铁死亡在阿尔茨海默病中的作用机制及研究进展

郑梅 陆颖 木大为

1上海市松江区中心医院检验科，上海 201600； 2上海市松江区中心医院质控科，上海 201600； 3上海市松江区中心医院医务科，上海 201600

阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经退行性疾病，也是全世界老年人（65岁以上）残疾和死亡的主要原因，现在还没有有效的临床药物可以延缓其发展［1］。随着全球罹患AD人数的不断扩增，患者、患者家庭及社会都承受着不可估量的负担。铁死亡是一种依赖于铁离子的程序性细胞死亡形式，与AD密切相关［2］。

铁死亡

Dixon等［3］研究铁死亡诱导剂earstin杀死癌细胞的机制，并将这一细胞死亡过程正式命名为铁死亡。铁死亡是细胞中活性氧（ROS）在铁的存在下，多不饱和脂肪酸（PUFAs）产生脂质过氧化物（LPOs），从而引起膜损伤，造成一种独特的细胞死亡方式。铁死亡分子机制与铁、ROS和LPOs、氨基酸代谢有关。

1.铁代谢与铁死亡

铁是人体必需的微量元素，在细胞中以三价铁离子（Fe3+）和二价铁离子（Fe2+）两种形式存在，Fe3+是铁的储运形态，Fe2+可以转移电子，参与各种氧化还原反应，并作为反应催化剂。Ma等［2］研究显示，过量的铁能通过芬顿反应产生ROS以及激活含铁的酶（如脂氧合酶）来促进脂质过氧化而引发铁死亡。细胞铁代谢伴随着转铁蛋白（Tf）、铁蛋白和膜铁转运蛋白（Fpn）等在内的其他蛋白相互协调调节表达。细胞由转铁蛋白受体（TfR）介导铁代谢，铁通过装载Fe3+的Tf内吞作用进入胞内，该Tf在严格调节的反馈控制下与其TfR1和TfR2相互作用，铁调节蛋白1和2记录胞内铁浓度，转录后调控铁代谢基因的表达［4-5］。铁蛋白的异常调节造成铁代谢失衡可诱发铁死亡［6］。核受体共激活因子4是一种细胞质自噬受体，用于结合铁蛋白，随后通过铁蛋白自噬降解，铁蛋白自噬是自噬的一种选择性形式，有助于铁死亡发生，在铁蛋白自噬过程中，储存的铁被释放出来，用于生物合成途径，但铁蛋白自噬导致细胞内铁以Fe2+的形式积聚，最终导致铁死亡［7］。Fe2+含量过载和铁调节相关蛋白的异常表达在铁死亡中发挥关键作用。

2.脂质代谢与铁死亡

脂质是构成细胞膜基础结构的含碳氢生物分子［8］。脂质过氧化多在含磷脂膜结构中进行，位于细胞膜上的PUFAs，如花生四烯酸和肾上腺素酸，是铁死亡过程中脂质过氧化的主要底物［9］。相比之下，单不饱和脂肪酸（MUFAs）由于其对脂质过氧化的结构抗性，通常在铁死亡中起相反作用。PUFAs或MUFAs的产生及合成受多种酶的调控，特别是酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3），将PUFAs结合到膜磷脂中，在促进铁死亡中起关键作用［10］。有研究发现，使用抑制剂抑制ACSL4和LPCAT3活性时，可降低细胞铁死亡的敏感性［10-11］。硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）可催化合成MUFAs，通过抑制SCD1介导MUFAs生成，可促进Ras选择性致死小分子3（RSL3）诱导的细胞铁死亡［12］。脂氧合酶（LOXs）作为重要脂质过氧化反应的催化酶，使用LOXs抑制剂可阻止Erastin和RSL3诱导的细胞铁死亡［13］。由此可见，脂质代谢过程中，脂质过氧化是导致铁死亡的核心因素。

