鐵死亡的通路機(jī)制及鐵死亡抑制劑/誘導(dǎo)劑治療肝臟疾病的原理

肝臟疾病是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致人類(lèi)死亡的主要原因之一，并且呈逐年上升趨勢(shì)。幾種形式的程序性細(xì)胞死亡，包括凋亡，壞死和鐵死亡，都與各種肝病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，因此，阻斷肝細(xì)胞死亡可以為保護(hù)肝臟免受損傷和相關(guān)疾病提供一種有效的策略。
 

鐵死亡是一種鐵依賴(lài)性的細(xì)胞死亡形式，小優(yōu)之前也整理過(guò)幾篇鐵死亡相關(guān)文章，從研究歷程到正式命名，再到通路研究，不清楚的同學(xué)可以戳鏈接再了解。越來(lái)越多的研究表明，鐵死亡在血色素沉著病、酒精相關(guān)性肝病(ALD)、丙型肝炎病毒(HCV)感染、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和肝細(xì)胞癌(HCC)等多種肝病的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。因此，靶向鐵死亡可能為治療肝病患者提供一種有前途的新治療策略。

 

一、肝臟主要代謝途徑

圖1：肝臟中葡萄糖、脂類(lèi)和氨基酸代謝通路

肝臟作為人體糖、脂類(lèi)和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝中心，其代謝功能異常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激、肝臟代謝性疾病甚至死亡。在這一過(guò)程中，許多代謝通路和代謝產(chǎn)物都與鐵死亡發(fā)生密切相關(guān)，例如NADPH的生成和脂肪酸代謝等。在誘發(fā)鐵死亡后，NADPH水平會(huì)顯著降低，代謝NADPH途徑通過(guò)介導(dǎo)GSH和CoQ10的合成來(lái)抑制鐵死亡。因此，NADPH可以被用作鐵死亡的生物標(biāo)志物。有些氨基酸通過(guò)調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激也與鐵死亡直接相關(guān)。例如，半胱氨酸是谷胱甘肽合成的限制性氨基酸，通過(guò)胱氨酸/谷氨酸反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC7A11抑制其輸入，就可通過(guò)消耗谷胱甘肽水平從而誘發(fā)鐵死亡。

 

二、肝臟中的鐵代謝

圖2：肝臟中的鐵代謝

鐵通過(guò)TFR1和SLC39A14運(yùn)輸?shù)礁渭?xì)胞內(nèi)參與各項(xiàng)生理過(guò)程和代謝過(guò)程，多余的鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白(ferritin)中，最后由鐵泵蛋白(ferroportin,FPN)外排。鐵調(diào)素(hepcidin)、RNF217和IRP等眾多調(diào)控因子構(gòu)成了胞內(nèi)精密且復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。核受體共激活劑(NCOA4)可以作為一種與鐵蛋白結(jié)合的受體，將其輸送到自溶酶體可釋放游離鐵。過(guò)量的游離鐵就會(huì)介導(dǎo)芬頓反應(yīng)，引起多不飽和脂肪酸的脂質(zhì)過(guò)氧化和最終的鐵死亡。
 

“脂質(zhì)過(guò)氧化”是一個(gè)模糊的概念，因?yàn)槠洚a(chǎn)物可以通過(guò)自氧化（由碳和氧中心自由基介導(dǎo)）或酶催化過(guò)程自發(fā)形成。含有雙烯丙基碳的多不飽和脂肪酸 (PUFAs) 對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化非常敏感，且多種PUFAs可能參與鐵死亡途徑。而細(xì)胞是否發(fā)生鐵死亡很大程度上取決于來(lái)自亞細(xì)胞器（如線粒體、溶酶體和過(guò)氧化物酶體）的交織信號(hào)，它們?cè)阼F死亡過(guò)程中會(huì)調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生和脂質(zhì)氧化，例如線粒體可以通過(guò)對(duì)ROS產(chǎn)生、TCA循環(huán)、鐵代謝和線粒體DNA的整合調(diào)節(jié)，是鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子。

