基于铁死亡机制探讨防治动脉粥样硬化的研究进展

Research Progress on the Prevention and Treatment of Atherosclerosis Based on the Mechanism of Ferroptosis

摘要: 动脉粥样硬化是许多严重心血管疾病的基本病理状态，以脂代谢障碍为特征。铁死亡是一种新的程序性细胞死亡方式，主要由铁依赖性脂质过氧化物介导。铁死亡参与许多疾病的病理过程，包括癌症、创伤性脑损伤、神经退行性疾病以及多种心血管疾病。近年来，大量的研究表明铁死亡是动脉粥样硬化病变进展的关键因素，本文论述了铁死亡的机制以及铁死亡在血管内皮功能障碍、巨噬细胞极化、泡沫细胞形成、血管平滑肌增殖迁移等动脉粥样硬化病理过程中的作用，并总结了多种可以抑制铁死亡治疗动脉粥样硬化的相关研究进展，意在为以铁死亡为靶点的动脉粥样硬化的防治提供思路。

Abstract: Atherosclerosis is the underlying pathological state of many serious cardiovascular diseases and is characterized by impaired lipid metabolism. Ferroptosis is a new mode of programmed cell death mediated primarily by iron-dependent lipid peroxidation. Ferroptosis residues the pathologic processes of many diseases, including cancer, traumatic brain injury, neurodegenerative diseases, and many cardiovascular diseases. In recent years, a large number of studies have shown that ferroptosis is a key factor in the progression of atherosclerotic lesions. This article discusses the mechanism of ferroptosis and the role of ferroptosis in atherosclerotic pathological processes, such as vascular endothelial dysfunction, macrophage polarization, foam cell formation, and proliferation and migration of vascular smooth muscle. We also summarize the progress of various studies that can inhibit ferroptosis in the treatment of atherosclerosis, with the intention of providing ideas for the prevention and treatment of atherosclerosis targeting ferroptosis.

1. 引言

动脉粥样硬化是心血管疾病的重要病理生理基础，心血管疾病是全世界人类死亡的主要原因之一。动脉粥样硬化是一种慢性炎症性病变，其病变部位为动脉壁。其病变过程涉及内皮细胞、血管平滑肌细胞以及巨噬细胞等。铁死亡是一种以细胞内铁积累以及脂质过氧化为特征的新型程序性细胞死亡，有研究表明其是导致动脉粥样硬化的关键因素之一[1]。

2. 铁死亡概述

铁是人体必需的金属，是制造血红蛋白和肌红蛋白的主要原料。此外，铁对细胞活力至关重要，并参与广泛的生化和生理过程，包括氧气储存和运输，线粒体呼吸，DNA合成与修复，以及细胞中的酶促反应。铁还与血色素沉着症、癌症、心血管疾病等多种疾病的病理机制有关[2] [3]。2012年，Dixon首次提出了铁死亡的概念，铁死亡是一种以脂质活性氧(ROS)积累为特征的铁依赖性非凋亡细胞死亡模式。传统上，细胞死亡模式有四种分别为自噬、坏死、凋亡、焦亡，它们具有独特的生物学过程和病理生理特征。铁死亡在细胞形态和功能上与上述四种细胞死亡模式存在明显不同[4] [5]。形态学上，铁死亡主要表现为线粒体明显萎缩、膜密度增加、线粒体嵴减少或消失[6]，不具有细胞体积缩小，细胞核染色质凝聚、碎裂，细胞肿胀、细胞膜破裂等特征。铁死亡的发生主要依赖于氨基酸抗氧化系统失衡、铁代谢紊乱、脂质过氧化物聚集。最近的研究表明，铁死亡与许多疾病的病理生理过程联系密切，抑制铁死亡成为了相关疾病预防、治疗以及改善预后提高患者生存质量的关键因素。

