铁死亡在非癌症性肝病中的作用：缘木求鱼还是方兴未艾？
铁死亡是最近发现的一种调节性细胞死亡方式，目前对于这一领域的研究方兴未艾，多篇文章发表在 Nature 等国际知名期刊上，也是近年来国家自然科学基金关注的热点。天津医科大学总医院消化内科孙超博士所在课题组持续关注这一研究领域，于近日在 Cell Death & Disease 杂志（IF：6.304）发表综述， 对铁死亡调控的核心分子生物学机制进行了总结，阐述了铁死亡在非癌症性肝病中的作用，并对铁死亡作为一种治疗靶点的潜力进行了探讨。《国际肝病》有幸邀请到课题组以中文形式分享该篇综述主要内容，介绍课题组最新工作进展，希望可以对广大医学研究人员有所裨益。
作者：毛丽虹
审校：王邦茂，姜葵，孙超
作者单位：天津医科大学总医院消化内科
铁死亡是一种新近发现的调节性细胞死亡（RCD）方式。在形态上，铁死亡表现为线粒体皱缩，线粒体膜密度增加，线粒体嵴减少或消失；在生化方面表现为铁离子依赖的脂质过氧化物和活性氧自由基（ROS）增多。正常的铁对生物维持生存至关重要，主要参与氧运输、DNA生物合成和作为辅酶参与三羧酸循环和电子传递链，从而影响ATP合成，但细胞内铁离子超载，可催化机体形成具有代谢毒性的ROS，导致细胞损伤或死亡。
循环中的铁主要是三价铁离子（Fe3+），以与转铁蛋白结合的形式存在，通过与细胞膜转铁蛋白受体1（TFR1）结合内吞进入细胞内，形成核内体。在核内体中，Fe3+被还原为二价铁离子（Fe2+）。二价金属转运体1（DMT1，也称为SLC11A2）最后将Fe2+从核内体释放到细胞质的不稳定铁池（LIP）中，过量的铁储存在铁蛋白（ferritin）中。铁蛋白是由铁蛋白轻链和铁蛋白重链1两个亚基组成的一种复合体，细胞铁摄取增加和/或储存减少导致铁超载，从而促进铁死亡的发生。
研究表明，铁螯合剂可以抑制erastin诱导的铁死亡，而补充外源性铁可以增强erastin诱导的铁死亡。因此，改变细胞铁的摄取、贮存和利用是调控铁死亡的关键环节。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）和System Xc-也是铁死亡的关键调节点。System Xc-/GPx4轴介导了胱氨酸进入细胞、还原为半胱氨酸，并进一步作为原料合成谷胱甘肽（GSH）。因此，GPx4失活或加重LIP的负荷能够诱导细胞发生铁死亡。ROS与细胞膜上的多聚不饱和脂肪酸（PUFAs）发生反应，生成过量的脂质过氧化物导致膜损伤，最终发生铁死亡。
值得注意的是，铁死亡诱导剂erastin与RSL3均可诱导细胞发生铁死亡，但其机制不完全相同，erastin主要通过抑制System Xc-，从而抑制机体GSH的合成，间接抑制GPx4，导致细胞铁死亡；而RSL3可直接结合GPx4，导致脂质过氧化、ROS蓄积，最终导致细胞发生铁死亡。铁死亡抑制剂如铁抑制素-1（Fer-1）和脂质体抑制剂-1（Lip-1）可以通过清除脂质自由基抑制铁死亡。
研究表明，铁死亡与慢性肺阻塞性疾病、脑出血、神经退行性疾病、急性肾损伤和癌症等多种疾病的发生进展相关。同时，抑制铁死亡可以延缓许多肝病的发展，包括血色素沉着症、免疫介导性肝炎、酒精性脂肪性肝炎和急性肝衰竭；相反，诱导铁死亡可抑制肝癌细胞的增殖，增强索拉非尼的药效并降低肝癌细胞的耐药性，为肝癌的联合治疗提供新的思路和方法。同时，RCD可能根据细胞类型和疾病背景的不同发挥相异的作用。
因此在本综述中，我们总结了铁死亡的核心分子机制，阐述了铁死亡在非癌症性肝病中的作用，并探讨了铁死亡作为一种治疗靶点的潜力。
图1.铁死亡的代谢途径和核心分子机制
（引自发表文章）
