田梅,劉亞玲,李志廣,楊靜,辛成,霍家

鐵參與了大腦的許多生理過程,如DNA合成、髓鞘形成、氧氣運(yùn)輸以及線粒體呼吸,因此維持鐵穩(wěn)態(tài)對于大腦的正常生理活動是必要的[1]。過多的鐵會增加細(xì)胞內(nèi)活性氧物種(ROS)的生成,進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞損傷[2]。鐵死亡是一種鐵依賴的程序性細(xì)胞死亡形式,以膜脂質(zhì)過氧化、線粒體萎縮等為特征[3]。肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)是一種神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,越來越多的研究[4-36]表明,ALS存在鐵聚集及鐵死亡現(xiàn)象,并且去鐵治療有效?，F(xiàn)將相關(guān)研究進(jìn)展綜述如下,以期為ALS的進(jìn)一步治療研究提供方向。

1 ALS存在鐵代謝異常及鐵聚集

鐵是人類大腦中含量最豐富的微量金屬,存在于神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中,作為多種酶的催化中心促進(jìn)大腦中DNA、神經(jīng)遞質(zhì)的合成和髓鞘的形成。此外,它還參與氧氣運(yùn)輸、神經(jīng)遞質(zhì)代謝和線粒體呼吸。其主要以鐵蛋白的形式進(jìn)行儲存,鐵蛋白由兩個亞基所構(gòu)成,包括重鏈和輕鏈。保證細(xì)胞處于鐵穩(wěn)態(tài)環(huán)境對于維持大腦正常的生理功能至關(guān)重要[1],鐵過多聚集會通過芬頓反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生過多[2],進(jìn)而對機(jī)體產(chǎn)生不利影響。近年來,越來越多的研究[1,37-38]表明,鐵參與了神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展。ALS是一種罕見的神經(jīng)系統(tǒng)變性病,不論是臨床患者[4-18]還是小鼠模型[19-27],不論是在CNS內(nèi)[22-23,25]或外周骨骼肌[19-21,24,26-27]中,均發(fā)現(xiàn)ALS存在鐵代謝異常及鐵聚集現(xiàn)象,并且會影響患者的臨床分型、疾病進(jìn)展及預(yù)后[4-5,8-14,18]。其主要與鐵相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)異常有關(guān)[19-20,22-23,25,27],給予去鐵治療后可以改善小鼠的運(yùn)動癥狀,延長生存期[22,25,28]。

1.1 血液及CSF鐵代謝異常 多項(xiàng)研究及meta分析[4-6,10]表明,與對照組相比,ALS患者血清鐵蛋白水平升高,并且以延髓起病、伴有吞咽困難、病程較長(超過12個月)和ALS功能評定量表修訂評分(ALSFRS-R)較低患者的鐵蛋白水平更高[11]。生存分析[5,10]表明,較高的血清鐵蛋白水平是ALS患者存活率降低的預(yù)測因素。Devos等[4]進(jìn)行了一項(xiàng)為期18個月的縱向隨訪研究發(fā)現(xiàn),ALS患者基線血清鐵蛋白水平與隨訪時的ALSFRS-R呈負(fù)相關(guān),并且血清鐵蛋白水平隨著疾病的進(jìn)展而逐漸升高。進(jìn)一步根據(jù)患者ALSFRS-R評分的下降率將患者分為緩慢進(jìn)展組和快速進(jìn)展組進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),快速進(jìn)展組的血清鐵蛋白水平顯著高于緩慢進(jìn)展組。既往研究[6-7,10-11]顯示,與對照組相比,ALS患者血清鐵水平可能升高,可能降低,也有可能無明顯改變。

在CSF檢查中,Sun等[10]未發(fā)現(xiàn)ALS患者與對照組的CSF鐵蛋白水平存在明顯差異。而Zheng等[9]的研究表明,與對照組相比,ALS患者CSF鐵蛋白重鏈、鐵蛋白輕鏈含量顯著升高,并且與疾病進(jìn)展率呈正相關(guān),與病程呈負(fù)相關(guān),此外鐵蛋白重鏈/輕鏈水平較低的患者比鐵蛋白重鏈/輕鏈水平較高的患者存活時間更長。Patti等[8]發(fā)現(xiàn),延髓起病的ALS患者CSF中鐵的水平高于脊髓起病的患者,并且病程<19個月的患者更為顯著。

