基于鐵死亡治療衰老及衰老相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

周永昌,陶思曼,陳勝強(qiáng),蒲秀瑛

(蘭州理工大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730050)

鐵死亡(ferroptosis)是一種非調(diào)節(jié)性的細(xì)胞死亡形式,以鐵依賴性和過量脂質(zhì)過氧化物(lipid peroxides,LPO)為特征[1]。自2012 年這一概念被首次提出至今已有十年,雖然鐵死亡的詳細(xì)機(jī)制尚未完全闡述清楚,但已有研究表明鐵死亡與各種疾病之間有著千絲萬縷的聯(lián)系。衰老是一種不可逆的生理過程,同時(shí)也是衰老相關(guān)疾病的致病因素,為了揭示衰老及衰老相關(guān)疾病的秘密,人們提出了許多機(jī)制來解釋它們的發(fā)生發(fā)展,鐵死亡即是其中之一[2]。有報(bào)道稱,隨著年齡的增長(zhǎng),在腎、脾、肝、卵巢、子宮、小腦和骨髓中均有鐵死亡發(fā)生并伴有鐵積累[3]。有鑒于此,許多鐵死亡治療藥物也應(yīng)運(yùn)而生。如經(jīng)典的鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1(Fer-1)、Liproxstatin-1 (Lip-1)等在被使用后能抑制鐵死亡延緩疾病進(jìn)程[4]。其中,傳統(tǒng)中醫(yī)藥顯現(xiàn)出了極大潛力,黃芩苷、黃芪多糖等都被證明具有良好的鐵死亡治療效果[5-7]。因此,闡述鐵死亡與衰老及衰老相關(guān)疾病的關(guān)系,梳理治療鐵死亡介導(dǎo)的衰老及衰老相關(guān)疾病的復(fù)方或單一天然化合物顯得十分必要。本文將總結(jié)近年來中醫(yī)藥在治療與鐵死亡有關(guān)的衰老及衰老相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展,討論鐵死亡在其中的作用和治療機(jī)制,進(jìn)一步明確相關(guān)靶點(diǎn),以期為鐵死亡治療藥物的開發(fā)提供思路。

1 鐵死亡概述

鐵死亡是新近提出的一種非凋亡細(xì)胞死亡模式,主要以鐵離子依賴性和脂質(zhì)過氧化為特征。一經(jīng)提出便受到了國內(nèi)外研究者們的熱切關(guān)注,人們開始深入探索鐵死亡的作用機(jī)制,尋找鐵死亡與疾病間的聯(lián)系。經(jīng)過十余年的研究和發(fā)展,鐵死亡的發(fā)生機(jī)制有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,多種假說陸續(xù)提出并被證明。主要有:(1)鐵穩(wěn)態(tài)破壞:當(dāng)鐵死亡發(fā)生后,鐵代謝發(fā)生紊亂,細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)被打破,鐵離子大量蓄積,引發(fā)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化物積累[1,8];(2)胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(System Xc-):胞外的胱氨酸被SystemXc-(SLC7A11是SystemXc-的輕鏈亞基) 攝取進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),在NADPH 的輔助下轉(zhuǎn)化為半胱氨酸,然后經(jīng)過兩步過程合成谷胱甘肽(glutathione,GSH)。當(dāng)SLC7A11(或抑制System Xc-)被抑制時(shí),會(huì)引起GSH 的耗竭,導(dǎo)致鐵死亡[9];(3)谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4):GPX4 與GSH 協(xié)同作用將細(xì)胞膜上過度積累的脂質(zhì)過氧化物還原為脂質(zhì)醇,減少ROS 和氧化應(yīng)激,抑制鐵死亡[9];(4)線粒體(mitochondria):線粒體促進(jìn)鐵死亡機(jī)制主要有三種。第一,線粒體產(chǎn)生的ROS 促進(jìn)脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)鐵死亡[10];第二,線粒體是ATP 的生產(chǎn)細(xì)胞器,AMPK 失活促進(jìn)鐵死亡[11];第三,線粒體儲(chǔ)存著三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循環(huán)和各種補(bǔ)充TCA 循環(huán)的同源反應(yīng),線粒體可能通過調(diào)節(jié)TCA 循環(huán)來促進(jìn)鐵死亡[12]。綜上所述,已發(fā)現(xiàn)了許多鐵死亡調(diào)控通路和靶點(diǎn),相關(guān)的作用機(jī)制也得到了闡明,但鐵死亡的研究仍處在初始階段,需要更多的研究成果來豐富鐵死亡研究領(lǐng)域。

