鐵死亡與糖尿病腎病關系的研究進展

關同娟 劉靖芳

1.蘭州大學第一臨床醫學院，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學第一醫院內分泌科，甘肅蘭州 730000

糖尿病及其并發癥是嚴重影響人類健康的一種慢性疾病。糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）是糖尿病最常見的微血管并發癥之一，也是慢性腎?。╟hron ic kidney disease，CKD）及終末期腎?。╡nd-stage renal disease，ESRD）的常見病因之一。據統計，全球糖尿病的患病率在20～79 歲人群中目前大約為10.5%，其中約40%的糖尿病患者患有DN[1]。DN 的發病機制非常復雜，包括葡萄糖代謝紊亂、氧化應激、晚期糖基化終末產物的形成、免疫炎癥反應及線粒體損傷等。高血糖導致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的過度積累，進一步引起氧化應激的持續激活，并抑制谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶的表達，導致脂質過氧化物積累和線粒體功能障礙。鐵死亡是鐵依賴性調節性細胞死亡的一種新形式，其特征性變化為鐵過載、抗氧化能力的喪失和含磷脂的多不飽和脂肪酸的過氧化。最近的研究表明，在多種腎臟疾病中可觀察到鐵死亡現象，包括急性腎損傷、腎缺血再灌注損傷和DN 等[2-3]。本文就鐵死亡在DN 發病中的作用和機制進行綜述，為臨床上DN的診斷和治療探索新的治療靶點和策略。

1 鐵死亡的主要調控機制

鐵死亡是一種鐵依賴性的程序化細胞死亡形式，由Dixon 等[4]于2012 年提出。其在形態學和生化學上與細胞凋亡、壞死和自噬等細胞死亡類型不同。在形態學上，鐵死亡會出現特征性的線粒體變化，例如線粒體收縮和線粒體外膜密度增加。鐵死亡的本質是鐵依賴性ROS 產生、氧化還原失衡導致細胞膜多不飽和脂肪酸發生脂質過氧化，該過程受以下多種細胞代謝途徑及信號通路的調節[4]。

1.1 鐵代謝途徑與鐵死亡

鐵是維持生命活動非常重要的微量元素之一，細胞鐵穩態的維持與鐵的吸收、儲存、循環和利用密切相關。人體每天從飲食中吸收1～2 mg 鐵，飲食中的鐵在小腸刷狀緣上細胞色素b 的幫助下被還原為具有催化活性的亞鐵，然后在二價金屬轉運體1 的調節下進入腸上皮細胞。在細胞質中亞鐵離子（Fe2+）可儲存在鐵蛋白重鏈中，也可被鐵轉運蛋白調節排出到血漿中。輸出的Fe2+在鐵調素的幫助下被氧化為三價鐵離子，并與轉鐵蛋白結合，啟動鐵循環。進入血漿中轉鐵蛋白結合鐵通過細胞膜上的轉鐵蛋白受體1 進入細胞后被鐵還原酶還原為Fe2+。Fe2+和過氧化氫通過芬頓反應產生ROS，生成的ROS 可將脂質氧化為脂質過氧化物。當細胞內的Fe2+過多時，加速細胞內ROS的形成，導致細胞內脂質過氧化物積累，誘導鐵死亡。

1.2 與鐵死亡相關的其他調控機制

生物體膜和細胞器膜均富含長鏈多不飽和脂肪酸，其在?；o酶A 合成酶長鏈家族成員4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）和脂氧合酶等一系列酶的作用下被轉化為脂質過氧化物[5]。研究發現噻唑烷二酮能抑制谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）基因敲除的急性腎損傷小鼠ACSL4 高表達所導致的鐵死亡，提高小鼠的存活率[6]。機體的抗氧化系統可清除脂質過氧化物，從而減輕鐵死亡。與鐵死亡密切相關的抗氧化系統為胱氨酸、谷氨酸反向轉運體/谷胱甘肽（glutathione，GSH）/GPX4 軸。胱氨酸、谷氨酸反向轉運體，又名Xc-系統，是由溶質載體家族7 成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和溶質轉運蛋白家族3 成員2兩個亞基組成的異二聚體，其活性亞基為SLC7A11。谷氨酸（glutamate，Glu）和胱氨酸（cystine，Cys）通過Xc-系統以相同比例進出細胞。GSH 是一種細胞內抗氧化劑，由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸結合形成。Cys為GSH 合成的重要原料，進入細胞影響GSH 的合成。GPX4 是體內還原過氧化磷脂所必需，也是鐵死亡的關鍵上游負調節劑，其催化功能需要GSH 激活才能恢復其活性狀態。GPX4 可將GSH 轉化為谷胱甘肽二硫，并將細胞毒性脂質過氧化氫還原為相應的醇，從而抵御氧化損傷[7]。柳氮磺吡啶及索拉非尼可以抑制Xc-系統活性，干擾Cys 的吸收和GSH 的合成，導致GPX4 活性降低，細胞抗氧化能力下降，導致脂質ROS 積累增加，最終導致鐵死亡[8]。

