铁死亡与炎症性肠病的研究进展

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一组慢性非特异性胃肠道炎症性疾病，包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。作为一类多因素多基因相互作用的复杂疾病，其病因和发病机制目前尚不明确，目前普遍认为与环境、基因易感性、肠道微生物群和免疫反应相关［1］。铁死亡是一种铁依赖性的，区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型细胞程序性死亡方式［2］。铁死亡能够激活机体炎性反应，参与炎性反应进程［3］。进一步研究发现，铁死亡通过铁过载、谷胱甘肽（GSH）耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）失活和脂质过氧化（LPO）参与IBD的发生、发展过程。本文将对铁死亡的机制及其与IBD的相关研究进行综述，为寻找IBD治疗靶点提供新的思路和手段。

本文以“inflammatory bowel disease，Crohn's disease，ulcerative colitis，Ferroptosis，lipid peroxidation，ROS，Fe，GSH，Gpx4”为英文关键词检索PubMed、Medline、Web of Science；以“炎症性肠病、铁死亡、脂质过氧化、活性氧、谷胱甘肽、铁代谢”为中文关键词检索中国知网、万方数据知识服务平台、维普网及中国生物医学文献服务系统。检索时间为建库至2022-03-01。文献纳入标准：关于IBD与铁死亡发生机制的相关文献；研究对象为人或动物的文献；近10年公开发表的中文和英文期刊文献。文献排除标准：文献为案例报道、会议论文或编辑意见等文体；重复的相关文献。

1　铁死亡概述

铁死亡是一种可调节的新型细胞死亡形式。发生过程涉及活性氧（ROS）蓄积和脂质过氧化物形成，即LPO。研究发现，ROS产生的氧自由基更易攻击多不饱和脂肪酸（PUFA，多个双键）这一类含有更多不饱和键的大分子化合物，从而发生LPO［4］。LPO分解产生的两种产物4-羟基壬烯醛（4-HNEs）和丙二醛（MDAs）引起细胞膜中蛋白质和核酸的异常共价修饰，导致细胞膜的脂质双分子层稳定性遭到破坏，细胞膜解体，从而启动细胞铁死亡程序［4-6］。过量的ROS主要来源于两个部分：细胞内动态铁池（labile iron pool，LIP）中的二价铁通过芬顿反应或脂氧合酶（LOXs）产生过量的ROS，GSH/GPx4抗氧化防御系统失活或ROS的生成超出GSH/GPx4的代偿限度。此外，细胞膜上的PUFA亦可在相关酶的作用下发生LPO［5］。

铁死亡是铁依赖过程，铁有两种氧化态：亚铁（Fe2+）和铁（Fe3+）。食物中的铁经摄入后在肠道中还原成Fe2+进入小肠黏膜上皮细胞，吸收入血的Fe2+经铜蓝蛋白氧化为Fe3+，Fe3+与血清中的转铁蛋白（TF）结合，在STEAP3金属还原酶和二价金属离子转运体1（divalent metal transporter 1，DMT1）作用下被还原为Fe2+并储存到LIP中，再释放入胞质［7］。Fe2+储存于铁蛋白轻链（ferritin light chain，FTL）与铁蛋白重链1（ferritin heavy chain 1，FTH1）组成的铁蛋白复合物中，多余的Fe2+则由膜铁转运蛋白1（ferroportin1，Fpn1）将其氧化成Fe3+出胞，参与体内铁再循环维持细胞内铁稳态。同时细胞内游离的Fe2+是LOXs的辅助因子，而LOXs是铁死亡的核心因素［6］。细胞内铁代谢关键蛋白功能失调或铁稳态被破坏，均将引起ROS蓄积，从而导致铁死亡。GPx4通过将有毒的脂氢过氧化物（L-OOH）转化为无毒脂醇（L-OH）来降低脂质过氧化物的毒性，保护膜脂双层，预防铁死亡［8］。在这个过程中，NADPH减少以充当电子供体，故检测NADPH的丰度可用于预测铁死亡的发生［9］。GSH作为GPx4的辅助因子，可防止ROS的积累，GSH的缺失也可能间接抑制GPx4的功能［10］。胱氨酸/谷氨酸逆向转运体（system xc-）是由亚基SLC7A11和SLC3A2以二硫键组成的异二聚体，介导细胞内谷氨酸和细胞外胱氨酸进行1∶1交换。胞内胱氨酸迅速转化为GSH的合成原料半胱氨酸［11］。总体来说，通过抑制GSH耗竭或补充GSH含量，提高GPx4活性，可抑制细胞发生铁死亡。

