杜開顏，祁晨旭，曹靜鈺，陳蒙，高靜，劉承梅*

1.河南中醫(yī)藥大學(xué)護理學(xué)院，鄭州 450000；

2.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院康復(fù)中心，鄭州 450000

細胞死亡（cell death）貫穿于生物體生長發(fā)育的各個階段，與疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，目前國際上公認的細胞死亡方式包括程序性死亡和非程序性死亡［1-2］。2012年，Dixony等［3］正式提出了鐵死亡（ferroptosis）的概念，并指出鐵死亡是一種鐵依賴性的程序性死亡。鐵死亡最主要的特點包括細胞形態(tài)和細胞成分的改變。其中，形態(tài)變化表現(xiàn)為線粒體變皺縮小、膜密度提高、線粒體嵴弱化或者消亡，而分子改變特點是細胞內(nèi)部的鐵過載和脂質(zhì)活性氧的集中，最終因細胞內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)導(dǎo)致細膜破裂，細胞崩解死亡［4-5］。脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種嚴重的中樞神經(jīng)性損傷疾病，導(dǎo)致嚴重的感覺以及運動功能受損［6］。李文祥等［7］在國內(nèi)第一次進行區(qū)域性脊髓損傷的流行病學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)病年齡從（45.1±14.2）歲上升至（51.6±15.2）歲。據(jù)美國的脊髓損傷流行病學(xué)信息可知，美國此類病人大概在282 000例，年發(fā)病率約為5.4/10萬人，每年增加17 000例［8］。目前，我國脊髓損傷發(fā)病率亦呈日益增長趨勢［9］。SCI的病理機制包括原發(fā)性損傷與繼發(fā)性損傷2類，原發(fā)性損傷主要是急性外力直接作用于脊髓或脊柱錯位使脊髓被壓或橫斷，損傷可造成局部神經(jīng)細胞死亡、血管損傷及血腦屏障被破壞；繼發(fā)性損傷主要包括炎癥反應(yīng)、細胞死亡、氧化應(yīng)激等，其中細胞死亡主要由細胞膜損傷時通透性增加、細胞破裂、缺血性損傷等造成［10-13］。因此，調(diào)控神經(jīng)細胞的死亡成為治療SCI的一條重要途徑。同時，該疾病的治療逐漸成為神經(jīng)學(xué)科領(lǐng)域的重點和難點［14］。本文查閱了近年國內(nèi)外有關(guān)鐵死亡在SCI方面的相關(guān)研究文獻，總結(jié)了鐵死亡參與SCI細胞死亡的主要機制途徑，以期為治療脊髓損傷帶來新的思路。

