鐵死亡的重要調(diào)控因子，其過表達(dá)和敲低可調(diào)節(jié)12種鐵死亡誘導(dǎo)劑的細(xì)胞死亡率[36]。當(dāng)發(fā)生缺血性中風(fēng)時(shí)，細(xì)胞外谷氨酸的濃度會因谷氨酸攝取減少、胞吐泡釋放增加和非泡狀谷氨酸釋放而升高，從而導(dǎo)致谷氨酸毒性。結(jié)果GPX4 的產(chǎn)生被抑制，最終啟動鐵死亡。在MCAO模型中，GPX4蛋白表達(dá)降低，?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)表達(dá)升高，谷胱甘肽過氧化物酶活性降低，導(dǎo)致鐵的積累。而鐵死亡抑制劑liproxstatin-1可以減少M(fèi)CAO后GPX4的失活，從而減少鐵的積累，同時(shí)脂質(zhì)過氧化指標(biāo)的變化也明顯減少。Chen等[37]研究發(fā)現(xiàn)，使用羅格列酮抑制ACSL4可以改善缺血性中風(fēng)后72 h的神經(jīng)功能，并減少腦梗死體積。Guan等[38]研究表明，香芹酚亦可通過增加GPX4的表達(dá)來抑制鐵死亡，從而保護(hù)缺血再灌注沙鼠的海馬神經(jīng)元。

3 中醫(yī)藥干預(yù)鐵死亡的研究

目前對于中醫(yī)藥干預(yù)缺血性中風(fēng)鐵死亡的相關(guān)研究較少，但從現(xiàn)有的研究中發(fā)現(xiàn)，中藥提取物及中藥復(fù)方均可有效抑制鐵死亡，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

3.1 中藥提取物 天麻素是天麻的一種成分，在神經(jīng)退行性疾病中具有很強(qiáng)的抗氧化活性。Jiang等[39]將小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞與谷氨酸分別放置于存在天麻素和不存在天麻素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天麻素預(yù)處理可顯著減少谷氨酸誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，天麻素通過核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)/血紅素加氧酶-1(HO-1)信號通路抑制谷氨酸誘導(dǎo)的鐵死亡。另有研究表明，天麻素還可增加缺血/再灌注腦中血紅素加氧酶-1水平而抑制鐵死亡，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[40]。

虎杖苷是從何首烏根莖中提取的一種單晶化合物，具有潛在的神經(jīng)保護(hù)作用。Huang等[41]研究發(fā)現(xiàn)，虎杖苷可使鐵死亡信號分子GPX4、SLC7A11、PTGS2 和ATP5G3 mRNA 水平增加，雖然虎杖苷處理對其蛋白質(zhì)表達(dá)沒有顯著影響，但是，虎杖苷在體內(nèi)外均能完全逆轉(zhuǎn)GPX4活性的降低，其作用強(qiáng)于體外經(jīng)典鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1(FER-1)。此外，虎杖苷亦可降低急性神經(jīng)損傷的嚴(yán)重程度?；⒄溶帐且环N抗氧化劑，可以減少腦缺血再灌注所引起的細(xì)胞內(nèi)ROS增加，改善線粒體功能障礙[42]。

高良姜素是高良姜提取物，具有止痛、消炎、促進(jìn)血液循環(huán)的作用。Guan等[43]通過建立沙鼠雙側(cè)頸總動脈結(jié)扎腦缺血模型，運(yùn)用Morris水迷宮測試評估沙鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高良姜素治療可降低缺血/再灌注沙鼠大腦中脂質(zhì)過氧化物的水平，增加SLC7A11和GPX4的表達(dá)，并減少細(xì)胞死亡的數(shù)量。此外，高良姜素處理的沙鼠中鐵死亡標(biāo)志物的表達(dá)降低，并且當(dāng)SLC7A11被敲低時(shí)，高良姜素的作用減弱。這些結(jié)果表明，高良姜素可以通過增強(qiáng)SLC7A11和GPX4的表達(dá)來抑制鐵死亡，并減少神經(jīng)元細(xì)胞死亡。

紅花素是從紅花中提取的一種類黃酮化合物，具有活血止痛的作用，現(xiàn)代藥理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)其具有抗氧化和抗炎特性。Guo 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，紅花素減少了MCAO誘導(dǎo)的鐵死亡，主要表現(xiàn)在脂質(zhì)過氧化水平降低和鐵死亡相關(guān)蛋白表達(dá)上。表明紅花素可通過減少ROS的釋放來減輕缺血/再灌注損傷，改善MCAO模型大鼠的神經(jīng)功能[45]。

3.2 中藥復(fù)方 中藥復(fù)方腦泰方由黃芪、川芎、僵蠶和地龍組成，藥效物質(zhì)基礎(chǔ)為黃芪多糖、黃芪甲苷、川芎嗪、阿魏酸、蚓激酶、草酸銨和白僵菌素等，其益氣活血功效與抑制神經(jīng)細(xì)胞鐵死亡、增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞抗氧化能力、減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡等現(xiàn)代藥理作用有較大的關(guān)聯(lián)性。Lan等[46]研究發(fā)現(xiàn)，腦泰方治療可降低轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1和二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(DMT1)的表達(dá)水平，減少了ROS、丙二醛(MDA)和鐵的積累，并降低神經(jīng)行為評分。腦泰方治療可增加SLC7A11、GPX4和GSH的表達(dá)水平以及MCAO大鼠中尼氏體的數(shù)量。黃連解毒湯由黃連、黃芩、黃柏、梔子組成，具有清熱解毒功效。研究表明，黃連解毒湯可恢復(fù)GSH及谷胱甘肽過氧化物酶水平[47]，改善神經(jīng)功能缺損和組織病理學(xué)改變，縮小梗死面積。

4 思考與展望

鐵死亡機(jī)制涉及鐵代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝3個(gè)方面。大量的研究表明，鐵死亡可加劇缺血性中風(fēng)病人的大腦缺血區(qū)域的組織損害，而鐵螯合劑可延緩大腦缺血所致的組織損害。大量的文獻(xiàn)研究表明，中醫(yī)藥干預(yù)鐵死亡具有獨(dú)特的神經(jīng)保護(hù)作用。但鐵死亡在缺血性中風(fēng)中的研究尚處于早期階段，鐵死亡在缺血性中風(fēng)的作用機(jī)制及其中醫(yī)藥干預(yù)方面仍需進(jìn)一步探索?？傊?，作為一種新型的細(xì)胞死亡形式，鐵死亡與缺血性中風(fēng)的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，進(jìn)一步探究鐵死亡與疾病發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制和中醫(yī)藥干預(yù)措施，有助于加深對缺血性中風(fēng)的認(rèn)識，以期為缺血性中風(fēng)提供更精準(zhǔn)的治療。