2 鐵死亡與衰老及衰老相關(guān)疾病的關(guān)系

2.1 鐵死亡在細(xì)胞衰老中的作用

細(xì)胞衰老是機(jī)體衰老的標(biāo)志,伴隨著細(xì)胞衰老,衰老細(xì)胞中的鐵離子水平呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),幾乎是正常細(xì)胞的十倍有余,并且這種衰老進(jìn)程可以被N-叔丁基羥胺(N-tert-butylhydroxylamine,一種抗氧化劑)抑制[13],這說明細(xì)胞內(nèi)鐵離子的累積會(huì)引發(fā)氧化應(yīng)激和細(xì)胞功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞衰老[14]。而鐵死亡的重要標(biāo)志就是細(xì)胞內(nèi)鐵離子的升高和活性氧的產(chǎn)生,這似乎將鐵死亡指向了細(xì)胞衰老,但是二者之間的關(guān)系具體如何不得而知。

最近的研究發(fā)現(xiàn),衰老后的晶狀體上皮細(xì)胞和腎小管細(xì)胞對(duì)鐵死亡非常敏感。Wei 等[15]研究顯示,由Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡在55thFHL124 細(xì)胞中比15th的FHL124 細(xì)胞更加顯著;且在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),RAS-selective lethal 3(RSL3)誘導(dǎo)的鐵死亡僅在20 月齡小鼠的晶狀體外植體中的晶狀體上皮細(xì)胞發(fā)生,在3 月齡的小鼠中無明顯誘導(dǎo)作用[15]。另一項(xiàng)研究表明,衰老的腎小管細(xì)胞更易發(fā)生鐵死亡,衰老發(fā)生后,腎小管細(xì)胞中的花生四烯酸-5-脂加氧酶(properties of 5-lipoxygenases,ALOX5)被上調(diào),GPX4 水平下調(diào);有趣的是,RSL3 誘導(dǎo)的鐵死亡可以選擇性地消除衰老的腎小管細(xì)胞[16]。此外,研究人員在阿霉素誘導(dǎo)的衰老細(xì)胞和旁分泌衰老細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了鐵死亡和亞鐵離子積累,并提出了兩種廣譜的抗衰老方法,分別是鐵死亡誘導(dǎo)和亞鐵激活前藥[17]。Ding 等[18]也發(fā)現(xiàn),當(dāng)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞細(xì)胞膜上的TfR1 蛋白水平下降,SLC39A14 蛋白水平升高時(shí),老年嚙齒類動(dòng)物(80 周齡)骨骼肌發(fā)生不穩(wěn)定鐵積累,進(jìn)而激活衰老骨骼肌中的鐵死亡,在使用Fer-1 抑制這一過程后,小鼠的運(yùn)動(dòng)能力得到提高;研究者還收集了臨床治療后發(fā)生骨折的年輕(年齡＜30 歲)和老年(年齡＞60 歲)患者的肌肉樣本,觀察后發(fā)現(xiàn)鐵代謝相關(guān)基因(Slc39a14)、脂肪生成相關(guān)基因(Pparγ、Adiponectin、Fasn和Cd36)和鐵生成相關(guān)基因(Hmox1、Sat1 和Ptgs2)的失調(diào);這些數(shù)據(jù)表明,鐵死亡可能是衰老骨骼肌中未被認(rèn)識(shí)的細(xì)胞死亡形式之一[18]。Zheng 等[3]開發(fā)了一種用于特異性檢測(cè)鐵死亡的單克隆抗體-HNEJ-1,檢測(cè)后發(fā)現(xiàn),隨著年齡增長(zhǎng),鐵死亡在各個(gè)器官中增加,出現(xiàn)顯著的年齡依賴性。Zhang 等[19]研究發(fā)現(xiàn),晚期傳代的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)細(xì)胞凋亡和鐵死亡增加,尤其是線粒體和溶酶體發(fā)生了顯著變化。這些證據(jù)表明,衰老的細(xì)胞對(duì)鐵死亡十分敏感,在細(xì)胞衰老的過程中有可能發(fā)生了鐵死亡。

