铁死亡调节机制及其与全身麻醉药神经毒性作用的关系

李文静 季雨薇 安立新 薛富善

首都医科大学附属北京友谊医院麻醉科，北京 100050

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(1):104-108.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20200722‑00469

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【综述】

调节性细胞死亡对机体生长发育及内环境稳态的维持至关重要。铁死亡是一种独特的非凋亡形式的调节性细胞死亡，其过程高度依赖胞内铁离子 。作为新型细胞死亡途径，铁死亡在形态学、生物化学及基因水平方面与凋亡、坏死性凋亡、自噬等其他形式的调节性细胞死亡有明显差异 。铁死亡的特征为：细胞质膜完整、线粒体膜密度增加、线粒体嵴减少或消失、氧化多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs）释放增加、脂质活性氧（reactive oxygen species, ROS）过度堆积等，可被铁螯合剂和抗氧化剂抑制 。

自铁死亡被提出以来，已有大量研究发现其在人类疾病的发生、发展中起重要作用，尤其是神经系统疾病 。全身麻醉药引发神经毒性作用的一些通路与神经退行性病变的发生机制密切相关。因此，本文就铁死亡的主要调节机制及其与全身麻醉药神经毒性作用的关系进行综述。 

1 铁死亡调节机制   

铁和脂质过氧化物是铁死亡发生必需的两个主要组分。有学者提出脂质过氧化物的堆积最终导致铁死亡，铁离子仅发挥催化作用或仅充当铁死亡过程中的一个关键调节因子 。脂质ROS过度堆积由谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase， GPX）4介导。具体机制通路见图1。

1.1　胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白系统（cystine/glutamate antiporter system Xc−, system Xc−）‑谷胱甘肽（glutathione, GSH）‑GPX4调节轴

system Xc−是由溶质载体家族7成员11蛋白和溶质载体家族3成员2蛋白通过二硫键连接形成的氨基酸反向转运体，介导胱氨酸转入和谷氨酸转出 。进入细胞的胱氨酸被转换为半胱氨酸（cysteine, Cys），参与GSH的合成。Cys是GSH合成过程的限速底物 。当system Xc−受到抑制，进入细胞的胱氨酸减少，Cys水平下降，GSH合成受阻。

GSH作为GPX4的还原剂，是GPX4发挥抗氧化作用必需的辅助因子。谷氨酸半胱氨酸连接酶是GSH合成过程的限速酶。使用丁硫氨酸亚砜胺抑制该酶的活性，干扰GSH合成会诱发细胞死亡 。而使用铁螯合剂可减轻丁硫氨酸亚砜胺导致的细胞死亡，这表明抑制GSH合成可以诱发铁死亡 。

GPX4是GPX家族中的一员。在GSH的辅助下，GPX4可以将有毒性的脂质过氧化物（L‑OOH）转换为无毒性的类脂醇（L‑OH），从而阻止来源于L‑OOH的铁依赖性高反应性脂质烷氧基（L‑O.）的生成 。GPX4的活性对维持胞内脂质稳态至关重要。GPX4失活或沉默GPX4表达相关基因会导致脂质ROS的积累最终引发铁死亡。

1.2　铁代谢

铁在细胞内以两种形式存在：Fe2+和Fe3+。生理状态下，一分子转铁蛋白（transferrin, Tf）可结合两分子Fe3+，与细胞膜表面转铁蛋白高亲和力受体1（transferrin receptor 1, TfR1）结合形成Tf‑Fe2‑TfR1复合物，经内吞作用进入细胞形成内涵体。酸性环境下内涵体释放Fe3+，Fe3+被还原为Fe2+后，经二价金属离子转运体1（divalent metal transporter 1, DMT1）介导转入胞质，多余的Fe2+以铁蛋白形式储存 。

正常状态下，铁离子代谢处于平衡状态，胞内Fe2+过多会导致铁依赖性脂质ROS不断积累并最终诱发铁死亡。目前已知有3条通路参与了铁死亡中铁依赖性脂质ROS的产生 ：① Fe2+与H2O2结合形成混合物通过芬顿反应氧化有机物（醇类、酯类等）生成ROS；② 脂质自氧化生成ROS，该过程由铁催化的酶促方式控制；③ 含铁脂氧合酶氧化花生四烯酸（arachidonic acid, AA）产生ROS。铁离子从胞外转移至胞内的过程受铁反应元件结合蛋白2的调节，敲除铁反应元件结合蛋白2相应基因可以明显减少铁死亡，这证明了铁死亡对铁离子的依赖性 。

