铁死亡在脑损伤中的研究进展

程慧娴1,2 姚芬1 操良斌2 陈永权2 段满林1

1南方医科大学第一临床学院金陵医院麻醉科，南京 210002；2皖南医学院第一附属医院（弋矶山医院）麻醉科，芜湖 241001

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(10):1103-1107.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210621-00662

 基金项目 

国家自然科学基金（81671884）；皖南医学院中青年科研基金（WK2019F32）

REVIEW ARTICLES

【综述】

无论是在生理还是病理条件下，细胞死亡都是生命过程中不可避免的重要环节，标志着细胞生命的终结。2018年，细胞死亡命名委员会综述的细胞死亡机制中，除了凋亡和坏死外，还存在其他新的程序性死亡模式，如自噬、焦亡和铁死亡等，它们具有独特的生物学过程和病理生理学特征。在这些不同的细胞死亡形式中，铁死亡参与多种病理和生理过程，包括癌细胞死亡、神经毒性和缺血再灌注损伤等，备受广泛关注。越来越多研究发现铁死亡正在成为脑缺血、脑出血（intracerebral hemorrhage, ICH）和其他急性脑损伤期间病理性细胞死亡的重要机制，并有研究显示铁抑制剂具有改善神经功能损伤的作用。文章旨在阐述铁死亡在脑损伤病理生理过程中的作用及影响，为进一步了解脑损伤发病机制及寻找新的治疗靶点提供参考。

1 铁死亡定义及特征      

2012年，Dixon等首次提出铁死亡概念，是因细胞内铁离子水平异常升高，氧化还原失衡，细胞膜发生脂质过氧化，使脂质活性氧（reactive oxygen species, ROS）积累增加，最终细胞膜破裂导致的一种非凋亡形式的细胞死亡。铁死亡在形态学、生物化学以及基因水平方面与凋亡、坏死、自噬等其他形式的细胞死亡显著不同。形态学上，铁死亡无特异的形态特征，主要表现为细胞线粒体体积减少，双层膜密度增加以及线粒体嵴减少或消失，但细胞膜保持完整，细胞核大小正常，没有染色质的浓缩。铁死亡不具有典型坏死的形态特征（如胞质和细胞器的肿胀以及细胞膜破裂），也没有细胞萎缩、染色质浓缩、凋亡小体形成和细胞骨架崩解等传统细胞凋亡的特征；不像自噬具有经典的自噬泡。生化过程中，一方面Fe2+以Fenton反应方式氧化脂质；另一方面，细胞内的谷胱甘肽（glutathione, GSH）耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）活性降低，也导致ROS大量堆积，诱发细胞铁死亡发生。

目前大多数研究者试图通过铁死亡抑制剂，如去铁酮和去铁胺抑制铁死亡或调节下游途径来确认铁死亡的存在。铁死亡的确切机制仍在探索，但其引发和执行大致可分为两个部分：铁代谢和铁死亡核心途径。其中铁死亡的核心途径是由胱氨酸‑谷氨酸反向转运蛋白系统（the cystine/glutamate antiporter system Xc, Xc−系统）的抑制和GPX4的失活引起的脂质ROS积累（图1）。

2 铁死亡与脑损伤      

铁死亡在人体中主要发生在氧化反应活跃、能量代谢旺盛及富含不饱和脂肪酸的器官中，尤以脑组织最为多见。铁死亡除参与神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、亨廷顿病和帕金森病）外，越来越多的研究证实其与脑缺血、ICH及其他急性脑损伤等引起的神经损伤也有密切关系。

2.1　脑缺血

每年大约795 000人经历新的或复发性卒中，其中87％是缺血性卒中。缺血性神经元损伤涉及多种机制，其中氧化应激在缺血性损伤的进展中发挥重要作用。在缺血性脑组织中，ROS升高，抗氧化剂系统的防御能力减弱，自由基过量产生，抗氧化剂酶失活和抗氧化剂消耗。这会导致多种有害事件，包括脂质和蛋白质的过氧化，对核DNA的破坏以及细胞死亡。多项研究表明，铁死亡在缺血性脑损伤（主要在神经元）中起调节作用，并介导大鼠缺血性脑损伤的发生和发展，抑制铁死亡可以减轻大鼠缺血性脑损伤。

