梁佳（梁佳铭变形后的现状）

摘要：铁死亡是一种新型调节性细胞死亡，主要由于各种诱导剂导致细胞内铁稳态的改变，促进铁离子依赖性的脂质过氧化反应的发生，由此引发了有毒的脂质过氧化物大量堆积，最终导致细胞死亡。肝缺血再灌注损伤是肝脏手术后常见且严重的并发症，主要机制包括无氧呼吸、线粒体损伤、氧化应激反应、炎症反应、钙超载、微循环功能障碍等。本文对铁死亡和肝缺血再灌注损伤的概念和机制进行介绍，并总结了与二者有关的部分治疗策略，为探索肝缺血再灌注损伤新的治疗手段提供参考。 

关键词：铁死亡；再灌注损伤；肝疾病

       目前已知细胞死亡有多种方式，如凋亡、坏死、自 噬、焦亡等。近些年研究［1-3］发现，铁死亡是一种新型的细胞死亡方式，其主要是由铁依赖性的有毒脂质过氧化物堆积引起。研究［4-7］证实铁死亡与多种疾病密切相关，包括肝缺血再灌注损伤（hepatic ischemia-reperfusion  injury，HIRI）、非酒精性脂肪性肝病、肿瘤、神经系统疾病等，与人类的健康息息相关。

       HIRI是指肝脏由于缺血缺氧而受到损伤，在恢复血 供和氧供后组织损伤进一步加重的病理生理过程，涉及无氧呼吸、线粒体损伤、氧化应激反应、炎症反应、钙超载、微循环功能障碍等一系列机制。HIRI常发生在肝脏手术后，如肝移植和肝部分切除等外科手术，是导致术后肝功能障碍和肝损伤的重要因素。HIRI包括两大阶段，即缺血阶段和再灌注阶段［8］。目前对于HIRI的机制仍在探索之中，且临床上缺少有效的治疗和预防手段。但已有研究［6］发现铁超载可促进HIRI的发生，而铁死亡 抑制剂可减轻肝脏的损伤。由此可见，铁死亡可能参与了HIRI的发生发展，并有望成为HIRI的治疗靶点。因此，探讨铁死亡在HIRI中发挥的作用，对HIRI找到新的诊治方法和预防手段具有重要意义。

１铁死亡 

1.1 定义 铁死亡的概念由Dixon等［1］于2012年首次提出。作为一种新型的细胞死亡方式，铁死亡无论在形态学、生化还是遗传特征方面均不同于凋亡、坏死等已知的细胞死亡类型。在2018年，细胞死亡委员会将铁死亡定义为受谷胱甘肽过氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）控制，可被亲脂抗氧化剂和铁螯合剂抑制的一种调节性细胞死亡类型［2］。

1.2 主要机制 

1.2.1 GPX4水平降低导致铁死亡 谷胱甘肽（glutathione， GSH）是GPX4的辅因子，GPX4需要在GSH的存在下方可将脂质过氧化物还原。当机体受到某些刺激导致细胞内GSH耗竭时，GPX4失去活性，不能及时清除体内脂质过氧化物，导致有毒的脂质过氧化物大量堆积，引起铁死亡［3］。 

1.2.2 铁代谢紊乱引发Feton反应导致铁死亡 当细胞内铁超载时，大量的Fe2+引发Fenton反应，生成大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）氧化细胞内脂质，直接生成脂质过氧化物，最终导致细胞内生物膜的破坏和细胞死亡［9］。 

1.2.3 Nrf2 信号异常导致铁死亡 Nrf2在细胞的内源性抗氧化反应中起重要作用。其不仅可以调控GPX4和胱氨酸/谷氨酸反转运蛋白的表达，还可以控制细胞内铁/血红素的稳态，因此Nrf2与铁死亡的发生发展密切相关。当Nrf2信号异常时，细胞的抗氧化防御系统便会失调，由此引发铁死亡［10］。尽管对铁死亡的主要机制和病理过程有了一定的了解，但仍有疑问尚待研究，如ROS和铁的积累诱发铁死亡的阈值是多少，是何种因素最终导致铁死亡，铁死亡和其他类型细胞死亡之间的相互作用，以及寻找更明确的铁死亡生物标志物等［11］。