3.氨基酸代谢与铁死亡

谷胱甘肽（GSH）由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸3种氨基酸构成，其中半胱氨酸是其形成的限制性底物。GSH是一种低分子量抗氧化剂，可以清除细胞代谢过程中产生的自由基。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）以GSH为辅助因子直接还原有毒物质磷脂氢过氧化物，消除脂质ROS抑制铁死亡，RSL3是一种铁死亡诱导剂，直接通过抑制GPX4活性促进铁死亡［14］。胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白（system Xc-）由两个溶质载体组成，溶质载体家族3成员2（SLC3A2）和溶质载体家族7成员11（SLC7A11），通过system Xc-，谷氨酸和胱氨酸以等量离开和进入细胞，维持GSH生成，其中SLC7A11能特异性识别这两种氨基酸，而SLC3A2则促进SLC7A11向胞膜运输并增强稳定性［15］。Jiang等［16］研究表明，P53肿瘤抑制因子通过下调SLC7A11的表达抑制系统摄取胱氨酸，影响GSH生成，降低GPX4活性，导致细胞抗氧化能力降低，脂质ROS积累，最终发生铁死亡。GSH的合成障碍、SLC7A11和GPX4低表达均可促进细胞铁死亡。

4.其他调节途径

4.1.铁死亡抑制蛋白1（FSP1）/CoQ信号通路 有研究报道，FSP1/凋亡诱导因子线粒体相关因子2（AIFM2）在铁死亡发生中的作用，揭示了调控铁死亡的有效途径，并重新引入凋亡诱导因子［17-18］。Bersuker等［17］研究发现，FSP1（以前称为AIFM2）是一种有效抗铁氧化因子。Doll等［18］研究表明，FSP1通过还原型辅酶Ⅱ催化辅酶Q10（CoQ10）再生，协同GPX4/GSH信号通路抑制脂质过氧化和铁死亡。FSP1表达在抑制铁死亡中的重要作用，可为后续治疗疾病提供新的靶点。

4.2.二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）/CoQ信号通路 Mao等［19］研究证实，DHODH与线粒体GPX4并行运作（但独立于细胞质GPX4或FSP1），通过将线粒体中的CoQ还原为CoQH2来抑制线粒体内膜中的铁死亡。线粒体作为细胞能量来源，在氧化磷酸化过程中极易发生ROS累积造成铁死亡，该信号通路在抑制线粒体内膜脂质过氧化中发挥主要作用。

4.3.GTP环水解酶1（GCH1）/四氢生物蝶呤（BH4）信号通路 Kraft等［20］通过全基因组激活筛选，确定了一组对抗铁依赖性细胞死亡的基因，包括GCH1及其代谢衍生物BH4/二氢生物蝶呤（BH2）。

铁死亡在AD中的作用机制

AD是一种神经退行性和遗传及年龄相关痴呆，其典型表现为健忘性认知障碍，病理特征是形成老年斑的β-淀粉样蛋白（Aβ）细胞外沉积和构成神经原纤维缠结（NFTs）异常修饰的Tau蛋白积累，伴有突触逐渐丧失和脑组织损伤［1］。随着淀粉样蛋白作为治疗靶点的挑战，AD的其他神经化学变化引起了越来越多的兴趣，尤其伴随铁死亡概念的提出，很多研究证实铁死亡相关机制与AD的病理生理学密切相关［2，21-23］。

1.铁代谢紊乱与AD

铁稳态调节对维持正常的脑功能很重要，而大脑铁稳态失调会导致氧化应激和炎症反应，导致细胞损伤，最终导致神经退行性疾病。Ashraf等［24］研究发现，在AD死后的大脑中，大脑皮层中铁含量升高。Ramos等［25］通过与对照组相比，AD患者大脑海马和基底节区的铁水平升高，大脑脑干和小脑的铁水平较低。铁代谢的平衡依赖于各种铁代谢相关蛋白的协同作用，Fpn是将铁离子运出细胞的主要蛋白，Bao等［21］在Fpnfl/fl/NEXcre小鼠模型（新皮质和海马主要神经元Fpn基因缺失的小鼠模型）和AD小鼠中观察到典型的铁死亡形态学和分子特征。Aβ由淀粉样前体蛋白（APP）产生，APP是在大脑中高水平表达的单代跨膜蛋白，通过将Fe3+加载到Tf上，稳定铁输出通道Fpn，从而保护细胞免受铁催化的氧化应激。Duce等［26］研究证实，APP敲除小鼠的皮层神经元中，Fpn水平降低，与年龄相关的铁积累水平升高，并伴有氧化应激。因此，APP可能在正常衰老过程中抑制脑铁升高，在AD患者脑中促进铁的升高［27-28］。当铁蓄积时，可促进APP mRNA翻译，在β和γ-分泌酶剪切作用下，APP水解形成的Aβ在大脑内聚集［29］。Fe3+通过与Tau蛋白使其磷酸化，导致高磷酸化的Tau蛋白聚集，从而促进NFTs形成，最终导致神经元死亡［30］。在AD患者中，APP异常加工可能会促进脑铁积累，过量铁又会诱导Aβ在大脑中的沉积，并促进NFTs形成。由此可见，铁含量的增加导致铁死亡可能是AD发病的关键因素。