另外,Shu 等[20]認(rèn)為,鐵死亡是細(xì)胞衰老的下游效應(yīng);他們發(fā)現(xiàn)他汀類藥物(Statins)能夠誘導(dǎo)脂肪組織衰老,在此過程中香葉基香葉基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate,GGPP)的水平被降低,衰老過程在補(bǔ)充GGPP 后受到抑制,但給予Fer-1 并不會(huì)影響GGPP 的表達(dá);這說明脂肪組織中的鐵死亡可能是由細(xì)胞衰老和ROS 增加引起,鐵死亡是脂肪組織衰老的促進(jìn)因素[20]。此外,也有學(xué)者認(rèn)為細(xì)胞衰老是拮抗鐵死亡的一種手段。Masaldan等[21]報(bào)道稱,當(dāng)細(xì)胞發(fā)生衰老后細(xì)胞內(nèi)的鐵離子水平最多達(dá)到正常細(xì)胞的30 倍,且衰老的過程不受到鐵螯合劑的干擾。該研究認(rèn)為細(xì)胞衰老改變了細(xì)胞內(nèi)鐵的獲取和儲(chǔ)存,由于衰老細(xì)胞中極高的鐵離子水平,所以對(duì)鐵死亡產(chǎn)生了抵抗作用[21]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),衰老軟骨細(xì)胞能夠抵抗鐵死亡引起的細(xì)胞死亡,這種抵抗作用可能是由于興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 1 ( recombinant excitatory amino acid transporter 1,EAAT1)增加細(xì)胞內(nèi)谷氨酸(glutamate,Glu)水平并激活GSH 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的[22]?？傊?從現(xiàn)有研究來看,鐵死亡與細(xì)胞衰老之間的關(guān)系仍存在分歧,主要集中在二者發(fā)生的先后順序上,需要更多清晰直觀的證據(jù)來進(jìn)一步解析它們之間關(guān)系。

2.2 鐵死亡與衰老相關(guān)疾病息息相關(guān)

生老病死是自然規(guī)律,進(jìn)入晚年時(shí),許多衰老相關(guān)的疾病隨之而來, 如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森癥(Parkinson’s disease,PD)、 中 風(fēng)、 心 血 管 疾 病(cardiovascular diseases,CVDs)、糖尿病、慢性炎癥、年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration, AMD)等[23-25],這些疾病通常都顯現(xiàn)出年齡依賴性。近些年來,鐵死亡作為一種全新的細(xì)胞死亡方式而備受關(guān)注,許多研究表明鐵死亡與多種衰老相關(guān)疾病的發(fā)病有關(guān)。

2.2.1 鐵死亡是阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制中的重要參與者

衰老是阿爾茨海默病唯一且最具影響力的因素[26],據(jù)報(bào)道,65 歲以后,阿爾茨海默病的發(fā)病率幾乎每五年翻一番[27]。阿爾茨海默病的病理特征是淀粉樣β(amyloid β,Aβ) 和神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs)組成的老年斑累積,而這些神經(jīng)纖維纏結(jié)來源于過度磷酸化的tau 蛋白聚集[28]。在大腦中,鐵參與許多基本的生理過程,包括神經(jīng)遞質(zhì)的合成代謝、氧氣運(yùn)輸、DNA 合成等,而鐵穩(wěn)態(tài)的喪失往往會(huì)引起不同機(jī)制的神經(jīng)毒性[29]。有研究表明鐵在tau 蛋白的形成過程中起到了非常重要的作用,鐵的過度沉積會(huì)導(dǎo)致tau 蛋白的過度磷酸化[30];也有研究表明鐵螯合劑可以減少淀粉樣蛋白前體蛋白和β-淀粉樣肽[31-32],并且β-淀粉樣蛋白(25-35)誘導(dǎo)的AD 大鼠中鐵死亡關(guān)鍵因子谷胱肽過氧化物酶4(GPX4)和SLC7A11 的表達(dá)降低,TfR 水平升高,給予Fer-1 治療后病理狀態(tài)得到改善[33]。Bao 等[34]研究表明,在患有AD 的人體組織和動(dòng)物模型中Ferroportin1(Fpn,唯一被確認(rèn)的鐵轉(zhuǎn)出蛋白)的水平被下調(diào),Fpn 缺失的小鼠會(huì)出現(xiàn)AD 樣腦萎縮和記憶障礙,恢復(fù)Fpn 后可改善小鼠的鐵死亡和記憶損傷;應(yīng)用特異性的鐵死亡抑制劑后,因Aβ 聚集引起的神經(jīng)元死亡和記憶損傷被有效改善[34]。由此可見,鐵穩(wěn)態(tài)和鐵代謝的變化會(huì)直接影響阿爾茨海默病的進(jìn)展,鐵離子引發(fā)鐵死亡是阿爾茨海默病的發(fā)病原因之一。

