楊延輯,譚先昱綜述,廖文波審校

0 引 言

程序性細(xì)胞死亡是由細(xì)胞內(nèi)特定基因調(diào)控的分子程序介導(dǎo)的的細(xì)胞死亡過程，在生物體生命活動中發(fā)生至關(guān)重要作用[1]。鐵死亡(Ferroptosis)是一種新的程序性細(xì)胞死亡類型，其發(fā)生與鐵依賴相關(guān)，以細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)活性氧的堆積為特征的細(xì)胞死亡[2]。已證實(shí)其與許多疾病相關(guān)[3]，如腦卒中、缺血再灌注損傷、神經(jīng)退行性疾病、腫瘤等[4]，且系目前研究熱點(diǎn)[5]。近年發(fā)現(xiàn)鐵死亡與許多骨科疾病進(jìn)程中扮演重要作用，本文就鐵死亡在骨骼、關(guān)節(jié)疾病中相關(guān)研究進(jìn)行綜述,旨在為臨床防治和研究提供新的依據(jù)。

1 鐵死亡的概念

自然界生物體中鐵是重要的微量元素，在細(xì)胞生長及增殖、氧的運(yùn)輸和儲存，氧化代謝等有重要作用。此前的研究發(fā)現(xiàn)抗腫瘤藥Erastin擁有誘導(dǎo)Ras突變細(xì)胞死亡的能力，且與當(dāng)時已知的細(xì)胞死亡方式不同，沒有明顯的細(xì)胞凋亡相關(guān)特征，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽過氧化物酶 4(glutathione peroxidase 4，GXP4)抑制劑Ras選擇性致死小分子(Ras-selective lethnal compound，RSL3)可誘導(dǎo)類似細(xì)胞死亡，而鐵螯合劑可以抑制這一過程，這種新型死亡方式與活性氧(reactive oxygen species,ROS)及細(xì)胞內(nèi)鐵相關(guān)[6-8]。鐵死亡主要形態(tài)特征變化發(fā)生在線粒體，表現(xiàn)為線粒體縮小，脊減少甚至消失, 膜密度增高,細(xì)胞膜崩解，而生物學(xué)特征主要是谷胱甘肽(glutathione,GSH)消耗、GXP4失活，導(dǎo)致ROS和鐵的異常積蓄，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。2012年Dixon等[9]正式的將這一新型的與鐵依賴相關(guān)死亡方式命名為鐵死亡。

2 鐵死亡發(fā)生機(jī)制

鐵死亡是一種鐵依賴性的，區(qū)別于細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死、細(xì)胞自噬等新型的細(xì)胞程序性死亡方式。鐵死亡的發(fā)生涉及鐵的代謝異常，活性氧的堆積，脂質(zhì)的代謝等。

2.1鐵代謝鐵作為重要微量元素參與多項(xiàng)重要的生理活動如氧的運(yùn)輸，血紅蛋白的合成等[10]。由于人體缺乏有效的排除鐵的途徑，過量鐵的攝，基因突變，衰老等因素都可以導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)鐵超載。許多疾病的病理狀況與鐵離子過量或代謝異常相關(guān)[11]，如鐵離子的超載會增加關(guān)節(jié)疾病[12]、神經(jīng)退行性疾病[13]等患病風(fēng)險。研究證實(shí)，在發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞內(nèi)鐵離子水平明顯增加[14]，故認(rèn)為鐵離子的異常積蓄是鐵死亡的重要標(biāo)志之一。正常生理狀態(tài)下，鐵以Fe3+和Fe2+的形式存在，體內(nèi)Fe2+被氧化為Fe3+,進(jìn)而與轉(zhuǎn)鐵蛋白形成復(fù)合物，在鐵還原酶作用下還原為 Fe2+從而維持鐵穩(wěn)態(tài)。過量的鐵可以通過芬頓(Fenton) 或哈伯 · 韋斯(Haber Weiss)反應(yīng)產(chǎn)生ROS堆積，啟動脂質(zhì)過氧化，誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[15]。

