张瑶霞，周明生

（1.沈阳医学院基础医学院病理学与病理生理学专业2020级硕士研究生，辽宁 沈阳 110034；2.生理学教研室）

铁离子是一种脂质氧化的催化剂，铁超载可增加活性氧（reactive oxygen species，ROS） 生成和积累，并引起脂质过氧化和细胞氧化损伤［1］。铁死亡是一种铁依赖性的、以脂质过氧化物积累为特征的细胞死亡新形式，主要是由于谷胱甘肽系统代谢受损、脂质过氧化和线粒体功能衰竭引起［2］。越来越多的研究表明，铁死亡在糖尿病、肿瘤、神经系统疾病等多种疾病的病理生理过程中起着重要的作用，特别是在糖尿病及糖尿病各种并发症中有重要作用。文献报道铁死亡诱导剂Erastin 可以使移植的胰岛功能受损，用特异性铁死亡抑制剂预处理胰岛β 细胞可明显降低Erastin 引起的胰岛损伤［3-4］。此外，在骨骼肌、肝脏等传统的糖代谢组织，高浓度的离子铁可能催化骨骼肌和肝脏细胞脂质结构过氧化而损害胰岛素调节糖代谢能力，引起胰岛素抵抗，因此铁死亡在糖尿病发病机制中有着重要作用［5］。本文就铁死亡的调节机制以及在糖尿病并发症包括糖尿病肾病（diabeticnephropathy，DN）、非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）、糖尿病心肌病和糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）等中的作用作一简要综述。

1 铁死亡的特征和发病机制

1.1 铁死亡的特征 铁死亡概念最早由Dixon等［6］在研究小分子化合物Erastin抗致癌基因RAS突变的HT-1080 纤维肉瘤细胞的作用机制时发现并命名，以铁稳态失衡和脂质ROS 积累为特征。铁死亡在细胞形态和功能上与坏死、凋亡和自噬明显不同。形态学上，铁死亡主要发生在细胞内，表现为线粒体体积减小，双层膜密度增加，线粒体嵴减少或消失但细胞膜完整，细胞核内的形态变化不明显［7］；生化上，细胞内谷胱甘肽耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）活性降低，脂质过氧化物不能通过GPX4催化还原反应代谢，而铁通过芬顿反应的方式氧化脂质，产生大量的ROS，促进铁死亡［8］。从遗传学角度看，铁死亡其实是一个由多个基因调控的生物学过程［8-10］。

1.2 铁死亡的发病机制

1.2.1 铁稳态失衡 铁稳态为各种生物反应过程所必需，对细胞的生存至关重要。正常情况下，细胞内外的铁通过铁转运系统维持平衡。膳食铁主要以Fe3+与转铁蛋白结合，通过膜上的转铁蛋白受体进入细胞［11］。随后，Fe3+在细胞中还原成Fe2+，游离于胞质中或者与血清铁蛋白结合形成铁池。铁池中的铁蛋白可在核受体辅助激活蛋白4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）的介导下被自噬溶酶体包裹，进而降解、释放出大量Fe2+［12］。改变这些铁代谢相关蛋白的表达或功能可能引起细胞内铁离子浓度失衡，导致铁超载。过量的细胞铁通过芬顿反应和ROS 的产生促进脂质过氧化，进而引发铁死亡。此外，一些与铁代谢相关的基因改变也可能引起铁死亡，例如，敲除神经母细胞瘤细胞中的铁蛋白基因，通过抑制铁代谢促进Erastin诱导的铁死亡［13］。血红素加氧酶-1（HO-1）在铁代谢的调节中起着重要作用，可通过促进血红素分解、释放铁离子，诱发铁死亡［14］。