1.2 CNS內(nèi)鐵代謝異常及鐵聚集 有研究者[16,39]應(yīng)用MRI檢查發(fā)現(xiàn),ALS患者大腦運(yùn)動皮質(zhì)存在T2低信號,并且與尸檢病理顯示的鐵沉積有關(guān),這些鐵主要蓄積在小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)。神經(jīng)元變性區(qū)域和小膠質(zhì)細(xì)胞鐵蓄積之間存在的聯(lián)系可能是神經(jīng)元變性、死亡后釋放鐵,小膠質(zhì)細(xì)胞通過清除多余的鐵并將其儲存在鐵蛋白中,從而維持大腦的鐵穩(wěn)態(tài)[16]。此后越來越多的研究[12-18,40-41]也有類似發(fā)現(xiàn)。也有研究[14]應(yīng)用MRI檢查發(fā)現(xiàn),ALS患者除了運(yùn)動皮質(zhì)外,丘腦中也存在鐵沉積?；谝陨螦LS患者M(jìn)RI的特征性信號表現(xiàn),研究者將其與患者的臨床資料進(jìn)行了相關(guān)分析:Li等[14]發(fā)現(xiàn)ALS患者運(yùn)動皮質(zhì)中的鐵沉積與上運(yùn)動神經(jīng)元(UMN)評分呈正相關(guān),而丘腦中的鐵沉積與ALSFRS-R評分呈負(fù)相關(guān);然而,Yu等[15]則發(fā)現(xiàn)ALS患者運(yùn)動皮質(zhì)的低信號與其發(fā)病部位、病程和ALSFRS-R評分之間沒有相關(guān)性。因此,需要進(jìn)一步研究來探討患者運(yùn)動皮質(zhì)鐵沉積與其疾病狀態(tài)之間的關(guān)系。在ALS不同臨床亞型方面,相比于下運(yùn)動神經(jīng)元(LMN)-ALS患者,UMN-ALS患者初級運(yùn)動皮質(zhì)的低信號更為顯著,具有特異性[12-13],并且與UMN評分呈正相關(guān)[14];而Bhattarai等[18]則表明以腰段癥狀起病的ALS患者比以頸段癥狀起病的ALS患者更容易受到運(yùn)動皮質(zhì)鐵代謝紊亂的影響。在診斷及鑒別診斷方面,Conte等[12]對受試者的MRI檢查結(jié)果進(jìn)行了運(yùn)動皮質(zhì)敏感性(MCS)評分發(fā)現(xiàn),有UMN損害表現(xiàn)或無明顯UMN或LMN損害表現(xiàn)的ALS疑診患者,MCS的評估可作為輔助診斷的有用工具來鑒別類ALS綜合征。

與ALS患者一致的是,在ALS相關(guān)小鼠模型中也觀察到了鐵沉積[22-23,25]。通過鐵染色顯示的鐵聚集主要發(fā)生在腹側(cè)的運(yùn)動神經(jīng)元,呈圓形的胞漿內(nèi)包涵體,而背側(cè)受累不明顯,在小鼠的灰質(zhì)和白質(zhì)中的一些膠質(zhì)細(xì)胞也呈現(xiàn)出鐵染色陽性,彌漫于整個細(xì)胞體,并且在疾病的早期階段就出現(xiàn)異常改變[22,25]。細(xì)胞內(nèi)鐵聚集可能與鐵相關(guān)蛋白表達(dá)失調(diào)有關(guān)[22-23,25],包括二價金屬蛋白1(DMT1)、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR)、鐵蛋白及鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等。這些蛋白參與了細(xì)胞內(nèi)鐵的攝入、儲存、輸出,從而維持鐵穩(wěn)態(tài)[37],而在神經(jīng)變性的過程中伴隨的炎癥可能導(dǎo)致了這些異常改變[42]。Jeong等[22]認(rèn)為,神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞可能通過不同的機(jī)制來積聚鐵:膠質(zhì)細(xì)胞通過TfR和鐵蛋白,而神經(jīng)元通過DMT1和其他機(jī)制;除此之外,細(xì)胞內(nèi)鐵聚集可能與軸突運(yùn)輸中斷、線粒體功能障礙有關(guān)。細(xì)胞內(nèi)鐵聚集會導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷,膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)鐵聚集會促進(jìn)TNF-α的分泌[25,43],給予小鼠鐵清除劑治療后,小鼠發(fā)病延遲,ROS的產(chǎn)生減少,TNF-α的分泌下降,存活的運(yùn)動神經(jīng)元數(shù)量增加并且延長了生存期[22,25]。