2.2脂質(zhì)過氧化ROS及脂質(zhì)過氧化物的異常積蓄是誘導(dǎo)發(fā)鐵死亡的重要因素之一。ROS的異常積蓄會使GSH被消耗，GPX4活性降低[16]，而GPX4是目前已知的唯一用于脂質(zhì)體過氧化物還原的谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPX)，在鐵死亡的發(fā)生中扮演關(guān)鍵作用。多化合物誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生，各自的信號通路也各不相同，但最終結(jié)果都是使GPX活性降低，增加脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生，故而認(rèn)為GPX4 是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[17]。目前研究鐵死亡的發(fā)生機(jī)制主要是兩條，分別是抑制GPX4和抑制胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)受體(the cystine/glutamate antiporter system，systemXc-)的活性。RSL3與Erastin都是鐵死亡誘導(dǎo)劑，其中RSL3是一種GPX4抑制劑，直接抑制GPX4使其失活，導(dǎo)致ROS的大量積蓄，最終誘細(xì)胞導(dǎo)鐵死亡，另二苯基氯化碘鹽7(diphenyleneiodonium chloride 7，DPI7)、二苯基氯化碘鹽10(diphenyleneiodonium chloride 10，DPI10)等也有類似作用[8-17]；而Erastin被證實(shí)是一種 systemXc-抑制劑[9-18],主要通過抑制 systemXc- 介導(dǎo)的胱氨酸攝取，降低GSH的含量從而損害細(xì)胞的抗氧化防御，促進(jìn) ROS 的累積，進(jìn)而促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生[19]。柳氮磺吡啶(Sulfasalazine,SAS)不僅可以抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體,而且還會影響胱氨酸依賴的GSH 的合成,從而導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[20]。

3 鐵死亡與骨骼、關(guān)節(jié)疾病

3.1 骨性關(guān)節(jié)炎骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是由多種因素引起慢性退行性疾病，膝骨關(guān)節(jié)炎已成為世界殘疾的第四大原因[21]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)鐵超載與OA相關(guān)[22]，并且認(rèn)為鐵代謝異常是OA發(fā)展的危險因素之一[23]。OA患者關(guān)節(jié)滑液中鐵濃度明顯的高于健康者[24],關(guān)節(jié)損傷程度與血清鐵蛋白的升高程正相關(guān)[25]。通過建立鐵過載并手術(shù)誘導(dǎo)OA小鼠模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵超載引起了含凝血酶敏感素基序的去整合素金屬蛋白酶5(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs 5，ADAMTS5)、是基質(zhì)金屬蛋白酶13(matrix metal- lopmteinase 13，MMP13)高表達(dá)和更嚴(yán)重的軟骨破壞，二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體( divalent metal transporter 1，DMT1)在鐵超載誘導(dǎo)的 OA 進(jìn)展中起關(guān)鍵作用[26]。白細(xì)胞介素(interleukin-1β, IL-1β) 和枸櫞酸鐵銨(ferric ammonium citrate, FAC) 都誘導(dǎo)了關(guān)節(jié)軟骨ROS 異常積蓄，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡，而鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin可上調(diào)軟骨中MMP13的表達(dá)，下調(diào)軟骨細(xì)胞中 II 型膠原蛋白的表達(dá)；向OA小鼠模型關(guān)節(jié)內(nèi)注射鐵死亡抑制劑(ferrostatin-1)后發(fā)現(xiàn)上調(diào)了II 型膠原蛋白的表達(dá)，并且延緩了OA的發(fā)展[27]。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)D-甘露糖可以通過減弱軟骨細(xì)胞對鐵死亡的敏感性從而發(fā)揮保護(hù)軟骨，減輕 OA 進(jìn)展的作用[28]?；ぱ资荗A的重要病理過程，被證實(shí)與鐵死亡相關(guān)，有學(xué)者利用脂多糖處理滑膜細(xì)胞構(gòu)建滑膜炎細(xì)胞模型，發(fā)現(xiàn)滑膜細(xì)胞中鐵含量及MDA增加，溶質(zhì)載體家族成員3成員2(solute Carrier Family 3 Member 2 ,SLC3A2L)、溶質(zhì)載體家族成員7成員11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)和GPX4水平下降，而淫羊藿苷可以降低鐵含量，并且抑制鐵死亡[29]。目前認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)鐵代謝異常引起大量的鐵積蓄參與滑膜改變、軟骨退變和軟骨下骨重塑的病理過程?；ぱ讓?dǎo)致滑膜增生和血管生成并且還促進(jìn)軟骨細(xì)胞鐵死亡，此外，還會導(dǎo)致破骨細(xì)胞的增殖和活性增加，并抑制成骨細(xì)胞的功能和增殖，導(dǎo)致軟骨下骨重塑[30]。