1.2.2 脂质代谢异常 铁是生物体内酶、激素、维生素等的必要组成部分，不仅在调控细胞生成中具有重要作用，还通过参与氧化-还原反应影响组织的能量代谢和解毒等生理过程。动物实验研究表明铁失衡与血脂异常有密切关系［15］。多不饱和脂肪酸对脂质过氧化反应敏感，是引起铁死亡的重要因素之一。研究表明，一些磷脂分子如含有花生四烯酸或其衍生物肾上腺素的磷脂酰乙醇胺在细胞铁死亡中起着重要作用［16］。磷脂酰乙醇胺在脂氧合酶的催化下发挥氧化作用诱导细胞铁死亡。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）参与磷脂酰乙醇胺的生物合成和重构，激活多不饱和脂肪酸并影响其跨膜特性。减少ACSL4 和LPCAT3的表达可减少脂质过氧化物底物在细胞中的积累，从而抑制铁死亡［17］。King 等［18］研究发现，对低铁组年轻女性进行补充铁剂治疗期间，铁蛋白逐渐升高的同时脂质过氧化的生物标记物也逐渐增加。过量的铁离子使不饱和脂肪酸过氧化，产生过氧化自由基及终产物丙二醛，这些氧自由基攻击细胞膜上脂质的不饱和链，启动脂质过氧化。因此，脂质代谢异常可能影响铁代谢，而铁代谢失常反过来增加细胞ROS 和氧化应激反应，引起脂质氧化和细胞的氧化损伤，最终导致铁死亡。

1.2.3 其他机制 电压依赖性阴离子通道也称为膜孔蛋白，主要分布于线粒体外膜上，真核细胞中铁离子和代谢物可以通过此通道进行转运。铁死亡诱导剂可以结合线粒体外膜上的膜孔蛋白2和膜孔蛋白3，改变线粒体膜通透性，降低该离子通道对铁离子的敏感性，限制线粒体中的物质外流，引起线粒体功能障碍和大量氧化物质的释放，最终导致铁死亡的发生［19］。研究发现甲羟戊酸经典脂代谢途径产生的辅酶泛醌等也可能参与铁死亡的发病机制［10］。铁死亡与硒蛋白的相对含量有关［20］，甲羟戊酸可能通过参与硒蛋白的生物合成影响铁死亡。

2 调控铁死亡的关键信号通路

2.1 核因子红细胞2 相关因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）通 路 Nrf2是一个重要的抗氧化核转录因子，也被认为是铁死亡的一个重要调节因子。Nrf2通过调节谷胱甘肽和硫氧化蛋白抗氧化系统成分的转录，参与外源和内源性有毒物质的解毒、血红素代谢酶的再生等生物反应，从而广泛地参与细胞抗氧化和解毒效应。铁螯合酶是一个直接的Nrf2靶基因，也是在原卟啉中插入亚铁来完成血红素生物合成最后一步的关键酶。Nrf2通过调控铁离子代谢基因影响铁代谢和铁稳态，调控铁死亡。研究发现改变Nrf2信号通路可能参与糖尿病和糖尿病并发症，在糖尿病小鼠的肾细胞Nrf2表达降低，用Nrf2激动剂治疗增加Nrf2表达的同时，可改善糖尿病肾损害并延缓DN的发展，体外敲除Nrf2可增加肾细胞对铁死亡的敏感性［21］。降低Nrf2表达也发现在糖尿病心肌病变的心肌细胞，而Nrf2 激动剂治疗可改善糖尿病心肌损害并抑制糖基化终产物诱导的心肌细胞铁死亡［22］。Ma 等［23］研究表明褪黑素可通过激活Nrf2/HO-1通路降低成骨细胞铁死亡，从而改善2型糖尿病引起的骨质疏松。

2.2 GPX4通路 GPX4是一种谷胱甘肽依赖的含硒酶。细胞内GPX4主要分布在胞质、线粒体、内质网和核内，参与细胞死亡、炎症等多种信号通路的调控。从结构上看，GPX4是一种单体酶，其分子量小于GPXs的其它亚基，这种结构比其他谷胱甘肽过氧化物酶具有更广泛的底物特异性，使得GPX4能够高效地与膜中的脂质过氧化物直接反应防止ROS大量堆积所导致的铁死亡［24］。在胚胎早期阶段敲除GPX4基因会引起胚胎死亡，表明GPX4具有重要的生物学功能。GPX4在抗氧化系统中起着重要的作用，通过药物或遗传的方法灭活GPX4基因可引起细胞铁死亡。GPX4是铁死亡调控过程中的关键因子，通过利用谷胱甘肽作为底物来减少和防止脂质ROS 的积累，可以保护细胞免受氧化应激和脂质过氧化。研究发现抗糖尿病药物二甲双胍可增加血管平滑肌细胞GPX4表达，抑制棕榈酸诱导的铁死亡和血管平滑肌细胞钙化［25］。最近的一项临床研究显示妊娠期糖尿病患者血清脂质过氧化物和GPX4水平降低并与妊娠妇女的代谢异常指标明显关联［26］。