2.2.2 誘導(dǎo)鐵死亡是腫瘤的潛在治療方法

衰老過程中發(fā)生的腫瘤、基質(zhì)及其通訊的局部代謝改變和全身代謝變化共同建立了獨(dú)特腫瘤微環(huán)境(tumour microenvironment,TME)[35]。衰老細(xì)胞會(huì)分泌大量的炎癥、細(xì)胞外修飾和生長(zhǎng)因子,統(tǒng)稱為衰老相關(guān)分泌表型( senescence-associated aecretory phenotype,SASP),通過激活SASP 會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的持久停滯和腫瘤免疫微環(huán)境重塑,治療誘導(dǎo)衰老后產(chǎn)生的SASP 可以促進(jìn)抗腫瘤免疫,從而提高治療效果[36]。此外,在癌癥幸存者的體內(nèi)中發(fā)現(xiàn)機(jī)體的衰老進(jìn)程被加快[37]。這說明,衰老的細(xì)胞與腫瘤之間的關(guān)系十分緊密,通過調(diào)節(jié)衰老相關(guān)的途徑能夠影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展[35-39]。由于腫瘤細(xì)胞獨(dú)特的代謝方式、高負(fù)荷的活性氧水平和特定突變使得許多腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡十分敏感。另外,許多致癌基因或致癌相關(guān)通路已被證明能夠控制腫瘤細(xì)胞中的鐵死亡[40]。因此,鐵死亡被認(rèn)為是多種腫瘤治療的靶點(diǎn),鐵死亡誘導(dǎo)劑將會(huì)在抗腫瘤過程中顯示出無與倫比的作用。有研究顯示線粒體[41-42]、ROS[43]、Sirtuins 家族[39]等一些抗衰老明星靶點(diǎn)也可以誘發(fā)腫瘤,其中的一些靶點(diǎn)恰恰也是調(diào)節(jié)鐵死亡的重要靶點(diǎn)。因此,應(yīng)有如下兩種可行的抗腫瘤方案:方案一:鐵死亡的誘導(dǎo)劑通過衰老途徑或信號(hào)通路來發(fā)揮抗腫瘤作用;方案二:抗衰老藥物可以通過鐵死亡途徑來誘導(dǎo)腫瘤死亡。總之,衰老、腫瘤、鐵死亡三者之間存在密切聯(lián)系,抗衰老與抗腫瘤的靶點(diǎn)和藥物有共通之處,鐵死亡可以將它們連接起來,但是,相互之間具體是如何影響和/或協(xié)同的,仍需要進(jìn)一步解析。

2.2.3 鐵死亡能夠影響糖尿病及并發(fā)癥的進(jìn)展

糖尿病是一種慢性代謝和退行性疾病,其特征是胰島素分泌缺陷或胰島素功能障礙引起的高血糖[44]。糖尿病常被認(rèn)為是一種衰老性疾病。據(jù)報(bào)道,衰老可以促進(jìn)糖尿病及并發(fā)癥的發(fā)生,而且某些衰老途徑也被用作治療糖尿病[45-46]。雖然已經(jīng)開發(fā)出了許多糖尿病治療藥物,但糖尿病發(fā)病機(jī)制仍不是十分清楚。有研究表明,鐵過載會(huì)導(dǎo)致糖尿病的惡化,人體鐵水平升高是2 型糖尿病(type 2 diabetes,T2DM)發(fā)生的重要原因[47-48]。

胰島β 細(xì)胞功能衰竭和胰島素抵抗是糖尿病的主要病理表現(xiàn),由于胰島β 細(xì)胞缺乏強(qiáng)有力的抗氧化機(jī)制,鐵死亡在其中更容易發(fā)生[49-50]。Stancic等[51]發(fā)現(xiàn),在糖尿病條件下,胰島β 細(xì)胞會(huì)發(fā)生鐵死亡,并且Fer-1 可以保護(hù)胰島免受鏈脲佐菌素(STZ)的損傷。Li 等[52]的研究結(jié)果也表明槲皮素可以緩解2 型糖尿病中胰島β 細(xì)胞的鐵死亡。Hao等[53]研究發(fā)現(xiàn),SLC40A1 介導(dǎo)1 型糖尿病的鐵死亡和認(rèn)知功能障礙。此外,鐵死亡也是調(diào)節(jié)糖尿病并發(fā)癥的重要靶點(diǎn)。糖尿病腎病(diabetic kidney disease,DKD)[54]、 糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)[55]、糖尿病骨質(zhì)疏松癥(diabetic osteoporosis,DOP)[56]和糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)[57]等都受到鐵死亡的影響?？偠灾?許多證據(jù)都證實(shí)鐵死亡能夠促進(jìn)糖尿病及其并發(fā)癥的進(jìn)展,但它們之間的分子機(jī)制尚未得到深入的研究,因此,深入闡明這種相互作用對(duì)糖尿病的治療和降糖藥物的開發(fā)意義十分重大。

