鐵死亡相關機制與老年肌肉減少癥的研究

裴苗苗，薛梅，王敏娟

（1.西安醫學院研究生院，陜西 西安 710021；2.西安醫學院第一附屬醫院研究生科，陜西 西安 710000）

隨著全球人口老齡化的加速增長，老年肌肉減少癥（sarcopenia）的發病率將逐年增加。根據不同肌肉減少癥的診斷標準，肌肉減少癥患病率為9.9%～40.4%，我國老年肌肉減少癥的總體患病率為14%，且女性患病率高于男性（15%∶14%）[1]。老年肌肉減少癥是指骨骼肌質量下降和數量減少，同時伴有力量或功能下降，其是老年人生理功能逐漸衰退的重要原因和明顯表現。該病發病機制復雜，可能涉及衰老、線粒體功能障礙、氧化應激、炎癥反應等多種途徑。鐵死亡是由鐵依賴的、多不飽和脂質過氧化物累積導致的一種新型細胞調控性死亡方式，與傳統的細胞死亡方式相比，具有獨特的生物學和形態學特征[2]。相關研究表明[3]，老年肌肉減少癥可能與鐵超載有關，其所產生大量脂質過氧化物積累會影響骨骼肌肉系統的穩態，最終誘發骨骼肌損傷或萎縮，使得骨骼肌數量和質量發生改變，導致功能障礙，引起肌肉減少癥的發生。本文就鐵死亡的發生機制與老年肌肉減少癥的關系予以綜述，以期為今后老年肌肉減少癥的進一步探索提供參考。

1 鐵死亡概述

在20 世紀初，由Dolma S等[4]通過高通量技術篩選發現了一種化合物erastin，具有誘導癌細胞死亡的能力，其erastin 誘導細胞發生死亡時不具有典型細胞壞死改變（細胞腫脹、細胞器和細胞膜破裂），另該過程也沒有呈現傳統細胞核的改變及半胱天冬酶3 活化，且半胱天冬酶抑制劑也不能逆轉這一過程。在2008 年，Yang WS等[5]發現另一種惡性腫瘤驅動基因Ras 選擇性致死化合物也涉及這種細胞死亡模式，與erastin 有著相似的作用，且該研究表明通過凋亡、壞死和自噬抑制劑均不能抑制這系列化合物誘導的細胞死亡，但通過鐵抑制劑和脂質過氧化物抗氧化劑會出現明顯的抑制效果，故而推測可能存在一種有別于傳統細胞死亡的其他新型細胞死亡方式。之后的研究實驗檢測到在此過程中出現了鐵含量上升與ROS 顯著累積，而Dixon SJ等[6]將這種鐵依賴的、脂質過氧化物堆積的非凋亡的新型細胞死亡方式正式命名為鐵死亡。

鐵死亡是一種非凋亡形式的細胞死亡模式，其形狀學、生化特征以及分子調控上與傳統的細胞方式有明顯區別，在形態特征方面呈現為線粒體嵴減少甚至消失，線粒體雙層膜密度增加，但細胞膜保持完整且細胞核大小如常，無染色質聚集現象；在生物化學特征方面表現為細胞膜上的逆向轉運體胱氨酸/谷氨酸（System Xc-）表達受到抑制，谷胱甘肽合成受阻，GPX4 直接或者間接的失活，導致大量的脂質過氧化物顯著堆積，從而誘發鐵死亡。

2 鐵死亡的發生機制

2.1 鐵代謝紊亂 鐵是人體生命活動所必須的微量元素，參與人體許多生物化學反應，如整個細胞周期進程、能量產生、DNA 的合成和修復以及全身免疫反應等。鐵主要有2 種形式，分別為Fe2+和Fe3+。細胞內的鐵穩態依賴于鐵的吸收、輸出、利用和儲存的動態調節[7]。Fe3+具有較強的穩定性，與體內的轉鐵蛋白結合，在細胞膜上轉運蛋白受體1（TfR1）的介導下進入細胞，轉鐵蛋白結合鐵的Fe3+在STEAP3金屬還原酶作用下還原為Fe2+，并釋放聚集在胞質不穩定鐵池（labile iron pool，LIP）中，其余的鐵以鐵蛋白或含鐵蛋白的形式儲存[8]。體內通過維持Fe2+的轉運以精細調控鐵的動態平衡。鐵代謝紊亂時，鐵超載是發生鐵死亡的一個關鍵原因，LIP 中過量的Fe2+通過Fenton 反應產生羥自由基，與細胞膜上脂質分子如多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）等進行氧化產生大量ROS，過量的脂質過氧化物毒性累計且不能及時清除，最終造成細胞膜氧化損傷誘發細胞發生鐵死亡[9]。同時有研究發現[10]，在細胞中存在鐵蛋白自噬，核受體輔激活因4是鐵蛋白吞噬的選擇性貨物受體，進行溶酶體依賴性降解和鐵釋放，釋放的游離鐵到LIP 中，導致大量的鐵積累，從而增加對鐵死亡的敏感性，促進鐵死亡的發生。然而目前自噬與鐵死亡在遺傳水平上的關系尚不清楚，仍有待臨床進一步研究。