1.3　脂质代谢

诱发铁死亡的脂质ROS有多种来源。Fe2+通过芬顿反应生成ROS。此外，GSH耗竭所导致的GPX4失活及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH）依赖性的脂质过氧化都可以导致ROS积累 。

当GSH缺失导致GPX4失活时，细胞主要表现为铁依赖性脂质ROS生成增加和脂质膜上的PUFAs消耗 。PUFAs对脂氧合酶和ROS的氧化十分敏感，导致L‑OOH生成 。生理状态下，GPX4可以将L‑OOH还原为L‑OH，阻止脂质自由基生成 。而当GSH缺失导致GPX4失活时，在铁离子的参与下，L‑OOH形成有毒性的脂质自由基（如L‑O.等）。这些自由基会同时转移周围PUFAs中的质子，将氧化损伤从一个脂质传播到另一个脂质，最终导致PUFAs的氧化裂解 。GPX4失活时，AA的消耗也可以诱发铁死亡 。已知存在两种脂质代谢相关基因——溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3和酰基辅酶A合成酶长链家族成员4，其中酰基辅酶A合成酶长链家族成员4介导AA的酰基化，而溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3催化酰基化AA形成膜磷脂，膜磷脂经过氧化后可以传递铁死亡信号 。研究表明，含AA的磷脂酰乙醇胺是被氧化并导致铁死亡的关键磷脂 。

NADPH作为还原剂可维持GSH的还原状态，保证GPX4功能正常发挥。NADPH活性下降会干扰GSH/GPX4的抗氧化作用，导致ROS积累 。研究表明，小胶质细胞中，铁离子能促进NADPH氧化酶（NADPH oxidase， NOX）介导的ROS生成，导致神经元数量和活性明显下降。使用NOX2和NOX4抑制剂GSK2795039、GKT137831行预处理，可明显减少ROS生成，减轻神经元损伤 。 

2 铁死亡与神经系统疾病      

2.1　铁死亡与慢性神经退行性疾病

众多研究表明，铁死亡与慢性神经退行性疾病之间存在紧密联系 。抑制小鼠前脑神经元中GPX4的活性，会导致伴有脂质过氧化的铁死亡增加，同时加重认知功能障碍，证明了铁死亡与神经退行性疾病之间的联系 。在阿尔茨海默病患者大脑海马和皮质中发现铁沉积增多、铁蛋白减少，给予铁螯合剂去铁胺处理可缓解其认知功能障碍 。轴突网状结构的缺失被认为是帕金森综合征发病早期的主要特点，研究表明，轴突完整性缺失导致的细胞死亡与GSH耗竭有关 。在亨廷顿舞蹈病动物模型及亨廷顿舞蹈病患者体内都检测到了脂质过氧化、铁沉积和GSH下调等铁死亡特征 。

2.2　铁死亡与脑卒中

脑卒中可分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中两大类。有研究发现单侧短暂性大脑中动脉闭塞可导致损伤半球中铁离子水平升高进而诱发铁死亡。使用Ferrostatin‑1和Liproxstatin‑1处理可以限制梗死面积，在小鼠缺血性脑卒中模型中起保护作用 。在出血性脑卒中中，由于血液渗出，血红素铁释放，使脑组织内铁含量升高，进而通过诱导ROS的生成释放引起神经元损伤，使用铁螯合剂有助于减轻脑损伤 。最新研究发现抑制铁死亡可以缓解蛛网膜下腔出血早期的脑损伤 。

2.3　铁死亡与创伤性脑损伤

铁死亡参与了创伤性脑损伤的病理生理改变 。创伤性脑损伤往往伴随水肿、谷氨酸神经毒性和神经炎性反应等。神经炎性反应的主要特点是损伤后氧化应激。中枢神经系统中氧化应激主要发生在小胶质细胞内 。有研究发现创伤性脑损伤发生后小胶质细胞中NOX2和NOX4出现，并且含量逐渐升高 。已有研究表明，在活化的小胶质细胞中，铁可以促进NOX2/4介导的ROS生成并最终导致氧化应激 。使用抗氧化剂治疗可以减轻神经炎症反应，促进损伤后神经功能的恢复 。

2.4　铁死亡与脑室周围白质软化症（periventricular leukomalacia, PVL）

PVL是指由于缺血/缺氧引起的神经元和少突胶质细胞损伤，最终导致脑室周围白质软化，临床表现为肢体瘫痪和智力低下。有研究表明，铁死亡可能参与了PVL的发病进程。铁死亡抑制剂Ferrostatin‑1可以保护少突胶质细胞免受胱氨酸剥夺造成的损伤 。PVL患者脑脊液中脂质ROS水平明显升高，而脂质过氧化在铁死亡的发生中至关重要 。 