1.3 铁死亡的影响因素 

梁佳1.3.1 诱导铁死亡的因素 

1.3.1.1 降低GPX4水平诱导铁死亡 （1）抑制胱氨酸/谷氨酸反转运蛋白：如铁死亡诱导剂erastin使GSH耗竭，下调GPX4的表达，导致脂质过氧化物蓄积［12］；（2）直接抑制GPX4活性：共价小分子RSL3通过结合硒半胱氨酸活性位点直接使GPX4失活［13］；（3）间接抑制GPX4活性：小分子FINO2并未降低GPX4 的表达水平，而是通过某种未知的途径间接使GPX4失活，促进脂质过氧化物生成［14］；（4）促进GPX4蛋白降解：如小分子 FIN56［15］。

1.3.1.2 其他因素 小分子FINO2还可以直接氧化铁，促进脂质过氧化物生成，加快铁死亡进程。 

1.3.2 抑制铁死亡的因素 研究［16］发现，羟基红花黄 A（hydroxysafflor yellow A，HSYA）和无氢红花黄B （anhydrosafflor yellow B，AHSYB）通过上调胱氨酸/谷氨 酸反转运蛋白及GPX4的活性、减少ROS的产生、恢复细胞内铁稳态来抑制脂质过氧化物的蓄积，进而减轻氧化应激反应，抑制铁死亡。此外，铁螯合剂如去铁胺可以直接下调细胞内铁的含量；抗氧化剂如维生素E可以抑制脂质过氧化物的生成［17］。

２HIRI的定义及机制 

2.1 定义 HIRI是肝脏在缺血缺氧造成的损伤基础上，重新恢复血供导致肝脏进一步受损的现象［18］。HIRI是肝脏手术中或术后常见且严重的并发症，根据肝脏所处不同环境分为冷缺血损伤和热缺血损伤。冷缺血损伤常见于离体肝脏在体外保存和运输过程中，首先是肝窦内皮细胞（liver sinusoidal endothelial cell，LSEC）的损伤。肝脏低温保存时ATP大量消耗，导致LSEC的离子 跨膜运输中断，影响线粒体的功能，同时使细胞变得肿胀。而缺血进一步加重了LSEC的损伤。热缺血损伤主要是在肝脏手术后或低血容量性休克期间，首先是肝实质细胞的损伤。缺血缺氧导致肝实质细胞的线粒体破坏，同样使细胞肿胀和细胞膜受到破坏［19］。 

    另外，HIRI根据原因还可以分为缺血损伤和再灌注损伤。缺血缺氧期间，由于细胞无氧呼吸，导致细胞内ATP缺乏，同时引起乳酸积累和pH降低，最终导致一系列的细胞死亡。而再灌注虽然使细胞恢复了有氧呼吸，但同时引发了代谢紊乱和大量ROS的积累，最终导致炎症反应引起细胞损伤［20］。

2.2 主要机制 

    HIRI是一个复杂的病理生理过程，涉及到的主要机制包括无氧呼吸、线粒体损伤、氧化应激反应、炎症反应、钙超载、微循环功能障碍等。下面对主要机制展开论述。 

2.2.1 无氧呼吸 肝脏缺血缺氧期间由有氧呼吸变为无氧呼吸，因此生成的ATP减少，同时产生大量的乳酸，导致肝细胞的损伤。乳酸等代谢产物还会使细胞间pH值降低，引发代谢性酸中毒。肝脏恢复血供后细胞变回有氧呼吸，pH值恢复正常，但同时也会增强蛋白水解酶和磷脂酶的活性，引起肝细胞膜的损伤［21］。