3.2骨肉瘤骨肉瘤是兒童和青少年中最常發(fā)的惡性骨腫瘤，臨床上主要采取化療及手術(shù)的方式。研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡在腫瘤的發(fā)展及免疫等方面發(fā)揮重要作用[31-32]。Luo等[33]發(fā)現(xiàn)補(bǔ)骨脂甲素(bavachin)可以誘導(dǎo)骨肉瘤細(xì)胞死亡，并且因基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metal- lopmteinase ，MMP)降低導(dǎo)致線粒體出現(xiàn)典型的鐵死亡形態(tài)特征變化，增加轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor,TFRC) 和 DMT1 表達(dá)同時降低鐵蛋白重鏈(ferritin heavy chain，F(xiàn)TH) 和 鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain ，F(xiàn)TL) 表達(dá)使得細(xì)胞內(nèi)亞鐵水平增高，此外，bavachin通過下調(diào)磷酸化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(phosphorylated-signal transducers and ac-tivators of transcription 3,p-STAT3)、上調(diào)P53表達(dá)導(dǎo)致 SLC7A11 和 GPX4 表達(dá)降低并促進(jìn) ROS 和 脂質(zhì)過氧化物丙二醛(Malonaldehyde, MDA )積累，誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生，而通過鐵死亡抑制劑可以抑制這一過程。替拉扎明(Tirapazamine，TPZ)為新型生物還原劑類抗腫瘤藥，其主要作用在乏氧細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)生自由基導(dǎo)致DNA損傷和細(xì)胞死亡。Shi等[34]研究發(fā)現(xiàn)TPZ可以有效的抑制骨肉瘤的增殖和轉(zhuǎn)移，通過測定骨肉瘤細(xì)胞里相關(guān)鐵蛋白的水平， 證實(shí)缺氧條件下TPZ導(dǎo)致SLC7A11和GPX4等關(guān)鍵鐵死亡蛋白的表達(dá)顯著下降，MDA 和 Fe2+增加，促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞產(chǎn)生過量ROS，誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生。Liu 等[35]通過測定順鉑耐藥的骨肉瘤細(xì)胞中鐵死亡相關(guān)蛋白發(fā)現(xiàn)GPX4在耐藥細(xì)胞中高表達(dá)，通過鐵死亡誘導(dǎo)劑促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生可增強(qiáng)骨肉瘤細(xì)胞對順鉑的敏感性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)GPX4的減少和ROS的增多可以使耐藥骨肉瘤細(xì)胞對順鉑的敏感性得到相應(yīng)的改善。β-異硫氰酸苯乙酯(β-phenylethyl isothiocyanate，PEITC)具有抗癌潛力，研究發(fā)現(xiàn)PEITC通過抑制K7M2骨髓骨肉瘤細(xì)胞，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，GSH失活，MDA和ROS升高，GPX4減少，并且認(rèn)為PEITC激活了MAPK信號通路，ROS生成是PEITC誘發(fā)細(xì)胞死亡的主要原因[36]。 姜黃素類似物聯(lián)苯二氟酮(diphenyl difluoroketone，EF24)顯著提高了MAD,ROS及細(xì)胞內(nèi)鐵的水平，上調(diào)血紅素加氧酶1(Heine Oxygenase 1，HMOX1)抑制GPX4表達(dá)，誘導(dǎo)鐵死亡，而Ferrostatin-1鐵死亡抑制劑可抑制這一過程[38]。 Lei等[37]建立了基于鐵死亡相關(guān)基因的骨肉瘤疾病預(yù)測模型，并取得了較好的預(yù)測效果。

