【综述】靶向抑制铁死亡在脑出血后继发性脑损伤治疗中的作用研究进展

摘要：脑出血后继发性脑损伤(SBI-ICH)可导致神经元的不可逆损伤｡研究表明,细胞铁死亡可以介导脑出血后神经元死亡的病理过程,而抑制铁死亡能够有效地减少SBI-ICH｡作者综述了铁死亡参与SBI-ICH的发病机制及药物靶向抑制铁死亡在SBI-ICH防治方面应用的研究进展,以期为脑出血防治方法的探索提供帮助｡

脑出血是指非外伤性脑实质内的动脉､毛细血管或静脉破裂引起的出血,是卒中的急性亚型,占出血性卒中的80%,占所有类型卒中的10% ~15%｡脑出血作为一种致死性脑血管病,发病急､进展快,并伴有多种并发症,病死率和致残率较高｡目前脑出血的治疗主要通过外科手术减轻原发性损伤,但对于脑出血后继发性脑损伤(secondary brain injury after intracerebral hemorage, SBI-ICH)尚无有效的治疗方法｡SBI-ICH主要是由于氧化应激和包括铁在内的血红蛋白裂解物的共同作用导致的神经元不可逆损伤｡目前对脑出血后神经元损伤机制的研究有限｡近期一项研究表明,一种新发现的铁依赖性脂质过氧化驱动的细胞死亡参与了SBI-ICH的病理过程｡另有研究显示,在动物模型中,抑制铁死亡可以有效地减少神经元损伤的发生,从而减轻SBI-ICH｡笔者系统总结了脑出血后铁死亡参与SBI-ICH的病理机制及药物靶向抑制铁死亡在减轻SBI-ICH方面的应用进展,期望为研究铁死亡在脑出血中的作用机制和相关靶向药物研发提供思路｡

1 铁死亡

铁死亡是不同于凋亡､坏死和自噬的一种新的细胞死亡方式,主要包括铁的聚集､铁依赖的活性氧产生和脂质过氧化三个过程｡铁死亡典型的形态特征是线粒体固缩､嵴消失和双层膜密度增加｡正常情况下,铁离子参与氧运输､DNA 生物合成和作为辅酶参与三羧酸循环和电子传递,但当细胞内铁离子超载时,则可催化机体产生大量活性氧导致细胞损伤或死亡｡铁死亡的关键特征包括膜脂质过氧化､细胞内铁稳态失衡和抗氧化防御体系的丧失｡铁死亡发生的两个关键启动信号是抗氧化系统溶质载体家族7 成员11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)/谷胱甘肽/谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)通路的抑制和游离铁(Fe2+)的积累｡胱氨酸-谷氨酸逆转运体是一种电中性､非Na +依赖性的逆转运体,是细胞内重要的抗氧化体系,其由催化亚基SLC7A11 和伴侣亚基溶质载体家族3成员2组成｡SLC7A11负责主要的转运活性,对胱氨酸和谷氨酸有高度特异性,而伴侣亚基溶质载体家族3 成员2 则作为伴侣蛋白｡胱氨酸-谷氨酸逆转运体以1∶ 1的比例用胞内谷氨酸换取胞外的胱氨酸,胱氨酸在谷氨酸半胱氨酸连接酶和谷胱甘肽合成酶的催化作用下合成谷胱甘肽｡

目前研究表明,铁死亡的发生､发展与以下3个因素密切相关:(1)胞内Fe2 +浓度的升高,体内的循环铁､转铁蛋白受体的增加,铁蛋白和铁转运蛋白的减少,导致胞内Fe2 +的增加,从而诱发铁死亡;(2)脂质过氧化物的过度产生,Fe2 +可以与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活产生的过氧化氢通过芬顿反应产生脂质过氧化物的前体羟自由基;(3)脂质过氧化损伤修复的抑制,GPX4 和SLC7A11对铁死亡过程中脂质过氧化损伤的修复具有重要的作用｡SLC7A11转运体可以将细胞外的胱氨酸转运到细胞内与谷氨酸合成谷胱甘肽,GPX4利用产生的谷胱甘肽将脂质过氧化物还原为相应的醇或水,对抗细胞的氧化应激,完成脂质过氧化损伤的修复｡SLC7A11 / GPX4 通路受到抑制可导致脂质过氧化物的积累,进而启动铁死亡｡在铁死亡过程中,多不饱和脂肪酸极易发生过氧化,从而破坏脂质双层,导致膜功能破坏｡将多不饱和脂肪酸整合入细胞磷脂(尤其是磷脂酰乙醇胺)需要酯酰辅酶A合成酶长链家族成员4 的作用｡酯酰辅酶A合成酶长链家族成员4可使多不饱和脂肪酸酯化生成多不饱和脂肪酸辅酶A,随后通过溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3将多不饱和脂肪酸辅酶A整合入磷脂膜｡铁死亡的最后一步是脂质过氧化或其次级产物直接或间接诱导细胞膜上的孔隙形成,最终引发细胞死亡｡

