曾令云，黃明智，彭國璇，彭洪成，劉祥輝，雷安毅，林園，鄒旭

1 貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，貴陽 550000；2 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科

骨質(zhì)疏松是一種骨骼系統(tǒng)的慢性疾病，其特征是骨量減少和微觀結(jié)構(gòu)損傷，由成骨和骨吸收之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞引起。近年來骨質(zhì)疏松的發(fā)病率增高，脊柱和四肢脆性骨折顯著增加［1］。鐵死亡是一種不同于細(xì)胞凋亡、壞死、焦亡以及細(xì)胞自噬程序化的細(xì)胞死亡模式，2018 年由細(xì)胞死亡命名委員會(huì)正式命名［2］。鐵死亡細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變化主要表現(xiàn)在線粒體上，包括膜密度增加、嵴減少、凝結(jié)或腫脹、外膜破裂。其主要特征是細(xì)胞內(nèi)鐵離子積累、活性氧（ROS）水平升高和谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）表達(dá)下調(diào)［3］。過多的鐵可能會(huì)通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生過量的ROS 和增加脂氧合酶的活性，使得細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這一過程與GPX4和XC-系統(tǒng)受到抑制，導(dǎo)致半胱氨酸代謝障礙和脂質(zhì)過氧化增強(qiáng)相關(guān)［4］。生物化學(xué)上，鐵死亡被認(rèn)為是氧化型多不飽和脂肪酸膜磷脂過度脂質(zhì)過氧化的結(jié)果，會(huì)對(duì)核酸、蛋白質(zhì)和脂類大分子造成損傷［5］。本文對(duì)鐵死亡與骨質(zhì)疏松的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 骨質(zhì)疏松與鐵代謝的關(guān)系

骨骼系統(tǒng)有一個(gè)持續(xù)的重塑周期，需要在合成代謝和分解代謝之間保持適當(dāng)平衡，才能保持骨組織穩(wěn)定。在這個(gè)骨重建過程中，破骨細(xì)胞會(huì)附著在舊骨上，通過釋放蛋白酶和酸性產(chǎn)物以溶解礦物質(zhì)和消化骨基質(zhì)，成骨細(xì)胞則通過分泌堿性磷酸酶、骨橋蛋白和骨鈣素引導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)的沉積，促進(jìn)骨的形成。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞間通過多種方式進(jìn)行交流，以維持骨穩(wěn)態(tài)。任何原因引起的破骨細(xì)胞活性增強(qiáng)和成骨細(xì)胞活性降低都會(huì)破壞骨重建平衡，進(jìn)而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。鐵作為人體必不可少的微量元素，在氧轉(zhuǎn)運(yùn)、血紅蛋白合成、ATP 合成和酶反應(yīng)等生理活動(dòng)中起著不可或缺的作用。生理?xiàng)l件下，體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)由鐵吸收、鐵轉(zhuǎn)運(yùn)、鐵儲(chǔ)存來共同維持。鐵離子通過Trfr 編碼的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 進(jìn)入細(xì)胞，并在體內(nèi)進(jìn)一步還原為亞鐵離子隨后，亞鐵離子通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1 被攜帶并釋放到細(xì)胞質(zhì)中。被吸收的鐵主要用于線粒體中鐵硫簇和血紅素的生物合成，其余鐵則存在于不穩(wěn)定的鐵池中。鐵代謝異常會(huì)增加許多疾病的風(fēng)險(xiǎn)，如貧血、心臟病、傳染病和神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病等［6-9］。有研究表明，鐵代謝在骨平衡中起重要作用，鐵過量可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松［10］，這是因?yàn)槠乒羌?xì)胞在骨吸收過程中需要更多的鐵來維持線粒體的功能，而成骨細(xì)胞則在鐵過量時(shí)被抑制［11］。當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)和組織中的鐵濃度超過轉(zhuǎn)鐵蛋白的結(jié)合能力時(shí)，游離鐵就會(huì)沉積在組織中，形成一種叫做鐵超載的病理狀態(tài)。2013 年，CHEN等［12］通過將受精2 d 剛孵化的斑馬魚幼體放入含有不同濃度檸檬酸鐵銨的培養(yǎng)皿中處理，構(gòu)建了斑馬魚鐵超載模型，發(fā)現(xiàn)鐵超載會(huì)導(dǎo)致成骨細(xì)胞特異性基因表達(dá)下降，并伴隨顯著的成骨抑制。鐵超載會(huì)導(dǎo)致過量的游離亞鐵離子通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生過量的ROS 和增加脂氧合酶的活性，脂氧合酶能夠?qū)е录?xì)胞膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，抑制細(xì)胞活性［13］。此外，鐵超載還會(huì)上調(diào)磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/蛋白轉(zhuǎn)錄因子3a（FOX3a）信號(hào)通路的表達(dá)，過表達(dá)的FOX3a 通過與其啟動(dòng)子結(jié)合來抑制雙特異性磷酸酶14（DUSP14）的表達(dá)，從而抑制成骨細(xì)胞的生長和礦化［14］。可見，鐵代謝在骨質(zhì)疏松中扮演著極其重要的角色。