 

三、肝臟中鐵死亡的調(diào)控

圖3：鐵死亡過(guò)程中的調(diào)控信號(hào)通路和防御機(jī)制

除鐵代謝通路參與了鐵死亡調(diào)控以外，還有多條代謝通路和抗氧化系統(tǒng)參與鐵死亡發(fā)生，這些通路包括GSH/GPX4軸、NAD(P)H/FSP1/CoQ10系統(tǒng)和GCH1/BH4/DHFR系統(tǒng)。在線粒體中，mGPX4和DHODH會(huì)參與ROS清除，一些轉(zhuǎn)錄因子如ATF4、NRF2、p53和YAP1/TAZ在調(diào)控鐵死亡過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。

 

GSH/GPX4 axis 抑制鐵死亡

在催化活性鐵存在的情況下，GSH/GPX4在抑制特定磷脂氫過(guò)氧化物的生成中起著重要作用。該系統(tǒng)的上游部分是XC-系統(tǒng)，它是一個(gè)由SLC7A11通過(guò)二硫鍵連接到調(diào)控亞基SLC3A2形成的谷氨酸反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏半胱氨酸，抑制XC-系統(tǒng)會(huì)激活細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。細(xì)胞中GPX4表達(dá)下調(diào)則會(huì)對(duì)鐵死亡更敏感，敲除GPX4即可誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生；相反，若上調(diào)GPX4的表達(dá)，則會(huì)產(chǎn)生對(duì)鐵死亡的耐受。

 

NAD(P)H/FSP1/CoQ10系統(tǒng)抑制鐵死亡

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SP1通過(guò)促進(jìn)ESCRT-III以不依賴(lài)CoQ10的方式介導(dǎo)膜修復(fù)，從而防止鐵死亡，因此，F(xiàn)SP1-CoQ10和ESCRT-III在鐵死亡過(guò)程中都在修復(fù)膜損傷中發(fā)揮作用。鑒于CoQ10是線粒體電子傳遞途徑中必不可少的輔助因子，同時(shí)也是脂溶性抗氧化劑，那我們可以推測(cè)FSP1-CoQ10和ESCRT-III具有互補(bǔ)功能。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明FSP1可以通過(guò)調(diào)控途徑之間復(fù)雜的相互作用阻止鐵死亡。

 

線粒體和 DHODH 抑制鐵死亡

線粒體對(duì)于維持細(xì)胞活力至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏�物能量學(xué)、新陳代謝和各種信號(hào)通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用。線粒體呼吸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生ROS，ROS通過(guò)與脂質(zhì)雙分子層中的PUFAs反應(yīng)觸發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。DHODH和線粒體GPX4構(gòu)成了另外兩種防御酶，可以解毒線粒體中的脂質(zhì)過(guò)氧化物。作為一種含鐵的黃素依賴(lài)酶，DHODH可以將嘧啶生物合成途徑與線粒體呼吸鏈結(jié)合，這為靶向DHODH治療GPX4low癌癥提供了可能的策略。

 

氧化應(yīng)激相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)鐵死亡

鐵死亡是一個(gè)高度復(fù)雜且可修改的過(guò)程，需要轉(zhuǎn)錄因子來(lái)抑制或激活鐵死亡相關(guān)基因的表達(dá)。TP53、NRF2、ATF4、YAP1、TAZ 等多種轉(zhuǎn)錄因子在鐵死亡中的作用總結(jié)于圖3。在這些轉(zhuǎn)錄因子中，NRF2是鐵死亡的關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子，其活性由KEAP1/CUL3/RBX1/E3泛素連接酶復(fù)合物介導(dǎo)。在被激活之后，NRF2可調(diào)節(jié) FTH1、FTL1、SLC40A1、ABCB6 和 HMOX1 等鐵相關(guān)基因，進(jìn)而促進(jìn) GSH 的合成，限制 ROS 的產(chǎn)生，并再生 NADPH。