2 铁死亡参与脑出血后神经损伤机制

2017年的一项研究结果首次表明,脑出血后神经元存在铁死亡通路激活｡后续研究证实了铁死亡在脑出血后神经元损伤中的作用,进一步揭示了铁死亡主要通过诱导神经毒素释放和氧化应激反应参与脑出血后神经损伤的发病机制｡

2.1 神经毒素释放

脑出血后,血液中血红蛋白释放的铁会产生大量的活性氧,导致神经元氧化应激和SBI-ICH｡在机体发生脑出血后,溶解的红细胞释放血红蛋白,血红蛋白可被血肿周围区域活化的小胶质细胞和巨噬细胞吞噬,释放Fe2 +,随后转运出小胶质细胞和巨噬细胞的Fe2 +通过转铁蛋白-转铁蛋白受体系统进入神经元,这些Fe2 +在神经元中过量积累,并通过芬顿反应生成羟基自由基,攻击DNA､蛋白质和脂膜,从而诱导活性氧的产生和脂质过氧化的发生｡因此,通过降低血红蛋白及其来源的铁所诱导的毒性可能是治疗脑出血后神经元损伤的潜在方法｡在器官型海马切片培养模型中,铁死亡特异性抑制剂铁抑素1 可防止神经元死亡,并减少血红蛋白诱导的铁沉积,服用铁抑素1 的脑出血小鼠表现出明显的脑保护作用和神经功能改善｡

2.2 铁死亡相关基因表达改变

在脑出血细胞模型和出血的人脑组织中,铁死亡相关基因表达均上调｡研究表明,脑出血急性期存在细胞铁死亡,且远离血肿中心的神经元也存在铁死亡｡铁抑素1 在脑出血细胞模型和动物模型中可减少脂质活性氧的产生,并抑制前列腺素内过氧化物合酶2基因及其编码产物环氧合酶2表达,环氧合酶2 可能是铁死亡的生物标志物｡膜铁转运蛋白1(ferroportin 1,FPN1)是一种铁外排转运体,是迄今为止唯一确定的哺乳动物铁输出转运蛋白｡研究表明,FPN1 在老年脑出血患者和小鼠脑出血模型周围血肿组织中显著上调,小鼠FPN1基因敲除后脑出血症状显著恶化,血肿体积增大,细胞凋亡增多,铁蓄积和神经功能障碍,而被可过度表达FPN1的病毒预处理的脑出血小鼠上述症状则显著改善｡这一研究表明,FPN1 在脑出血后铁死亡的发病机制中发挥作用,上调FPN1 能够抑制脑出血后铁死亡的发生｡鞘氨醇激酶1(sphingosine kinase 1,Sphk1)是一种调节铁死亡途径中鞘氨醇代谢的关键酶,脑出血后Sphk1 表达上调,Sphk1抑制剂和小干扰核糖核酸能够抑制脑出血诱导的Sphk1 上调和铁死亡,进而减轻SBI-ICH和神经元死亡,其作用机制为通过Sphk1 /鞘氨醇1 /磷酸/细胞外调节蛋白激酶/磷酸化细胞外调节蛋白激酶途径对SBI-ICH 和细胞铁死亡发挥调节作用｡氧化低密度脂蛋白受体1 也称为凝集素样氧化低密度脂蛋白受体1,是C型凝集素家族的膜蛋白受体,其在脑出血血肿中表达增高,在大鼠脑出血模型中,氧化低密度脂蛋白受体1 敲低后脑出血大鼠的神经损伤减轻,大鼠脑组织中的血肿体积减少,炎性反应和氧化应激减轻｡抑制氧化低密度脂蛋白受体1后能够通过上调GPX4､铁蛋白重链1和下调环氧合酶2抑制铁死亡发生。