1.3 骨骼肌中鐵聚集 骨骼肌是機(jī)體內(nèi)重要的代謝器官,能夠產(chǎn)生肌肉因子,對包括神經(jīng)組織在內(nèi)的其他組織起到保護(hù)作用[26]。骨骼肌內(nèi)鐵沉積會引發(fā)氧化應(yīng)激,進(jìn)而促進(jìn)肌肉生長抑素的合成,不僅直接影響骨骼肌的收縮功能,同時也會間接影響其支配的神經(jīng)元,從而影響ALS的發(fā)生、發(fā)展[19,21]。與CNS內(nèi)鐵沉積類似,ALS骨骼肌內(nèi)鐵沉積也與鐵相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)改變有關(guān)[19-20,27];Halon-Golabek等[24]的研究表明,Akt/FOXO3a信號通路的改變導(dǎo)致了ALS轉(zhuǎn)基因動物模型骨骼肌內(nèi)鐵代謝紊亂,并且這些變化在肌肉萎縮之前就已經(jīng)發(fā)生了。

2 鐵死亡在ALS中的相關(guān)研究

維持正常的發(fā)育及組織穩(wěn)態(tài)依賴于程序性細(xì)胞死亡,而鐵死亡是一種鐵依賴的程序性細(xì)胞死亡形式,最初是由Stockwell所命名。與凋亡不同,鐵死亡以膜脂質(zhì)過氧化、線粒體萎縮等為特征[3],可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)促炎相關(guān)物質(zhì)釋放,進(jìn)而激活免疫系統(tǒng),進(jìn)一步加劇組織損傷[44]。運(yùn)動神經(jīng)元選擇性死亡是ALS的典型特征,而小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥作為一種非細(xì)胞自主機(jī)制加速了疾病進(jìn)展[45]。現(xiàn)有研究[29-36]表明,鐵死亡參與了ALS的發(fā)病過程,導(dǎo)致運(yùn)動神經(jīng)元死亡,并且參與了小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。

2.1 ALS中運(yùn)動神經(jīng)元與鐵死亡 鐵死亡由復(fù)雜的氧化和抗氧化途徑所調(diào)節(jié),氧化途徑涉及鐵代謝失調(diào)導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)鐵聚集,進(jìn)而產(chǎn)生過多的ROS以及脂質(zhì)過氧化物的積累,而細(xì)胞最終發(fā)生鐵死亡的主要原因是由于細(xì)胞內(nèi)抗氧化途徑的失活,特別是胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體-谷胱甘肽(GSH)-谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)抗氧化系統(tǒng)[46]。在ALS中,除了上文已提到的鐵代謝異常及鐵聚集外,GSH代謝異常[30]、GPX4的表達(dá)下降[31,34]和脂質(zhì)過氧化物的積累[4,47-49]也有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。運(yùn)動神經(jīng)元選擇性死亡是ALS的典型特征,但介導(dǎo)運(yùn)動神經(jīng)元死亡的主要機(jī)制目前仍然不清楚?，F(xiàn)有研究[31,33-34]表明,不論是在ALS患者還是在小鼠模型脊髓中均表現(xiàn)出GPX4的表達(dá)下降,甚至在小鼠在無癥狀階段就已經(jīng)出現(xiàn)異常。Peng等[33]的研究表明,運(yùn)動神經(jīng)元中錯誤折疊的銅/鋅超氧化物歧化酶1蛋白會激活髓過氧物酶/次氯酸途徑,使得GPX4表達(dá)下降,促使運(yùn)動神經(jīng)元發(fā)生鐵死亡。使用GPX4的抑制劑可以使運(yùn)動神經(jīng)元發(fā)生變性、死亡[29-30,32];而過表達(dá)GPX4可以顯著延遲小鼠發(fā)病,改善運(yùn)動功能,延長生存期[31,34]。這些研究均提示針對鐵死亡的治療干預(yù)手段對于提高運(yùn)動神經(jīng)元的存活至關(guān)重要,也為未來的治療研究提供新的方向。