2.脂质过氧化与AD

氧化应激在许多神经退行性疾病中起重要作用，其中脂质过氧化是主要过程，这是由于大脑膜结构中含有高水平的PUFAs和高氧消耗［31］。Ferré-González等［32］研究发现，在AD患者大脑中LPOs水平升高。丙二醛（MDA）及4-羟基壬烯醛（4-HNE）是氧化应激诱导的脂质过氧化标志物，4-HNE随着年龄增长而增加，影响神经系统正常功能，可能与AD病变相关［33］。Dare等［34］研究发现，AD患者ACSL4水平升高，在多个脑区可检测到高浓度的游离MDA及4-HNE，且GPX4表达下调。既往研究表明，AD患者脑内脂质过氧化产物增加［32-34］。作为铁死亡的驱动力，高水平的脂质过氧化会破坏细胞功能［35］。Park等［22］研究发现，在AD患者和携带APP/突变的早老素1（PS1）双转基因AD小鼠模型的大脑皮层受损星形胶质细胞中，NADPH氧化酶4（NOX4）蛋白、MDA及4-HNE水平均升高，证实NOX4通过损伤AD患者的线粒体代谢，通过氧化应激诱导的脂质过氧化作用促进星形胶质细胞铁死亡。Bok等［36］研究证实，磷酸化Tau蛋白与细胞膜脂质双分子层中磷脂可相互结合，形成具有细胞毒性的Tau-磷脂复合物，但二者间的具体作用机制尚未阐明。AD重要病理产物与铁死亡脂质过氧化过程间可能相互影响，脂质过氧化所致铁死亡可能是AD发病的潜在机制，但具体作用机制尚需研究［35］。

3.氨基酸代谢紊乱与AD

system Xc-作为中枢神经系统中一种重要的谷氨酸转运体，功能发生障碍时可诱导AD的兴奋性毒性神经元变性［37］。谷氨酸是中枢神经系统中重要的兴奋性递质，对维持正常脑功能和中枢神经系统发育至关重要，高浓度的细胞外谷氨酸破坏system Xc-，从而诱导死亡。D'Ezio等［38］研究发现，Aβ25-35能够通过诱导核因子2相关因子2抗体（Nrf2）通路激活和System Xc-上调来激活星形胶质细胞的抗氧化反应，然而，system Xc-上调可增加细胞外谷氨酸释放，并可能导致兴奋性毒性，同时特异的System Xc-抑制剂磺胺吡啶阻止了神经元病死率和细胞外谷氨酸水平增加。GPX4-GSH信号通路是细胞铁死亡的关键调节通路，Hambright等［23］研究发现，大脑中GPX4基因敲除的小鼠模型出现一系列与AD病理相关的特征，如认知障碍和海马神经退行性变。连翘苷A通过提高GPX4和GSH含量，抑制APP/PS1转基因小鼠AD模型铁死亡及Aβ沉积和Tau蛋白水平，并改善记忆和认知障碍［39］。黄连素（BBR）慢性治疗可减轻AD模型小鼠的认知障碍，同时BBR通过调节Nrf2转录水平提高GPX4、SLC7A11的表达水平，从而抑制铁死亡［40］。以上研究可证实，system Xc-的稳定调节与AD神经元变性关系密切。system Xc-上调可致神经元毒性，加重AD进程；system Xc-低表达又会导致GSH-GPX4信号通路受限，促进脑细胞铁死亡。