研究发现，铁死亡的灵敏度与脂质代谢失衡密切相关，游离的PUFA必须被酯化成膜磷脂并经过氧化才能传递铁死亡信号，脂质组学研究表明含有花生四烯酸（Aa）和肾上腺酸（AdA）的磷脂酰乙醇胺（PEs）是被氧化并导致细胞铁死亡的关键磷脂［5］。细胞膜中PUFA的生物合成和重构需要长链酰基辅酶ａ合成酶家族成员４（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶３（LPCAT3）参与，ACSL4将Aa和AdA分别合成花生四烯酰CoA（AA-CoA）和肾上腺酰CoA（AdACoA），后两者进一步通过LPCAT3参与PEs等膜磷脂的合成。这些合成的膜上长链PUFA可通过Fe2+，由LOXs催化氧化生成有害的PEAA-OOH和PE-AdA-OOH，从而诱导细胞发生铁死亡，因此，ACSL4和LPCAT3被认为是调控铁死亡的关键酶［12］。

此外，铁死亡抑制蛋白1（FSP1，也称为AIFM2）主要在质膜上，作为氧化还原酶通过NAD（P）H催化将泛醌（CoQ10）还原为泛醇（CoQ10H2），CoQ10H2作为亲脂性自由基捕获抗氧化剂，来对抗LPO自由基，从而抑制铁死亡的发生［13］。研究表明，三磷酸鸟苷环水解酶1（GCH1）是一种有效的铁死亡抑制剂，介导了铁死亡抵抗。GCH1是参与四氢生物蝶呤（BH4）产生的限速酶，BH4作为膜抗氧化剂来防止铁死亡［9］。GCH1-BH4轴通过增加抗氧化剂BH4的产生和减少CoQ10的丰度来控制LPO。

越来越多的研究发现，在癌症、退行性疾病、心脏、肾脏和肝脏的缺血/再灌注（I/R）组织中也出现了铁蓄积、GSH和GPx4的水平降低、LPO等铁死亡的特征，铁死亡参与了多种疾病的发生发展［14-15］。细胞铁死亡通路见图1。

2　铁死亡与IBD

肠黏膜屏障在IBD的发病中发挥重要作用［16］。研究发现，UC患者和实验性结肠炎小鼠的肠黏膜上皮细胞内线粒体缩小、线粒体嵴降低等铁死亡细胞内形态学改变；同时发现，肠上皮细胞中铁死亡生物标志物环加氧酶2（PTGS2）增加［17］，LPO标志物ROS、环氧化酶2（COX2）和ACSL4在组织、mRNA和蛋白水平上高表达［18-20］，而抑制ROS产生的超氧化物歧化酶（SOD）则低表达［20］。

如前所述，铁蓄积、GSH耗竭、GPx4失活和LPO是铁死亡的基本特征，IBD患者及小鼠肠组织上皮细胞中表现出铁死亡相关特征。铁死亡的代谢途径分为外源性（转运蛋白依赖途径）和内源性（酶调控途径），通过外源性（铁代谢、氨基酸-GSH/GPx4）途径和内源性（内质网应激、Nrf2/HO-1信号通路、AKT/IKK/P65和ERK/IKK/P65信号级联反应等）途径影响铁死亡的发生，从而调控IBD。

2.1　外源性途径

2.1.1　铁代谢　体外摄入铁由细胞外Fe3+进入细胞内转变为Fe2+，通过芬顿反应或LOXs产生过量的ROS引起铁死亡。研究发现IBD肠道组织中铁含量增加，在细胞铁死亡的芬顿反应中起到重要作用的Fe2+含量较高，FTL和FTH1的mRNA和蛋白水平均明显升高，FTH1阳性信号主要见于肠上皮细胞，提示铁死亡主要发生在上皮细胞。同时研究表明去铁胺（DFO）可通过螯合过量的游离铁以减少铁死亡，对抗结肠炎［17］。遗传性血色素沉着症以血色沉着症基因（Hfe）的隐性突变为特点，在Hfe基因敲除的模型小鼠的结肠组织中MDAs升高，这表明铁超载促进肠道细胞的氧化损伤。同时，小鼠结肠黏膜受损，更易患上结肠炎，这表明铁超载在结肠炎的发病中起到了重要的作用，肠道中铁超载引起ROS蓄积，并且引起细胞铁死亡，可能是结肠炎的致病机制［21］。