2.2.4 鐵死亡與心血管疾病

心血管疾病在廣義上定義為中風(fēng)、冠狀動(dòng)脈疾病、心力衰竭(心衰)、心臟驟停和心肌梗死等[58],人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到年齡是心血管疾病最重要的致病因素[59]。鐵死亡的提出使得人們對(duì)心血管疾病的機(jī)制和治療方法有了更加深入的認(rèn)識(shí)。2019 年,王福俤/閔軍霞團(tuán)隊(duì)在國際上首次報(bào)道了鐵死亡是心臟疾病的一種重要發(fā)病機(jī)制[60],作者發(fā)現(xiàn)并證明了鐵死亡是治療阿霉素(DOX) 和缺血/再灌注(myocardial ischemia reperfusion injury,I/R)誘導(dǎo)的心肌病小鼠模型的有效策略[61]。由此,打開了鐵死亡與心臟疾病的研究大門,并在許多的心血管疾病中都發(fā)現(xiàn)了鐵死亡的身影。例如:Jiang 等[62]揭示了信號(hào)接頭蛋白HIP-55 作為分子開關(guān)調(diào)控心肌梗死中的鐵死亡,通過抑制MAPK/JNK 死亡通路的激活,抑制GPX4 依賴的鐵死亡,發(fā)揮心梗保護(hù)作用。此外,Fang 等[63]首次構(gòu)建了心臟特異性敲除鐵蛋白小鼠的心力衰竭和心臟損傷表型,在給予Fer-1后該表型被逆轉(zhuǎn),進(jìn)一步研究顯示該逆轉(zhuǎn)作用是鐵死亡關(guān)鍵調(diào)控蛋白SLC7A11 被上調(diào)的結(jié)果。目前防治鐵死亡介導(dǎo)的心臟疾病的策略主要有5 種,王福俤/閔軍霞團(tuán)隊(duì)將其比作“五色石”,將鐵死亡防控心臟疾病的機(jī)制形象化地概括為“女媧補(bǔ)天”,包括鐵死亡抑制劑(Fer-1)、鐵離子絡(luò)合劑(DXZ)、線粒體還原劑(MitoTEMPO)、卟啉抑制劑(ZnPP)以及低鐵膳食(low iron diet)[60]。毫無疑問,現(xiàn)有的證據(jù)充分證明了鐵死亡是心血管疾病或心臟系統(tǒng)疾病的重要致病原因,但具體的治療靶點(diǎn)較少,這可能與研究時(shí)間較短有關(guān)。在未來的研究中,有針對(duì)性的進(jìn)行調(diào)控因子的挖掘和調(diào)控機(jī)制的闡述應(yīng)是研究的重點(diǎn),以期為靶向鐵死亡防治心臟疾病臨床藥物的開發(fā)和臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)的建立提供更加充分的科學(xué)依據(jù)。

3 中醫(yī)藥調(diào)控鐵死亡介導(dǎo)的衰老及衰老相關(guān)疾病的研究現(xiàn)狀

衰老已被證明是年齡有關(guān)疾病的主要危險(xiǎn)因素[64]。中醫(yī)藥應(yīng)用歷史悠久,大量的臨床前及臨床證據(jù)表明中醫(yī)藥在治療衰老及衰老相關(guān)疾病方面效果顯著[65],主要的治療方法有單藥提取物治療、傳統(tǒng)中藥復(fù)方治療、針灸按摩等。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道顯示,鐵死亡是一種衰老及衰老相關(guān)疾病的潛在致病因素,并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多靶向鐵死亡的藥物,其中中醫(yī)藥顯現(xiàn)出良好的治療前景。