1 鐵死亡的分子調(diào)控機制

1.1 鐵離子代謝

鐵是生物體必需的營養(yǎng)元素之一，體內(nèi)許多過程都離不開鐵的調(diào)節(jié)，如：細胞分裂增殖、氧氣運輸和DNA復(fù)制合成等。各種能夠與鐵特異性結(jié)合的分子蛋白會影響細胞內(nèi)外游離鐵的含量。首先，鐵調(diào)節(jié)蛋白1（iron regulatory protein，IRP-1）和鐵調(diào)節(jié)蛋白2（IRP-2）作為細胞內(nèi)鐵的傳感器，可以根據(jù)細胞內(nèi)鐵含量的大小，在起始端就開始調(diào)控鐵的代謝，細胞膜轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor，TFR1）作為IRP-1和IRP-2的靶標，可以與細胞外轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，將結(jié)合的Fe3+轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)；接下來，細胞內(nèi)的Fe3+在鐵還原酶STEAP3的作用下被還原為Fe2+，F(xiàn)e2+在二價金屬轉(zhuǎn)運體1（divalent metal transporter 1，DMT1）的作用下進入細胞質(zhì)中，而剩余的鐵則被存儲在鐵蛋白中；最后，細胞內(nèi)的Fe2+在鐵轉(zhuǎn)運蛋白（也稱SLC11A3）的作用下可以再氧化為Fe3+并運輸至細胞外，使細胞內(nèi)鐵濃度維持在正常水平，保持細胞內(nèi)鐵代謝處于平衡之中，否則鐵過量就會產(chǎn)生細胞毒性［15-17］。另外，鐵具有不穩(wěn)定性，極容易被還原為Fe2+或被氧化成Fe3+，故在底物之間的電子轉(zhuǎn)移方面鐵經(jīng)常參與其中［18］。當鐵死亡發(fā)生時，細胞內(nèi)積累的大量游離鐵易與H2O2發(fā)生芬頓反應(yīng)（fenton reaction），芬頓反應(yīng)式為Fe2++H2O2=Fe3++OH－+·HO，其產(chǎn)生的羥基自由基既可以直接對DNA、蛋白質(zhì)及膜脂質(zhì)造成氧化損傷，亦可促使脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的發(fā)生，造成ROS累積，細胞膜發(fā)生損傷裂解導(dǎo)致細胞死亡［2］。Zhuo等［19］在原花青素通過抑制鐵死亡促進脊髓損傷恢復(fù)的研究中，發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后鐵含量和脂質(zhì)過氧化顯著增加，用原花青素（procyanidine，PACs）處理后可部分降低鐵含量同時降低脂質(zhì)過氧化水平，表明鐵誘導(dǎo)的芬頓反應(yīng)可能與SCI后鐵含量和脂質(zhì)過氧化共同變化有關(guān)，從而通過減少鐵含量來促進脊髓損傷功能為恢復(fù)。Totsuka等［20］發(fā)現(xiàn)活性氧ROS（reactive oxygen species）會反饋性對調(diào)節(jié)鐵代謝的相關(guān)基因產(chǎn)生影響，調(diào)控細胞內(nèi)Fe2+濃度。有研究證明，在鐵死亡期間，細胞內(nèi)的鐵離子水平會顯著增加，鐵超載被認為是鐵死亡的重要指標之一［21］。綜上所述，鐵代謝與鐵死亡之間有密切的聯(lián)系，鐵離子在鐵死亡中扮演著至關(guān)重要的角色。

1.2 脂質(zhì)過氧化聯(lián)合氨基酸代謝機制

脂質(zhì)代謝和鐵代謝是影響鐵死亡的主要代謝通路。在脂質(zhì)過氧化的起始階段，脂質(zhì)雙分子層的磷脂（polyunsaturated fatty acids-phospholipids，PUFA-PLs）多不飽和脂肪?；斜怀ヒ粋€雙烯丙基氫原子，生成磷脂過氧化自由基（PLOO·），PLOO·從多不飽和脂肪酸（PUFA）中獲取氫，形成磷脂氫過氧化物（phospholipid hydroper-oxide，PLOOH）。另外，在谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase4，GPX4）作用下亦可轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的PLOH、PLOOH和脂類自由基，若未發(fā)生轉(zhuǎn)化，磷脂過氧化自由基和烷氧基磷脂自由基（PLO·）將進一步與PUFA-PLs反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧化物的分解產(chǎn)物，因此，PUFA-PL含量高的細胞膜特別容易受過氧化反應(yīng)的影響［22-23］。接著，多不飽和脂肪酸在脂酰輔酶A合成酶長鏈家族成員4（long-chain acyl-coa synthetase 4，ACSL4）作用下發(fā)生活化，隨之在溶血卵磷脂?；D(zhuǎn)移酶3（lysophospatidylcholine acyltransferase，LPCAT3）影響下，活化之后的脂肪酸全部轉(zhuǎn)移到胞膜內(nèi)，發(fā)生酯化，參與帶負電位的膜磷脂氧化階段；該階段會出現(xiàn)較多的脂質(zhì)過氧化物與脂質(zhì)ROS，從而加重氧化應(yīng)激反應(yīng)，引起內(nèi)皮功能障礙并激活炎癥反應(yīng)，這種連鎖反應(yīng)可能會導(dǎo)致細胞膜完整性受損，最終使細胞膜破裂，而這種連鎖反應(yīng)是誘發(fā)鐵死亡的關(guān)鍵［24］。