2.3 胱氨酸/谷氨酸盐反转运系统通路 胱氨酸/谷氨酸盐反转运系统（Xc-系统）是一种由溶质载体家族3 成员2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）和溶质载体家族7成员11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）组成的钠依赖性反转运体，它们将细胞外胱氨酸交换并转化成为细胞内谷氨酸。由于在细胞外环境中半胱氨酸的化学性质不稳定，细胞从微环境中摄入在化学结构上稳定的氧化型胱氨酸，然后在细胞内将胱氨酸还原为半胱氨酸以合成谷胱甘肽，谷胱甘肽可以减少ROS 和活性氮的产生，是哺乳动物对抗氧化应激的关键物质。Erastin可通过阻断Xc-系统介导的半胱氨酸依赖的谷胱甘肽合成，损害细胞的抗氧化防御能力，从而促进ROS 的积累，诱导细胞发生铁死亡。Chang 等［27］报道提高SLC7A11的表达能显著抑制铁死亡的发生。

3 铁死亡与糖尿病

胰岛β细胞功能衰竭和外周组织胰岛素抵抗是糖尿病二个最主要的病理表现。1型糖尿病主要是由于胰岛β细胞破坏引起胰岛素绝对分泌不足所引起。研究表明，胰岛β细胞的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶等的表达水平较低，它们容易受到氧化应激攻击，导致ROS 积聚，增加氧化应激，促进β 细胞铁死亡［5］。一项研究表明，用铁死亡诱导剂Erastin处理的人胰岛β 细胞，其葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）能力显著降低。而用铁死亡抑制剂Fer-1或DFO 进行预处理可抑制Erastin 引起的GSIS 损伤［4］。有证据表明，长期接触砷可增加2型糖尿病的发病，其机制也可能与增加胰岛β细胞铁死亡有关。一项使用小鼠胰岛β细胞系MIN6细胞的实验表明，砷可以提高β 细胞中的ROS 浓度，增加细胞内铁浓度和脂质过氧化物积累，导致胰岛β细胞铁死亡［28］。流行病学研究揭示了体内铁储存过量与2 型糖尿病之间有潜在关联［29］。目前的假设是，人体铁储存量越高，患2型糖尿病的风险就越高。例如，铁超载引起的遗传性血色素沉着症小鼠可增加骨骼肌的铁沉积和脂肪酸氧化并降低葡萄糖氧化能力，增加胰岛素抵抗。所以血色素沉着症增加糖尿病风险可能与其异常的铁代谢有关。

4 铁死亡与糖尿病并发症

4.1 铁死亡与DN DN 是糖尿病常见的微血管并发症之一，糖尿病可引起脂质谢紊乱、胰岛素抵抗和脂肪细胞分泌脂肪因子异常等。这些细胞代谢功能的改变可能增加肾细胞ROS 的积累和铁超载，从而促进DN发生。DN有GPX4的表达水平下降以及脂质过氧化产物和肾组织铁含量升高［30］。Wang 等［1］通过链脲佐菌素和db/db 小鼠建立DN模型，发现DN 小鼠模型的铁死亡相关标记物如ACSL4表达水平升高，GPX4表达水平降低，而ACSL4抑制剂则可提高小鼠的存活率和肾功能，降低脂质过氧化产物MDA和铁含量。因此以铁依赖性脂质过氧化为特征的铁死亡可能在DN 发生、发展中起着重要作用，抑制铁死亡有望成为治疗DN的一个潜在靶点。

