作者：趙孝淳 包映暉 上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院神經外科
"程序性細胞死亡"無時無刻不發生於每個生命體的每個角落，近年來眾多相關研究出現，並且越來越多未知的細胞程序性死亡模式被發現，這些死亡模式對於人體的眾多系統均存在著較大的意義。鐵死亡是一個近期發現的新的程序性死亡模式，它與神經系統千絲萬縷的聯繫，可為今後神經科學的臨床與基礎研究提供更多的新思路。本文圍繞鐵死亡的機制及其在神經系統中各類效應等相關問題綜述如下。
一、鐵死亡：一種全新的程序性細胞死亡通路
近年來，許多新的與基於半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶-8（cystein-asparate protease-8，Caspase-8）的傳統凋亡所不同的程序性細胞死亡通路被發現，如由受體相互作用蛋白1（receptor-interacting protein 1，RIP1）/受體相互作用蛋白1（receptor-interacting protein 3，RIP3）誘導的"壞死性凋亡"，再如由Caspase-1誘導的炎症相關的細胞"焦亡"等等。鐵死亡於2012年被發現並發表在Cell雜誌上。研究中發現一種叫做Erastin的化療藥物對於RAS癌基因突變的人纖維肉瘤細胞系HT-1080細胞有特殊的殺傷作用。作者在進一步的研究中發現這種殺傷誘導引發了一種新的依賴鐵離子的非凋亡性的細胞死亡模式，該模式在形態上是和其他已知的程序性細胞死亡有所不同的，並將其被命名為"鐵死亡"。研究發現鐵死亡在很多方面與傳統的細胞死亡有所不同：在細胞結構上鐵死亡與所有已知的細胞死亡方式均不同，凋亡的染色質固縮和邊緣化，細胞自噬中的雙層膜結構的自噬小泡，細胞器的腫脹，核膜和細胞膜的溶解均沒有出現。發生鐵死亡的細胞形態學上表現為比正常稍小的線粒體，以及稍增厚，密度稍增加的線粒體膜。細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）通路的激活被認為是鐵死亡的標誌之一，ERK-磷酸的量和鐵死亡發生的進行程度呈正相關。凋亡是一個非炎症性質的過程，而鐵死亡的過程則多伴炎症性的表現[主要表現為過氧化物（reactive oxygen species，ROS）]的釋放，在神經組織中多伴有星形膠質細胞和小膠質細胞的增殖聚集，可以通過測定膠質纖維酸性蛋白和離子鈣接頭蛋白分子-1的表達程度來確定炎症的發生，以驗證是鐵死亡的存在而並非凋亡。這些驗證鐵死亡發生的方法和獨特物質可以為今後的實驗提供標記作用。在近年的研究中，鐵死亡抑制素Ferrostatin-1（Fer-1）及鐵死亡脂抑素Liproxstatin-1（Lip-1）2種小分子物質被證實為鐵死亡通路中的抑制劑，在許多實驗中發揮相應作用。
二、鐵死亡發生相關的機制
正如鐵死亡的命名一樣，鐵在其中發揮了較重要的作用。研究表明轉鐵蛋白（transferrin receptor，TFR）的量是和其發生的程度呈正相關。TFR是一種將血液中的二價鐵離子轉運至細胞表面，通過一個叫做TFR的受體，並經胞吞途徑進入細胞內。進一步的研究證實若通過TFR RNA幹擾來抑制TFR的表達，會抑制鐵死亡的進行。所以TFR的胞吞過程對於鐵死亡的進行是至關重要的。最新的研究表明含鐵血紅素氧化酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）在鐵死亡通路中發揮了作用。HO-1是一類氧化酶，可使血紅素在細胞內被分解成為卟啉和鐵。該研究中HO-1的抑制劑鋅原卟啉ZnPP被證實可以抑制Erastin誘導的細胞鐵死亡過程，並且HO-1介導的反應產物可以加強Erastin的殺傷效果，故血色素的分解代謝，可促進鐵死亡的過程。