铁死亡的发生归因于细胞内铁蓄积，这可能与铁自噬、线粒体功能紊乱、半胱氨酸转运失调和GPx4失活导致的谷胱甘肽耗竭有关。System Xc-（由SLC7A11和SLC3A2两个亚基组成）负责氧化还原平衡，它通过1：1的摩尔比在细胞内谷氨酸交换时摄取胞外胱氨酸来实现氧化还原平衡。在细胞内，胱氨酸被谷胱甘肽还原为半胱氨酸，用于谷胱甘肽的生物合成。GPx4能有效抑制LOX过度活化和脂质过氧化。GPx4活性降低可导致ROS蓄积，从而诱导铁死亡。
铁死亡在非癌症性肝病中作用
1、急性肝损伤/衰竭
临床上药物性肝损害和急性肝衰竭最主要的病因是对乙酰氨基酚（APAP）中毒，其主要机制是APAP过量导致反应性代谢物NAPQI加合物的形成，NAPQI加合物诱导氧化应激导致线粒体功能障碍，从而发生铁死亡。
同时，研究表明线粒体损伤导致炎症小体激活，通过炎症小体依赖的IL-1β活化p53也参与了APAP诱导的肝损伤过程，但以线粒体代谢和氧化还原反应为靶点干预细胞铁死亡是否可以防止炎性小体的过度激活仍有待阐明。
此外，研究发现去铁胺、Fer-1可以减轻APAP引起的肝损伤，说明铁超载也参与了APAP诱导的肝损伤过程。除了APAP中毒，急性肝衰竭还与病毒和自身免疫性肝炎（AIH），肝脏缺血，处方药、草药和膳食补充剂引起的药物性肝损伤有关。
脂质ROS的蓄积能够诱发铁死亡，因此氧化应激也是急性肝损伤/衰竭和铁死亡之间病生理联系的关键机制。例如，在脂多糖（LPS）和D-氨基半乳糖（GalN）诱导的急性肝衰竭小鼠模型中，GPx4、Nrf2和血红素加氧酶-1（HO-1）的蛋白水平显著降低，而高迁移率族蛋白B1（HMGB1）的水平显著升高，LDH、Fe2+、丙二醛（MDA）和ROS水平升高，GSH水平下降。而HMGB1抑制剂甘草酸可以通过抑制氧化应激靶向作用于铁死亡，从而减轻肝损伤。
另一项研究表明异丙嗪可以通过抑制脂质过氧化和减少细胞死亡来改善LPS/GalN诱导的肝衰竭。Sestrin2（Sesn2）作为一种结构保守的抗氧化蛋白，可以对各种刺激作出反应，发挥维持内环境稳态的作用。在用苯肼预处理的小鼠中，注射腺病毒Sesn2缓解了苯肼引起的血清ALT/AST水平升高和组织学损伤。
2、酒精性肝病
酒精性肝病包括脂肪变性、脂肪性肝炎、纤维化/肝硬化、肝衰竭和肝细胞癌。过量的酒精在体内产生大量活性代谢产物如乙醛、脂肪酸乙酯、磷脂酰乙醇和ROS，这些代谢物通过影响蛋白质平衡、脂肪生成、氧化还原反应和有氧呼吸等细胞事件，造成肝细胞死亡。此外，长期饮酒也会导致肝肿大和蛋白沉积。
Sirtuin1（SIRT1）是一种Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶，对啮齿动物和人类的酒精性脂肪性肝炎具有保护作用。与肠道特异性SIRT1缺失小鼠（SIRT1iKO）相比，野生型对照组（WT）小鼠表现出更严重的肝损伤和肝脏炎症，肠道SIRT1缺乏的保护作用可能与铁代谢稳态的维持，GSH含量的升高、脂质过氧化的减轻和铁死亡相关基因表达水平改变有关。
值得注意的是，在酒精诱导的小鼠模型中，铁死亡的核心调节因子GPx4在mRNA基因和蛋白表达水平上都没有显著变化，由此推断可能存在其他机制，如胱氨酸的耗竭和System Xc-的抑制使肝脏对酒精诱导的铁死亡更为敏感。
3、非酒精性脂肪性肝病
随着肥胖和糖尿病发病率的增加，非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）逐渐成为慢性肝病和肝癌的主要病因。NAFLD以细胞内脂滴堆积、细胞死亡、免疫/炎症细胞浸润和一定程度的纤维化为特征。当单纯性脂肪变性进展到非酒精性脂肪性肝炎（NASH）时，患者发生肝硬化和恶变的几率大大增加，其中，4%～27%的肝硬化NASH患者将进展为肝细胞癌。