 

四、鐵死亡與多種肝臟疾病

 

鐵死亡引發(fā)急性肝損傷（ALI）

ALI的特點(diǎn)是患者的肝細(xì)胞功能迅速下降。在大多數(shù)情況下，ALI是由藥物、酒精、缺血/再灌注損傷（IRI）或病毒性肝炎引起的肝毒性所導(dǎo)致的。多種可導(dǎo)致肝毒性的藥物中，APAP是研究最多的，在APAP誘導(dǎo)的ALI動(dòng)物模型中，鐵下垂抑制劑UAMC-3203和VDAC1寡聚化抑制劑VBIT-12均顯示出通過(guò)保護(hù)線粒體功能來(lái)減少鐵死亡。另外，鐵死亡抑制劑Lip-1可顯著降低肝臟IRI和腎臟 IRI，這表明鐵死亡在IRI中起重要的致病作用。一項(xiàng)涉及人類(lèi)受試者的研究發(fā)現(xiàn)，肝臟供體中升高的血清鐵蛋白水平與移植受者的肝損傷風(fēng)險(xiǎn)顯著升高有關(guān)，并且，使用Fer-1、α-生育酚和DFO等化合物可阻斷鐵死亡，預(yù)防肝IRI。綜上所述，這些研究表明鐵死亡可以作為一個(gè)治療靶點(diǎn)。

 

鐵死亡增加慢性肝損傷和纖維化

肝纖維化是肝硬化的早期可逆階段，是各種病因引起慢性肝損傷后的疤痕修復(fù)反應(yīng)。其發(fā)生的中心環(huán)節(jié)是肝星狀細(xì)胞(HSC)激活后導(dǎo)致的細(xì)胞外基質(zhì)大量積累。靶向活化的HSC死亡是治療肝纖維化的重要目標(biāo)之一。使用異甘草酸鎂、青蒿琥酯或蒿甲醚作為治療藥物，可以誘導(dǎo)HSC發(fā)生鐵死亡。因?yàn)楫惛什菟徭V可上調(diào)細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)控因子血紅素加氧酶1（HO-1）表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)轉(zhuǎn)鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、鐵蛋白重鏈過(guò)表達(dá)，鐵外排泵—膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白低表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵沉積，脂質(zhì)過(guò)氧化物集聚，誘發(fā)HSC鐵死亡，抑制肝纖維化形成。此外，HSC中的某些鐵死亡調(diào)節(jié)因子，包括p53、ELAV樣蛋白1(ELAVL1)和鋅指蛋白36 (ZFP36)是預(yù)防肝纖維化的有希望的靶點(diǎn)。

 

鐵死亡和脂肪性肝炎

脂肪變性和脂肪性肝炎是肝病的兩種病理表現(xiàn)。通過(guò)小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，在NASH的早期階段，鐵死亡與脂肪性肝炎的炎癥發(fā)作有關(guān)，抑制鐵死亡可顯著降低NASH的嚴(yán)重程度。此外，12/15-脂氧合酶在功能上與過(guò)氧化氫-磷脂酰乙醇胺相關(guān)的鐵死亡有關(guān)�；ㄉ�四烯酸12-脂氧合酶 (ALOX-12) 通過(guò)與乙酰輔酶A羧化酶1(ACC1)的相互作用可促進(jìn)NASH的進(jìn)展。但鐵死亡是否在ALOX-12介導(dǎo)的NASH中起作用仍是一個(gè)未解之謎。

