铁代谢与动脉粥样硬化的研究进展

Research Progress of Iron Metabolism and Atherosclerosis

摘要: 动脉粥样硬化是心脑血管疾病的重要病理基础之一，其病理基础复杂多变，目前公认的病理机制主要为脂代谢紊乱及炎症刺激。铁作为维持生物体生命的重要微量元素，参与了人体中许多的生物过程，如氧代谢、脂代谢及细胞呼吸等。近期有关铁死亡的研究将铁与动脉粥样硬化联系起来，阐明铁可能参与动脉粥样硬化的发生发展过程，本文将综述有关铁代谢及其在动脉粥样硬化发生发展中可能的机制的文章并探讨未来针对动脉粥样硬化的可能潜在治疗靶点。

Abstract: Atherosclerosis is one of the important pathological bases of cardiovascular and cerebrovascular diseases. Its pathological basis is complex and changeable. At present, the recognized pathological mechanism is mainly lipid metabolism disorder and inflammatory stimulation. Iron, as an important trace element for maintaining biological life, participates in many biological processes in the human body, such as oxygen metabolism, lipid metabolism, and cellular respiration. Recent studies on ferroptosis have linked iron with atherosclerosis, and clarified that iron may participate in the occurrence and development of atherosclerosis. This article will review studies on iron metabolism and its possible mechanism in the occurrence and development of atherosclerosis, and explore potential therapeutic targets for atherosclerosis in the future.

1. 引言

动脉粥样硬化(atherosclerosis, AS)是心血管疾病中致死率最高的一种，其病因以及发病机制都较为复杂，无论是血管内皮细胞的损伤，以及巨噬细胞吞噬脂质功能的下降，或是各种因素造成的斑块形成，都离不开生理代谢过程的改变。铁作为人体中最重要的金属元素之一，参与了血红蛋白的合成以及线粒体内铁硫簇的合成，是维持机体正常代谢功能至关重要的因素，近期关于铁代谢的研究备受关注，有研究甚至发现了依赖铁的一种非程序性细胞死亡方式，区别于凋亡、坏死等，命名为铁死亡(ferroptosis)，铁死亡的发现使得铁代谢在各器官疾病中的影响有了新的发现。本文就近期有关铁的代谢过程，动脉粥样硬化的发生机制，以及铁在动脉粥样硬化发生发展过程中可能参与的病理生理过程作简单综述。

2. 铁代谢

2.1. 铁的摄取

铁的来源广泛，人可以通过摄入动物脏器或植物获取铁，也可从衰老红细胞中血红蛋白释放的铁中获取。铁主要通过膳食摄入，并通过肠道的主动转运系统进入细胞[1]，用于血红蛋白合成及线粒体功能的维持。

2.2. 铁的利用

Fe²⁺进入小肠上皮细胞后一部分被利用或储存，另一部分则会通过基底外侧铁转运蛋白(ferroportin, FPN)从肠细胞进入血液循环，在此过程中Fe²⁺会被一种跨膜的铜依赖性铁氧化酶(hephaestin, HEPH)氧化为Fe³⁺，在这之后，Fe³⁺会与转铁蛋白(transferrin, Tf)相结合，被称为转铁蛋白结合铁(transferrin-bound iron, TBI)，TBI的靶点是位于不同细胞上的转铁蛋白受体(transferrin receptors, TFRs)，TBI与TFR结合产生TBI-TFR复合物，通过胞吞作用进入细胞内部[2]。进入细胞后Fe³⁺被还原为Fe²⁺，并储存在不稳定铁池(labile iron pool, LIP)中。LIP是一个假定的细胞溶质区室，其中含有的Fe²⁺会影响铁调节蛋白(iron regulatory protein, IRP)的活性，这些蛋白在低铁条件下与铁反应原件(iron responsive element, IRE)结合。IRP-IRE系统为双功能性的RNA结合蛋白，能调节与细胞内铁利用有关的mRNA表达，也能在转录后水平上调节铁蛋白mRNA的翻译，使运铁蛋白受体mRNA稳定[2]。没有与Tf、血红蛋白或铁蛋白(ferritin)结合的铁被称为非转铁蛋白结合铁(non-TBI, NTBI)，具有催化活性。在铁超载情况下，NTBI也可以通过L型钙通道(l-type calcium channels, LTCC)以及T型钙通道(t-type calcium channels, TTCC)进入细胞[3]。肝脏肝细胞能够合成一种名为铁调素(hepcidin)的肽类激素，铁调素可以通过降解肠上皮细胞及巨噬细胞的FPN从而实现调节机体的铁代谢。铁调素同样受到高度调节[4]，例如在铁超载和炎症条件下会表达增加，而在缺氧以及铁需求升高时表达下降。对于心脏来说，TFR1是维持正常心脏功能的重要蛋白，它能够为心肌细胞提供TBI。心肌细胞中缺乏TFR1的动物会患有严重的扩张性心肌病，此外也有研究发现醛固酮和去甲肾上腺素过量与TFR1低表达会导致心力衰竭(heart failure, HF)。在心脏重塑过程中伴随着心肌细胞肥大，TFR1表达上调，但是在炎症条件下心脏组织中的TFR1水平降低，目前机制尚不明确。TFR2是另一种参与控制铁稳态的膜蛋白，大多数在肝脏表达，参与铁调素的产生[5]。有研究表明TFR2β亚型在心脏中表达，并可以控制FPN的转录活性，敲低TFR2β可以保护啮齿类动物心脏免受缺血再灌注损伤，TFR2缺失会引起铁调素增加[5] [6]。