2 鐵死亡與骨質(zhì)疏松的關(guān)系

2.1 骨質(zhì)疏松中的鐵死亡生化過程 鐵死亡和骨質(zhì)疏松的關(guān)系得到廣泛的研究，特別是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞鐵死亡。骨質(zhì)疏松中的鐵死亡主要包括以下生化過程：①鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體異常導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵大量聚集，過量的亞鐵離子通過Fenton 反應(yīng)產(chǎn)生大量ROS和過氧化脂質(zhì)，破環(huán)成骨細(xì)胞的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)；②半胱氨酸攝入減少和谷胱甘肽耗竭降低GPX4 的活性，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物清除障礙，破壞成骨細(xì)胞細(xì)胞膜的完整性和成骨能力；③FTH 和NCOA4 可共同作用，引起鐵蛋白的自噬降解，并釋放大量的鐵離子，引發(fā)鐵死亡。糖尿病被認(rèn)為是骨質(zhì)疏松的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，調(diào)查發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松在糖尿病患者中的發(fā)病率是非糖尿病患者的4～5 倍［15］。在體外實(shí)驗(yàn)中，高葡萄糖和棕櫚酸顯著降低了MC3T3-E1 細(xì)胞活力，而去鐵胺（DFO）和Ferrostatin-1（Fer-1）則有效緩解了這一作用。進(jìn)一步研究表明，高糖高脂通過激活甲基轉(zhuǎn)移酶3/凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1-p38 信號(hào)通路誘導(dǎo)成骨細(xì)胞鐵死亡，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生［16］。此外，晚期糖基化終末產(chǎn)物的積累導(dǎo)致了鐵相關(guān)蛋白的變化，如Gpx4 和SLC7A11 水平的降低，以及核受體共激活因子4、ACSL4 蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 和二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)戴白1 水平的升高，促進(jìn)了成骨細(xì)胞鐵死亡［17］。線粒體鐵蛋白（FtMt）是線粒體中的儲(chǔ)鐵蛋白，因?yàn)槠渚哂衼嗚F氧化酶活性而被認(rèn)為具有抑制ROS 產(chǎn)生的功能。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)tMt 過表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡［18］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMt 缺乏可通過ROS 同源性磷酸酶張力蛋白誘導(dǎo)的激酶1/Parkin 途途徑增強(qiáng)成骨細(xì)胞的線粒體自噬，從而在清除受損線粒體的同時(shí)產(chǎn)生更多的ROS，促進(jìn)鐵死亡發(fā)生［19］。這可能和線粒體自噬時(shí)產(chǎn)生的大量游離鐵離子有關(guān)，其具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。有研究報(bào)道了原代巨噬細(xì)胞中的氧濃度過高會(huì)使得線粒體中的鐵硫簇快速降解，進(jìn)而導(dǎo)致鐵死亡［20］。這可能是由于鐵硫簇的缺失引發(fā)了鐵饑餓反應(yīng)（轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1增加，鐵蛋白重鏈減少）。這種由細(xì)胞內(nèi)缺鐵引起的鐵蛋白重鏈的降解被稱為“鐵蛋白自噬”，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵水平的增加，并增加鐵死亡的風(fēng)險(xiǎn)。氧濃度也會(huì)影響破骨細(xì)胞形成過程中骨髓源性巨噬細(xì)胞的命運(yùn)，在常氧條件下，RANKL 誘導(dǎo)了鐵饑餓，促進(jìn)了鐵蛋白自噬，而缺氧則抑制了這一過程。值得注意的是，下調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1α）表達(dá)可增加缺氧條件下線粒體鐵的積累和脂質(zhì)過氧化。2-甲氧基雌二醇是HIF-1α 的特異性抑制劑，通過誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的鐵死亡來逆轉(zhuǎn)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的作用。然而，HIF-1α 基因敲除可抑制骨吸收功能，但并不影響破骨細(xì)胞的形成［21］。鐵死亡在糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松中同樣起著重要的作用。SUN等［22］發(fā)現(xiàn)，地塞米松（DEX）可誘導(dǎo)MC3T3-E1 細(xì)胞和MLOY4 細(xì)胞中p53 的表達(dá)增加，而p53 作為SLC7A11 的上游調(diào)控基因，可有效抑制SLC7A11/GPX4 的表達(dá)，使細(xì)胞引入細(xì)胞外半胱氨酸進(jìn)行谷胱甘肽生物合成、ROS 解毒和抗氧化活性的能力降低，導(dǎo)致鐵死亡。此外，有研究報(bào)道糖皮質(zhì)激素導(dǎo)致斑馬魚不同骨組織的骨質(zhì)疏松［23］。MIAO 等［24］證實(shí)鐵死亡參與了DEX 誘導(dǎo)的毒性，但抑制鐵死亡只能部分減少DEX 誘導(dǎo)的T 細(xì)胞消融，而不能減輕骨質(zhì)疏松。在大劑量DEX 治療后，GPX4 和Xc-下調(diào)，導(dǎo)致ROS 產(chǎn)生增加，促進(jìn)小鼠成骨細(xì)胞鐵死亡，并通過激活RANKL/RANK通路促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化。

