心血管疾病死亡高居我國居民死亡原因首位，對心血管疾病發病機制的深入探索具有重要意義。鐵死亡是近年來發現的一種鐵依賴的、非凋亡形式的調節性細胞死亡，參與調節多種生物學事件。研究發現鐵死亡在心血管疾病的發生發展中發揮重要作用。本文根據近期文獻報道，對鐵死亡的機制與調控進行概括，并對其在心臟缺血-再灌注/心肌梗死、心肌病、心肌肥厚、動脈粥樣硬化及腹主動脈瘤等常見心血管疾病中的研究成果進行闡述。
引用本文： 王曉棣, 陳鑫. 鐵死亡在心血管疾病中的研究進展. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2022, 29(4): 497-501. doi: 10.7507/1007-4848.202102029 復制
盡管通過多年的努力，中國在心血管疾病的防治工作上進步顯著，但心血管疾病死亡仍高居我國居民總死亡原因首位，對心血管疾病的發病機制進行深入探索任重而道遠[1]。鐵死亡是近年來發現的一種鐵依賴的、非凋亡形式的調節性細胞死亡。區別于凋亡、壞死、自噬及焦亡等細胞死亡，鐵死亡以鐵依賴的脂質過氧化物過量蓄積為特征，并在形態學、生物化學和遺傳學上均有明顯差別[2]。鐵死亡參與腫瘤、肝臟病、神經退行性病變、感染及內分泌疾病等的調控，近期研究[3]提示其在心血管疾病中同樣發揮重要作用。本綜述將對鐵死亡在心血管疾病中的最新研究進展進行概述并對其在心血管領域的未來研究方向進行展望。
1 鐵死亡的概述
1.1 鐵死亡的發現
早在鐵死亡這一概念揭示之前，已經有研究顯示在人體病理生理過程中，鐵代謝的調控及鐵穩態的維持具有不可或缺的生物學功能。2012 年 Dixon 等[4]發現大鼠肉瘤病毒致癌基因同源物選擇性致死化合物 erastin 在腫瘤細胞中可以誘導細胞死亡。通過觀察，其細胞死亡并不是以凋亡、壞死和自噬等形式實現，而是依賴于鐵的脂質過氧化物和活性氧堆積的一種新的細胞死亡形式，使用抗氧化劑和鐵螯合劑可以顯著抑制該生物學過程，他們首先將這種新的細胞死亡方式稱作鐵死亡。伴隨著后續研究的開展，鐵死亡的概念被逐步認知。在 2018 年，細胞死亡命名委員會通過討論，將鐵死亡定義為一種調節性細胞死亡。鐵死亡表現出與傳統細胞死亡形式不同的細胞形態學改變，主要特點是線粒體皺縮、外膜破裂、膜密度增高及線粒體嵴的正常結構破壞，細胞核大小正常但缺乏染色質凝聚，細胞膜上起泡但不發生破裂；在生物化學中鐵死亡表現為鐵及活性氧含量增加，半胱氨酸的攝取系統破壞，線粒體膜電位發生變化以及花生四烯酸介導的多種功能因子的釋放等；另外，在遺傳學中有一些特殊基因的表達發生變化[5]。對鐵死亡的調控作用進行詳細深入探索，可以揭示多種疾病的發病機制。
1.2 鐵死亡的機制與調控
鐵代謝異常造成細胞內鐵超載是鐵死亡的主要環節之一。鐵是一種基本元素，參與多種重要蛋白酶的合成，在生命活動中不可或缺[6]。與轉鐵蛋白結合的三價鐵是鐵在循環中主要存在形式，循環中的鐵通過與細胞膜上轉鐵蛋白受體 1（transferrin receptor 1，TFR1）結合而進入細胞內，隨即鐵還原酶前列腺跨膜上皮 3 抗原抗體將三價鐵還原為二價鐵，最后由二價金屬轉運體 1將二價鐵釋放到細胞質的動態鐵池中。動態鐵池的存在既可以貯存二價鐵，也可以通過其它生物學過程在體內生成血紅素等需鐵蛋白，過量的二價鐵可以通過膜鐵轉運蛋白 1轉運至胞外，儲存在鐵蛋白的重鏈 1（ferritin heavy chain 1，FtH1）和輕鏈 1（ferritin light chain 1，FtL1）中。在生理情況下，鐵蛋白具有強大的緩沖能力，能夠協助人體應對鐵缺乏和鐵過量，在病理情況下，過量的鐵能夠通過 Fenton 反應和 Haber-Weiss 反應產生活性氧誘導鐵死亡的發生[7]。研究[8]表明鐵螯合劑甲磺酸去鐵胺能夠抑制細胞內鐵超載引起的鐵死亡，另外限制鐵飲食攝入可以減緩鐵死亡造成的肝臟損傷，提示鐵代謝在鐵死亡的發生發展中發揮重要作用。