細胞間液的穀氨醯胺被轉運至細胞內後會發生一系列化學反應，這些反應被命名為穀氨醯胺分解代謝，在這個反應中，穀氨醯胺被分解並進行一些列反應，將其轉變為穀氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和一些在三羧酸循環中的一些中間產物。研究證明這個反應在腫瘤的發生過程中起到重要作用。左旋穀氨醯胺被證明是穀氨醯胺分解代謝過程中的關鍵中間產物，而左旋穀氨醯胺被證明可以進一步誘導ROS的形成，並最終誘導鐵死亡的發生。
Xc-是一個廣泛分布在神經細胞膜表面的胺基酸逆向轉運體。Xc-將一分子胱氨酸轉運入胞內，並將一分子穀氨醯胺轉運至細胞外；被轉入胞內的胱氨酸和甘氨酸、穀氨酸一起形成穀胱甘肽，穀胱甘肽是一個廣為人知的抗氧化物質，它對ROS的清除過程中起到重要作用。P53基因被證明可以抑制一個Xc-的亞基-SLC7A11，該亞基被P53抑制後導致進入胞內的胱氨酸減少，減少穀胱甘肽的量，並導致ROS的累積，最終導致鐵死亡的發生。促使穀胱甘肽生成反應的關鍵酶叫做穀胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，Gpx4），而RSL3是一個已知的可以誘導鐵死亡發生的物質，該物質被證明可通過直接與Gpx4亞基蛋白結合的方式抑制穀氨醯胺的合成。證明穀氨醯胺和ROS在鐵死亡的發生過程中其關鍵作用。研究證實Gpx4敲除小鼠會出現與鐵死亡相關的急性腎損傷。Lip-1是在該研究中發現的一個可以抑制鐵死亡的小分子物質，該物質的作用靶點在穀胱甘肽合成的途徑當中，並可以抑制與鐵死亡相關的缺氧再灌注損傷。但具體作用位點尚不明確。
這3個機制指向一個共同通路，即更多ROS的形成，而ROS進一步誘導鐵死亡的發生。齊留酮是一個5-脂氧酶（5-lipoxygenase，5-LOX）的抑制劑，它被用於哮喘的慢性期控制。該藥物在實驗中也被證實有抑制鐵死亡的作用。5-LOX是一個促進脂質ROS生成的物質，在缺血的神經組織中大量表達。而齊留酮則被證明可以減少ROS誘導的鐵死亡並表現出神經保護的作用。正向前文機制中所述，鐵死亡不僅僅是由鐵誘導的細胞死亡，穀氨醯胺等胺基酸代謝，包括穀氨醯胺分解代謝和Xc-系統也是該過程中的關鍵步驟，所以有些學者傾向於將鐵死亡命名為"血清依賴的細胞死亡"或"代謝亡"。故可以得出結論，這種新發現的細胞死亡模式是被胺基酸的代謝和鐵的代謝共同調控的，並最終通過ROS導致鐵死亡的完成。Fer-1是一個在原始研究中發現的可以抑制鐵死亡過程的小分子化合物，但目前具體作用機制和作用靶點尚不明確，但目前可以證實Fer-1並非通過抑制ERK磷酸化途徑來抑制鐵死亡的，而其確實可以減少由ERK磷酸化所導致的最終通路中ROS的累積。
三、鐵死亡與神經系統疾病
（一）鐵死亡與顱腦創傷
顱腦創傷是神經外科疾病中最常見的一種，創傷後多伴有顱內出血，根據創傷部位、程度的不同造成多種不同結局。顱腦創傷後會造成局部的微循環障礙，進而引起缺血，缺氧，造成神經損傷。眾多研究表明，鐵的累積並通過ROS的產生在其病理生理過程中起到了重要作用，鐵的累積也可通過補體的膜攻複合體途徑在外傷，腦出血等情況下造成損傷。缺氧誘導因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）是1992年Semenza和Wang發現的，它是一個在缺氧情況下表達增加的轉錄因子，進而通過血管內皮生長因子、肌肉特化錨定蛋白激酶mAKAP以及NF-kB來調控缺氧條件下的微環境。研究證實通過減少HIF在神經缺氧條件下的表達對於腦缺血而言是一個加重因素。缺氧誘導因子-1脯氨酸羥化酶（HIF prolyl-hydroxylase，HIF PHD）有分解HIF的作用，HIF PDH的抑制劑，尤其是HIF PDH-1的抑制劑，也被證實有神經保護的作用。最新的研究證明鐵離子的螯合劑可通過抑制HIF PDH來抑制鐵死亡，最終在腦外傷和腦出血等缺氧情況下起到神經保護的作用。表兒茶酸是一種通過核呼吸因子通路來調控脂質ROS的代謝來起到神經保護作用的物質。而最新的研究證明，表兒茶酸也可以通過抑制鐵死亡相關的基因（豬鐵效應元件結合蛋白2基因、ATP5G3、Cs及Rpl8）來抑制鐵死亡通路來表現出神經保護作用。