2.3. 铁的消耗

铁的消耗与丢失不受铁水平的影响[7]。铁消耗的途径包括肠上皮细胞脱落、皮肤细胞剥落，其他生理性失血等。目前有研究发现经Tf治疗的铁过量Tf缺失小鼠模型会通过胃肠道排泄铁来使铁稳态平衡[8]。此外，肝细胞通过SLC39A14摄取NTBI是胆道排泄含铁铁蛋白的关键前提条件，但经胆道铁排泄对铁稳态的意义目前尚不清楚[9]。

铁代谢的紊乱，包括铁超载合铁死亡，可能通过引发氧化应激、巨噬细胞功能障碍等机制，加速动脉粥样硬化的进展。这为我们理解铁与动脉粥样硬化之间的关系提供了新的视角。

3. 动脉粥样硬化

3.1. 发生机制

动脉粥样硬化(atherosclerosis, AS)是一种慢性的炎症性血管疾病。其始动因素主要为血管内皮细胞(vascular endothelial cell, VEC)的损伤，VEC损伤会导致内膜通透性以及白细胞黏附增加，从而加速AS发展[10]。大多数关于AS的机制都认为氧化型低密度脂蛋白(oxidized LDL, ox-LDL)作为原动力发挥着关键作用。尽管有大量动物研究证据支持ox-LDL参与AS的形成，但很少有证据支持其在人体中的作用。多种抗氧化维生素或一种高效亲脂性抗氧化药物的临床干预试验并没有减少AS。

3.2. 病理变化

有研究认为AS可能不是持续的，而是在相对静止的阶段，其间穿插着快速生长的时期[11]。目前研究都指向造血作用(haematopoiesis)，作为局部炎症、环境刺激与AS之间的桥梁，它在病变演变过程中起到了关键作用。精神压力、睡眠障碍、感染等会刺激骨髓造血，使白细胞聚集在斑块(plaque)中[12]。血管内平滑肌细胞和巨噬细胞可以随着内膜病变生长而增殖。PDGF可以促进平滑肌的迁移和复制。斑块中的所有细胞都可以分泌细胞因子，例如IL-1、TNF和M-CSF (又称为CSF1)。活化的T辅助细胞1 (activated T-helper 1, TH1)淋巴细胞产生IFN-γ，可以刺激单核巨噬细胞从而加重AS。B1淋巴细胞可以分泌IgM抗体，辅助T细胞2 (TH2)淋巴细胞产生抗炎细胞因子IL-10，调节性T (regulatory T, Treg)细胞可分泌TGF-β，这些介质都可以抑制细胞增殖，从而减轻炎症。

3.3. 治疗措施

针对AS，最主要的是拥有健康的生活方式，保持乐观心态。从AS发生的危险因素分析，避免肥胖、戒烟、戒酒、避免高糖饮食等都会起到一定作用。临床上的治疗药物主要为他汀类降脂药物[13]，其作用机制是通过降低低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)来减缓AS进展。同时，也有研究正在评估高甘油三酯和低HDL130人群应用选择性PPARα激动剂的效果[14] [15]。如果已经出现临床症状如不稳定性心绞痛或缺血性脑梗死等，临床上还会应用阿司匹林、氯吡格雷药物，避免病情出现恶化。此外，也可以通过介入或外科手术改善。