鐵死亡的另一重要環節是脂質過氧化。近期研究[9]發現，脂質過氧化物能夠破壞脂質雙分子層的穩定性，進而引起細胞膜的解體。脂質組學檢測結果提示含有磷脂酰乙醇胺的花生四烯酸和腎上腺酸均是鐵死亡的脂質產物，其可以在羥基自由基（由具有氧化還原活性的二價鐵和過氧化氫之間發生 Fenton 反應產生）的存在下自發產生過氧化作用。由于在亞甲基橋中存在高度活性的氫原子，多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）易發生脂質過氧化，羥基自由基可直接與膜磷脂中的 PUFAs 通過發生連鎖反應形成脂質過氧化物，攻擊胞膜引發鐵死亡形態學改變。脂質過氧化物分解產生的衍生物，包括 4-羥基壬烯醛和丙二醛，能夠與核酸和蛋白發生反應，進一步導致細胞的破壞，上述衍生物也可以作為檢測鐵死亡和脂質過氧化的重要分子標記物。另外，二價鐵同樣也可以作為脂氧合酶的輔助因子催化 PUFAs 的脂質過氧化[10]。研究[11]顯示，溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶 3和酰基輔酶 A 合成酶長鏈家族成員 4均參與細胞膜上 PUFAs 的脂質過氧化，也可作為鐵死亡的重要分子標志物。
谷胱甘肽過氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）是鐵死亡的重要特異性標志物，研究[12]表明，GPX4 在鐵死亡中可以將脂質過氧化物還原成脂質醇，亦可將過氧化氫還原成水，GPX4 敲除或者選用小分子抑制劑大鼠肉瘤病毒致癌基因同源物（rat sarcoma virus，RAS）-選擇性致死 3（RAS-selective lethal 3，RSL3）拮抗 GPX4 均可有效誘導鐵死亡的發生。谷胱甘肽（glutathione，GSH）是氧化應激反應的重要抗氧化劑，由甘氨酸、谷氨酸和半胱氨酸構成，在細胞中以還原型 GSH 和氧化型谷胱甘肽廣泛存在，GPX4 降解脂質過氧化物的過程則需要 GSH 提供電子來完成[13-14]。GSH 的合成需要在細胞內攝取半胱氨酸，而細胞內半胱氨酸需要憑借依賴鈉的胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體系統 xc?獲得，系統 xc?是由一條重鏈（4F2，基因名 SLC3A2）和一條輕鏈（xCT，基因名 SLC7A11）構成的二硫鍵異源二聚體，在其存在下能夠把細胞外的胱氨酸轉運至細胞內進一步轉化為半胱氨酸，用于 GSH 的生物合成。研究[15]表明，選擇性抑制系統 xc?時，將導致細胞內 GSH 減少，加重活性氧的蓄積，最終導致鐵死亡。
線粒體在氧化應激中起重要作用，同時也是活性氧的主要來源，鐵通過線粒體外、內兩層膜到達線粒體基質，進而調節線粒體內重要細胞器的生理功能。研究[16]發現，線粒體在鐵死亡的調控中扮演重要角色。在 erastin 的誘導下，線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道蛋白 2/3 開放，造成線粒體內鐵蓄積；同時，在神經系統疾病中，線粒體內膜上的線粒體轉鐵蛋白 mitoferrin 1/2（Mfrn1/2）遭到破壞，造成線粒體鐵代謝異常[17]。生理狀況下，線粒體鐵蛋白精確調控著線粒體內游離鐵的含量，維持線粒體鐵代謝正常，線粒體鐵蛋白過表達可以同時在體內和體外逆轉 erastin 誘導的鐵死亡[18]。
2 鐵死亡與心血管疾病
2.1 鐵死亡與心臟缺血-再灌注/心肌梗死
心臟缺血-再灌注/心肌梗死是常見的心血管疾病之一，預后差，早期干預手段匱乏。眾多學者致力于心臟缺血-再灌注/心肌梗死的具體機制研究。鐵死亡在心臟缺血-再灌注中發揮作用最早由 Gao 等[19]在 2015 年揭示，在氨基酸缺乏的情況下，兩種血清因子，轉鐵蛋白和谷氨酰胺，能夠誘導細胞發生一種更為迅速而強烈的壞死，這種壞死被證實為鐵死亡，在離體小鼠心臟缺血-再灌注模型中，通過鐵死亡抑制劑（ferrostatin-1，Fer-1），可以有效緩解心臟缺血-再灌注損傷。