核因子紅細胞2 相關因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2）是調節細胞氧化應激的關鍵轉錄因子，對細胞內氧化還原穩態的維持有重要影響。Nrf2 信號通路通過調節GSH 穩態、脂質代謝和線粒體功能參與鐵死亡過程。研究表明，右美托咪定通過Nrf2 通路上調GPX4 的表達抑制鐵死亡，從而改善糖尿病心肌病[9]。然而，另一項研究發現腫柄菊內酯C 通過激活Nrf2/血紅素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）信號通路可誘導結直腸癌細胞鐵死亡[10]。這些研究表明Nrf2 在鐵死亡中具有雙重作用。

除了上述這些直接參與鐵死亡的酶和蛋白質外，一些抑癌基因及非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNAs）也參與鐵死亡調控。p53 是一種抑癌蛋白，可通過調控SLC7A11 的表達來參與鐵死亡的調節[11]。微小核糖核酸（microRNA，miRNA）和環狀RNA（circular RNA，circRNA）均屬于ncRNA。miRNA 可以通過干擾癌細胞中的脂質代謝調節鐵死亡，也可以通過調節氨基酸代謝和干擾鐵代謝來調節鐵死亡。circRNA 是一種最近鑒定的內源性ncRNA，可通過腫瘤細胞中的miRNA 調節細胞鐵死亡[12]。

2 鐵死亡在糖尿病腎病中的作用和分子機制

DN 是糖尿病最常見的并發癥之一，大約40%的2 型糖尿病患者患有DN，其患病率隨著年齡的增長而增加，是ESRD 的主要原因[13]。DN 發病機制除血流動力學因素外，還包括高血糖引起的氧化應激、晚期糖基化終末產物的形成、自噬失調等，最終導致腎臟發生炎癥和纖維化[14]。除細胞凋亡、壞死和自噬等細胞死亡外，研究表明，鐵死亡與DN 的發生、發展也密切相關。Kim 等[15]在DN 患者的腎活檢標本中觀察到了鐵死亡相關因子ACSL4、前列腺素內過氧化物合成酶2 水平顯著升高，而GPX4 水平降低。同時，Li 等[16]在DN 的動物模型中也發現了鐵死亡的參與，且在高糖培養的人腎近端小管細胞（human renal tubular epithelial cells，HK-2）中觀察到鐵死亡特異性的線粒體形態變化。

鐵穩態平衡對于腎臟的正常功能至關重要。細胞鐵積累是導致鐵死亡的重要因素。在生理條件下，鐵調節蛋白表達水平正常的人，腎臟鐵積累不會發生。然而，對于DN 患者，其鐵蛋白、鐵運輸蛋白的表達異常，導致腎小管中鐵積累，從而誘發鐵死亡。一項回顧性研究結果顯示，與健康對照者比較，DN 患者的腎小管上皮細胞表現出較高濃度的鐵沉積和轉鐵蛋白表達[17]。二價金屬轉運蛋白ZRT/IRT 樣蛋白14（ZRT/IRT-like protein 14，ZIP14）是一種轉運蛋白，可介導細胞對鐵的攝取。Fei 等[18]在DN 動物模型中發現ZIP14 表達上調且Fe2+水平增加，GSH 降低和GPX4 表達下調，在鐵死亡抑制劑處理后ZIP14 表達下調，Fe2+的水平降低，這表明ZIP14 參與DN 中鐵死亡的啟動。另外，已有研究證實低鐵飲食可以減輕DN 大鼠的腎臟損傷[19]。以上研究提示鐵積累導致的鐵死亡可能參與了糖尿病的慢性腎臟損害，而低鐵飲食可能減輕DN 的腎臟損傷。