4. 铁与动脉粥样硬化

4.1. 铁超载与动脉粥样硬化

铁与动脉粥样硬化之间的联系目前仍不能确定，但有近期研究发现饮食铁超载或NTBI升高会通过引起血管功能障碍从而加剧小鼠动脉粥样硬化[16]。相较于ApoE-/-小鼠，ApoE-/-FPNwt/C326S能够引起小鼠动脉粥样硬化严重加重，其机制是NTBI的积累导致铁超载，继而诱导ROS的产生并刺激大量单核细胞趋化蛋白(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)介导的单核细胞募集，从而加剧动脉粥样硬化[16]。NTBI除了会促进LDL的氧化外，还可导致内皮功能障碍：损害内皮细胞致使产生一氧化氮，增加活性氧(reactive oxygen species, ROS)和单核细胞粘附等。在巨噬细胞中，NTBI可以引起ROS增加、诱发炎症，导致脂质摄取增加、胆固醇流出减少、形成泡沫细胞等，对于动脉粥样硬化发展过程起到了关键作用。正常情况下的Fe³⁺储存在Tf中，不能促进脂质过氧化，因此在一定范围内保持转铁蛋白饱和，并防止NTBI的形成，能降低心血管疾病风险的相关性[16]。另一方面，铁超载也会促进血小板活化和聚集，从而加速形成不稳定斑块。综上，铁超载及NTBI过量会导致巨噬细胞吞噬脂质功能障碍，并引起动脉内铁蓄积，从而导致血管功能障碍，加速动脉粥样硬化斑块形成。

4.2. 铁死亡与动脉粥样硬化

此外，也有研究发现铁死亡(ferroptosis)与动脉粥样硬化过程相关[17]。铁死亡是一种特殊的依赖铁的细胞死亡方式，以游离铁超载和脂质过氧化为主要特征[18]，它不同于凋亡、坏死、自噬和其他类型的细胞死亡，铁死亡受控于多种因素和机制的调控，包括铁代谢、脂质代谢、氨基酸代谢和线粒体活性。细胞内LIP中的铁以二价形式储存，具有极强的氧化性，当其过量时，会发生芬顿反应(fenton)产生大量的羟自由基，后者可以直接与细胞膜及质膜中的多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUAFs)反应，产生大量ROS，从而发生铁死亡。铁死亡以脂质过氧化为主要特征，脂质过氧化是指自由基或非自由基等氧化剂攻击含有碳–碳双键的脂质，特别是PUAFs的过程。脂质过氧化产物大量积累可以通过影响蛋白质结构改变或影响相关的信号传导途径来促进病理生理过程[19]。目前研究发现铁死亡的机制主要分为胱氨酸/GSH/GPX4轴，铁死亡抑制因子1 (ferroptosis suppressor protein 1, FSP1)/CoQ10/NADPH途径，二氢乳清酸脱氢酶(dihydroorotate dehydrogenase, DHODH)途径以及GTP环化水解酶1 (GTP cyclohydrolase 1, GCH1)/四氢生物喋呤(tetrahydrobioterin, BH4)途径。这些通路机制都是通过调控GSH，CoQ10等胞内还原因素进而调控ROS来控制脂质过氧化和铁死亡[20]。细胞膜上的胱氨酸/谷氨酸反转运体(Xc-系统)，通过将胞外胱氨酸与胞内谷氨酸的交换来促进谷胱甘肽(GSH)的合成[21]。还原性谷胱甘肽作为抗氧化剂，是还原ROS的主要机制。谷胱甘肽也是谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)的底物，转变为氧化型谷胱甘肽(GSSG)。增加GSH的表达可以抑制铁死亡[22]。同时除了间接作用于GSH，消除GPX4也可以导致细胞铁死亡，例如GPX4抑制剂，3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A (3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A, HMG-CoA)还原酶等。GPX4基因敲除后可以通过脂质过氧化，导致细胞产生具有高度细胞毒性的氧化产物，这些氧化产物会如级联反应一般加速积累，进而迅速加重动脉粥样硬化。有研究证实，通过利用GPX4的过表达来抑制ApoE-/-小鼠中的铁死亡可以达到减轻主动脉中的动脉粥样硬化病变的效果[23]。同时有研究发现，木香内酯(micheliolide, MCL)作为一种具有抗癌及抗炎作用的倍半萜内酯能够通过激活NRF2以及提高巨噬细胞内GPX4水平从而显著缓解小鼠动脉粥样硬化斑块的进展，体外实验表明MCL能够有效改善线粒体功能，减轻氧化应激，抑制ox-LDL诱导的巨噬细胞铁死亡过程[24]。ox-LDL可以通过激活活化的NF-κB上调炎性基因的表达，从而促进炎症的发生及进展以及血管内皮功能障碍，进而引发动脉粥样硬化[25]。此外，也有研究发现血红素加氧酶1 (haem oxygenase 1, HO-1)可以催化血红素降解产生Fe²⁺，从而导致线粒体铁超载(iron overload)，继而引起线粒体铁死亡。Wu等人[26]证实表达HO-1的HMOX1基因是与铁死亡有关的一种必需的差异表达基因(differential expression gene, DEG)，发现HMOX1在动脉粥样硬化斑块中的高表达伴随着基质金属蛋白酶(MMPs)的产生和M0巨噬细胞的浸润，同时也有研究发现在高糖高脂喂养的细胞模型中，HMOX1缺失可以减少铁超载、ROS产生以及脂质过氧化，从而减少内皮细胞的铁死亡[27]，这也提示了HMOX1是动脉粥样硬化的潜在诊断及治疗标志物。