為揭示鐵死亡在缺血-再灌注損傷中的具體作用機制，Li 等[20]通過對心臟移植后發生的缺血-再灌注損傷引發的體內無菌性炎癥反應進行相關研究，發現 Fer-1 能夠改善心臟移植手術的預后，并發現這種作用機制與壞死無關，而鐵死亡在其中扮演重要角色，抑制鐵死亡在冠狀動脈結扎造成的心臟缺血-再灌注模型中同樣起到改善心臟功能的作用。課題組通過活體成像技術，在心臟移植模型中觀察到鐵死亡通過提升心臟組織中內皮細胞黏附功能促進中性粒細胞募集，加重炎癥反應，加劇移植后的缺血-再灌注損傷，進一步的實驗顯示該作用通過 TLR4/Trif 通路實現。Feng 等[21]通過實驗證實，在小鼠心臟缺血-再灌注模型中，在再灌注開始同時給予抑制鐵死亡的小分子化合物 liprox-statin-1（Lip-1），能夠降低缺血性梗死面積及改善線粒體結構和功能，發揮保護作用，而這種保護作用并不涉及與鐵死亡相關的電壓依賴性陰離子通道蛋白 2/3，而是通過降低線粒體外膜的電壓依賴性陰離子通道蛋白 1 的表達，進一步增加線粒體內抗氧化劑 GPX4 的含量，減少線粒體內活性氧的產生而實現。與此同時，Li 等[22]發現，在糖尿病大鼠心臟缺血-再灌注模型中，活性氧和內質網應激相互聯系，引發鐵死亡，進一步造成心臟缺血-再灌注損傷，通過體內和體外實驗，研究者證實 Fer-1 可以減輕活性氧和內質網應激造成的心臟缺血-再灌注損傷，而使用鐵死亡的誘導劑加重該損傷。隨后 Tang 等[23]進一步對鐵死亡與心臟缺血-再灌注損傷的具體作用機制進行探索，研究通過 SD 大鼠建立心臟缺血-再灌注模型，觀察到鐵死亡的發生，與此同時，大鼠心肌組織中泛素特異性蛋白酶 7（ubiquitin specific peptidase 7，USP7）的表達顯著上調，人體抑癌基因 P53 蛋白和TFR1的表達也隨心肌組織鐵死亡程度的加劇而上升。通過使 P53 去泛素化，可以顯著降低 TFR1 的表達，抑制鐵死亡的發生，進一步對 USP7 和TFR1的干預均可以改善心臟缺血-再灌注損傷造成的鐵死亡，因此研究者提出 USP7/P53/TFR1作為一條新的通路在心臟缺血-再灌注造成的鐵死亡中發揮關鍵調控作用。
2019 年 Park 等[24]在小鼠心肌梗死模型中，通過質譜分析技術發現在心肌梗死中 GSH 代謝途徑和活性氧產生途徑顯著受到抑制，同時，在鐵死亡中發揮保護作用的 GPX4 表達下降，進一步的基因芯片及 PCR 實驗揭示 GPX4 的下調發生在轉錄水平，在體外心肌細胞中抑制 GPX4 表達或使用鐵死亡激動劑可引起細胞發生鐵死亡。Nishizawa 等[25]同樣證實鐵死亡參與心肌梗死的病理生理過程，研究者發現血紅素和鐵代謝的調節劑，轉錄因子 BTB 域和 CNC 同源物 1（BTB domain and CNC homolog 1，BACH1）通過抑制一系列保護性的基因（包括 Hmox1，Slc7a11，Gclm，Gclc，Fth1，Ftl1，Slc40a1 等）促進鐵死亡的發生，同野生型小鼠相比較，BACH1 基因敲除小鼠抵御心肌梗死能力增強。鐵螯合劑 deferasirox 可以改善小鼠心肌梗死造成的缺血性損傷和鐵死亡，對 BACH1 基因進行調控有望成為治療鐵死亡引起的心肌梗死的新治療方式。
2.2 鐵死亡與心肌病
蒽環類藥物常用于腫瘤化學治療，其中阿霉素的應用最為廣泛。阿霉素具有心肌毒性，長期使用會引起慢性發病且不可逆轉的心肌病，稱為阿霉素誘導的心肌病，其預后較其余類型心肌病更差，既成為了治療難點又限制了蒽環類藥物的應用。Tadokoro 等[26]通過對阿霉素誘導的心肌病模型的心肌組織進行檢測，發現 GPX4 表達量顯著下降伴隨著線粒體中脂質過氧化程度明顯加劇。課題組為了驗證 GPX4 的作用分別構建了 GPX4 過表達和小鼠敲除，發現 GPX4 過表達能改善心臟功能且該作用是通過調節鐵死亡實現的，實驗證實了阿霉素通過下調 GPX4 誘導了線粒體途徑依賴的鐵死亡，最終造成心肌病。Fang 等[27]構建了阿霉素誘導的小鼠心肌病模型，發現鐵死亡在其中發揮重要作用，在加入 Fer-1 后能夠減輕阿霉素誘導的心肌病。進一步通過 RNA 測序提示血紅素加氧酶 1（heme oxygenase 1，Hmox1）在阿霉素誘導的心肌病組織中表達顯著上升，而研究者發現核因子 E2 相關因子 2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）在上游轉錄水平對其進行調節，加入 Hmox1 拮抗劑和 Nrf2 基因敲除可以完全逆轉阿霉素造成的心臟損傷。課題組隨后又通過線粒體抗氧化劑、鐵螯合劑證實鐵死亡在阿霉素誘導的心肌病中的重要作用是 Nrf2/ Hmox1 通路依賴的。該課題組在隨后的心肌病的研究中進一步揭示鐵代謝異常可通過鐵死亡誘發心肌病。研究者[28]構建了兩種心肌特異性ferritin H （Fth）基因敲除小鼠，發現缺乏心肌細胞特異性 Fth 敲除的小鼠心臟組織中鐵水平降低，氧化應激增加，在小鼠老齡化后會導致輕度的心臟損傷；進一步予以高鐵飲食會造成基因敲除小鼠形成肥厚型心肌病，且鐵死亡參與疾病的病理生理過程，在心肌細胞中過表達 Slc7a11 可以抑制心肌鐵死亡。抑制鐵死亡為心肌病的防治提供了新的干預靶點。