3. 铁死亡的相关机制

细胞在正常代谢代谢过程中一方面可以产生过氧化物脂质的底物和氧化，一方面又可以产生防治脂质过氧化的抑制剂。而铁死亡的发生过程必然存在着脂质过氧化，并且阻止这种脂质过氧化积累的天然防御机制必然会受到损害。

3.1. GPX4相关机制

胱氨酸(Cystine)经嵌于细胞膜表面的SLC7A11和SLC3A2二聚体(SystemXc-)进入细胞，然后被氧化成半胱氨酸(Cysteine)，然后经谷氨酸–半胱氨酸连接酶(GCLC)和谷胱甘肽合成酶(GSS)催化合成谷胱甘肽(GSH)。谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)作为一种硒蛋白，能够利用GSH将细胞中过氧化磷脂(PUFA phospholipid hydroperoxides, PUFA-PL-ooHs)还原成非致命性PUFA磷脂醇(PUFA phospholipidalcohols, PUFA-PLoHs)，进而起到抵制细胞铁死亡的作用。Erastin和RSL3代表着前两类铁死亡诱导化合物，前者通过抑制xc-阻滞胱氨酸的摄取，引起细胞内半胱氨酸耗尽，进而导致膜结构发生破坏导致细胞的死亡；后者通过抑制GPX4发挥作用，使过氧化磷脂堆积，进而诱导细胞铁死亡的发生。

3.2. 铁代谢紊乱相关机制

铁在铁死亡中发挥重要作用，主要以Fe²⁺形式存在的小铁池被称为不稳定铁池(LIP)，可通过芬顿反应直接催化自由基的形成，并进一步促进脂质过氧化。此外，铁和铁的衍生物，如血红素或铁硫[Fe-S]簇，对产生ROS的酶的活性至关重要，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢化物(NADPH)氧化酶(NOX)、lipoxgenase (LOX)和线粒体电子传递复合体，它们可以促进ROS的产生。

3.3. 脂质过氧化物聚集相关机制

铁依赖的脂质活性氧积聚在所有铁死亡途径中都有参与，脂质代谢和铁死亡紧密相连。多不饱和脂肪酸(PUFA)对脂质过氧化极为敏感，属于铁死亡的关键要素之一。游离的PUFAs是合成脂质信号转导介质的底物，不过它们得酯化成膜磷脂且被氧化后才能传递铁死亡信号。有研究显示，包含花生四烯酸(AA)或其衍生物肾上腺素的磷脂酰乙醇胺(PE)是诱导细胞铁死亡的重要磷脂。乙酰辅酶A合成酶长链家族4 (Acyl-CoA synthetase long-chain family member 4, ACSL4)和溶血卵磷脂酰基转移酶(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3, LPCAT3)会参与磷脂酰乙醇胺的生物合成与重塑，激活多不饱和脂肪酸并对其跨膜特性产生影响。所以降低ACSL4和LPCAT3的表达能够减少过氧化脂质底物在细胞内的积聚，进而对铁死亡起到抑制作用。最终，PUFA-PE能够在脂氧合酶(LOX)的催化下进一步发挥氧化功效，并最终促使细胞铁死亡。

3.4. 其他机制

3.4.1. 铁死亡抑制蛋白1NAD(P)H/FSP1/CoQ10途径

铁死亡抑制蛋白1 (FSP1)属于一种CoQ氧化还原酶。就其机制而言，因为FSP1具备NADH：泛醌还原酶活性，所以可以对泛醌进行还原以形成泛醇，进而直接降低脂质自由基的产生，或者推动维生素E的再生，以此来对脂质的过氧化以及铁死亡起到抑制作用。

3.4.2. 二氢乳清酸脱氢酶DHODH途径

DHODH可以通过产生线粒体内膜CoQH2从而在线粒体中抑制铁死亡，这是因为CoQH可以作为一种自由基捕获型抗氧化(radical trapping antioxidant)来阻止脂质过氧化，从而抑制铁死亡。