（二）鐵死亡和神經元疾病
有研究證實，通過使用他莫昔芬（一類雌激素受體調節劑）處理小鼠可以得到Gpx4敲除的小鼠模型-Gpx4NIKO小鼠。而在敲除了鐵死亡的關鍵酶之後，小鼠均出現了四肢癱瘓，肌肉萎縮。而染色也證實了脊髓運動神經元鐵死亡是造成其癱瘓的原因。肌萎縮側索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一個由於脊髓運動神經元細胞中超氧化物歧化酶基因突變造成ROS損傷，最終造成對稱性全身癱瘓的疾病，穀胱甘肽等抗氧化物質也發揮著中間作用。
而近年來有研究表明ALS患者體內的血清鐵的數值是高於正常人的，鑑於2種物質都在鐵死亡過程中發揮作用，鐵死亡是否在其病理生理過程中發揮相應作用值得探究。鐵死亡抑制劑Fer-1被證實在許多神經元疾病的病理生理過程中發揮作用從而減輕甚至抑制疾病的發生，如Huntinton病（huntington’s disease，HD）：HD是1個三核苷酸擴增遺傳病，主要以尾狀核的累及並有舞蹈樣症狀為特點的常染色體顯性遺傳病，而研究表明HD中神經的損傷與穀氨酸及其代謝產物和鐵離子相關，也與ROS的累積相關。在鐵死亡被正式提出之前，就已經有學者研究指出HD中的神經死亡是一種非凋亡性的細胞死亡，而在鐵死亡被正式描述後，研究人員發現Fer-1可以增加HD小鼠模型的神經元存活率。另有研究指出，Fer-1可以減輕由"魚藤酮"對神經母細胞瘤細胞通過α-核突觸蛋白（即帕金森病中累積的Lewy小體）的累積造成的氧化損傷。
（三）鐵死亡和顱腦腫瘤
由於腫瘤細胞中抗氧化物質較少，作用較弱，氧化應激對於腦腫瘤來說是一個殺傷效應，並且許多化療藥物也是通過產生ROS來形成對於腫瘤的殺傷作用。但爭議仍存在，因ROS對於腫瘤細胞的轉移來說是一個促進因素，也有研究證實抗氧化藥物的使用可以延長膠質瘤患者的生存期。腦腫瘤的治療主要是通過手術的方式完成的，而化療和放療也是治療腦腫瘤的一種方式。研究證實在小鼠膠質瘤模型進行放療前輸注含鐵離子的水可以顯著增加放療對於膠質瘤的治療效果，並且放療後證實了凋亡和鐵死亡在其中的作用。膠質瘤幹細胞的存在是膠質母細胞瘤治療不敏感的原因之一，而有研究指出大麻二醇（cannabidiol，CBD）可以通過增加ROS進而抑制膠質瘤幹細胞的生存，最終可延長膠質母細胞瘤模型小鼠生存期，且通過柳氮磺吡啶對於鐵死亡通路中的關鍵酶Xc-進行抑制，以增強鐵死亡的發生，亦可增加CBD對於膠質瘤幹細胞的殺傷。
替莫唑胺是近年來研究比較熱門的一個針對膠質瘤的化療藥，但其抵抗率仍較高，之前的研究有證實可以通過外源ROS來增加替莫唑胺對腫瘤殺傷的敏感性。而最新的研究表明，鐵死亡的誘發物質之一，Erastin可以通過抑制Xc-胺基酸對向轉運系統達到增加ROS，誘發鐵死亡來增加替莫唑胺化療的敏感性。故鐵死亡可以作為膠質瘤的放化療的潛在靶點之一，通過幹預鐵死亡的過程來增強其治療效果。
四、展望
儘管鐵死亡的概念被提出後科學家們開展了多項針對其機制和應用方面的研究，也取得一些進展，但仍有許多問題等待解決：ROS的累積最終是如何導致鐵死亡的發生？是否會像Caspase之於凋亡一樣有一個最終執行鐵死亡的物質？在試驗中發現的兩個特殊的小分子物質（Fer-1和Lip-1）在微觀反應中的具體靶點仍不清楚。鐵和胺基酸的代謝貫穿了鐵死亡的整個過程，但這些物質又是廣泛存在的，如何能特異性地在鐵死亡過程中指出其特異的作用並進行特異性幹預？鐵死亡在眾多神經相關疾病當中的作用提供了一個治療的新思路，如顱腦創傷或腦出血中對於鐵死亡的抑制，腫瘤化療中對於鐵死亡的增強，都可能改善相應疾病的治療效果和預後。這些問題仍待未來的研究進行解決，並且可能出現針對相應疾病的治療新方法。
來源：中華神經醫學雜誌2017年第16卷第1期
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