2.3 鐵死亡與心肌肥厚
心力衰竭是多種心血管疾病的終點，而心肌肥厚則是其重要節點，如何有效抑制病理性心肌肥厚在心力衰竭的防治過程中有著不可替代的關鍵作用。Wang 等[29]的研究表明，MAP3K 家族成員混合譜系激酶 3（mixed-lineage kinase 3，MLK3）在壓力負荷誘導的小鼠心肌肥厚模型中表達顯著升高。課題組后續發現 MLK3 能夠通過 NF-κB/NLRP3 信號通路調節炎癥反應誘發焦亡，與此同時，MLK3 仍能夠通過 JNK/p53 信號通路調節氧化應激反應誘發的鐵死亡，兩種生物學事件均可加重心肌肥厚及心肌纖維化，miR-351 可與 MLK3 直接作用抑制焦亡及鐵死亡的發生，在心肌肥厚中發揮保護作用。Beclin1 又稱為 BECN，為酵母自噬基因 Atg6/Vps30 的同源基因，是自噬過程中必不可少的分子。Yin 等[30]發現 Beclin1 單倍量不足的小鼠能夠抵抗低溫誘導的心肌肥厚，研究者分別通過體內和體外實驗對具體機制進行探索，發現 Beclin1 單倍劑量不足可以上調 SLC7A11 和 GPX4，下調鐵蛋白吞噬貨物受體 NCOA4，增加的 NCOA4 可加劇鐵蓄積和脂質過氧化，促進鐵死亡的發生，加重心肌肥厚程度，與自噬緊密聯系，進一步揭示了鐵死亡的重要調控機制。
2.4 鐵死亡與動脈粥樣硬化
動脈粥樣硬化是很多血管疾病的病理學基礎。Bai 等[31]指出，使用 Fer-1 可以有效抑制高脂飲食誘導的 ApoE 基因敲除小鼠血管內動脈粥樣硬化形成，與對照組小鼠相比較，加入了 Fer-1 的小鼠體內鐵蓄積及脂質過氧化水平部分受到抑制，并且鐵死亡的保護性因子 SLC7A11 與 GPX4 的表達上調；體外細胞實驗再次驗證了在體動物實驗的結果，進一步發現 Fer-1 可以通過下調促炎因子的表達減少內皮細胞死亡和改善內皮細胞活力。研究結果顯示鐵死亡在動脈粥樣硬化的發生發展中通過減少脂質過氧化和保護內皮細胞功能發揮重要作用。
2.5 鐵死亡與腹主動脈瘤的潛在聯系
腹主動脈瘤是一種極其兇險的心血管疾病，雖然外科手術治療已經取得了確切的效果，但其發病機制和藥物干預手段仍不明確。早在 2015 年 Sawada 等[32]報道在腹主動脈瘤的主動脈組織中鐵含量明顯升高，同時TFR1 和細胞內鐵轉運蛋白的表達量顯著上調，鐵超載造成的氧化應激和炎癥反應加劇腹主動脈瘤的進展程度，限制鐵元素的攝入可以減緩鐵超載進而延緩腹主動脈瘤的發展。上述研究提示鐵的穩態在腹主動脈瘤的病理生理中具有關鍵作用，鐵死亡可能在腹主動脈瘤的發生發展中扮演重要角色。血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）是構成主動脈中膜層的主要細胞，參與血管微環境穩態的調節，維持 VSMC 正常功能對于抑制腹主動脈瘤發生至關重要。Sampilvanjil 等[33]發現吸煙可誘導 VSMC 發生鐵死亡，研究者使用香煙煙霧提取物在體外對構成血管壁的相關細胞進行誘導，發現 VSMC 能夠產生鐵死亡的相關改變，如 Ptgs2 mRNA 的上調、脂質過氧化加劇和細胞內 GSH 的降低，進一步的電鏡檢測也證實了鐵死亡的發生，而內皮細胞則不受影響，加入 Fer-1 和鐵螯合劑可以逆轉此改變，而其它細胞死亡的抑制劑無效，該研究也強烈提示鐵死亡可能通過調控 VSMC 在腹主動脈瘤的進程中發揮作用。本課題組也致力于鐵死亡與腹主動脈瘤相關機制的后續研究。
3 總結