3.1 單藥提取物調(diào)控鐵死亡介導(dǎo)的衰老相關(guān)疾病

3.1.1 阿爾茨海默病

在前文中已提供了許多鐵死亡與阿爾茨海默病有關(guān)的證據(jù),截至目前,已有3 種天然化合物活性成分清晰地表明它們的抗AD 作用是通過抑制鐵死亡實(shí)現(xiàn)的。第一種為圣草酚(Eriodictyol,ERD),一種廣泛存在于各種水果、蔬菜和部分中草藥中的天然黃酮類化合物[66]。李琳等研究發(fā)現(xiàn),圣草酚能夠有效改善小鼠的認(rèn)知障礙和AD 樣病理變化,通過VDR 介導(dǎo)的Nrf2/HO-1 信號(hào)通路抑制鐵死亡發(fā)揮抗AD 作用[66];第二種是紅景天苷(Salidroside)。Yang 等[7]發(fā)現(xiàn),紅景天苷可以抑制Aβ1-42誘導(dǎo)的AD 小鼠和谷氨酸(Glutamic acid,Glu)損傷的HT-22細(xì)胞的神經(jīng)元鐵死亡,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用,其機(jī)制與激活Nrf2/HO1 信號(hào)通路有關(guān);第三種是二苯乙烯苷(tetrahydroxy stilbene glycoside,TSG)。Gao等[67]的研究表明,TSG 促進(jìn)了GSH/GPX4/ROS 和Keap1/Nrf2/ARE 等鐵死亡信號(hào)通路的激活,減少了鐵死亡標(biāo)志物,通過多種信號(hào)通路恢復(fù)線粒體功能,逆轉(zhuǎn)Aβ 引起的損傷。除此之外,還有一些天然植物中的活性成分也可能是潛在的抗AD 藥物,它們均是鐵死亡抑制劑,如Hinokitiol[68]、TanshinoneⅡA[69]等,詳見表1。從表中數(shù)據(jù)不難看出,天然植物中存在許多潛在的抗AD 藥物,它們的治療機(jī)制多數(shù)都指向了Nrf2 及其下游蛋白,這說明在研究鐵死亡調(diào)節(jié)阿爾茨海默病的分子機(jī)制時(shí),Nrf2 是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的方向。

表1 抑制鐵死亡來調(diào)控阿爾茨海默病的單藥提取物Table 1 Extractions from single Chinese herbal medicine in regulating Alzheimer’s disease via inhibiting ferroptosis

3.1.2 腫瘤

由于腫瘤細(xì)胞不同于正常細(xì)胞的代謝和生存模式,使得腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡更加敏感。因此,人們對(duì)鐵死亡在腫瘤生物學(xué)和癌癥治療的研究尤為深入[74]。在既往的研究中,傳統(tǒng)中藥具有顯著的腫瘤抑制效果,自鐵死亡被提出之后,人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)中藥可以誘發(fā)鐵死亡抑制腫瘤細(xì)胞增殖。其中,青蒿素衍生物的表現(xiàn)十分亮眼。雙氫青蒿素(dihydroartemisinin,DHA) 通過抑制GPX4、上調(diào)CHAC1、促進(jìn)PEBP1/15-LO、抑制PRIM2 /SLC7A11軸等鐵死亡拮抗機(jī)制來治療膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、肝癌等[75-76];青蒿琥酯(artesunate, ART) 能夠激活A(yù)TF4-CHOP-CHAC1 信號(hào)通路、損傷STAT3 信號(hào)通路等機(jī)制誘導(dǎo)伯基特淋巴瘤[77]、彌漫性大B 細(xì)胞淋巴瘤[78]、胰腺癌[79]、卵巢癌[80]等腫瘤中的鐵死亡。此外,還有許多抗腫瘤的天然植物活性成分也具有鐵死亡誘導(dǎo)劑的特性(詳見表2),其中有兩種化合物較為特殊,分別是丹參酮ⅡA(TanshinoneⅡA)和黃芩苷(Baicalin)。在阿爾茨海默病中它們是鐵死亡抑制劑[5,69],而在腫瘤中又變成了鐵死亡誘導(dǎo)劑[81-82],并且在兩種疾病中的作用機(jī)制也各不相同,遺憾的是,對(duì)此尚未有較為合理的解釋,可能與中藥本身“多靶點(diǎn),多通路”治療疾病的特性有關(guān)。

表2 誘導(dǎo)鐵死亡來治療腫瘤的單藥提取物Table 2 Extractions from single Chinese herbal medicine in the treatment of tumors via inducing ferroptosis