2.2 鐵死亡在骨質(zhì)疏松治療中的作用 目前，治療骨質(zhì)疏松的主要臨床藥物是抑制破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收，如降鈣素、雌激素、雙膦酸鹽等，但都有不同程度的不良反應(yīng)。隨著鐵死亡在骨質(zhì)疏松中的作用被發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)鐵死亡來預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。Fer-1 能夠有效緩解erastin 誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞系MC3T3-E1 鐵死亡，但也會(huì)產(chǎn)生摻雜效應(yīng)，在其濃度大于20 μmol/L 時(shí)會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［25］。在適當(dāng)濃度內(nèi)Fer-1 以劑量依賴性的方式挽救骨細(xì)胞活力，而當(dāng)濃度超過10 μmol/L 時(shí)則表現(xiàn)出明顯的負(fù)性作用［26］，但目前關(guān)于其療效尚未在人體試驗(yàn)得到證實(shí)。鐵螯合劑是目前較常用的抑制鐵死亡的藥物，包括DFO、去鐵酮和地拉羅司。其主要機(jī)制是通過促進(jìn)鐵排泄，減少游離鐵發(fā)揮作用。由于過量的鐵選擇性地抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化而不是軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞［27］，所以DFO 的降鐵功能可有效促進(jìn)骨形成。在QU 等［28］的研究證實(shí)，去鐵胺通過糖原合成酶激酶3β/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨。此外，鐵螯合劑還通過下調(diào)鐵超載導(dǎo)致的NOX4 增多來降低ROS［29］。上調(diào)Nrf2的表達(dá)和促進(jìn)Nrf2的核轉(zhuǎn)位來激活Nrf2 介導(dǎo)的抗氧化途徑也是其抑制鐵死亡的途徑之一［30］。雖然去鐵胺對(duì)骨質(zhì)疏松有較好的治療效果，但是其在高劑量下的不良反應(yīng)包括聽覺神經(jīng)毒性、生長遲緩、眼部毒性等仍不可忽視［31］。褪黑激素是一種內(nèi)源性抗氧化劑，由松果體中的血清素合成，在許多病理生理（抗炎、抗氧化、抗腫瘤、骨形成）過程中起重要作用［32］。褪黑素通過激活Nrf2/HO-1 通路，增加GPX4的活性，降低ROS的水平，從而顯著降低高血糖誘導(dǎo)MC3T3細(xì)胞鐵死亡［33］。與以往研究不同的是，該研究表明高濃度和低濃度的褪黑素都能促進(jìn)骨形成，且該作用并非劑量依賴。褪黑素還可通過激PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路來抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的鐵死亡，從而抑制類固醇誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松的發(fā)生［34］。這使得褪黑素在鐵死亡相關(guān)的骨質(zhì)疏松中的療效得到證實(shí)，或許可以在臨床上推廣使用。青蒿素可有效抑制破骨細(xì)胞的形成［35］。這可能是由于破骨細(xì)胞中鐵含量高，使青蒿素更易激活，從而導(dǎo)致破骨細(xì)胞中鐵死亡，因此其并不影響成骨細(xì)胞的分化和成骨能力［36］。青娥丸可調(diào)節(jié)骨代謝，延緩骨衰老，提高骨質(zhì)量，從而改善骨質(zhì)疏松［37］。在最新的研究中發(fā)現(xiàn)，青娥丸通過下調(diào)ATM翻譯和激活A(yù)KT/PI3K 通路抑制erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡，從而保護(hù)骨形成［38］。可見中藥治療骨質(zhì)疏松有巨大潛力。

目前研究雖然證明了鐵死亡在骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展及治療中扮演重要角色，但其機(jī)制尚未完全清楚，仍需進(jìn)一步探究。基于基因?qū)用娴难芯咳玷F死亡相關(guān)基因的尋找及其作用機(jī)制的探索能夠深入理解鐵死亡在骨質(zhì)疏松中的作用。此外，調(diào)節(jié)鐵死亡的藥物在骨質(zhì)疏松中的應(yīng)用及其藥理作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究，尤其是中藥的應(yīng)用有很大潛力。