鐵死亡是一種鐵依賴的非凋亡形式的調節性細胞死亡，與人體多種疾病的病理生理過程緊密相關。鐵死亡的過程伴隨鐵代謝及能量代謝紊亂、炎癥和氧化應激的上調、細胞內重要細胞器的功能損害以及其它形式的細胞死亡，越來越多的研究證實鐵死亡在心血管疾病中發揮重要作用。目前對于鐵死亡的研究尚處于相對早期的階段，其具體作用機制、節點分子和相關信號通路仍不明確，對鐵死亡的深入探索將有助于精準調控心血管疾病的發生發展，為其臨床防治工作提供新的思路。
利益沖突：無。
作者貢獻：王曉棣參與文章的撰寫與修改；陳鑫對文章的相關內容進行指導和修正。
盡管通過多年的努力，中國在心血管疾病的防治工作上進步顯著，但心血管疾病死亡仍高居我國居民總死亡原因首位，對心血管疾病的發病機制進行深入探索任重而道遠[1]。鐵死亡是近年來發現的一種鐵依賴的、非凋亡形式的調節性細胞死亡。區別于凋亡、壞死、自噬及焦亡等細胞死亡，鐵死亡以鐵依賴的脂質過氧化物過量蓄積為特征，并在形態學、生物化學和遺傳學上均有明顯差別[2]。鐵死亡參與腫瘤、肝臟病、神經退行性病變、感染及內分泌疾病等的調控，近期研究[3]提示其在心血管疾病中同樣發揮重要作用。本綜述將對鐵死亡在心血管疾病中的最新研究進展進行概述并對其在心血管領域的未來研究方向進行展望。
1 鐵死亡的概述
1.1 鐵死亡的發現
早在鐵死亡這一概念揭示之前，已經有研究顯示在人體病理生理過程中，鐵代謝的調控及鐵穩態的維持具有不可或缺的生物學功能。2012 年 Dixon 等[4]發現大鼠肉瘤病毒致癌基因同源物選擇性致死化合物 erastin 在腫瘤細胞中可以誘導細胞死亡。通過觀察，其細胞死亡并不是以凋亡、壞死和自噬等形式實現，而是依賴于鐵的脂質過氧化物和活性氧堆積的一種新的細胞死亡形式，使用抗氧化劑和鐵螯合劑可以顯著抑制該生物學過程，他們首先將這種新的細胞死亡方式稱作鐵死亡。伴隨著后續研究的開展，鐵死亡的概念被逐步認知。在 2018 年，細胞死亡命名委員會通過討論，將鐵死亡定義為一種調節性細胞死亡。鐵死亡表現出與傳統細胞死亡形式不同的細胞形態學改變，主要特點是線粒體皺縮、外膜破裂、膜密度增高及線粒體嵴的正常結構破壞，細胞核大小正常但缺乏染色質凝聚，細胞膜上起泡但不發生破裂；在生物化學中鐵死亡表現為鐵及活性氧含量增加，半胱氨酸的攝取系統破壞，線粒體膜電位發生變化以及花生四烯酸介導的多種功能因子的釋放等；另外，在遺傳學中有一些特殊基因的表達發生變化[5]。對鐵死亡的調控作用進行詳細深入探索，可以揭示多種疾病的發病機制。
1.2 鐵死亡的機制與調控
鐵代謝異常造成細胞內鐵超載是鐵死亡的主要環節之一。鐵是一種基本元素，參與多種重要蛋白酶的合成，在生命活動中不可或缺[6]。與轉鐵蛋白結合的三價鐵是鐵在循環中主要存在形式，循環中的鐵通過與細胞膜上轉鐵蛋白受體 1（transferrin receptor 1，TFR1）結合而進入細胞內，隨即鐵還原酶前列腺跨膜上皮 3 抗原抗體將三價鐵還原為二價鐵，最后由二價金屬轉運體 1將二價鐵釋放到細胞質的動態鐵池中。動態鐵池的存在既可以貯存二價鐵，也可以通過其它生物學過程在體內生成血紅素等需鐵蛋白，過量的二價鐵可以通過膜鐵轉運蛋白 1轉運至胞外，儲存在鐵蛋白的重鏈 1（ferritin heavy chain 1，FtH1）和輕鏈 1（ferritin light chain 1，FtL1）中。在生理情況下，鐵蛋白具有強大的緩沖能力，能夠協助人體應對鐵缺乏和鐵過量，在病理情況下，過量的鐵能夠通過 Fenton 反應和 Haber-Weiss 反應產生活性氧誘導鐵死亡的發生[7]。研究[8]表明鐵螯合劑甲磺酸去鐵胺能夠抑制細胞內鐵超載引起的鐵死亡，另外限制鐵飲食攝入可以減緩鐵死亡造成的肝臟損傷，提示鐵代謝在鐵死亡的發生發展中發揮重要作用。
鐵死亡的另一重要環節是脂質過氧化。近期研究[9]發現，脂質過氧化物能夠破壞脂質雙分子層的穩定性，進而引起細胞膜的解體。脂質組學檢測結果提示含有磷脂酰乙醇胺的花生四烯酸和腎上腺酸均是鐵死亡的脂質產物，其可以在羥基自由基（由具有氧化還原活性的二價鐵和過氧化氫之間發生 Fenton 反應產生）的存在下自發產生過氧化作用。由于在亞甲基橋中存在高度活性的氫原子，多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）易發生脂質過氧化，羥基自由基可直接與膜磷脂中的 PUFAs 通過發生連鎖反應形成脂質過氧化物，攻擊胞膜引發鐵死亡形態學改變。脂質過氧化物分解產生的衍生物，包括 4-羥基壬烯醛和丙二醛，能夠與核酸和蛋白發生反應，進一步導致細胞的破壞，上述衍生物也可以作為檢測鐵死亡和脂質過氧化的重要分子標記物。另外，二價鐵同樣也可以作為脂氧合酶的輔助因子催化 PUFAs 的脂質過氧化[10]。研究[11]顯示，溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶 3和酰基輔酶 A 合成酶長鏈家族成員 4均參與細胞膜上 PUFAs 的脂質過氧化，也可作為鐵死亡的重要分子標志物。