靶向鐵死亡治療肝細(xì)胞癌HCC

HCC是造成全球嚴(yán)重疾病負(fù)擔(dān)的惡性腫瘤之一。索拉非尼，是首個(gè)獲批用于晚期HCC患者的全身療法的一種多激酶抑制劑。相較于索拉非尼激酶抑制活性的促凋亡效應(yīng)，其通過(guò)抑制system XC-誘發(fā)肝癌細(xì)胞鐵死亡效應(yīng)更加顯著。有研究報(bào)道，索拉非尼或許是通過(guò)調(diào)節(jié)肝細(xì)胞核因子4α(HNF4A)和腫瘤高甲基化基因1(HIC1)轉(zhuǎn)錄調(diào)控進(jìn)而促進(jìn)肝癌細(xì)胞鐵死亡。鐵死亡上調(diào)因子由HIC1調(diào)控，而鐵死亡下調(diào)因子由HNF4A調(diào)控。與正常肝組織相比，肝癌中HNF4A上調(diào)，而HIC1下調(diào)，證實(shí)鐵死亡在肝癌中確實(shí)是受到抑制。越來(lái)越多研究支持激活鐵死亡可能有效地抑制HCC細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而為靶向鐵死亡作為一種新的HCC治療策略提供了科學(xué)依據(jù)。

 

五、鐵死亡誘導(dǎo)劑及抑制劑

誘導(dǎo)劑
 
圖4：鐵死亡的遺傳和藥理學(xué)誘導(dǎo)劑

鐵死亡誘導(dǎo)化合物（FINs）被廣泛認(rèn)為是開(kāi)發(fā)新型癌癥藥物的有前景的方法。根據(jù)其作用方式，F(xiàn)IN可分為四類(lèi)。I 類(lèi) FINs 通過(guò)抑制system xc-消耗細(xì)胞內(nèi)GSH來(lái)激活鐵死亡；II類(lèi)FINs通過(guò)與GPX4共價(jià)結(jié)合導(dǎo)致有毒脂質(zhì)過(guò)氧化物的積累并誘導(dǎo)鐵死亡；III類(lèi)FINs通過(guò)角鯊烯合成酶-甲羥戊酸途徑間接抑制和滅活GPX4，該途徑參與線粒體電子傳遞鏈，并且還具有內(nèi)源性親脂性抗氧化劑的功能；IV類(lèi)FINs 通過(guò)引起鐵過(guò)載或激活HO-1誘導(dǎo)鐵死亡。
 

抑制劑

圖5：鐵死亡的遺傳和藥理學(xué)抑制劑

目前主要使用三種方法抑制鐵死亡：鐵螯合、防止脂質(zhì)過(guò)氧化和清除脂質(zhì)過(guò)氧化物。在這三種方法中，鐵螯合劑和親脂性抗氧化劑是被廣泛接受的鐵死亡抑制劑。鐵螯合劑如去鐵胺(DFO)、去鐵酮和環(huán)吡酮螯合鐵，并通過(guò)限制芬頓反應(yīng)來(lái)防止脂質(zhì)過(guò)氧化的傳播。迄今為止，只有少數(shù)鐵螯合劑獲得FDA批準(zhǔn)或進(jìn)行臨床試驗(yàn)治療鐵過(guò)載相關(guān)疾病。親脂性抗氧化劑，包括α-生育酚、fer-1和Lip-1，作為自由基清除劑，可減少脂質(zhì)過(guò)氧化物，并可有效阻斷鐵死亡。但是，不足的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特征可能會(huì)阻礙fer-1和Lip-1在臨床環(huán)境中的使用，例如，fer-1的生物半衰期只有幾分鐘，這對(duì)于臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常是不可接受的。對(duì)于慢性疾病患者長(zhǎng)期使用鐵死亡抑制劑，以前未定義的副作用也可能出現(xiàn)。

 

六、總結(jié)

圖6：鐵死亡治療肝病的策略

鐵代謝失調(diào)與多種肝病的發(fā)展有關(guān)，包括病毒感染性肝病、鐵過(guò)載病以及從NAFLD到HCC的進(jìn)展。這些肝臟疾病可以使用鐵死亡抑制劑或鐵死亡誘導(dǎo)劑進(jìn)行治療。感染性肝病可以分別使用宿主細(xì)胞和病毒的鐵死亡抑制劑和鐵死亡誘導(dǎo)劑來(lái)治療。