临床上，IBD患者中铁缺乏是常见的贫血病因，口服铁剂是临床治疗缺铁性贫血的常用方法［22］。然而动物研究发现，口服补铁可能会改变肠道微生物的组成和代谢过程，加重肠道炎症［23-24］。一项临床研究发现，以2.99、3.6 mg/4 184 kJ划分为低、中、高度铁剂量摄入组，随着铁剂量摄入的增加，受试者UC发病的优势比值越高，即患病风险增加［25］。不恰当的补铁方式或过量的铁剂摄入通常通过芬顿反应和哈伯·韦斯反应引起ROS蓄积，触发氧化应激，引起LPO，肠上皮细胞受损甚至死亡，破坏肠道黏膜屏障功能，因此，推荐将静脉注射铁剂作为临床活动性UC、严重贫血和口服铁不耐受患者的初始治疗。甘草素具有抗氧化和抗炎活性，有望成为抗IBD的有效药［26］。近期研究发现，对于结肠炎小鼠，补充甘草素可上调铁蛋白的表达，增加细胞铁的储存，降低细胞铁水平，并进一步抑制结肠炎模型上皮细胞的铁死亡［27］。目前，铁超载通过铁死亡加重肠道黏膜损伤和炎症的研究仍较少，通过探索铁代谢与IBD的关系以及相关作用靶点，可以调控细胞铁死亡的发生，为缓解肠黏膜损伤提供新的方向和思路。

2.1.2　GSH/GPx4　GSH/GPx4在降低脂质过氧化物的毒性，预防铁死亡方面发挥重要作用。UC和CD患者疾病活动期的肠上皮细胞均表现出GPx4活性降低的特征，提示IBD与铁死亡有密切联系［17，28］。进一步研究发现，在GPx4降低或缺乏的肠上皮细胞中，ACSL4通过对PUFA，尤其是Aa的调控，来诱导白介素6（IL-6）和趋化因子（C-X-C基序）配体1（CXCL1）的释放，从而引起炎症。此外，ACSL4能限制有抗炎作用的Aa代谢物（如环氧二十碳三烯酸、EETs）的产生。在动物实验中，与野生型小鼠相比，GPx4缺失的小鼠更容易发生结肠炎，这突显了GPx4对保护肠道免受LPO损伤，维持肠道动态平衡的重要作用［28］。最新研究发现潘氏细胞在这一过程起到重要作用［29］。研究发现，纤毛苷（curculigoside，Cur）通过提高肠上皮细胞GPx4对硒的敏感性，促进GPx4表达，减轻葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导下UC小鼠结肠的组织学损伤［18］。同样地，临床研究表明在缺硒人群中适当补充硒可以增强GPx4活性，避免细胞发生铁死亡，从而预防IBD的发生［30］。铁死亡抑制剂Liproxstatin-1（Lip-1）通过抑制LPO，增加GSH、FSP1浓度，促使GPx4恢复正常水平增强抗铁死亡系统的表达［31］，在研究中也被证实可以改善结肠炎患者症状和DSS引起的小鼠结肠炎［19］。近期研究发现，中药方剂芍药汤通过激活GPx4，抑制结肠上皮细胞发生铁死亡，缓解结肠炎、抑制炎症、恢复肠上皮屏障功能，为中药方剂治疗IBD的临床疗效提供了科学依据［32］。

此外，越来越多的证据表明Nrf2参与了铁死亡的发生，其可调节GPx4等抗氧化反应元件的表达［33］。在DSS诱导的结肠炎小鼠肠上皮细胞中，观察到Nrf2-GPx4信号通路下调，促进铁死亡发生，Furin蛋白酶可通过激活Nrf2-GPx4信号通路抑制铁死亡、保护肠上皮细胞［34-35］。研究发现柳氮磺吡啶（SAS）通过抑制转运GSH合成原料的异二聚体xc-活性，从而引起细胞铁死亡［36］，而SAS是临床上用于治疗IBD的常规药物，通过影响前列腺素的合成过程，进而达到降低炎性反应的作用。通过动物和临床实验进一步探究SAS的浓度对IBD肠上皮细胞的作用，平衡炎症抑制与铁死亡的关系，有利于更好地提高药物疗效。

2.2　内源性途径

2.2.1　内质网应激　研究表明，内质网应激不仅促进了UC的发展，也参与了铁死亡的发生［37］。蛋白激酶R样内质网激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）是内质网应激的主要感受器。RSL3是GPx4的一种抑制剂，研究发现PERK抑制剂GSK414不仅抑制了RSL3诱导细胞内内质网应激信号通路eIF2α/ATF4/CHOP的表达，也减少了细胞的铁死亡，从而改善了小鼠的实验性结肠炎。这表明铁死亡通过内质网应激介导的肠上皮细胞死亡来调节UC［17］。进一步研究发现，磷酸化的核因子κB（NF-κB）p65与其上有调节因子eIF2α相互作用抑制了内质网应激介导的肠上皮细胞的铁死亡［38］，提示NF-κB p65可能是UC潜在的治疗靶点。