5. 讨论

铁作为合成线粒体中铁硫簇的主要成分之一，是维持正常细胞功能必不可少的。它对于维持细胞能量代谢、电活动等至关重要。铁代谢有着复杂的调控机制，机体通过各种调节来维持铁的动态平衡。无论是铁过载抑或是铁缺乏，都会对机体产生影响。铁缺乏(iron deficiency, ID)常见于心血管疾病患者，高达60%的冠心病患者患有ID [28]，因此铁对于维持心脏正常生理功能是不可或缺的。铁调素对于维持铁的稳态至关重要。肝脏中的铁调素基因表达由炎性细胞因子IL-6和IL-1b诱导，铁调素与FPN结合并诱导FPN的降解，因此铁调素是决定了FPN表达的关键因素，铁调素高表达时可以与FPN结合从而降低细胞中铁的外排，从而导致血清铁减少，反之则会导致铁超载。铁调素的缺乏与巨噬细胞中促炎表型的表达减少有关，此外，巨噬细胞消耗铁与ABCA1 mRNA表达增加和巨噬细胞对ox-LDL整体摄取减少有关[29]，而ox-LDL对于动脉粥样硬化中泡沫细胞的形成至关重要。因此，通过降低铁调素来降低巨噬细胞内的铁含量，可能是一种治疗动脉粥样硬化的新方法，但目前尚未有关于铁调素在动脉粥样硬化中特定作用的临床研究。Liu等人[30]发现红系Jak2V617F表达通过红细胞吞噬和巨噬细胞铁死亡来促进动脉粥样硬化。Yu等人[31]发现高尿酸血症(hyperuricemia, HUA)可以通过靶向NRF2介导的自噬功能障碍和铁死亡来促进动脉粥样硬化，而且发现通过激活NRF2增强自噬和抑制铁死亡可以减轻HUA诱导的动脉粥样硬化。在一个小鼠模型中，编码铁调素的基因(HAMP)过表达可以促进动脉粥样硬化的发展，HAMP-/-Ldlr-/-小鼠表现出在主动脉巨噬细胞中铁含量降低以及主动脉巨噬细胞活性下降[29]。铁调素是维持铁稳态的关键因素，有研究发现铁调素可以通过激活的NF-κB通路参与铁调素/FPN/SLC7A11轴促进巨噬细胞铁死亡，从而促进动脉粥样硬化的进展[32]，抑制铁调素活性可以降低巨噬细胞的促炎能力，从而延缓早期斑块的发生发展。除了血红素加氧酶、铁调素以外，半胱氨酸缺乏、谷胱甘肽消耗和GPX4的失活也被证明会促进铁死亡[33]。研究人员指出，谷胱甘肽缺乏是这些动物细胞内抗氧化防御抑制的核心，因此谷胱甘肽在动脉粥样硬化的发病机制中具有一定作用。

本文就铁的吸收利用代谢过程以及动脉粥样硬化发生发展过程及其两者之间的关系进行了综述，铁的代谢是受到多种因素高度调节的，而铁参与动脉粥样硬化发生发展的病理机制仍有争议。目前研究认为铁会通过以NTBI过量从而直接导致动脉内铁蓄积，加速动脉粥样硬化斑块的形成或以铁死亡的形式通过改变正常巨噬细胞的生理功能，来影响动脉粥样硬化的发生发展，铁调素在疾病发生发展中的作用也不可或缺，铁调素可以促进巨噬细胞炎性因子的表达，进而改变其吞噬脂质的能力，从而影响动脉粥样硬化的发展。目前关于铁超载及动脉粥样硬化两者之间的因果关系仍有争议，但目前研究大多认为铁超载以及铁死亡会加重动脉粥样硬化，同时临床上也可以通过应用铁螯合剂治疗铁超载相关心肌病病人的预后，但铁螯合剂对于动脉粥样硬化病人的应用目前仍需要临床试验来证实其安全性及可靠性。由于临床上动脉粥样硬化病人大多表现为铁缺乏，因此需要对关于铁及其在动脉粥样硬化中的作用来做进一步的研究。综上，目前研究认为铁参与动脉粥样硬化发生过程的前期，即参与巨噬细胞吞噬脂质过程，铁稳态的失衡通过引起巨噬细胞铁超载或铁死亡，继而影响巨噬细胞功能，从而诱发或加剧动脉粥样硬化的形成。未来研究可以进一步探索铁死亡的调控分子在动脉粥样硬化中的作用，特别是铁调素抑制剂在心血管疾病预防中的潜力。此外，铁死亡与其他炎症性疾病的联系也值得深入研究。

基金项目

陕西省科技厅项目，面上项目(22-JM-520)。

NOTES

^*通讯作者。