另外，谷胱甘肽（glutathione，GSH）和活性氧ROS也是重要的誘發(fā)因素，GSH是谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase4，GPX4）的還原劑，如果細胞內(nèi)GSH耗盡將會導(dǎo)致GPX4失活，GPX4屬于谷胱甘肽過氧化物酶家族，是唯一能夠清除細胞膜上磷脂氧化自由基的酶，GPX4活性降低或表達下降導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，從而誘發(fā)鐵死亡［25-26］。因此，GPX4可以說是鐵死亡的主要調(diào)控者。谷氨酸為GSH合成的所需原料，細胞對谷氨酸攝取的最重要方式是谷氨酸胱氨酸轉(zhuǎn)運體SystemXc-［27］。ROS產(chǎn)生的氧化損傷最初是在谷氨酸引導(dǎo)的細胞死亡途徑中被發(fā)現(xiàn)，其中誘導(dǎo)產(chǎn)生的細胞毒性由谷氨酸受體激活發(fā)生鈣離子內(nèi)流或競爭性遏制SystemXc-形成［28］。因此，GSH的降低就是ROS形成氧化損傷的因素之一。有研究表示，鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin的靶點是谷氨酸-半胱氨酸反轉(zhuǎn)運系統(tǒng)Xc-［29］。Xc-T將胱氨酸從細胞外轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，同時將谷氨酸轉(zhuǎn)運到細胞外，鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin是重要的System Xc-抑制劑［30］?；钚匝鯇儆诨钚暂^高的氧化自由基，主要包含超氧陰離子（O2-）等，一般情況下ROS被當作信號分子、調(diào)節(jié)分子和轉(zhuǎn)錄調(diào)控分子發(fā)揮自身功能，其中在活性氧等自由基濃度高于臨界標準時，身體內(nèi)部平衡遭受損壞，自由基較高，導(dǎo)致細胞、細胞器和脂類、蛋白質(zhì)和DNA等成分受損，如果不能及時修復(fù)，可能會造成細胞死亡［2，31］。在谷胱甘肽依靠的脂質(zhì)過氧化物修復(fù)系統(tǒng)受到傷害時，致死的脂質(zhì)活性氧積累隨之出現(xiàn)，進而造成鐵死亡［13］。氧化應(yīng)激通常是指活性氧生成和抗氧化防御系統(tǒng)不平衡，即鐵死亡與氧化應(yīng)激兩部分都存在GSH降低，從而造成有關(guān)抗氧化系統(tǒng)受到傷害，最終線粒體內(nèi)ROS超載，形成細胞毒性影響。如張焱等［32］探討去鐵胺（deferoxamine，DFO）對脊髓損傷的修復(fù)作用發(fā)現(xiàn)，與假手術(shù)組相比，損傷后脊髓中Xc-T含量、GPX4表達量和GSH表達顯著下降，而在使用DFO治療后其表達量均顯著升高，說明DFO通過抑制鐵死亡氧化應(yīng)激信號通路修復(fù)脊髓損傷。Ming等［33］研究發(fā)現(xiàn)鋅可以逆轉(zhuǎn)脊髓損傷后的行為和結(jié)構(gòu)改變。鋅可增加NRF2/HO-1的表達，從而增加了谷胱甘肽過氧化物酶4、過氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和谷胱甘肽的含量，降低了脂質(zhì)過氧化物、丙二醛（malondialdehyde，MDA）和活性氧的水平。另外，鋅還可以拯救受損的線粒體，有效地降低脊髓損傷和炎癥因子水平，使用NRF2抑制劑布魯薩托爾可逆轉(zhuǎn)鋅的作用。綜上可知，鋅對脊髓損傷具有修復(fù)效果，屬于全新的治療方式。

2 鐵死亡與脊髓損傷機制

2.1 脊髓損傷后的損傷機制

脊髓損傷后主要劃分為原發(fā)性與繼發(fā)性兩類，前者為脊髓承受的無法逆轉(zhuǎn)的外力傷害；后者為繼發(fā)于脊髓原發(fā)性創(chuàng)傷之后的諸多生化變化，包含血腦屏障功能問題、出血、部分位置的缺血、炎癥反應(yīng)、Ca2+溢出、電解質(zhì)失衡、細胞凋亡、氧化應(yīng)激等［34-35］，繼發(fā)性損傷會造成脊髓損傷周圍完好組織發(fā)生自身破壞，進一步加深SCI程度，可見脊髓損傷修復(fù)的關(guān)鍵在于如何有效抑制繼發(fā)性損傷對細胞造成的破壞［36］。此外，脊髓損傷后亦出現(xiàn)營養(yǎng)因子分泌降低、軸突細胞受損和膠質(zhì)瘢痕形成等現(xiàn)象，營養(yǎng)因子特別是腦源性營養(yǎng)因子具有修復(fù)損傷神經(jīng)細胞的功能，軸突細胞再生體現(xiàn)出調(diào)整神經(jīng)突觸發(fā)育、分化及興奮性傳遞的作用，從而改善神經(jīng)細胞損傷；SCI發(fā)生后星形膠質(zhì)細胞隨之被激活，可見抑制膠質(zhì)瘢痕形成也可修復(fù)細胞損傷，從而在修復(fù)脊髓損傷方面發(fā)揮重要作用［37-38］。非程序性細胞死亡是物理與化學(xué)要素深刻影響的結(jié)果，且無法進行調(diào)控；但脊髓損傷中廣泛存在細胞凋亡，因此，調(diào)控細胞的程序性死亡是后期修復(fù)脊髓功能的重點［39］。