3.1.3 糖尿病及其并發(fā)癥

中藥治療糖尿病的研究由來已久,中國古代將其稱為消渴癥,消渴丸、復(fù)方降糖方等許多中藥在降血糖方面的效果十分顯著。隨著自鐵死亡機(jī)制的逐漸被揭示,許多學(xué)者開始探索其在糖尿病中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn),許多中藥活性成分通過鐵死亡誘發(fā)或促進(jìn)糖尿病的病程,這也為糖尿病治療藥物的篩選提供了更多的選擇。Li 等[52]發(fā)現(xiàn),槲皮素(Quercetin)通過抑制胰腺鐵沉積和胰腺β 細(xì)胞(pancreatic β cells,PBC)鐵死亡發(fā)揮對(duì)T2DM 的有益作用; 另有一項(xiàng)研究表明, 隱綠原酸(cryptochlorogenic acid,CCA)通過激活胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng)(System Xc-)/GPX4/Nrf2 和抑制核受體輔激活劑4(nuclear receptor coactivator 4,NCOA4)來抑制糖尿病大鼠的胰腺β 細(xì)胞鐵死亡[90];此外,白蘆藜醇(Resveratrol)可以通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑改善丙烯醛(Acrolein)誘導(dǎo)的小鼠胰腺β細(xì)胞MIN6 細(xì)胞鐵死亡[91]。近期研究顯示,中藥可以通過鐵死亡調(diào)節(jié)糖尿病心肌病和糖尿病腎病(表3)[53,57]。(1)糖尿病心肌病:Wang 等[92]發(fā)現(xiàn),蘿卜硫素(Sulforaphane)通過AMPK 介導(dǎo)的Nrf2 激活來預(yù)防糖尿病心肌病中的鐵死亡發(fā)生;此外,姜黃素和五味子乙素(Schizandrin B)也可以通過Nrf2 途徑減輕糖尿病心肌病中鐵死亡誘導(dǎo)的心肌損傷[93-94]。(2)糖尿病腎病:研究表明,在糖尿病腎病小鼠模型中,五味子甲素(Schizandrin A) 通過AdipoR1/AMPK-ROS/線粒體損傷減輕鐵死亡[95]。上述證據(jù)充分證明,在糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)生時(shí),胰腺β 細(xì)胞會(huì)發(fā)生鐵死亡,給予鐵死亡抑制劑治療后,癥狀會(huì)得到減輕和緩解,各種天然化合物可以作為鐵死亡抑制劑在它們的治療過程中發(fā)揮作用。

表3 抑制鐵死亡調(diào)節(jié)糖尿病及其并發(fā)癥的單藥提取物Table 3 Extractions from single Chinese herbal medicine in regulating diabetes and its complications via inbibiting ferroptosis

3.1.4 心血管疾病

隨著鐵死亡與心血管疾病之間的關(guān)系逐漸被揭示,已有研究表明,單味中藥提取物可以抑制鐵死亡并用于心血管疾病的治療(見表4)。在心肌缺血/再灌注損傷(I/R)中,阿魏酸(ferulic acid,FA)通過上調(diào)AMPKα2 抑制鐵死亡來緩解I/R[98];Xanthohumol 通過下調(diào)鐵死亡標(biāo)志物PTGS2 和ACSL4 對(duì)I/R 引起的心肌損傷起保護(hù)作用[99];除此之 外, GossypolAceticAcid[100]、 Cyanidin-3-Glucoside[101]、Icariin[102]、Naringenin[103]、Britanin[104]等化合物也可以通過抑制不同的鐵死亡通路來改善I/R 引起的心肌損傷。Liu 等[105]研究發(fā)現(xiàn),在心力衰竭(heart failure,HF)的體內(nèi)體外模型中都出現(xiàn)了鐵死亡特征,葛根素(Puerarin)可以顯著阻斷這一特征。有報(bào)道稱,白藜蘆醇通過誘導(dǎo)HF 中KAT5/GPX4 信號(hào)通路抑制鐵死亡來減輕心肌損傷[106];另有研究表明,Nrf2 也是HF 的重要調(diào)節(jié)靶點(diǎn),Salvianolic acid B[107]和Fraxetin[108]均可通過調(diào)節(jié)Nrf2 來保護(hù)HF 引起的心肌受損。此外,中藥還可以通過抑制鐵死亡來治療心肌病。在阿霉素(Doxorubicin,DOX)誘導(dǎo)的體內(nèi)或體外的心肌病模型中,Li 等[109]發(fā)現(xiàn)Fisetin 通過激活SIRT1/Nrf2 信號(hào)通路抑制鐵死亡,發(fā)揮對(duì)心肌病的治療作用。綜上所述,中藥通過抑制鐵死亡可以在多種心臟系統(tǒng)疾病中發(fā)揮治療作用,然而,從整體水平上來看,現(xiàn)有的治療藥物仍然較少,部分藥物的研究只停留在活性評(píng)價(jià)或簡(jiǎn)單標(biāo)志物檢測(cè)階段,未能就其詳細(xì)機(jī)理作更加深入和全面的研究。

表4 通過抑制鐵死亡來調(diào)節(jié)心血管疾病的單藥提取物Table 4 Extractions from single Chinese herbal medicine in regulating cardiovascular diseases via inhibiting ferroptosis