研究证实，NASH与铁死亡有关，过量的甘油三酯和游离脂肪酸引起氧化应激和胰岛素抵抗。此外，铁蓄积也会加快NASH的进程。在胆碱缺乏和乙硫氨酸补充（CDE）饮食模型中，铁死亡的出现早于其他类型的细胞死亡。
与正常饮食喂养的小鼠相比，Trolox和去铁胺能抑制CDE饮食的小鼠肝细胞铁死亡、免疫细胞浸润和促炎细胞因子（TNF-α/IL-1β/IL-6）的表达。因此，铁死亡可能是NASH一个重要的治疗靶点。
4、免疫介导性肝炎
AIH是一种持续性和复发性由免疫介导的肝损伤，以不同严重程度的慢性肝炎为特征。诊断治疗不及时的AIH有发展为终末期肝病（肝硬化和肝衰竭）的风险。AIH的病因复杂，如环境、遗传和炎症损伤等。AIH的病理特征是肝内淋巴细胞、浆细胞和嗜酸性粒细胞的浸润，但其详细机制仍不清楚。刀豆蛋白A（Con A）可诱发暴发性免疫性肝损伤，常作为动物模型来模拟AIH的病生理改变，进而探讨AIH的发病机制和治疗方案。
目前认为，过量的ROS和活性氮（RNS）会造成氧化组织损伤，降低细胞存活率，而Fer-1对Con A诱导的肝炎有保护作用，可能与其逆转Cav-1和抑制RNS有关。吲哚胺2，3-双加氧酶1（IDO1 ）是一种胞内血红素酶，也是一种重要的免疫调节剂，其影响Fe 2+的产生。IDO1和铁死亡抑制剂都可抑制Con A诱导的细胞铁死亡和硝化应激。鉴于皮质类固醇和其他免疫抑制剂的副作用，因此将铁死亡作为AIH的治疗靶点是一种很有前景的治疗策略。
图2.铁死亡在各种肝损伤中的作用及可能机制
（引自发表文章）
多种肝病的发生进展与铁死亡相关，将其作为治疗靶点可能会提供新的治疗思路。事实上，以铁死亡为治疗靶点可以延缓急性肝衰竭、酒精性肝病、非酒精性脂肪肝和免疫介导性肝炎等多种肝损伤的病理生理进展，其机制包括拮抗铁死亡、抗炎、抗氧化和调节免疫反应等作用。
5、肝纤维化
肝纤维化的基础是肝星状细胞（HSC）的激活。在肝损伤相关因素的驱动下，静止的HSC转化为可收缩的肌成纤维样细胞，肌成纤维样细胞产生细胞外基质并诱导纤维化。治疗肝纤维化的有效方法包括抑制HSC的增殖和诱导其发生凋亡、自噬、衰老和铁死亡等作用。
研究发现HO-1过表达可通过抑制HSC的增殖和活化从而介导异甘草酸镁的抗纤维化作用。最近一项研究表明蒿甲醚（ART）可通过调控铁代谢和脂质过氧化，促进p53的表达和核输入，从而抑制肝纤维化。相反，Fer-1对铁死亡的抑制完全抵消了ART诱导的抗纤维化作用。
进一步的研究证实了RNA结合蛋白（ELAVL1/HuR或ZFP36）介导的HSC细胞铁死亡同时需要通过调控铁自噬来实现，这也为肝纤维化的治疗提供了新的靶点。值得注意的是，上调ELAVL1（通过消除Beclin mRNA的稳定性）和下调ZFP36（通过逆转ATG16L1mRNA的降解）均可增强索拉非尼诱导的HSC铁死亡，从而改善肝纤维化。
综上所述，目前的文献报道干扰HSC的自噬-铁死亡相互作用为肝纤维化防治提供了新的思路。
图3.铁死亡在不同肝脏细胞中的双重作用
（引自发表文章）
肝纤维化的基础是HSC的激活。在肝损伤因素的驱动下，静止的HSC转化为可收缩的肌成纤维样细胞，肌成纤维样细胞产生细胞外基质并导致纤维化。研究发现，对铁死亡的调控可能是抗纤维化的一种治疗方案。此外，铁自噬介导的HSC铁死亡也参与抗纤维化作用。
结论和未来展望
虽然铁死亡相关的研究处于初步阶段，但我们相信这一领域还有很多尚未开发的潜力。如抑制铁死亡可用于预防和/或保护由氧化应激、脂毒性以及过度免疫反应造成的肝损伤，而诱导铁死亡可用于治疗具有耐药性的恶性肿瘤。以铁死亡为治疗靶点的创新性在于，这种方式（很可能）只有在致病条件下才发挥作用，而其他类型的RCD多是继发于坏死-炎症过程的。此外，人们早就认识到铁蓄积和脂质过氧化与多种疾病的发病机制有关。更具特异性的铁死亡标志物和化学探针等检测方法的建立，是拓展和加速这一研究领域进展的坚实基础。