谷胱甘肽過氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）是鐵死亡的重要特異性標志物，研究[12]表明，GPX4 在鐵死亡中可以將脂質過氧化物還原成脂質醇，亦可將過氧化氫還原成水，GPX4 敲除或者選用小分子抑制劑大鼠肉瘤病毒致癌基因同源物（rat sarcoma virus，RAS）-選擇性致死 3（RAS-selective lethal 3，RSL3）拮抗 GPX4 均可有效誘導鐵死亡的發生。谷胱甘肽（glutathione，GSH）是氧化應激反應的重要抗氧化劑，由甘氨酸、谷氨酸和半胱氨酸構成，在細胞中以還原型 GSH 和氧化型谷胱甘肽廣泛存在，GPX4 降解脂質過氧化物的過程則需要 GSH 提供電子來完成[13-14]。GSH 的合成需要在細胞內攝取半胱氨酸，而細胞內半胱氨酸需要憑借依賴鈉的胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體系統 xc?獲得，系統 xc?是由一條重鏈（4F2，基因名 SLC3A2）和一條輕鏈（xCT，基因名 SLC7A11）構成的二硫鍵異源二聚體，在其存在下能夠把細胞外的胱氨酸轉運至細胞內進一步轉化為半胱氨酸，用于 GSH 的生物合成。研究[15]表明，選擇性抑制系統 xc?時，將導致細胞內 GSH 減少，加重活性氧的蓄積，最終導致鐵死亡。
線粒體在氧化應激中起重要作用，同時也是活性氧的主要來源，鐵通過線粒體外、內兩層膜到達線粒體基質，進而調節線粒體內重要細胞器的生理功能。研究[16]發現，線粒體在鐵死亡的調控中扮演重要角色。在 erastin 的誘導下，線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道蛋白 2/3 開放，造成線粒體內鐵蓄積；同時，在神經系統疾病中，線粒體內膜上的線粒體轉鐵蛋白 mitoferrin 1/2（Mfrn1/2）遭到破壞，造成線粒體鐵代謝異常[17]。生理狀況下，線粒體鐵蛋白精確調控著線粒體內游離鐵的含量，維持線粒體鐵代謝正常，線粒體鐵蛋白過表達可以同時在體內和體外逆轉 erastin 誘導的鐵死亡[18]。
2 鐵死亡與心血管疾病
2.1 鐵死亡與心臟缺血-再灌注/心肌梗死
心臟缺血-再灌注/心肌梗死是常見的心血管疾病之一，預后差，早期干預手段匱乏。眾多學者致力于心臟缺血-再灌注/心肌梗死的具體機制研究。鐵死亡在心臟缺血-再灌注中發揮作用最早由 Gao 等[19]在 2015 年揭示，在氨基酸缺乏的情況下，兩種血清因子，轉鐵蛋白和谷氨酰胺，能夠誘導細胞發生一種更為迅速而強烈的壞死，這種壞死被證實為鐵死亡，在離體小鼠心臟缺血-再灌注模型中，通過鐵死亡抑制劑（ferrostatin-1，Fer-1），可以有效緩解心臟缺血-再灌注損傷。
為揭示鐵死亡在缺血-再灌注損傷中的具體作用機制，Li 等[20]通過對心臟移植后發生的缺血-再灌注損傷引發的體內無菌性炎癥反應進行相關研究，發現 Fer-1 能夠改善心臟移植手術的預后，并發現這種作用機制與壞死無關，而鐵死亡在其中扮演重要角色，抑制鐵死亡在冠狀動脈結扎造成的心臟缺血-再灌注模型中同樣起到改善心臟功能的作用。課題組通過活體成像技術，在心臟移植模型中觀察到鐵死亡通過提升心臟組織中內皮細胞黏附功能促進中性粒細胞募集，加重炎癥反應，加劇移植后的缺血-再灌注損傷，進一步的實驗顯示該作用通過 TLR4/Trif 通路實現。