3.3骨質(zhì)疏松骨質(zhì)疏松主要是各種原因?qū)е鹿敲芏群凸琴|(zhì)量下降，影響骨的穩(wěn)定性和功能。研究證實(shí)鐵超載是骨質(zhì)疏松發(fā)生的一個重要危險因素[39]，且與骨質(zhì)疏松的發(fā)展呈正相關(guān)[40]，鐵的異常積蓄會抑制成骨細(xì)胞的活性，并使破骨細(xì)胞的活性增加有關(guān)[41]。因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)具有誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化、發(fā)育、發(fā)揮功能的因子，Ni等[42]發(fā)現(xiàn)在有氧條件下RANKL可以影響鐵的穩(wěn)態(tài)，核受體輔激活因子 4(nuclear receptor coactivator 4,NCOA4)介導(dǎo)鐵蛋白在溶酶體中降解，發(fā)生鐵自噬，引起游離鐵的釋放，繼而脂質(zhì)過氧化增加；在缺氧條件下，鐵蛋白的降解被抑制，氧氣可能對骨質(zhì)疏松癥的鐵死亡過程產(chǎn)生影響。另有研究指出，ROS可影響破骨細(xì)胞的形成和分化，對骨的穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生不利影響[43-44]，RANKL 是骨吸收和骨形成耦聯(lián)關(guān)鍵因子，腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)在RANKL通路介導(dǎo)ROS生產(chǎn)中起著關(guān)鍵的作用，其可通過激活Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1, Rac1) 使還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase ，NOX) 激活，導(dǎo)致 ROS 產(chǎn)生增加[45]。Liu等[46]證實(shí),Loureirin B可以通過抑制活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor-activated T cell 1,NFATc1)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)和ROS活性來改善RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成和骨質(zhì)疏松。

3.4脊髓損傷脊柱脊髓損傷是骨科常見疾病，由于各種因素導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性受到破壞，脊髓壓迫引起髓損傷可出現(xiàn)各種感覺及運(yùn)動障礙。脊髓損傷后伴隨損傷部位出血致使血紅蛋白中的鐵大量釋放引起鐵超載，產(chǎn)生過量的ROS引起鐵死亡的發(fā)生[47]。在脊髓損傷的實(shí)驗(yàn)鼠脊髓組織內(nèi)鐵死亡標(biāo)志物水平出現(xiàn)明顯變化，且線粒體出現(xiàn)明顯的鐵死亡的特征性變化[48]。Zhang等[49]對實(shí)驗(yàn)性脊髓損傷鼠注射鐵死亡抑制劑(SRS16-86)，發(fā)現(xiàn)可上調(diào)GPX4、SLC7A11和GSH表達(dá)，促進(jìn)功能恢復(fù)。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)繼發(fā)性脊髓損傷可導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞大量減少[50]，GSH的減少與鐵的大量增加引起少突膠質(zhì)細(xì)胞的氧化損傷[51]，fan等[52]證實(shí)RSL3誘發(fā)少突膠質(zhì)細(xì)胞鐵死亡，并發(fā)現(xiàn)在抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞鐵死亡方面Liproxstatin-1 比依達(dá)拉奉(edaravne, EDA) 或 去鐵胺(deferoxamine，DFO)更有效，揭示了鐵死亡在少突膠質(zhì)細(xì)胞生存中的重要作用。脊髓損傷后，會誘發(fā)運(yùn)動皮層鐵超載，引起運(yùn)動皮層中的神經(jīng)元發(fā)生鐵死亡，抑制鐵死亡的進(jìn)展可減輕神經(jīng)元的死亡同時促進(jìn)了脊髓損傷后的運(yùn)動功能的恢復(fù)[54],鋅可以通過核因子E2相關(guān)因子2/血紅素加氧酶1(nuclear factor erythroid 2-related factor 2/ heme oxygenase 1，NRF2/HO-1)和GPX4信號通路抑制神經(jīng)元的鐵中毒，一定程度上修復(fù)受損的線粒體并有效地減少了脊髓損傷和炎癥因子的水平[53]。這些研究結(jié)果提示鐵死亡在脊髓損傷中可能扮演著重要角色。