3.4.3. 环GTP水解酶1 (GTP cyclohydrolase, GCH1)/四氢生物喋呤(BH4)

GCH1通过其代谢产物二氢喋呤(BH2)和四氢喋呤(BH4)来抑制铁死亡。

主要通过两个方面的机制来抑制铁死亡：

GCH1产生亲脂性氧化剂BH4，其功能类似于CoQ10以防止脂质过氧化；

GCH介导脂膜环境的重塑从而增加还原CoQ10的丰度，同时消耗铁死亡的诱导因素PUFA-PL。

3.4.4. 铁蛋白自噬

铁蛋白自噬(Ferritinophagy)是指通过自噬途径降解铁蛋白(Ferritin)，从而释放铁离子并调节细胞内铁代谢的过程。铁蛋白自噬主要通过核受体辅激活因子4 (NCOA4)介导。NCOA4作为选择性自噬受体，能够识别铁蛋白重链(FTH1)，将其包裹在自噬体中，并运输至溶酶体进行降解。这一过程释放的游离铁离子可增加细胞内不稳定铁池(LIP)水平，进而促进铁死亡。

3.4.5. 脂质自噬

脂质自噬通过降解脂滴，释放游离脂肪酸(FFAs)，这些脂肪酸可以作为线粒体β-氧化的底物，同时促进脂质过氧化。脂质过氧化是铁死亡的核心特征之一，其积累会导致细胞膜损伤，最终诱导铁死亡。脂质自噬过程中，脂滴的降解可能伴随铁离子的释放，增加细胞内不稳定铁池(LIP)水平。铁离子通过芬顿反应催化脂质过氧化，进一步推动铁死亡的发生。

3.4.6. 线粒体代谢障碍

线粒体代谢障碍是指由于遗传缺陷或环境因素导致线粒体代谢酶功能异常，影响ATP合成和能量供应的一类疾病。线粒体代谢障碍导致铁硫簇合成受损，进而使细胞内铁离子与ROS增加，促进铁死亡的发生。

4. 铁死亡与动脉粥样硬化相关细胞

4.1. 内皮细胞与铁死亡

血管内皮细胞损伤与功能障碍是动脉粥样硬化的起始环节。大多数心血管疾病的病理因素如感染、缺氧、高脂血症等均可引起内皮细胞活化导致内皮功能障碍及形态学改变[7]。铁离子过多可导致血管内皮细胞内铁超载，诱导脂质过氧化，破坏细胞膜的完整性，引发内皮细胞铁死亡。内皮细胞的损伤和死亡会破坏血管内皮的完整性，增加血管通透性，促进脂质和炎性细胞的浸润，加速动脉粥样硬化的发生。Bai等[8]在对动脉粥样硬化小鼠模型的研究中发现了脂质过氧化、铁积累、GPX4下调等铁死亡相关特征，在使用铁死亡抑制剂Fer-1干预后，发现脂质过氧化被抑制、铁离子明显减少、动脉粥样硬化斑块的面积减少。