3 铁死亡与全身麻醉药神经毒性作用的关系      

已有大量基础实验和一些临床回顾性研究表明全身麻醉药会对发育期或老化神经元产生深远持久的影响 。探讨全身麻醉药引起神经毒性作用的潜在机制至关重要。铁死亡在神经系统疾病的发生、发展中起重要作用，而全身麻醉药引发神经毒性作用的一些通路又与神经系统疾病的发生机制密切相关，那么全身麻醉药的神经毒性作用是否也与铁死亡密切相关呢？

3.1　全身麻醉药可干扰system Xc−‑GSH‑GPX4调节轴

system Xc−功能障碍导致的GSH合成减少是引发铁死亡的主要原因之一 。有研究报道使用异氟醚处理人神经母细胞瘤细胞系SH‑SY5Y神经元可以上调Beclin1蛋白的磷酸化水平，磷酸化的Beclin1蛋白可以直接与溶质载体家族7成员11蛋白相结合抑制system Xc−的活性，这使得胞内GSH合成减少，最终导致铁死亡 。选择性沉默Beclin1蛋白或使用异氟醚和GSH联合处理细胞可有效缓解异氟醚的这种神经毒性作用。这些结果表明异氟醚可通过作用于Beclin1蛋白，调节system Xc−的活性减少胱氨酸转入，造成GSH剥夺和脂质过氧化物累积，引发铁死亡，产生神经毒性作用 。

3.2　全身麻醉药可导致铁超载

在全身麻醉药神经毒性作用的表现中，已经发现过铁代谢紊乱的证据。有研究表明，在体外培养的海马神经元及幼鼠和老龄鼠的在体实验中，吸入麻醉药七氟醚和静脉麻醉药氯胺酮均可以引起铁超载并诱导铁死亡的发生，进而产生神经毒性和认知功能损害 。NMDA受体是大多数全身麻醉药物的主要作用靶点之一。研究指出，七氟醚和氯胺酮引起的铁超载可能是通过NMDA受体‑RASD1信号通路介导的（RASD1是Ras家族中的一员） 。海马神经元和海马组织暴露于七氟醚和氯胺酮会导致NMDA受体亚基和RASD1水平的上调，进而促进RASD1‑PAP7‑DMT1三元复合物形成，使DMT1介导的铁离子内流增加。小分子铁螯合剂去铁酮可以缓解七氟醚和氯胺酮导致的神经毒性和认知功能损害 。另有研究表明，在异氟醚处理的SH‑SY5Y神经元内，游离铁离子水平随异氟醚处理浓度的升高而升高，铁螯合剂去铁胺可维持高浓度异氟醚处理24 h后SH‑SY5Y神经元的细胞活力 。

3.3　全身麻醉药可引起脂质代谢紊乱

脂质代谢紊乱是导致铁死亡的主要原因之一。有研究证实，将体外培养的幼鼠皮质神经元暴露于2%异氟醚中6 h，可以观察到脂质ROS水平明显升高，同时线粒体膜电位受到干扰，最终导致细胞死亡，而给予铁死亡抑制剂ferrostatin‑1处理可显著改善线粒体功能，减少细胞死亡。同时，研究还发现异氟醚处理可导致幼鼠皮质神经元内抗氧化剂GPX4相应的mRNA水平和蛋白表达量的下降。这些结果表明异氟醚通过干扰脂质代谢引起铁死亡最终导致神经毒性作用，且ferrostatin‑1可能发挥神经保护作用 。此外，另有研究发现，使用七氟醚处理人SH‑SY5Y神经元会导致GSH含量和GPX4活性下降，且这种作用与Bag 2蛋白的表达相关。基因沉默Bag2进一步促进七氟醚导致的GSH、GPX4的变化，加重线粒体损伤和细胞死亡。这证实七氟醚能导致脂质代谢紊乱和线粒体功能损伤，进而引发神经元细胞活力下降 。

4 结语      

综上所述，铁死亡与全身麻醉药引发的神经毒性作用关系密切。随着对铁死亡及其相关机制研究的逐步深入，充分理解铁死亡在全身麻醉药神经毒性作用中扮演的角色，进而利用其相关的激动剂和抑制剂进行调控，将有望为全身麻醉药神经毒性作用的预防和治疗提供新的思路。

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