2.2 ALS中小膠質(zhì)細(xì)胞與鐵死亡 小膠質(zhì)細(xì)胞是CNS內(nèi)的主要免疫細(xì)胞,在保護(hù)神經(jīng)元免受感染或損傷以及突觸調(diào)節(jié)方面起著關(guān)鍵的作用。簡單來說,小膠質(zhì)細(xì)胞在應(yīng)對不同刺激時可極化為M1或M2表型,分別對神經(jīng)元起到有害或是保護(hù)作用[50]。越來越多的證據(jù)表明,ALS運(yùn)動神經(jīng)元的死亡是一種非細(xì)胞自主事件,其中小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)會加速疾病的進(jìn)展[51-52],并且小膠質(zhì)細(xì)胞本身也可以通過釋放谷氨酸從而直接導(dǎo)致ALS相關(guān)的興奮性毒性[36,43]。

系統(tǒng)Xc-是一種胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,廣泛分布于磷脂雙層中,可以攝取細(xì)胞外的胱氨酸,用于細(xì)胞內(nèi)GSH的合成,發(fā)揮抗氧化、抗鐵死亡的作用,在此過程的同時將谷氨酸釋放到細(xì)胞外[53]。Mesci等[36]的研究表明,在ALS中,系統(tǒng)Xc-的表達(dá)水平及其釋放的谷氨酸水平依賴于小膠質(zhì)細(xì)胞的激活狀態(tài),而系統(tǒng)Xc-的缺失不僅會減少谷氨酸的過度釋放,還直接影響小膠質(zhì)細(xì)胞M1/M2的激活狀態(tài),減少了促炎因子的分泌,促進(jìn)了更多運(yùn)動神經(jīng)元的存活。因此,鐵死亡過程在小膠質(zhì)細(xì)胞與運(yùn)動神經(jīng)元中發(fā)揮的作用可能存在著差異。

與此類似,有研究[54-56]表明,M1、M2型的小膠質(zhì)細(xì)胞對于鐵死亡的敏感性不同,M1型小膠質(zhì)細(xì)胞對于鐵死亡更不敏感,其原因與M1型小膠質(zhì)細(xì)胞高表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶有關(guān)[54]?；诖税l(fā)現(xiàn),Qu等[57]利用iNOS特異性抑制劑促進(jìn)了M1型小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,進(jìn)而減少M(fèi)1型小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量,減輕了炎癥反應(yīng)。在ALS中,小膠質(zhì)細(xì)胞的表型在疾病進(jìn)展過程中會發(fā)生變化,由最初的保護(hù)性表型逐漸向毒性狀態(tài)轉(zhuǎn)變[50],因此在疾病的不同階段產(chǎn)生不同的影響。利用小膠質(zhì)細(xì)胞對于鐵死亡的耐受性來調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的功能活動可能為ALS的治療提供新的思路。

3 總結(jié)

ALS是一種罕見的、進(jìn)展的神經(jīng)系統(tǒng)變性病,通常在出現(xiàn)癥狀后3～5年內(nèi)死亡,目前尚無顯著延長生存期的治療方法。關(guān)于介導(dǎo)運(yùn)動神經(jīng)元選擇性死亡的主要機(jī)制目前仍不清楚,鐵聚集、鐵死亡可能在運(yùn)動神經(jīng)元死亡中發(fā)揮著重要的作用。鑒于此,鐵清除劑已在臨床初步嘗試,有待進(jìn)一步評估和改進(jìn)[58-59]。小膠質(zhì)細(xì)胞是CNS內(nèi)的主要免疫細(xì)胞,有免疫監(jiān)視的功能。在ALS中,小膠質(zhì)細(xì)胞的表型在疾病進(jìn)展過程中會發(fā)生變化,在疾病不同階段產(chǎn)生不同影響。鐵聚集及鐵死亡似乎在運(yùn)動神經(jīng)元及小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮著不同的作用,利用小膠質(zhì)細(xì)胞本身鐵死亡的耐受性來調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的功能活動可能為ALS的治療提供新的思路,值得進(jìn)一步探討。