Nrf2 信號通路及轉化生長因子-β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）在DN 的發生、發展中也有非常重要的作用。Nrf2 信號通路可激活一種抗氧化機制，該機制在減少氧化應激和改善細胞死亡中起關鍵作用，因此可能在DN 中對腎臟提供保護作用。研究發現DN 小鼠Nrf2 蛋白表達降低，且在高糖情況下敲低HK-2 細胞中的Nrf2 表達，腎小管上皮細胞對鐵死亡敏感性有所增強。而非諾貝特可以通過上調Nrf2 的表達從而使GPX4 和SLC7A11 表達上調，來減輕鐵死亡對HK-2 細胞的損害，延緩糖尿病小鼠腎臟病理改變的進展[16]。然而，研究也發現Nrf2 介導的HO-1上調可促進血紅素降解，導致游離鐵釋放和脂質過氧化，從而誘導鐵死亡[20]。因此，Nrf2 的適當激活和持續激活之間的臨界點需要大量的研究進一步證實，進而更好地指導DN 的預防和治療。此外，研究發現在TGF-β1處理的腎小管上皮細胞中觀察到GSH 和GPX4 表達水平顯著降低，同時脂質過氧化明顯增加，而鐵死亡抑制劑可顯著改善TGF-β1誘導的腎小管上皮細胞死亡，說明TGF-β1通過氧化應激可能導致鐵死亡的發生，從而促進了DN 的發展[15]。

鐵死亡除了與腎小管損傷有關，還可引起足細胞和系膜細胞損傷。腎小球濾過屏障功能高度依賴于足細胞，足細胞損傷常導致腎小球源型白蛋白尿。高濃度果糖可誘發伴有足細胞損傷和白蛋白尿相關的腎小球損傷。Wu 等[21]的研究發現，高濃度果糖喂養的大鼠腎小球足細胞中線粒體單鏈DNA 結合蛋白1（single-strand DNA-binding protein 1，SSBP1）表達上調，增強的SSBP1 可通過激活DNA 依賴性蛋白激酶以正向調節p53，促進p53 積累，從而下調SLC7A11 表達抑制系統-Xc 對cys 的攝取，從而影響GPX4 的活性，導致抗氧化能力降低，足細胞發生鐵死亡和損傷，并進一步發現紫檀芪可抑制SSBP1 的過表達，從而減輕高濃度果糖導致的足細胞損傷，這可能為足細胞鐵死亡提供潛在的治療方法。此外，Jin 等[22]在DN小鼠中發現一種新型circRNA，mmu_circRNA_0000309，吉馬酮可通過mmu_circRNA_0000309/miR-188-3p/GPX4信號軸上調GPX4 表達，增強抗氧化能力，進而抑制線粒體損傷和足細胞死亡，改善DN 小鼠的腎臟損傷。

DN 患者處于長期慢性高血糖狀態，其可促進細胞外基質過多的積累和系膜細胞自限性增殖，導致基底膜增厚和系膜擴張[23]。研究發現高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box-1，HMGB1）在DN 患者和體外系膜細胞中可被高糖所激活，而HMGB1 的敲除可促進Nrf2 表達，進而抑制ROS 的產生，降低ACSL4并增加系膜細胞中的GPX4 水平，提示HMGB1 在系膜細胞中可通過Nrf2 通路調節高糖誘導的鐵死亡[24]。以上研究說明，鐵死亡與腎小球足細胞及系膜細胞的損傷密切相關，需要更多的研究來發現鐵死亡與足細胞及系膜細胞損傷的機制，開發靶向治療足細胞及系膜細胞損傷的新藥對DN 的治療是非常有前途的。

3 鐵死亡抑制劑對糖尿病腎病的影響

通過鐵死亡與DN 之間的病理生理聯系說明鐵死亡抑制劑可治療DN。調控鐵死亡可能是未來治療DN 的一個新的方向和靶點。近年來，已經研究出一些通過調節鐵死亡主要信號通路來抑制鐵死亡的制劑，包括抗氧化劑、ACSL4 抑制劑、鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2（sodium-dependent glucose transporters 2，SGLT-2）抑制劑及一些天然中草藥提取物等。

