心肌缺血再灌注损伤中铁死亡的调控机制研究进展

叶宇恒 钱玲玲 王如兴 李库林

(南京医科大学附属无锡医院 无锡市人民医院心内科,江苏 无锡 214023)

心血管疾病是导致人类死亡和残疾的主要疾病,缺血性心脏病是其中主要类型之一且严重危害人类健康[1]。缺血性心脏病可因冠状动脉血供减少而导致心肌细胞死亡、心脏结构功能障碍和不良重构[2]。既往研究表明,恢复冠状动脉血供是减少心肌梗死面积并改善患者临床预后的有效治疗措施。但近年来,学者们[3]发现恢复冠状动脉血供能诱导心肌细胞死亡,造成心肌损伤,降低恢复冠状动脉血供给患者带来的临床收益。这种心肌缺血后恢复心脏冠状动脉血供造成的心肌损伤被称为心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)。有证据[4]表明,MIRI发生时,心肌细胞内活性氧生成增多,细胞脂质过氧化物累积,进而导致细胞发生铁死亡。

1 铁死亡及其调控

注:ATF4,转录激活因子4;Beclin1:B细胞淋巴瘤因子2同源结构域蛋白1;AMPK:AMP活化蛋白激酶;SLC3A2,溶质载体家族3成员2;GSH,谷胱甘肽;LOHs,还原态脂质;RSL3,Ras选择性致死小分子3;gpx4:谷胱甘肽过氧化物酶4基因;Nrf2:核因子E2相关因子2;Keap1:Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1;GSSG,氧化型谷胱甘肽;ARE:抗氧化响应元件;HO-1,血红素氧合酶-1;SOD,超氧化物歧化酶;PUFAs,多不饱和脂肪酸;PE,磷脂酰乙醇胺;LPCAT3,溶血卵磷脂酰基转移酶3;ACSL4,酰基辅酶a合成酶长链家族成员4。

1.1 通过脂质过氧化调控

GPx4是通过氧化还原反应中和脂质过氧化物细胞毒性的关键酶。抑制GPx4的活性或敲除GPx4表达均可诱发细胞铁死亡,这表明GPx4与脂质氧化还原在细胞铁死亡调控中发挥重要作用[5,9]。Ras选择性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3,RSL3)也可诱发细胞铁死亡。蛋白质组学研究[9]表明,GPx4是RSL3蛋白的首要作用靶点。RSL3可直接结合GPx4的位点,抑制GPx4活性。这一证据进一步支持GPx4与铁死亡之间存在联系。

1.2 通过铁代谢调控

铁蛋白是一种结合游离铁并将其贮存的蛋白,广泛地存在于线粒体和细胞质中。大多数细胞膜表面镶嵌着转铁蛋白受体。这些受体将铁蛋白从胞外转移至胞内[11]。铁自噬时,细胞将胞内的铁蛋白转运至溶酶体分解,从而释放出大量的游离铁,使得胞内铁超载[6]。这些游离铁可能通过芬顿反应[12]以及哈勃-韦斯反应[13]等途径产生大量的活性氧,促进脂质过氧化物的生成。目前定量蛋白质组学分析[6]发现NCOA4在铁自噬中起关键作用。

2 心肌缺血再灌注中铁死亡的潜在调控机制

MIRI时,心肌细胞代谢出现异常,未折叠蛋白质大量累积,脂质合成障碍,线粒体能量代谢发生障碍,大量自由基产生促使铁死亡的发生。这其中的机制涉及ATF相关的内质网应激信号分子、Nrf2相关的抗氧化机制和酰基辅酶a合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)等多种信号分子。

2.1 基于脂质过氧化的铁死亡诱导机制

磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)是一种可诱导细胞发生铁死亡的脂质。花生四烯酸(arachidonic acid,AA)等不饱和脂肪酸可在ACSL4的作用下转化为AA-辅酶A的形式,随后在溶血卵磷脂酰基转移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)的作用下转化为花生四烯酰磷脂酰乙醇胺,随后其在铁以及脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)的作用下转化为脂质过氧化物,诱导铁死亡的发生[14]。Anthonymuthu等[15]证实15-LOX/PE结合蛋白1复合物可使AA-PE过氧化,而铁死亡抑制剂-1可通过结合15-LOX/PE结合蛋白1复合物来抑制脂质过氧化物的积累。线粒体中富含LOX,Sun等[16]在MIRI大鼠模型中发现随着ACSL4表达的上调,结合PE的不饱和脂肪酸增多,进而在LPCAT3和LOX作用下生成的脂质过氧化物增多,心肌细胞铁死亡增多,大鼠心功能恶化。Li等[17]在糖尿病大鼠模型的基础上给予缺血再灌注干预,与未干预的糖尿病大鼠模型比较,发现大鼠心肌组织中ACSL4表达的上调和GPx4表达的下降。综上,动物实验证据表明,MIRI时,上调ACSL4的表达可导致结合PE的不饱和脂肪酸表达增多,进而在LPCAT3和LOX作用下转化为脂质过氧化物,促进心肌细胞发生铁死亡。

2.2 基于Nrf2/抗氧化响应元件的潜在调控机制

2.3 自噬相关的调控机制

3 MIRI中可能涉及铁死亡调控的干预措施

4 结论

铁死亡是一种近年来新定义的非凋亡类型程序性细胞死亡,其发生需脂质过氧化和铁的参与。越来越多的研究表明铁死亡与MIRI之间存在联系。对铁死亡调控途径的研究有助于学界正确地认识其在心肌缺血再灌注的发生与发展中所扮演的角色。β受体阻滞剂、钙离子拮抗剂和他汀类药物可能有着通过调控铁死亡进而改善MIRI预后的潜在机制。深入研究铁死亡将有助于发现潜在的MIRI治疗新靶点,并为临床MIRI药物干预提供新的切入点。