2.2.2 线粒体受损 当细胞进行无氧呼吸时，产生的乳酸和酮体等酸性代谢产物会影响细胞内环境的稳态，导致线粒体对H+、Na+、Ca2+等离子的通透性发生改变，引发线粒体的功能紊乱。线粒体受损后产生大量的过氧化物，导致炎症反应［22］。

2.2.3 氧化应激反应 在HIRI过程中，ROS起到了至关重要的作用。ROS不仅可以与人体内多种物质发生反应，产生有毒物质，还可以使血管通透性增加，导致微循环障碍。当线粒体损伤时会产生大量的ROS，同时伴有内源性抗氧化剂的消耗，引发氧化还原平衡的破坏，最终导致氧化应激反应，损伤肝细胞［23］。 

2.2.4 炎症反应 肝细胞、Kupffer细胞、肝星状细胞 （hepatic stellate cells，HSC）、LSEC、血小板和补体之间相互作用，分泌多种信号来募集并活化中性粒细胞，引发炎症反应。同时炎症小体也被激活，如肝细胞损伤时分泌的最具特异性的炎症小体激活信号：损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP），加重组织器官的损伤［23］。

2.2.5 钙超载 肝细胞内的Ca2+浓度依靠细胞膜上的Na+/K+和H+/Ca2+交换系统、膜钙泵以及钙离子的主动跨膜转运来维持稳定。当细胞内ATP缺乏时，细胞膜上的钠泵活动受到抑制，大量的Na+积累在细胞内，引发Na+/Ca2+的反向交换，导致Ca2+不断运往细胞内。另外，线粒体的损伤也会向细胞内释放大量的Ca2+。最终，磷脂酶、黄嘌呤脱氢酶和钙依赖性蛋白酶等酶受钙超载的激 活而破坏细胞膜，引起肝细胞死亡。另外，大量的Ca2+还可以激活Kupffer细胞并释放各种毒性介质加重损伤，同时导致炎症反应［24］。 

2.2.6 微循环功能障碍 炎症期间，血小板的活化和聚集促进血栓的形成，引起肝窦阻塞，导致微循环功能障碍。另外，中性粒细胞胞外陷阱（neutrophil extracellular  traps，NET）也可促进凝血的进程。其他因素如缺血缺氧期间的血细胞聚集和内皮素（endothelin，ET）大量分泌也可阻塞肝窦，引发肝窦的微循环障碍，加重HIRI［25］。

     除了以上几种主要机制外，已有研究［23］证实肠道微生物菌群对HIRI也有一定的影响，但其具体机制尚未明确。

3 铁死亡在HIRI中的作用

3.1 铁死亡与炎症反应 Yamada等［6］对儿童活体肝移植的供体数据进行分析，发现供体的高血清铁蛋白是肝移植术后肝损伤的独立危险因素。接着建立了HIRI的小鼠模型，通过实时荧光定量 PCR分析，对炎症因子和细胞标志物的表达进行研究，验证了 HIRI引发的炎症反应与铁死亡的关联。 

     一方面，梁佳炎症反应可以促进铁超载，导致肝细胞铁死亡。在HIRI中，受损的肝细胞和活化的Kupffer细胞释放大量的炎症细胞因子，如IL-1β、IL-6、TNF-α等，并募集中性粒细胞到损伤部位，促进中性粒细胞和巨噬细胞的浸润，加重炎症损伤［23］。释放的炎症因子可以通过JAK/STAT3途径促进铁调素的表达［26］。在人体内，肝脏可以分泌铁调素来维持细胞内铁的稳态。铁调素可以控制细胞膜上转铁蛋白的活性，影响细胞对铁的吸收与释放。作为肝细胞唯一可以向外输出铁的途径，转铁蛋白的表达被铁调素的增加所抑制，导致大量铁积聚于细胞内，铁稳态遭到破坏，胞内发生铁超载，引起肝细胞铁死亡［27］。另外，铁通过BMP/SMAD信号通路也可上调铁调素的表达［26］。 

