铁死亡与急性肾损伤及其防治_陈颐华.pdf

中 国 组 织 化 学 与 细 胞 化 学 杂 志CHINESE JOURNAL OF HISTOCHEMISTRY AND CYTOCHEMISTRY第 31 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.31.No.6December.2022收稿日期2022-06-09 修回日期2022-12-05基金项目内蒙古自然基金项目（2018MS08093）；内蒙古自治区卫生和计划生育委员会课题（201703105）；内蒙古医科大学科技百万基金项目（YKD2016KJBW004）；内蒙古自治区草原英才青年创新创业人才一层次人员（2017）作者简介陈颐华，女（1996 年），汉族，研究生在读*通讯作者(To whom correspondence should be addressed)：zlp_铁死亡与急性肾损伤及其防治陈颐华1，张利鹏 2*（1内蒙古医科大学研究生学院，呼和浩特 010050；2内蒙古医科大学附属医院重症医学科，呼和浩特010050）摘要急性肾损伤（acute kidney injury,AKI）是由各种病因引起的短时间内肾功能快速减退而导致的临床综合征。目前，临床上并没有治疗急性肾损伤的有效方法，患者预后差，死亡率较高。近几年的研究显示，铁死亡与 AKI 的发生与进展有着紧密联系，在各类的 AKI 模型中均能发现铁死亡的过程，但确切的机制未完全揭示。抑制铁死亡，可能是防治各种AKI 的新方向。关键词铁死亡；急性肾损伤；脂质过氧化中图分类号R692 文献标识码A DOI：10.16705/ki.1004-1850.2022.06.014Ferroptosis in acute kidney injury:prevention and treatmentChen Yihua1,Zhang Lipeng2*(1Graduate School of Inner Mongolia Medical University,Hohhot 010050,China;2Department of Critical Care Medicine,the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University,Hohhot 010050,China)AbstractAcute kidney injury(AKI)is a clinical syndrome caused by a rapid decline of renal function in a short period of time caused by various etiologies.At present,there is no effective method for treating acute kidney injury clinically,and the prognosis of patients is poor while the mortality rate is high.Studies in recent years have shown that ferroptosis is closely related to the occurrence and progression of AKI.The process of ferroptosis can be found in various AKI models,but the exact mechanism has not been fully revealed.Inhibition of ferroptosis may be a new direction for the prevention and treatment of various AKI.KeywordsFerroptosis;acute kidney injury;lipid peroxidation急性肾损伤（Acute kidney injury,AKI）AKI 是一种复杂的综合征，发生在各种临床环境中，包括败血症、肾毒性和急性心力衰竭。AKI 发生时肾功能突然恶化，伴有含氮废物滞留、电解质和细胞外容量失调。临床表现为短时间内（3 个月）肾功能突然或持续下降，代谢废物和毒物在体内积聚，严重者可发展至肾功能衰竭甚至死亡1。传统上 AKI的诊断需要血肌酐升高和（或）持续 6 小时尿量0.5ml/kg/h。AKI 是一种复杂的综合征，发生在各种临床环境中，包括败血症、肾毒性和急性心力衰竭。AKI 是一个可预防的问题，如果不加以治疗，它会继续造成进一步的伤害，并且与预后不良有关。AKI 的特点主要是肾小管上皮细胞的损伤。越来越多的研究证实铁死亡（ferroptosis）与 AKI 有密切联系，探索铁死亡与 AKI 的关系，对 AKI 临床有着重要意义。1 铁死亡的定义近几年来，更多新的细胞死亡方式逐渐被发现2。2012 年，铁死亡作为一个新的细胞死亡方式被 Dixon 等人提出3。铁死亡是一种铁依赖性非凋亡调节性细胞死亡，其特征是大量脂质过氧化物积累，这是通过破坏谷胱甘肽依赖性脂质过氧化物防御系统引起的4。与细胞凋亡和焦亡等其他形式的细胞死亡相比，铁死亡具备独特的形态学特征和生物学表现。发生铁死亡时，细胞膜破裂起泡，细胞核缺乏染色质凝聚，线粒体减少，线粒体尺寸减小，双层膜密度增加，线粒体嵴减少或消失，线粒体外膜破裂5。2 铁死亡的发生过程随着近几年对铁死亡的广泛研究，逐渐证明铁中国组织化学与细胞化学杂志626第 31 卷离子紊乱、胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白系统（cys-tine/glutamate antiporter system,Xc-）、谷胱甘肽过氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的下降是铁死亡发生的主要原因，因此铁代谢、氨基酸代谢和脂质代谢(尤其是脂质过氧化)与铁死亡具有密切联系。2.1 铁代谢铁对生命至关重要，因为它在氧转运、DNA 修复、细胞增殖和许多其他关键生化过程中起着关键作用。