3.5椎間盤突出癥腰椎間盤突出癥(lumbar disc heniation，LDH)是引起慢性腰腿痛的常見原因之一，主要是腰椎間盤發(fā)生退行性變(iumbar intervertebral disc degeneration,IVDD)后，纖維環(huán)破裂，髓核組織突出到椎管內(nèi)，相鄰神經(jīng)根受壓，出現(xiàn)腰腿痛，下肢麻木等癥狀。Yang等[55]通過大鼠IVDD模型發(fā)現(xiàn)，退化椎間盤組織中GPX4，F(xiàn)TH的表達(dá)水平明顯下降，而環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase 2,PTGS2)、長鏈酯酰輔酶A合成酶4 (acyl-CoA synthetase long chain family member4，ACSL4)表達(dá)增加，將環(huán)狀纖維細(xì)胞 (annular fibroblasts，AFC) 和髓核細(xì)胞 (nucleus pulposus cells，NPC)置于不同濃度的叔丁基過氧化氫 (tert-Butyl hydroperoxide， TBHP)中，隨著TBHP濃度的增加，F(xiàn)TH和GPX4的表達(dá)降低，AFCs和NPC的脂質(zhì)過氧化水平增加，并且AFC和NPC細(xì)胞中的線粒體出現(xiàn)了皺縮；使用鐵死亡抑制劑DFO和Fer-1可逆轉(zhuǎn)FTH和GPX4的下降趨勢，而RSL3可以增加其下降趨勢，證明了TBHP誘導(dǎo)的AFC和NPC中的細(xì)胞死亡與RSL3誘導(dǎo)的相似，并被DFO和Fer-1抑制；研究發(fā)現(xiàn)在突出的髓核中檢測到血紅色的分解增加，GPX4的減少，首次表明血紅素誘導(dǎo)的HNPC與鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin和FAC相同的致死作用，并且HNPC誘導(dǎo)的鐵死亡可被 DFO抑制，發(fā)現(xiàn)其其潛在機(jī)制可能與Notch途徑有關(guān)[56]。Liu等[57]人的研究也證實(shí)，IVD中ROS的水平與IVDD進(jìn)展呈正相關(guān)，且在TBHP誘導(dǎo)的人類NPC以及IVDD的人類髓核組織中，鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin，F(xiàn)PN)表達(dá)下調(diào)。通過對照 NPC 和 TBHP 誘導(dǎo)的 NPC 中轉(zhuǎn)染慢病毒質(zhì)粒(Lenti-FPN)，結(jié)果顯示 Lenti-FPN 感染上調(diào)了FPN 的表達(dá)，減輕了 TBHP 誘導(dǎo)的 NPC 細(xì)胞鐵超載，也減輕了TBHP 誘導(dǎo)的 NPC 中的鐵死亡，檜木醇(hinokitiol)可以通過恢復(fù)FPN的功能來減輕TBHP誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和NPC鐵凋死亡，證明了FPN在在人類NPC的鐵死亡發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié) 語

自 2012 年被發(fā)現(xiàn)鐵死亡這一種新型細(xì)胞死亡形式以來，已成為目前研究熱點(diǎn)。各種研究已證實(shí)，鐵死亡在眾多疾病的發(fā)生發(fā)展中可能扮演著關(guān)鍵作用，干預(yù)鐵死亡的過程，不同程度上可改善相關(guān)疾病的發(fā)展。本文簡要綜述了鐵死亡和骨骼、關(guān)節(jié)疾病之間存在的關(guān)系以及可能的機(jī)制，由于鐵死亡的發(fā)生涉及多方面，機(jī)制復(fù)雜多樣，許多關(guān)鍵問題尚待解決，但隨著研究的深入、技術(shù)的完善，干預(yù)鐵死亡有望成為骨骼、關(guān)節(jié)疾病非手術(shù)治療，早期干預(yù)的切入點(diǎn)。