    另一方面，铁死亡也可诱导炎症反应的发生，加重肝细胞的损伤。前文提到，铁超载可通过Feton反应产生大量的ROS，诱导转录因子NF‐κB的表达，促进IL-1β的合成和成熟。作为各种无菌性炎症发生发展中重要的一环，IL-1β可诱导多种炎症因子的表达，如IL-6、TNF-α等，由此引发HIRI中的炎症反应［28］。另外，在铁死亡进程中，细胞膜被破坏，导致DAMP大量释放，DAMP可被Kupffer细胞和内皮细胞上的各种受体识别，进而诱导炎症反应的发生［29］。由此可见，铁死亡与炎症反应相互影响、相互促进，形成恶性循环（图1）。在HIRI中，铁死亡依靠与炎症反应的密切联系导致肝细胞的损伤［30］。

梁佳图1 铁死亡与炎症反应的关系 

3.2 铁死亡与氧化应激反应 在人体内，ROS指过氧化氢（H2O2 ）、超氧阴离子（O2?）、羟自由基（OH?）等过氧化物。低水平的ROS在各种正常生命进程中起重要作用，如细胞的生长、分化和凋亡，细胞中各种信号传导，机体的免疫防御功能等。而高水平的ROS常见于病理状态，可导致DNA和蛋白质的改变、机体代谢紊乱、多种程序性细胞死亡等。过量的ROS还可诱导氧化应激反应的发生，进而促进脂质过氧化物的生成［31］。 

    在HIRI中，补体刺激Kupffer细胞释放大量ROS，同时诱导多形核中性粒细胞（polymorphonuclear neutrophils，PMN）的生成和激活，而PMN又可促进补体的活化，并刺激 Kupffer细胞产生ROS。因此，肝细胞中的Kupffer细胞、补体和PMN相互作用，可生成大量ROS，导致肝细胞内的氧化和抗氧化系统被破坏，引起氧化应激反应的发生和脂质过氧化物大量蓄积，诱发铁死亡，造成肝细胞的损伤［28］。

4 治疗进展 

4.1药物治疗 根据铁死亡在HIRI中的作用机制，目前主要选择铁螯合剂（如去铁胺）和抗氧化剂（如Ferrostatin-1、 Liproxstatin-1、维生素E等）来治疗HIRI［32］。

4.1.1 铁螯合剂 去铁胺可以直接螯合细胞内的铁离子，降低血清铁蛋白及胞内铁离子的水平，恢复铁稳态，进而抑制脂质过氧化物的生成，起到治疗HIRI的作用［8］。 

4.1.2 抗氧化剂 （1）Ferrostatin-1可从脂质过氧化物中清除由亚铁产生的初始烷氧基，起到了减少脂质过氧化物积累，进而抑制铁死亡的作用。在这一过程中，Ferrostatin-1以对位催化方式发挥作用，因此不会被消耗。与Ferrostatin-1相比，第二代、第三代的Ferrostatin在血浆中的代谢稳定性得到了提升，同时显著减少了体内的组织损伤，如急性肾损伤和缺血再灌注损伤等［33］。（2）线粒体电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent  anion channel，VDAC）是erastin和RSL3等铁死亡诱导剂的直接分子靶标之一。Liproxstatin-1可以降低VDAC1的水平和铁死亡诱导剂的活性，减少线粒体ROS生成的同时恢复GPX4的水平。另外，Liproxstatin-1还可保护线粒体的结构和功能。因此，Liproxstatin-1比Ferrostatin-1更高效，是当下治疗HIRI极富潜力的药物［32］。（3）维生素E可以减少自由基的生成，抑制脂质过氧化反应，保护线粒体，提高GSH的含量。而维生素C是一种更强的抗氧化剂，具有减少ROS和自由基的能力，对脂质过氧化反应有更强的抑制作用。然而高剂量的维生素C有促氧化作用，因此临床上常控制其剂量［34］。（4）GSH可以使半胱氨酸的巯基发生氧化，具有抗氧化作用。同时还是GPX4的辅因子，可以清除ROS，防止细胞受到氧化反应损伤。Cotgreave［35］通过研究发现，静脉注射GSH可以保护HIRI中的肝细胞。（5）α硫酸锌不仅具有抗氧化和清除氧化物的功能，还可使维生素C和维生素E的抗氧化能力得到增强［36］。