Feng 等[21]通過實驗證實，在小鼠心臟缺血-再灌注模型中，在再灌注開始同時給予抑制鐵死亡的小分子化合物 liprox-statin-1（Lip-1），能夠降低缺血性梗死面積及改善線粒體結構和功能，發揮保護作用，而這種保護作用并不涉及與鐵死亡相關的電壓依賴性陰離子通道蛋白 2/3，而是通過降低線粒體外膜的電壓依賴性陰離子通道蛋白 1 的表達，進一步增加線粒體內抗氧化劑 GPX4 的含量，減少線粒體內活性氧的產生而實現。與此同時，Li 等[22]發現，在糖尿病大鼠心臟缺血-再灌注模型中，活性氧和內質網應激相互聯系，引發鐵死亡，進一步造成心臟缺血-再灌注損傷，通過體內和體外實驗，研究者證實 Fer-1 可以減輕活性氧和內質網應激造成的心臟缺血-再灌注損傷，而使用鐵死亡的誘導劑加重該損傷。隨后 Tang 等[23]進一步對鐵死亡與心臟缺血-再灌注損傷的具體作用機制進行探索，研究通過 SD 大鼠建立心臟缺血-再灌注模型，觀察到鐵死亡的發生，與此同時，大鼠心肌組織中泛素特異性蛋白酶 7（ubiquitin specific peptidase 7，USP7）的表達顯著上調，人體抑癌基因 P53 蛋白和TFR1的表達也隨心肌組織鐵死亡程度的加劇而上升。通過使 P53 去泛素化，可以顯著降低 TFR1 的表達，抑制鐵死亡的發生，進一步對 USP7 和TFR1的干預均可以改善心臟缺血-再灌注損傷造成的鐵死亡，因此研究者提出 USP7/P53/TFR1作為一條新的通路在心臟缺血-再灌注造成的鐵死亡中發揮關鍵調控作用。
2019 年 Park 等[24]在小鼠心肌梗死模型中，通過質譜分析技術發現在心肌梗死中 GSH 代謝途徑和活性氧產生途徑顯著受到抑制，同時，在鐵死亡中發揮保護作用的 GPX4 表達下降，進一步的基因芯片及 PCR 實驗揭示 GPX4 的下調發生在轉錄水平，在體外心肌細胞中抑制 GPX4 表達或使用鐵死亡激動劑可引起細胞發生鐵死亡。Nishizawa 等[25]同樣證實鐵死亡參與心肌梗死的病理生理過程，研究者發現血紅素和鐵代謝的調節劑，轉錄因子 BTB 域和 CNC 同源物 1（BTB domain and CNC homolog 1，BACH1）通過抑制一系列保護性的基因（包括 Hmox1，Slc7a11，Gclm，Gclc，Fth1，Ftl1，Slc40a1 等）促進鐵死亡的發生，同野生型小鼠相比較，BACH1 基因敲除小鼠抵御心肌梗死能力增強。鐵螯合劑 deferasirox 可以改善小鼠心肌梗死造成的缺血性損傷和鐵死亡，對 BACH1 基因進行調控有望成為治療鐵死亡引起的心肌梗死的新治療方式。
2.2 鐵死亡與心肌病
蒽環類藥物常用于腫瘤化學治療，其中阿霉素的應用最為廣泛。阿霉素具有心肌毒性，長期使用會引起慢性發病且不可逆轉的心肌病，稱為阿霉素誘導的心肌病，其預后較其余類型心肌病更差，既成為了治療難點又限制了蒽環類藥物的應用。Tadokoro 等[26]通過對阿霉素誘導的心肌病模型的心肌組織進行檢測，發現 GPX4 表達量顯著下降伴隨著線粒體中脂質過氧化程度明顯加劇。課題組為了驗證 GPX4 的作用分別構建了 GPX4 過表達和小鼠敲除，發現 GPX4 過表達能改善心臟功能且該作用是通過調節鐵死亡實現的，實驗證實了阿霉素通過下調 GPX4 誘導了線粒體途徑依賴的鐵死亡，最終造成心肌病。Fang 等[27]構建了阿霉素誘導的小鼠心肌病模型，發現鐵死亡在其中發揮重要作用，在加入 Fer-1 后能夠減輕阿霉素誘導的心肌病。進一步通過 RNA 測序提示血紅素加氧酶 1（heme oxygenase 1，Hmox1）在阿霉素誘導的心肌病組織中表達顯著上升，而研究者發現核因子 E2 相關因子 2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）在上游轉錄水平對其進行調節，加入 Hmox1 拮抗劑和 Nrf2 基因敲除可以完全逆轉阿霉素造成的心臟損傷。課題組隨后又通過線粒體抗氧化劑、鐵螯合劑證實鐵死亡在阿霉素誘導的心肌病中的重要作用是 Nrf2/ Hmox1 通路依賴的。該課題組在隨后的心肌病的研究中進一步揭示鐵代謝異常可通過鐵死亡誘發心肌病。研究者[28]構建了兩種心肌特異性ferritin H （Fth）基因敲除小鼠，發現缺乏心肌細胞特異性 Fth 敲除的小鼠心臟組織中鐵水平降低，氧化應激增加，在小鼠老齡化后會導致輕度的心臟損傷；進一步予以高鐵飲食會造成基因敲除小鼠形成肥厚型心肌病，且鐵死亡參與疾病的病理生理過程，在心肌細胞中過表達 Slc7a11 可以抑制心肌鐵死亡。抑制鐵死亡為心肌病的防治提供了新的干預靶點。