2.2.2　Nrf2/HO-1信号通路　Nrf2不仅通过Nrf2-GPx4信号通路抑制铁死亡、保护肠上皮细胞，也通过Nrf2/HO-1通路促进铁死亡发生。一方面，Nrf2和HO-1在小鼠结肠炎中显著上调，从而发挥抗炎和抗氧化的作用［19，39］，黄芪多糖（APS）可通过抑制该信号通路来预防小鼠结肠炎和人Caco-2细胞中铁死亡的发生［40］，推测铁死亡可能通过Nrf2/HO-1信号通路调节DSS诱导的UC。另一方面，Nrf2/HO-1的过度激活通过扰乱铁离子代谢的平衡而导致铁死亡［41-42］。铁抑素1（Fer-1）可通过下调Nrf2/HO-1表达，并络合不稳定铁池中的Fe2+，降低游离铁浓度，从而抑制铁死亡，改善结肠炎患者症状和DSS引起的小鼠结肠炎［19，43］。目前Nrf2/HO-1信号通路与铁死亡的具体机制尚不明确，有待进一步研究。

2.2.3　AKT/IKK/P65和ERK/IKK/P65信号级联反应　母体胚胎亮氨酸拉链激酶（MELK）调节细胞增殖、凋亡和分化，影响干细胞表型发生［44］。研究发现，在结肠炎患者和小鼠模型上，MELK表达均高于正常组，MELK抑制剂OTSSP167通过维持肠道微生物正常组成、平衡肠道微生物分布，抑制肠上皮细胞发生铁死亡，降低肠组织中促炎因子的表达，抑制了体内和体外肠道组织中AKT/IKK/P65和ERK/IKK/P65信号级联反应，对结肠炎小鼠的肠道组织起到了保护作用［45］。铁死亡可能通过磷酸化的AKT、ERK、IKK和P65对IBD肠上皮细胞进行调控，为IBD的治疗提供新的角度和思路，MELK可能是一个潜在的治疗IBD的有效靶分子。

2.3　其他　如前所述，细胞膜上的PUFA发生LPO，从而导致铁死亡的发生。既往研究提出，IBD的发病率增加与饮食中PUFA（如Aa）的摄入增加同步［46］。在CD患者中进行的大型前瞻性临床试验发现，补充PUFA可能会加重腹泻等IBD症状，表明肠道稳态紊乱［47］。α-生育酚是维生素E水解产物中活性较强的一种，可防止PUFA诱导的LPO、细胞因子的产生和中性粒细胞浸润，一定程度上抑制细胞铁死亡［28］；此外，饮食中直接补充单不饱和脂肪酸（MUFAs），替代细胞膜上易发生LPO的PUFA，可以防止脂质ROS的积累，预防铁死亡发生［48］。此外，CoQ10H2作为亲脂性自由基捕获抗氧化剂，来对抗LPO自由基，从而抑制铁死亡的发生。最近一项随机对照试验发现补充CoQ10，CoQ10可在FSP1作用下被还原成CoQ10H2，使缓解期轻度至中度UC患者的炎症得到有效缓解［49］。目前有关于铁死亡与IBD的直接临床研究仍较少，但现阶段一系列的研究提出了一个假设，更均衡的饮食（饮食中均衡的铁、硒、CoQ10和脂肪酸）可能是改善IBD症状、维持胃肠道健康、预防IBD发生的更好选择。这些观点仍需大量动物实验和临床研究予以证明。IBD细胞中铁死亡调控通路见图2。

3　小结和展望

铁死亡作为新发现的细胞死亡模式是目前研究的热点，大量研究表明铁死亡与IBD密切相关。本文总结了目前铁死亡调控IBD的可能信号通路，通过探索铁死亡的机制和相关作用靶点，可以调控细胞铁死亡的发生，在一定程度上有效缓解实验动物IBD的病程进展。但仍有许多问题等待解决：铁死亡在IBD中内源性代谢途径的具体机制是什么？如何控制铁摄入的剂量问题？ROS在大量细胞中广泛存在，如何特异性地进行干预？除了肠上皮细胞外，肠道免疫细胞是否也会发生铁死亡？目前，关于IBD的药物治疗主要集中在免疫抑制，这并不能彻底解决肠炎的发生，因此，进一步深入研究并阐明铁死亡的具体机制和调控因素有望为IBD的治疗靶点提供新的思路。

本文无利益冲突。

参考文献略

本文来源：蒲瑜,张吉翔,董卫国. 铁死亡与炎症性肠病的研究进展[J]. 中国全科医学, 2023, 26(29): 3698-3703. DOI:10.12114/j.issn.1007-9572.2022.0698.（点击文题查看原文）