4.其他调节途径与AD

FSP1和DHODH作为独立GPX4的铁死亡调控基因，均通过将CoQ10还原为更具活性的CoQ10H2，发挥抗氧化和抗铁死亡的功能［17-19］。Momiyama［41］研究证实，在普通人群中，较低的血清CoQ10水平与较高的痴呆风险相关。CoQ10是一种抗炎和抗氧化应激补充剂，实验模型显示，CoQ10治疗AD可以改善AD相关的炎症和氧化应激，提高认知和记忆能力［42］。由CoQ10介导的抗氧化应激作用，不仅在抑制铁死亡过程中发挥关键作用，也在缓解AD神经损害中扮演重要角色。因此，CoQ10治疗AD的潜在作用值得未来投入更多研究。

潜在抑制铁死亡治疗AD的药物

1.铁鳌合剂

铁螯合剂是一种对铁离子具有亲和力的成分，可以通过螯合铁来调节铁依赖性蛋白的表达，从而减缓AD的病理过程［43］。去铁素（DFP）是一种临床上可用的铁螯合剂，最近在体内动物模型中确定了对AD的有效性。Nolan等［44］研究表明，在东莨菪碱诱导的AD大鼠模型中，DFP通过抗氧化作用抑制认知障碍，DFP预处理可减弱东莨菪碱诱导的大鼠海马和皮质乙酰胆碱酯酶活性升高，减少Aβ和铁沉积。这一发现表明，铁螯合剂能有效缓AD中铁代谢失调引起的铁死亡和神经元死亡，可能是临床治疗AD的潜在药物。

2.抗氧化剂

抗氧化剂已被广泛用于治疗AD，其中许多抗氧化剂可抑制脂质过氧化，从而抑制铁死亡。维生素E是一种常见的脂溶性抗氧化剂，可以调节铁死亡。Nolan等［44］临床研究证实，维生素E的干预处理有助于改善AD患者的症状，提高其生活质量。随机试验发现，维生素E对AD或轻度认知障碍患者没有任何益处［45-46］。由此可见，维生素E在AD中的使用仍然值得怀疑，还需更多研究来确定其效果。

α-硫辛酸（α-LA）是一种天然存在的酶辅助因子，由于其抗氧化和铁螯合剂的特性，在AD中具有神经保护作用。Zhang等［47］研究证实，α-LA有效抑制AD相关位点的Tau过度磷酸化，阻断了Tau诱导的铁过量、脂质过氧化和炎症。因此，α-LA可能有助于开发以抑制铁死亡为靶点的AD治疗方法。Greenough等［48］研究发现，家族性阿尔茨海默病引起的早老素突变使细胞对铁死亡敏感，硒的摄取被早老素突变破坏，抑制GPX4的表达。Kryscio等［46］研究证实，硒与控制AD病程的进展并无益处。总之，未来还需更多的临床研究来证明硒在AD患者中有效治疗机制。

小结和展望

因为全球人口正在迅速老龄化，AD作为最常见的痴呆症类型，已成为社会面临的重大挑战。铁死亡作为一种新型细胞程序性死亡方式，涉及机制较为复杂，现已从铁代谢、脂质代谢和氨基酸代谢等途径证实铁死亡在AD发病机制中的作用，为预防和治疗AD提供更严谨的理论依据。铁螯合剂和抗氧化剂已被发现具有缓解铁代谢失调和预防铁死亡的潜力，并在AD的治疗中展现积极作用。但是，铁死亡在AD不同阶段的作用机制还需继续挖掘；针对铁死亡的单一药物或干预是否可以避免、减少或逆转AD，未来还需大量深入探索。因此，研究人员可继续以铁死亡为靶点，为防治AD找到新的策略和方法，为广大患者带来福音。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明郑梅：起草文章，对文章的知识性内容作批评性审阅；陆颖、木大为：对文章的知识性内容作批评性审阅