3 靶向抑制铁死亡与SBI-ICH治疗

随着铁死亡重要性的逐步揭示,铁死亡抑制剂或将成为治疗SBI-ICH的新药物,研究者们也对此进行了有益的先期探索｡铁死亡的特异性抑制剂铁抑素1能够通过抑制脂质活性氧的产生,减少血红蛋白诱导的铁沉积,防止神经元死亡,进而发挥长期神经保护作用并改善神经功能,达到治疗SBI-ICH的作用｡铁死亡主要由Fe2 +和活性氧激活介导,因此铁螯合剂和脂质活性氧生成抑制剂成为治疗SBI-ICH的候选药物｡通过抑制神经元铁死亡从而在SBI-ICH治疗中发挥神经保护作用的药物按照作用机制分为调节铁代谢､调控GPX4 通路和抑制脂质过氧化3类｡通过靶向抑制铁死亡从而抑制SBI-ICH的化合物及作用机制见表1｡

3.1 调节铁代谢的化合物

铁螯合剂作为铁代谢的抑制剂,可以通过减少动态铁池中的Fe2 +来消耗铁,干扰铁依赖性脂质过氧化,减少脂质活性氧,并最终抑制铁死亡。蝙蝠葛碱能够降低脑出血小鼠脑内铁含量,上调GPX4,降低脑内脂质过氧化,抑制脑出血后神经元铁死亡发生,进而抑制脑出血诱导的神经功能损伤,减轻脑水肿。另一种化合物(-)-表儿茶素没食子酸酯能够通过抑制铁死亡诱导的脑出血后神经元损伤,降低脑损伤体积､改善神经功能。丹皮酚､花生四烯酸代谢产物20-羟基二十碳四烯酸合成抑制剂N-羟基-n-(4-丁基-2-甲基苯基)甲脒以及异钩藤碱均属于调控铁代谢的化合物,在脑出血的动物模型和细胞模型中能够降低Fe2 +的含量,进而抑制铁死亡诱导的脑出血后神经元损伤｡开发上述调节铁代谢的化合物或可成为减轻或防治SEB-ICH的重要方向｡

3.2 促进GPX4激活的化合物

根据铁死亡机制,激活GPX4 能够抑制铁死亡,而激活谷氨酸逆转运体能够促进GPX4 通路激活,从而抑制脑出血后铁死亡｡促进GPX4激活的药物包括黄芩苷､姜黄素纳米粒､N-羟基-n-(4-丁基-2-甲基苯基)甲脒､吡哆醛异烟酰腙和硒。黄芩苷是中草药黄芩的主要活性成分,其具有神经保护作用,研究显示,其在脑出血的动物模型和细胞模型中可激活谷氨酸逆转运体,上调SLC7A11,进而激活GPX4,抑制脑出血中铁死亡,发挥对SBI-ICH 的治疗作用。姜黄素纳米粒可通过促进GPX4通路激活抑制铁死亡,从而减小血肿体积。N-羟基-n-(4-丁基-2-甲基苯基)甲脒通过促进谷胱甘肽/ GPX4 通路激活抑制铁死亡,进而降低脑损伤体积,改善局灶性神经功能缺损。吡哆醛异烟酰胺酰肼和硒也可通过促进GPX4 通路的激活来抑制铁死亡介导的脑出血后神经元损伤｡

3.3 抑制脂质过氧化的化合物

脂质过氧化物的过度产生会最终介导铁死亡发生,通过抑制脂质过氧化能够抑制铁死亡,进而防治SBI-ICH｡这一类化合物包括N-乙酰半胱氨酸和纳米颗粒包裹的白藜芦醇。N-乙酰半胱氨酸是通过中和花生四烯酸5 脂氧合酶介导产生的毒性脂质,发挥预防血红素诱导铁死亡的作用｡N-乙酰半胱氨酸可增加谷胱甘肽的生成,并抑制脂质过氧化｡在小鼠脑出血7 d 后,注射N-乙酰半胱氨酸可减少神经元死亡,减少血肿体积和脑水肿,改善神经功能,并可与前列腺素E2具有协同作用。纳米颗粒包裹的白藜芦醇也同样表现出抑制脂质过氧化介导的铁死亡作用,其能透过血-脑屏障,并在小鼠海马细胞中抑制埃拉斯汀(铁死亡诱导剂)诱导的铁死亡,而在脑出血小鼠模型中,纳米颗粒包裹的白藜芦醇也具有改善脑出血诱导的动物运动功能障碍,减少血肿体积和改善病理改变的作用。

综上所述,目前研究表明,铁死亡参与脑出血后神经元损伤,但其具体致病机制的研究尚处于初级阶段,对铁死亡的各个通路在SBI-ICH 中的病理机制尚不能透彻揭示,这也是未来的研究方向｡目前通过抑制铁死亡治疗脑出血的探索也处于起步阶段,大多数研究仅通过细胞模型或动物模型进行效应观察,还缺乏足够的､有深度的机制探讨｡未来尚需通过更多的临床试验来检验铁死亡抑制剂的效果,探索新的防治策略｡