但通過不同方式調節細胞內鐵的含量會改變細胞對鐵死亡的敏感性，如Dixon SJ等[6]研究發現，增加鐵蛋白的降解會增加胞內鐵離子的水平,進而提高細胞鐵死亡的敏感性。相反，鐵抑制素、鐵螯合劑抑制細胞鐵離子的含量，脂質過氧化物的合成障礙將增加細胞鐵死亡的抗性。

2.2 氨基酸抗氧化系統失衡 在細胞正常代謝下，體內的氧化系統和抗氧化系統精準調控保持動態平衡。GSH 抗氧化劑谷胱甘肽是細胞內抗氧化應激的主要抗氧化劑，可以將體內聚集的脂質過氧化物還原為無毒的醇類物質，清除自由基的積累，保護細胞免受氧化應激損傷。在GPX 家族成員中，GPX4 是唯一一個抗過氧化物酶，是鐵死亡過程中關鍵調控靶點，可將GSH 轉化為氧化型GSH，消除體內的堆積脂質過氧化物，抑制鐵死亡發生[11]。且GPX4 的活性依賴于system Xc，Xc-系統是細胞膜上谷氨酸-胱氨酸逆向轉運體，由溶質轉運家族7A11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和SLC3A2 組成，主要作用是谷氨酸-胱氨酸的交換，將細胞外的胱氨酸轉運進入細胞并還原為半胱氨酸，成為合成體內主要抗氧化劑的GSH 的重要底物，因此system Xc 正常表達對胱氨酸導入并合成GSH 至關重要[12]。Jiang L 等[13]研究發現，P53 能夠下調SLC7A11 的表達，抑制對胱氨酸的攝取，進而影響GPX4 的活性。隨后Dixon SJ等[6]研究發現，erastin、索拉菲尼鐵誘導抑制劑通過抑制system Xc 系統的表達,阻礙GSH 的產生，間接抑制GPX4 的活性。而RSL3 直接與GPX4 共價結合使GPX4 失活，產生大量脂質反應性物質，觸發鐵死亡[14]?？傊?，通過不同的途徑都會影響谷胱甘肽過氧化物酶的活性狀態，導致抗氧化系統失衡并觸發脂質過氧化物的堆積，誘發鐵死亡。

2.3 脂質過氧化物途徑 脂質過氧化物的顯著蓄積是誘導細胞發生鐵死亡的關鍵。游離多不飽和脂肪酸（poly -unsaturated fatty acid -phosphatidyl ethanolamine，PUFA）是合成脂質的主要底物，因為其含有雙烯丙基氫原子，易受脂質過氧化的影響，其中花生四烯酸及腎上腺素是最容易發生氧化的關鍵磷脂，它們在乙酰輔酶A 合成酶長鏈家族4（acyl coenzyme A synthetase long chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂?；D移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）的幫助下酯化并摻入膜磷脂中，然后在脂氧合酶LOX 催化合成[15，16]，而脂質過氧化大量累積會改變脂質雙層性質，產生細胞毒性反應片段，破壞細胞的正常結構，導致不可逆的細胞死亡[17]。

3 鐵死亡與老年肌肉減少癥的關系

近年來許多研究表明[18-20]，鐵死亡參與了多種疾病的生理病理進程，如神經退行性改變、心血管疾病以及惡性腫瘤等眾多疾病。老年肌肉減少癥是一種增齡性導致肌肉力量和功能損傷的疾病，發病率逐年提高，對老年人的生活質量產生嚴重影響。老年肌肉減少癥發病的主要原因在于骨骼肌代謝異常，其中骨骼肌的損傷和萎縮是關鍵，導致骨骼肌再生異常、骨骼肌穩態破壞[21]。骨骼肌占人體體重的40%，含鐵量占人體總鐵量的10%～15%。研究表明[3]，骨骼肌中存在與衰老相關的鐵蓄積，對肌肉萎縮和收縮功能有直接影響，細胞內鐵過載和ROS 毒性累計是發生鐵死亡主要特征。