身体中的铁大部分源于衰老的红细胞，吞噬细胞吞噬衰老红细胞后，降解血红素释放出二价铁。一部分二价铁通过转运蛋白运出细胞，运出的二价铁被铜蓝蛋白氧化成三价铁，然后与转铁蛋白结合，接着通过膜蛋白转铁蛋白受体 1（transferrin receptor 1，TFR1）进入细胞。在细胞中，经过铁还原酶的作用又被还原为二价铁。最后，通过二价金属转运蛋白 1（divalent metal transporter 1，DMT1）的作用将二价铁释放到细胞质不稳定的铁池中6。二价铁与过氧化氢发生反应，产生具有强氧化性的羟基自由基，此反应称之为芬顿反应，铁含量超载可通过此反应导致氧化损伤，进而启动铁死亡。另一部分二价铁储存在铁蛋白中，铁蛋白是由重链（ferritin heavy polypeptide，FTH）和轻链（ferritin light polypeptide，FTL）组成的蛋白质复合物，用于铁的储存，因此被认为是重要的内源性铁螯合剂，其浓度能够表明身体的铁储备。铁蛋白重链的氧化酶作用能够将二价铁转化为三价铁，从而减少循环中的二价铁，有效减少氧化导致的细胞损伤7。2.2 氨基酸代谢铁死亡与氨基酸代谢联系密切。正常生理状态下，谷氨酸和胱氨酸通过胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白 1 1 相互交换，之后胱氨酸还原为半胱氨酸3。谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸利用 ATP 依赖性胞质酶谷氨酸半胱氨酸连接酶（glutamate cysteine ligase，GCL）和谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSS）合成一种细胞内必须的抗氧化剂还原型谷胱甘肽（GSH）。GSH能够被GPX4用来消除含有多不饱和脂肪酸的磷脂中形成的脂质过氧化物。谷氨酸和谷氨酰胺是铁死亡重要的调节剂，细胞外高浓度的谷氨酸能抑制胱氨酸/谷氨酸反向转运系统，减少还原型谷胱甘肽的生成，进而诱导铁死亡。谷氨酰胺诱导铁死亡必须利用谷氨酰胺的分解产物，在没有谷氨酰胺的情况下，或当谷氨酰胺分解受到抑制时，胱氨酸输入受阻并不能诱导铁死亡。小分子蛋白 erastin 诱导铁死亡的方式为抑制胱氨酸的输入，导致谷胱甘肽的减少和GPX4的失活。总之任何能够抑制还原型谷胱甘肽生成及抑制 GPX4 活性的物质都可以使脂质过氧化物蓄积，导致铁死亡8。2.3 脂质代谢铁死亡的特点在于脂质活性氧（Reactive oxygen species,ROS）的铁依赖性增强。细胞膜或细胞器膜，因为较高的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA），所以容易受到 ROS 损伤，这一过程称为脂质过氧化。GPX4 是唯一可以直接还原生物膜中产生的磷脂氢过氧化物的抗氧化酶。它在氧化稳态中具有重要作用，通过使用谷胱甘肽作为GPX4 的辅助因子来中和脂质过氧化物并保护膜流动性，以保护细胞和膜免受过氧化。GPX4 将 GSH转化为氧化型谷胱甘肽(GSSG)并将脂质过氧化物 L-OOH 还原为相对应的醇 L-OH。随后，GSSG 被谷胱甘肽还原酶和 NADPH/H+还原，再次生成 GSH，抑制 GPX4 可导致 ROS 增加，有研究结果显示：缺失 GPX4 的小鼠在胚胎第 8 天后无法存活，这表明在正常哺乳动物发育过程中，GPX4 是必不可少的9。铁死亡涉及一个重要的氧化反应，花生四烯酸（arachidonic acid，AA）和肾上腺酸（adrenic acid，AdA）通过酰基辅酶 A 合酶 4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）驱动发生酯化反应生成磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PE）10。PE 与磷脂酰乙醇胺结合蛋白 1（phospha-tidylethanolamine binding protein 1，PEBP1）结合与15-脂氧合酶（15-lipoxygenase，15-LO）的两个亚型（15-LO-1 和 15-LO-2）形成复合物，并通过变构修饰显示出铁死亡的信号 Sn2-15 二十碳四烯酰基-磷脂酰乙醇胺（sn2-15-HpETE-PE），最后利用脂氧酶（lipoxidase lipoxygenase，LOXs）氧化生成脂质氢过氧化物，进而诱发铁死亡11,12。3 铁死亡与急性肾损伤急性肾损伤的发病机制主要是肾小管上皮细胞的损伤。随着铁死亡的深入研究，大量的实验证明了铁死亡对 AKI 有着重要影响。GPX4 是铁死亡发生过程中十分重要的调节因子，Angeli 等人的研究陈颐华等.铁死亡与急性肾损伤及其防治第 6 期 627发现敲除 GPX4 后的老鼠易发生 AKI，并且存活时间较短，在抑制脂质过氧化后，减少因缺乏 GPX4诱导的细胞死亡，存活时间延长。此实验进一步证明铁死亡在 AKI 中发挥的作用13。横纹肌溶解时，肌红蛋白中的铁以及肌红蛋白本身都可导致不受控制的脂质过氧化反应，从而诱导肾功能损伤5。近期 Guerrero-Hue 等人的研究充分证明了铁死亡在横纹肌溶解诱导的 AKI 中起着关键作用，并发现姜黄素（curcumin）是一种能够抑制细胞铁死亡的抗氧化剂14。另外一项研究发现，如果横纹肌溶解的 AKI 模型的肾小管上皮细胞缺失FTH，便容易发生氧化反应和损伤，由此间接证明了横纹肌溶解诱导的急性肾损伤与铁死亡有着密切的关系15。一定剂量的叶酸（folic acid，FA）可在肾脏中结晶，但是大剂量的叶酸会对肾脏造成损伤，进而诱导 AKI。Martin-Sanchez 等人的研究显示，在叶酸诱导的 AKI 模型中，可以观察到高水平的肾小管上皮细胞脂质过氧化，使用铁抑素（ferrostatin-1,Fer-1）能有效抑制肾小管上皮细胞脂质过氧化；实验过程中利用尿素氮（BUN）和肌酐值评估，发现 Fer-1 处理能改善肾功能16。由此表明，在叶酸诱导的 AKI中