4.1.3 其他 除了铁螯合剂和抗氧化剂，还有其他药物可辅助治疗HIRI。如氯化钆不仅可以减少自由基，抑制脂质过氧化，还可以抑制Kupffer细胞的激活，促进肝功能的恢复。临床上常将氯化钆和维生素E低剂量联合应用，或单用高剂量维生素E。但由于使用氯化钆有一定的不良反应，所以临床上常低剂量应用氯化钆［37］。 

      眼镜蛇毒因子（cobra venom factor，CVF）是一种补体 抑制剂，可以加强对补体成分的消耗并抑制其激活。还可以抑制炎症因子如IL-1β的释放，抑制Kupffer细胞介导的氧化应激反应，减轻肝细胞的损伤［38］。 

4.2 基因治疗　根据铁死亡的主要机制，靶向调控铁死亡进程中的 关键基因，可以诱导或抑制铁死亡的发生发展，进而为治疗 HIRI提供新的思路与方向。根据靶基因对铁死亡的不同作用，可分为抑制铁死亡的“保护因子”和诱导铁死亡的“攻击因子”［39-40］。

4.2.1 保护因子 （1）Fang等［39］发现PTEN/mTOR/SREBP1信号通路通过调节肝脏特异性苹果酸酶1（malic enzyme1，Me1）的表达来控制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的生成，进而控制GSH 的水平。因此，Me1可作为一种保护因子，靶向激活Me1可以减轻HIRI中肝细胞的损伤。（2）含有HECT结构域的泛素E3连接酶HUWE1同样被确定为保护因子，可以特异性结合细胞膜上的转铁蛋白受体1（transferrin receptor1，TfR1）并使其泛素化和降解，恢复铁稳态，抑制铁死亡［41］。（3）血红素加氧酶-1修饰的骨髓间充质干细胞分泌的富含miR-124-3p的外泌体也可以通过调节IREB2/FTH1/TFR1信号通路，抑制铁死亡［42］。

4.2.2 攻击因子 （1）Guo等［40］发现跨膜成员16A （transmembrane member 16A，TMEM16A）通过直接与GPX4相互作用，引起GPX4的泛素化和降解，使脂质过氧化水平、肝脏的环加氧酶2（prostaglandin-endoperoxide  synthase 2，PTGS2）的表达和血清铁的含量均上升，导致铁死亡和HIRI的发生。因此，TMEM16A作为一种攻击因子，靶向抑制TMEM16A或抑制其与GPX4的相互作用可以减轻铁死亡在HIRI中的影响［40］。（2）Zhong等［43］研究了瞬时受体电位美拉抑素2（transient receptor potential  melastatin 2，TRPM2），其介导的钙内流可以引起线粒体中钙离子的堆积，同时促进花生四烯酸12-脂氧合酶的表达，导致线粒体的脂质过氧化并促进铁死亡的发生。因此，敲除TRPM2或抑制其活性可能成为减轻HIRI的一种有效手段。

5 小结

     本文介绍了铁死亡和HIRI的基本概念，并从机制入手，介绍了二者之间的联系，以及目前已知的和正在研究的治疗策略。铁死亡作为当下研究的热门课题，目前对其机制研究仅是冰山一角，而它已被证实与多种病理过程有密切的关联。因此，对铁死亡机制更深入地研究，将丰富对HIRI等疾病的认识，同时可以探索更多有效的治疗和预防手段。