2.2 脊髓損傷后鐵死亡與鐵離子代謝

脊髓損傷后局部出血增加，紅細胞受損產(chǎn)生較多的游離鐵［40］。鐵代謝主要有3類蛋白，首先是鐵轉(zhuǎn)運蛋白，包括轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，Tf）、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（transferrin receptor，TfR）、鐵蛋白（ferritin，F(xiàn)t）以及二價金屬鐵轉(zhuǎn)運體；其次是鐵代謝蛋白，通常是銅藍蛋白（Cp），Cp把Fe2+氧化成Fe3+，在不同組織之間Fe3+和Tf融合，之后和細胞膜上TfR融合轉(zhuǎn)入細胞內(nèi)展現(xiàn)出自身的作用；最后是鐵調(diào)節(jié)蛋白，通常是鐵調(diào)節(jié)蛋白（IRP）與鐵調(diào)素［41-42］。在酸性環(huán)境下，F(xiàn)e3+和轉(zhuǎn)鐵蛋白（Tf）全部分開，游離的Fe3+被鐵還原酶前列腺六次跨膜蛋白3（STEAP3）變成Fe2+，然后被二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1（DMT1）與ZIP8/14轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中進而發(fā)揮作用［43］。轉(zhuǎn)鐵蛋白與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體內(nèi)部含量的提高造成細胞內(nèi)鐵增多，過多的鐵和脂質(zhì)氫過氧化物利用芬頓反應(yīng)形成脂質(zhì)自由基，導(dǎo)致鐵死亡［44］。李文祥等［7］研究表明，Liproxstatin-1干預(yù)脊髓損傷后Tf、TfR的表達量顯著下降，說明Liproxstatin-1通過降低鐵的攝入量，能夠不斷弱化芬頓效果，減少ROS的積累，遏制脊髓損傷導(dǎo)致的鐵死亡。史健濤等［45］研究發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后的大鼠鐵離子顯著增高，表明脊髓損傷存在鐵超載現(xiàn)象，另外在脊髓損傷后TfR和DMT1蛋白表達增加，但用去鐵胺干預(yù)后，TfR和DMT1蛋白表達明顯下降，同時鐵超載減輕，鐵死亡現(xiàn)象得到抑制。Ge等［46］研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制劑-1（ferrostatin-1）能顯著降低脊髓損傷后脊髓內(nèi)的鐵含量；另外，通過普魯士藍染色進一步驗證了ferrostatin-1能顯著減少脊髓損傷中的鐵聚集。該實驗從機理上講，ferrostatin-1在一定程度上可消除鐵累積導(dǎo)致的鐵沉積相關(guān)基因和蛋白質(zhì)上調(diào)和線粒體縮小現(xiàn)象，有利于脊髓損傷后功能的恢復(fù)。