3.1 抗氧化劑

抗氧化劑包括維生素E、N-乙酰半胱氨酸（Nacetylcysteine，NAC）、鐵抑素-1（ferrostatin-1，Fer-1）和利普司他汀-1（Lipstatin-1，Lip-1）等，可通過不同的途徑減少脂質過氧化，抑制鐵死亡，從而對腎臟具有保護作用。

維生素E 被廣泛認為是最重要的保護生物膜的抗氧化劑，可有效地清除鐵死亡過程中產生過氧自由基，抑制脂質過氧化物的形成。一項前瞻性的臨床研究已證明補充富含生育三烯酚的維生素E 可改善DN 患者的腎功能，延緩DN 進展[25]。

NAC 是一種具有硫醇基團的抗氧化劑，其為L-半胱氨酸的前體。研究表明，NAC 通過增強線粒體GSH的活性來維持線粒體氧化還原穩態，減輕了線粒體氧化損傷，從而減輕DN 中的鐵死亡，成為治療DN 的有潛力的候選藥物[26]。

Fer-1 是一種常見的鐵死亡抑制劑，其不僅可以清除親脂性過氧自由基，且可通過上調GPX4 和Nrf2的表達從而抑制鐵死亡[27]。Li 等[16]研究發現Fer-1 處理后的DN 小鼠腎臟抗氧化能力增強，鐵沉積和脂質過氧化產物減少，減輕了DN 小鼠的腎臟損傷。

腎纖維化是CKD 最終導致ESRD 的常見途徑。最近的一項研究表明，Lip-1 降低了HK-2 細胞中的鐵含量并抑制了脂質過氧化和促纖維化因子的分泌，從而減輕腎小管上皮細胞中的鐵死亡來緩解腎纖維化，延緩CKD 的進展[28]。

3.2 ACSL4 抑制劑及SGLT-2 抑制劑

一些降糖藥物也可通過調節鐵死亡的信號通路抑制鐵死亡進而改善腎臟的損傷，如羅格列酮及達格列凈等。羅格列酮通過抑制ACSL4 表達，阻斷長鏈不飽和脂肪酸活化和磷脂化過程，減少脂質過氧化，抑制鐵死亡，減少腎損傷，提高了腎功能[2]。溶質載體家族40 成員1（solute carrier family 40 member 1，SLC40A1）是一種鐵輸出蛋白，抑制SLC40A1 表達導致鐵過載可誘導鐵死亡的發生。研究表明，SGLT-2 抑制劑達格列凈不僅可以減少腎小管對葡萄糖的重吸收，而且可通過穩定SLC40A1，減少其泛素化降解，抑制鐵死亡來改善DN 小鼠的腎臟損傷[29]。

3.3 天然中草藥

最近研究發現天然中草藥提取物可抑制鐵死亡，從而改善糖尿病的腎損傷。光甘草定（glabridin，Glab）是甘草的一種生物活性成分。Glab 干預可使DN 大鼠腎臟的GPX4 和SLC7A11 的表達上調，抑制DN 中的氧化應激和鐵死亡，減輕了DN 的腎臟損傷[30]。桔梗素（platycodin D，PD）是從桔梗的干燥根中提取得到的，具有抗炎、抗腫瘤、抗衰老的作用。Huang 等[31]的研究發現PD 可通過上調GPX4 表達水平進而抑制腎小管上皮細胞鐵死亡，表明PD 可能是DN 治療的有效藥物。

鐵死亡是一種新型的鐵依賴性的細胞程序性死亡，其特征是鐵依賴性ROS 生成、氧化還原失衡、脂質過氧化物蓄積。鐵死亡可導致腎臟腎小管、系膜細胞和足細胞的損傷，與DN 的發生和發展密切相關。目前DN 的治療主要以降低血壓和減輕蛋白尿為核心，而以鐵代謝紊亂和脂質過氧化為核心的鐵死亡機制已經為DN 的治療提供了新的思路。未來的研究將會進一步探索鐵死亡的全過程，揭示鐵死亡的特異性生物學標志物，研發更多特異性和穩定性相對較高的鐵死亡抑制藥物，對DN 的治療產生深遠的影響。

利益沖突聲明：本文所有作者均聲明不存在利益沖突。