2017年Tuo等研究发现，脑缺血后铁超负荷加剧了脑组织的细胞死亡，给予ferrostatin‑1（Fer‑1）和liproxstatin‑1（Lip‑1）铁死亡抑制剂可使小鼠免受大脑中动脉闭塞的缺血再灌注损伤，证实铁死亡可导致缺血性脑损伤后神经元死亡。有趣的是，进一步发现tau基因敲除小鼠在缺血再灌注损伤后免受铁死亡，由此推测tau‑铁相互作用可能是铁死亡发生机制之一。在大鼠大脑中动脉闭塞模型中，铁浓度在脑损伤部位升高，可能是损伤区域附近的血管渗漏导致全铁转铁蛋白的流入所致，外源性全铁转铁蛋白增加使血铁蛋白饱和度增加，而外源性给予去铁传递蛋白和随后血铁蛋白饱和度的降低具有神经保护作用。Lan等发现，在大鼠大脑中动脉闭塞模型中，二价金属离子转运体1的表达上调，并且二价金属离子转运体1抑制剂抑制铁死亡，减轻脑缺血损伤。缺血期间脑内转铁蛋白高亲和力受体1（transferrin receptor 1, TFR1）表达上调，中药脑泰方提取物可降低TFR1的表达以抑制铁死亡并改善脑损伤。

GPX4和GSH是内生性铁死亡抑制剂，其含量与脑缺血密切相关。在缺血性大鼠模型中，GPX4的水平过低会导致铁死亡，而GPX4的水平增加可改善脑损伤。香芹酚是一种治疗脑缺血的药物，可通过增强GPX4的表达并减轻脑缺血再灌注损伤过程中海马神经元的损伤抑制铁死亡。

含铁脂氧合酶（lipoxygenases, LOXs）是氧化多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs）引发脂质过氧化和铁死亡的关键酶，在脑缺血后高表达，LOXs抑制剂可以抑制铁死亡减轻损伤。LOXs有几种子类型，包括12/15‑LOX。在大脑中动脉闭塞模型中，12/15‑LOX表达增加，而抑制12/15‑LOX可以降低神经元死亡，从而改善神经元恢复。

脑缺血可诱发铁死亡，而铁死亡又加重脑缺血性损伤。抑制铁死亡可以减轻这种缺血性损伤。但涉及脑铁死亡的调控机制仍不清楚，包括铁超载、GPX4和12/15‑LOX上游的调控机制等。铁死亡是直接导致细胞死亡还是通过其他方式间接导致细胞死亡仍需进一步研究。

2.2　ICH

ICH是卒中的毁灭性亚型，目前几乎没有可行的治疗方法来干预原发性或继发性脑损伤。Chen等研究表明，铁死亡可能与人类ICH的病理过程有关，进一步动物实验表明铁死亡发生在ICH的急性期，甚至在远离血肿的脑部区域也存在神经细胞铁死亡，针对铁死亡的治疗策略可能应该在ICH急性期实施。此外，通过Fer‑1治疗可减少ICH引起的神经功能缺损，记忆障碍和脑萎缩，而Fer‑1对铁死亡的抑制表现出远期的神经保护作用。

对于采用胶原酶诱导的小鼠ICH模型，给予Fer‑1治疗表现出明显的脑保护作用并改善小鼠的神经功能。此外，在铁死亡的下游，前列腺素内过氧化物合酶2基因编码的环氧合酶2在ICH后3 d内显著增加，并且可以被Fer‑1抑制。通过光谱分析，Karuppagounder等还证明了依赖环氧合酶的脂质物也参与了铁死亡。Fer‑1也可以减轻由血红素刺激的器官型海马切片培养物和原代皮质神经元的神经元死亡和铁的沉积。在ICH后第3天和第6天发现，铁死亡的神经元线粒体体积缩小，细胞膜线粒体减少，肿胀的线粒体数量似乎稳定并持续到第28天。

GPX4动态平衡是ICH后神经元细胞铁死亡的重要组成部分。大鼠ICH 24 h后，脑组织中GPX4的水平显著下降，而增加GPX4的水平则显著减少了神经性功能障碍、脑水肿、血脑屏障损伤、氧化应激和ICH后的炎症损害，给予Fer‑1还显著降低ICH后继发性脑损伤。除特定的抑制剂外，Alim等研究发现，ICH后GPX4的神经元特异性表达起保护因子的作用，避免了由铁死亡引起的神经元氧化损伤。