2.3 脊髓損傷后鐵死亡與脂質(zhì)氧化應(yīng)激機制

脊髓損傷后，周圍組織細胞發(fā)生血管破裂導(dǎo)致出血水腫，誘導(dǎo)白細胞介素等促炎因子釋放，產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致ROS超載，從而引起鐵死亡發(fā)生［47-49］。如Zhang等［50］通過上調(diào)脊髓損傷后大鼠的抗鐵死亡因子GPX4、GSH和xCT以及下調(diào)脂質(zhì)過氧化標志物4HNE，并用鐵死亡抑制劑SRS 16-86治療，發(fā)現(xiàn)治療后炎性細胞因子IL-1β、TNF-α和ICAM-1明顯降低，并且可減輕脊髓損傷后星形膠質(zhì)細胞增多癥，提高神經(jīng)元存活率，為脊髓損傷的治療提供了新靶點。Oliveira等［51］發(fā)現(xiàn)，通過對脊髓損傷4 h后的老鼠鞘內(nèi)注射不同濃度的芋螺毒素MVIIA與假手術(shù)組相比，最佳劑量的MVIIA 10μm鞘內(nèi)應(yīng)用后可促進神經(jīng)保護作用：神經(jīng)元死亡率降低（22.46%），氧化應(yīng)激減少，促凋亡因子（Bax、nNOS、Caspase-3、Caspase-8）表達減少，線粒體活性和抗凋亡因子（Bcl-xl）表達增加，提示MVIIA可通過抗氧化作用來保護神經(jīng)。

2.4 脊髓損傷后鐵死亡與氨基酸代謝機制

GPX4和胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運蛋白system Xc-（xCT）是鐵死亡的主要調(diào)節(jié)因素，當GPX4活性降低，無法清除細胞膜上磷脂中氧化自由基的酶時，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化和ROS積累，進而誘發(fā)鐵死亡。脊髓損傷后，局部組織發(fā)生缺血缺氧，導(dǎo)致GPX4酶活性降低，xCT表達下調(diào)，進而導(dǎo)致細胞死亡［52］。有研究表明［53］，脊髓損傷后進行Western blot檢測發(fā)現(xiàn)，鐵死亡標志物GPX4、x-CT相比于對照組顯著下降，而ACSL4、5-LOX表達升高且脂質(zhì)過氧化標志物4HNE和鐵離子濃度增加；使用依達拉奉治療后大鼠脊髓組織內(nèi)GPX4和x-CT的占比顯著提高，ACSL4和5-LOX明顯降低，抑制ROS的增加，說明依達拉奉可以避免大鼠脊髓損傷急性期出現(xiàn)的鐵死亡。Zhou等［54］通過應(yīng)用原花青素PACs處理脊髓損傷的小鼠，發(fā)現(xiàn)PACs可增加GSH、GPX4、Nrf2和HO-1的表達水平，改善脊髓損傷小鼠的運動功能，同時提示，PACs可抑制SCI中的鐵死亡。

3 展望

越來越多的研究顯示脊髓損傷與鐵死亡密不可分。鐵死亡主要有2個途徑：鐵代謝和脂質(zhì)過氧化，大量研究基于這2種代謝途徑來探索其中的各種信號通路，如Nrf2/HO-1信號軸、氧化酶（LOX）通路等。鐵死亡的發(fā)生是在多種基因表達和不同信號通路的調(diào)控下所產(chǎn)生的一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)結(jié)果。鐵死亡作為近年來新發(fā)現(xiàn)的細胞死亡方式，其相關(guān)的調(diào)控機制尚未研究清楚。脊髓損傷后，同樣會發(fā)生一系列的氧化應(yīng)激反應(yīng)、微循環(huán)障礙等，微環(huán)境發(fā)生變化促進細胞死亡，其具體分子機制有待進一步研究。有研究證實，鐵聚集與小膠質(zhì)細胞激活息息相關(guān)［55］，而確定鐵積聚和膠質(zhì)細胞的激活對鐵死亡造成的影響進而會反映在脊髓損傷相關(guān)機制的哪些方面還需要更深入研究。目前，臨床上對于脊髓損傷的研究多從單一治療方法入手，后續(xù)可以考慮聯(lián)合多種治療方法進一步探究。另外，中醫(yī)藥對脊髓損傷的治療效果可觀，但是從鐵死亡的方向出發(fā)探究改善脊髓損傷作用機制仍需后續(xù)深入研究。另一方面，神經(jīng)源性膀胱作為脊髓損傷最常見的并發(fā)癥之一［56］，鐵死亡在其發(fā)生機制中扮演了什么角色，是否通過抑制鐵死亡來改善神經(jīng)源性膀胱，這是未來需要進一步探究的問題。將脊髓損傷和鐵死亡兩者結(jié)合研究，這樣有利于弄清楚臨床上脊髓損傷后出現(xiàn)各種癥狀的原因，或許能為治療該疾病提供新的治療方法。