3.2 中藥復(fù)方調(diào)控鐵死亡介導(dǎo)的衰老相關(guān)疾病

中藥復(fù)方是傳統(tǒng)中醫(yī)藥文化的瑰寶,它以中藥“君臣佐使”的配伍理論為基礎(chǔ),多味中藥協(xié)同發(fā)揮作用。經(jīng)過千百年來的臨床驗(yàn)證,其在疾病防治方面顯示出卓越的治療作用。在鐵死亡理論被提出之后,藥學(xué)工作者也對(duì)中藥復(fù)方是否可以利用鐵死亡來治療疾病進(jìn)行了深入研究,結(jié)果表明,許多中藥復(fù)方在治療衰老相關(guān)疾病中具有很好的療效。有報(bào)道顯示, 扶正抗癌湯( Fuzheng Kangai Decoction)對(duì)GPX4/System Xc-有很好的抑制作用,從而誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生,達(dá)到治療非小細(xì)胞肺癌的目的[111];參麥注射液(Shenmai Injection)可以通過激活Nrf2/GPX4 信號(hào)通路抑制鐵死亡來緩解心肌缺血/再灌注損傷[112];清心解郁顆粒(Qing-Xin-Jie-Yu Granule)對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化有很好的治療效果,其機(jī)制是通過GPX4/System Xc-信號(hào)通路部分抑制動(dòng)脈粥樣硬化易損斑塊中的鐵死亡[113]。以上證據(jù)表明,中藥復(fù)方基于鐵死亡調(diào)控機(jī)制改善疾病狀況是可行的,其可以通過Nrf2、GPX4、System Xc-等靶點(diǎn)發(fā)揮作用。

4 總結(jié)及展望

鐵死亡是一種新提出的細(xì)胞死亡方式,迄今為止,在多種疾病中發(fā)現(xiàn)了鐵死亡標(biāo)志物,并且鐵死亡相關(guān)蛋白的水平也發(fā)生了變化,充分證實(shí)了鐵死亡在疾病進(jìn)程中具有重要地位。衰老及衰老相關(guān)疾病是鐵死亡介導(dǎo)的疾病中的一種,嚴(yán)重影響人類的生命健康。關(guān)于鐵死亡如何引發(fā)衰老及衰老相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制已提出了許多,如鐵穩(wěn)態(tài)、鐵代謝、氧化應(yīng)激、線粒體障礙等,SLC7A11/System Xc-、p53、GPX4、線粒體、Nrf2、Sirtuin 家族等作用靶點(diǎn)也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。然而,截至目前,相關(guān)的研究仍然停留在細(xì)胞模型和動(dòng)物模型水平上,尚無臨床研究或臨床治療藥物的轉(zhuǎn)化,這主要局限于現(xiàn)有的研究進(jìn)展不能完全揭示相關(guān)疾病的致病原因和治療機(jī)制。因此,尚需要進(jìn)一步闡釋鐵死亡發(fā)病機(jī)制,尋找藥物作用途徑。

鐵死亡調(diào)控機(jī)制復(fù)雜多樣,涉及到多種致病途徑和發(fā)病學(xué)說。中醫(yī)藥包含著中華民族幾千年的健康養(yǎng)生理念及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),具有多靶點(diǎn)多途徑的治療優(yōu)勢(shì)。隨著鐵死亡的提出,中醫(yī)藥研究工作者發(fā)現(xiàn)鐵死亡在中藥活性成分或中藥復(fù)方治療衰老及衰老相關(guān)疾病中扮演極重要的角色,根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步豐富了中醫(yī)藥的治療理論和治療選擇。雖然已經(jīng)證明了中醫(yī)藥調(diào)控鐵死亡的潛力,但仍然存在著不少的問題。例如,研究?jī)?nèi)容少、深度和廣度不夠;藥理作用機(jī)制模糊,機(jī)理研究依賴于鐵死亡經(jīng)典靶點(diǎn)的驗(yàn)證;對(duì)中藥復(fù)方調(diào)節(jié)鐵死亡的研究較少,未能充分利用其復(fù)方組合優(yōu)勢(shì)。

綜上所述,鐵死亡是一種重要的致病因素,也是治療衰老及衰老相關(guān)疾病的重要方向之一。中醫(yī)藥應(yīng)用前景廣闊,是開發(fā)治療鐵死亡介導(dǎo)的治療衰老及衰老相關(guān)疾病藥物重要儲(chǔ)存庫。但現(xiàn)有的研究工作仍處于早期階段,亟待在機(jī)制研究、藥理驗(yàn)證、臨床轉(zhuǎn)化等方面打開新的局面,相信在不久的將來中醫(yī)藥一定能在鐵死亡相關(guān)治療中顯露出屬于自己的獨(dú)特魅力,為提升全民健康水平做出貢獻(xiàn)。