3.1 鐵超載 鐵離子是人體內細胞生命活動中不可或缺的元素，參與了多種生理生化過程，然而過量的鐵集聚對機體有嚴重危害[22]。鐵超載可能是肌肉減少癥的一個危險因素[23]。由于缺乏有效的排泄途徑，老年人更容易發生鐵超載。過量的鐵會導致骨骼肌損傷以及骨骼肌肉系統萎縮和修復再生平衡被破環。Kasztura M等[24]使用檸檬酸鐵銨處理體外培養的L6 成年大鼠骨骼肌細胞，發現骨骼肌鐵負荷的程度與骨骼肌細胞活力減弱呈正相關，其表現為肌紅蛋白水平降低，增殖活性降低。Reardon TF等[25]向實驗組小鼠腹腔注射右旋糖酐鐵構建小鼠鐵超載模型，結果顯示小鼠骨骼肌的鐵含量超載，氧化應激的生成產物增加，骨骼肌質量減輕，力量下降，可能會誘發骨骼肌萎縮的潛能。Ikeda Y等[26]研究中長期給予小鼠右旋糖酐鐵，結果發現注射鐵組小鼠骨骼肌和血清鐵含量增加，肌肉鐵蛋白水平升高，骨骼肌質量降低，肌肉細胞萎縮，且骨骼肌萎縮相關E3 泛素連接酶、Atrogin-1 和肌肉環狀指蛋白1（muscle ring finger-1，MuRF1）mRNA 表達升高。另有有研究證明[27]，隨著骨骼肌鐵聚集的增加，可抑制C2C12 成肌細胞的分化的活性，影響其肌肉再生延遲和肌纖維尺寸減少，同時降低衛星細胞（骨骼肌再生的關鍵細胞）的表達，導致骨骼肌數量減少，最終導致肌肉減少癥的發生。此外，小鼠肌肉減少癥動物模型中，在其骨骼肌中發現鐵超載和鐵死亡標記物明顯高于對照組，且鐵超載會上調P53 的表達[28]。p53 是一種抑癌基因，位于人的17 號染色體的短臂上，可以編碼和表達p53 蛋白，其通過使SLC7A11 轉錄受阻，影響systemXC-活性，催化脂質過氧化物進一步顯著積累，觸發鐵死亡，這可能是肌肉減少癥發生的原因之一。p53-SLC7A11 軸在介導的肌肉鐵死亡中起關鍵作用，這可能為預防肌肉減少癥的發生提供了策略。鐵超載與肌肉減少癥有顯著的相關性。Kim TH等[29]對1380 名韓國60 歲以上老年女性研究發現，血清鐵蛋白水平升高與女性肌肉減少癥患病率增加有關。Nakagawa C等[30]對300 名血液透析患者研究發現，血清鐵蛋白的增加與前臂握力降低和肌肉質量降低呈正相關。由此可見，骨骼肌肉系統代謝平衡與鐵超載有密切關系，鐵超載將增加老年骨骼肌肉減少癥的發生幾率。而通過鐵抑制素控制鐵水平的下降，可有效調節鐵代謝的平衡，有可能為未來預防和治療老年肌肉減少癥的發生提供思路。

3.2 ROS 積累 ROS 大量積累與鐵死亡相關的肌肉減少癥有著非常重要的關系。在衰老早期最先出現線粒體功能改變，繼而出現肌纖維結構異常，衰老的線粒體比年輕肌肉的線粒體會產生大量ROS，而ROS 的慢性積累可能導致大分子損傷，如線粒體DNA 突變積累，并且可觀察到ROS 大量堆積可刺激線粒體通透性過渡孔（mtPTP）的打開，導致細胞色素c 和核酸內切酶G 等促凋亡蛋白的釋放，激活caspase-3（內在和外在凋亡通路的最終效應因子）對于骨骼肌細胞分解，最后使骨骼肌細胞凋亡[31]。人體衰老骨骼肌ROS 的積累和內源性抗氧化機制的顯著降低可能在肌肉減少癥的發生和維持中起關鍵作用[32]。鐵超載可通過Fenton 反應產生大量ROS，ROS 在骨骼肌的萎縮和線粒體的形態轉化起到了關鍵的作用，而過多ROS 生成使正常體內抗氧化系統平衡打破，導致骨骼肌肉萎縮、肌纖維再生抑制、修復障礙、骨骼肌的質量和力量下降。Powers SK等[33]研究證實，調節活性的生成和能量代謝的穩定可能是控制骨骼肌萎縮的有效策略。綜上可知，ROS 可影響骨骼肌穩態，在肌肉減少癥進展中的起關鍵作用，然而這種氧化損傷是如何在疾病的肌肉性能和質量下降中發揮直接作用的具體機制尚不明確。

4 總結

鐵死亡作為一種新型細胞死亡形式，涉及的機制過程非常復雜，但目前關于鐵死亡的機制仍然處于初步階段。鐵超載和ROS 的毒性水平積累是鐵死亡信號通路中的關鍵步驟，該過程仍存在許多關鍵問題仍需進一步研究。且與鐵死亡相關的老年肌肉減少癥研究主要集中與超載和ROS 積累方面，對于鐵死亡與老年肌肉減少癥的內在聯系僅有少量研究，尚未深入闡述。因此，如何通過調節鐵死亡發生的過程來干預相關疾病的發生進展已經成為臨床研究的焦點?？傊?，繼續深入探討鐵死亡機制、核心調控環節，對干預和治療老年肌肉減少癥提供理論依據非常重要。