4.2 铁死亡与NAFLD NAFLD 与肥胖、糖尿病有密切关系，为2型糖尿病常见的并发症。研究发现在高脂饮食喂养的NAFLD小鼠一些铁死亡的生化标记物如铁超载、转铁蛋白受体-1（TFR1）明显增加，并伴有铁蛋白重链-1（FTH1）下调，脂质过氧化和Nrf2 活性抑制，从而降低GPX4和HO-1水平，用银杏内酯B治疗可抑制高脂饮食诱导的小鼠NAFLD 模型中的铁死亡［31］。铁依赖性脂质过氧化物的积累是NAFLD 的重要原因之一，研究表明脱氢枞酸可通过激活Keap1/Nrf2-ARE 信号通路降低脂质过氧化来减轻铁死亡，从而改善NAFLD［32］。

4.3 铁死亡与糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是糖尿病和心力衰竭患者发病率和死亡率增加的主要原因。有研究表明在糖尿病的情况下，缺血-再灌注损伤的心肌具有较高的铁死亡和铁蛋白吸收［33］。有证据表明，铁死亡是心肌细胞死亡的一种重要形式，Ni等［34］的研究表明抑制长链非编码RNA-ZFAS1 可以减轻铁死亡从而对抗糖尿病心肌病。

4.4 铁死亡与DR DR 是糖尿病的一种慢性并发症。视网膜是一个氧耗量和代谢率很高的组织，高血糖时，线粒体中超氧阴离子生成过多，导致组织细胞中发生氧化应激，而氧化应激可引起多元醇通路的激活、糖基化终末产物的形成、蛋白激酶C 途径及氨基己糖途径的激活，引起细胞代谢功能紊乱。Fe2+在氧化过程中产生自由基所造成的氧化损伤被认为是DR的一个主要发病机制。糖尿病患者眼内铁水平的升高会导致光感受器氧化损伤，锥状体的损伤大于杆状体［35］。在高糖状态下，还原性谷胱甘肽等抗氧化剂会被大量消耗，与其他器官相比，视网膜更容易受到氧自由基损伤。Nrf2 分子是体内重要的抗氧化应激物质，研究发现激活Nrf2通路可以保护糖尿病患者的视网膜组织［2，36-37］。因此，通过增加抗氧化系统的功能来抑制铁死亡治疗可能成为治疗DR的一个新方向。

4.5 铁死亡与胰岛素抵抗 胰岛素抵抗是指胰岛素在周围组织摄取和清除葡萄糖的能力低下，是肥胖和糖尿病引起代谢功能紊乱的一个核心机制。脂肪、肝和骨骼肌是糖代谢调控的重要器官，铁离子是一种脂质氧化的催化剂，可以增加脂质氧化，特别是游离脂肪酸的氧化，游离脂肪酸的氧化增加会减少肌肉组织对葡萄糖的利用，增加肝脏的葡萄糖异生，导致胰岛素抵抗的发生［38］。Gotardo 等［39］研究表明用铁螯合剂—去铁胺治疗自发性肥胖小鼠2周，可改善代谢状况，减少肥胖。

5 小结与展望

铁死亡作为一种新的细胞程序性死亡方式，其细胞死亡既不是通过常规的细胞凋亡、坏死，也不是通过自噬，而是通过细胞内铁代谢异常，导致铁依赖性细胞脂质结构过氧化引起的细胞死亡。越来越多的证据表明，铁死亡与糖尿病各种并发症有密切关系［40］。目前铁死亡与糖尿病及其并发症的研究尚处于早期阶段，大部分研究主要集中揭示在各种糖尿病并发症中存在铁死亡现象，对糖尿病及其并发症发生铁死亡的机制研究还不够深入，有许多问题目前还没有答案，比如，糖尿病是如何引起细胞铁死亡？铁死亡又是如何反过来进一步影响糖尿病及其并发症的发生、发展等的机制还没有得到完全阐明。铁死亡与许多信号通路改变有关［41］，在不同组织和不同糖尿病并发症中引起铁死亡的机制可能不尽相同。因此，深入研究铁死亡及其在糖尿病并发症中的发生机制、阐明其相关信号通路有可能为糖尿病及其并发症的治疗提供新的分子靶点。