N‑乙酰半胱氨酸（N‑acetyl‑cysteine, NAC）是一种临床认可的半胱氨酸前体，可通过调节Xc‑转运蛋白的活性和半胱氨酸/谷氨酸的比率来调节氧化还原反应。在这项研究中，NAC可减轻血红素诱导的小鼠皮质神经元细胞死亡，并改善小鼠ICH后的功能恢复，NAC通过提高GSH水平，中和ICH后花生四烯酸脂加氧酶15衍生的核脂质来预防ICH引起的铁死亡。

铁死亡在神经元细胞死亡中起关键作用。但目前还没有进行任何针对其他细胞类型的研究。出血性卒中后，内皮细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞均存在其代谢紊乱和ROS积累。除铁死亡在神经元死亡中的作用外，铁死亡或许出现在其他类型的细胞中，应进一步扩大研究范围。

2.3　外伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）

TBI后3 d，透射电镜即可观察到铁死亡的典型特征即线粒体的回缩。脑室注射Fer‑1可以显著减少铁沉积和神经元变性，同时减轻损伤病变并改善远期运动和认知功能，为针对铁死亡的TBI治疗提供实验基础。Kenny等证明TBI后，磷脂酰乙醇胺的氧化、蛋白质表达和GSH水平的变化与铁死亡的激活相一致，抑制15‑脂氧合酶显著减少离体和在体TBI后的铁死亡。此外，15‑脂氧合酶抑制剂可减轻磷脂酰乙醇胺的氧化，并减少TBI后组织学和认知功能的损伤。Xiao等发现，miR‑212‑5p的过表达减弱铁死亡，而miR‑212‑5p的下调则通过靶向HT‑22和Neuro‑2a细胞系中前列腺素‑过氧化物合酶2来促进铁死亡。在受控皮质撞击小鼠中使用miR‑212‑5p可显著改善学习和空间记忆，表明miR‑212‑5p可能通过靶向前列腺素‑过氧化物合酶2来预防受控皮质撞击小鼠神经元铁死亡。总之，抑制铁死亡可能是TBI后神经保护的有效靶点。

2.4　铁死亡在其他脑损伤中的作用

脓毒症相关性脑病是继发于脓毒症、由全身炎症反应引起的弥散性中枢神经系统功能障碍。姚鹏等建立大鼠脓毒症相关性脑病模型，发现大鼠海马区铁异常沉积和神经细胞铁死亡，导致认知功能障碍。铁螯合剂去铁胺（deferoxamine, Def）预处理可显著降低海马区铁沉积，减轻神经细胞铁死亡，明显改善认知功能障碍，该作用可能与激活Nrf2/GPX4信号通路有关。

蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage, SAH）是一种严重的脑血管疾病。早期脑损伤在SAH不良预后中起关键作用。Li等通过建立在体模型（SAH大鼠模型）和离体模型（SH‑SY5Y氧合血红蛋白损伤模型）探讨铁死亡在SAH早期脑损伤中的作用，SAH后皮质中铁含量增加，而TFR1和铁转运蛋白增加，GSH含量和GPX4活性降低，而氧合血红蛋白处理的细胞中脂质过氧化物增加。Fer‑1上调铁转运蛋白并降低铁含量，改善脂质过氧化和早期脑损伤。因此，Fer‑1通过减轻铁死亡发挥早期脑损伤的神经保护作用，其潜在的机制可能是抑制脂质过氧化。

3 小结与展望     

综上所述，铁死亡的发现为疾病研究领域开辟了一个新的平台，其在疾病的发生、发展和治疗中的临床意义逐渐呈现。然而，铁死亡的研究仍处于起步阶段，许多问题仍未解决。铁死亡、凋亡、自噬和其他细胞死亡之间是什么关系？是协同作用还是对抗作用？这些不同的细胞死亡方式是否可以整合到完整的网络中？这些问题仍需进一步探索。探索铁死亡的发病机制及其在脑损伤中的作用，提出有效且针对性强的治疗方法，为其在脑损伤中进行治疗性试验奠定基础，这也是铁死亡在脑损伤研究的未来方向。