2.3 鐵死亡與心肌肥厚
心力衰竭是多種心血管疾病的終點，而心肌肥厚則是其重要節點，如何有效抑制病理性心肌肥厚在心力衰竭的防治過程中有著不可替代的關鍵作用。Wang 等[29]的研究表明，MAP3K 家族成員混合譜系激酶 3（mixed-lineage kinase 3，MLK3）在壓力負荷誘導的小鼠心肌肥厚模型中表達顯著升高。課題組后續發現 MLK3 能夠通過 NF-κB/NLRP3 信號通路調節炎癥反應誘發焦亡，與此同時，MLK3 仍能夠通過 JNK/p53 信號通路調節氧化應激反應誘發的鐵死亡，兩種生物學事件均可加重心肌肥厚及心肌纖維化，miR-351 可與 MLK3 直接作用抑制焦亡及鐵死亡的發生，在心肌肥厚中發揮保護作用。Beclin1 又稱為 BECN，為酵母自噬基因 Atg6/Vps30 的同源基因，是自噬過程中必不可少的分子。Yin 等[30]發現 Beclin1 單倍量不足的小鼠能夠抵抗低溫誘導的心肌肥厚，研究者分別通過體內和體外實驗對具體機制進行探索，發現 Beclin1 單倍劑量不足可以上調 SLC7A11 和 GPX4，下調鐵蛋白吞噬貨物受體 NCOA4，增加的 NCOA4 可加劇鐵蓄積和脂質過氧化，促進鐵死亡的發生，加重心肌肥厚程度，與自噬緊密聯系，進一步揭示了鐵死亡的重要調控機制。
2.4 鐵死亡與動脈粥樣硬化
動脈粥樣硬化是很多血管疾病的病理學基礎。Bai 等[31]指出，使用 Fer-1 可以有效抑制高脂飲食誘導的 ApoE 基因敲除小鼠血管內動脈粥樣硬化形成，與對照組小鼠相比較，加入了 Fer-1 的小鼠體內鐵蓄積及脂質過氧化水平部分受到抑制，并且鐵死亡的保護性因子 SLC7A11 與 GPX4 的表達上調；體外細胞實驗再次驗證了在體動物實驗的結果，進一步發現 Fer-1 可以通過下調促炎因子的表達減少內皮細胞死亡和改善內皮細胞活力。研究結果顯示鐵死亡在動脈粥樣硬化的發生發展中通過減少脂質過氧化和保護內皮細胞功能發揮重要作用。
2.5 鐵死亡與腹主動脈瘤的潛在聯系
腹主動脈瘤是一種極其兇險的心血管疾病，雖然外科手術治療已經取得了確切的效果，但其發病機制和藥物干預手段仍不明確。早在 2015 年 Sawada 等[32]報道在腹主動脈瘤的主動脈組織中鐵含量明顯升高，同時TFR1 和細胞內鐵轉運蛋白的表達量顯著上調，鐵超載造成的氧化應激和炎癥反應加劇腹主動脈瘤的進展程度，限制鐵元素的攝入可以減緩鐵超載進而延緩腹主動脈瘤的發展。上述研究提示鐵的穩態在腹主動脈瘤的病理生理中具有關鍵作用，鐵死亡可能在腹主動脈瘤的發生發展中扮演重要角色。血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）是構成主動脈中膜層的主要細胞，參與血管微環境穩態的調節，維持 VSMC 正常功能對于抑制腹主動脈瘤發生至關重要。Sampilvanjil 等[33]發現吸煙可誘導 VSMC 發生鐵死亡，研究者使用香煙煙霧提取物在體外對構成血管壁的相關細胞進行誘導，發現 VSMC 能夠產生鐵死亡的相關改變，如 Ptgs2 mRNA 的上調、脂質過氧化加劇和細胞內 GSH 的降低，進一步的電鏡檢測也證實了鐵死亡的發生，而內皮細胞則不受影響，加入 Fer-1 和鐵螯合劑可以逆轉此改變，而其它細胞死亡的抑制劑無效，該研究也強烈提示鐵死亡可能通過調控 VSMC 在腹主動脈瘤的進程中發揮作用。本課題組也致力于鐵死亡與腹主動脈瘤相關機制的后續研究。
3 總結
鐵死亡是一種鐵依賴的非凋亡形式的調節性細胞死亡，與人體多種疾病的病理生理過程緊密相關。鐵死亡的過程伴隨鐵代謝及能量代謝紊亂、炎癥和氧化應激的上調、細胞內重要細胞器的功能損害以及其它形式的細胞死亡，越來越多的研究證實鐵死亡在心血管疾病中發揮重要作用。目前對于鐵死亡的研究尚處于相對早期的階段，其具體作用機制、節點分子和相關信號通路仍不明確，對鐵死亡的深入探索將有助于精準調控心血管疾病的發生發展，為其臨床防治工作提供新的思路。
利益沖突：無。
作者貢獻：王曉棣參與文章的撰寫與修改；陳鑫對文章的相關內容進行指導和修正。