4.2. 巨噬细胞与铁死亡

巨噬细胞是一种吞噬性免疫细胞，存在于各个组织中，在免疫系统中起着重要作用。巨噬细胞摄取有害颗粒或微生物维持宿主防御，产生细胞因子或ROS，用于攻击外来物质，也可能损害正常细胞，引起慢性疾病。巨噬细胞可分为M1 (典型激活或促炎症巨噬细胞)型和M2型(替代激活或抗炎巨噬细胞)。M1型巨噬细胞可释放TNF-α、IL-1a、IL-1β、IL-6、IL-12和IL-23等促炎因子，促进炎症反应。M2型巨噬细胞则有助于斑块消退。铁代谢影响巨噬细胞极化，M1型巨噬细胞中铁含量大于M2型巨噬细胞，铁超载可增加TNF-α、IL-1β、IL-6等M1型巨噬细胞标志物水平，促进巨噬细胞向M1型极化[9]。铁超载也可以通过增强糖分解来促进巨噬细胞向M1型极化，加剧动脉粥样硬化的发展[10]。铁超载引起的ROS产生和p53乙酰化也有助于M1极化。清道夫受体帮助巨噬细胞吞噬ox-LDL，使巨噬细胞降解形成泡沫细胞[11]。研究表明，在ox-LDL诱导的RAW264.7巨噬细胞来源的泡沫细胞中，铁死亡相关因子p53表达明显升高，而抗氧化酶GPX4与SLC7A11的表达水平显著降低，脂质过氧化物ROS、MDA增多，Fe²⁺水平升高，GSH水平下降表明ox-LDL可以诱导巨噬细胞经过铁死亡途径加快动脉粥样硬化进程。TREM2low泡沫状巨噬细胞是巨噬细胞的一种特殊亚群，具有低氧化磷酸化(OXPHOS)与高铁死亡敏感性的特征，在晚期动脉粥样硬化进程中起重要作用。在TREM2low泡沫状巨噬细胞中HMOX1显著上调导致线粒体功能障碍使细胞内铁积累和脂质过氧化，最终引发铁死亡。

4.3. 血管平滑肌细胞与铁死亡

血管平滑肌细胞(VSMC)在动脉粥样硬化的形成和发展中起关键作用，其作用贯穿于动脉粥样硬化的各个阶段。早期的动脉粥样硬化中，VSMC的表型转换和功能失调是关键步骤。在缺氧、炎症等因素的作用下VSMC从收缩型向合成型转变，并分泌炎症因子等多种物质，使VSMC的增殖和迁移能力增强，形成斑块的纤维帽，促进动脉粥样硬化的进展[12]。铁死亡可以促进VSMC从收缩性转变为合成型，Zhang等[13]发现铁死亡激活剂RSL3导致VSMC中收缩标志物(SM-MHC和calponin1)的蛋白质水平显著降低，但合成标志物OPN显著增加。通过增强抗氧化系统的功能，如补充GSH或使用抗氧化剂N-乙酰-l-半胱氨酸(NAC)，可以减轻铁死亡和VSMC表型转换；使用靶向线粒体的ROS清除剂如MitoTEMPO，可以恢复VSMC的线粒体稳态，减轻动脉粥样硬化[14]。铁死亡引发氧化应激和炎症反应导致斑块内微血管的红细胞渗漏，是造成斑块破裂、出血的主要因素之一。研究表明，红细胞脂质过氧化诱导铁死亡的发生，导致动脉粥样硬化斑块内出血[15]。

5. 抑制铁死亡缓解动脉粥样硬化的策略

5.1. 铁死亡抑制剂

游离铁离子是铁死亡的关键因素，因为它们可以参与芬顿反应，生成有害的ROS，导致脂质过氧化和细胞损伤。铁螯合剂能够结合细胞内的游离铁离子，减少铁离子的积累，从而抑制铁死亡的发生。常用的铁螯合剂有去铁胺(Deferoxamine, DFO, 28)、右雷佐生(Dexrazoxane, DXZ)、铁螯合剂去铁酮(Deferiprone, DFP)、铁死终结者(FerroTerminator1, FOT1)等[16] [17]。Chen等经过研究发现Yes相关蛋白1 (YAP1)可以抑制VSMC的铁死亡，稳定动脉粥样硬化斑块[18]。使用线粒体靶向ROS清除剂(如MitoTEMPO)或抑制线粒体功能障碍相关蛋白(如LONP1)可以抑制泡沫巨噬细胞的铁死亡，缓解动脉粥样硬化[19]。NAC通过多种机制清除ROS从而抑制铁死亡，包括直接与ROS反应、增加GSH合成、调节细胞内氧化还原电势、保护抗氧化酶活性、调节PI3K/AKT信号通路[20]-[24]。ACSL4抑制剂噻唑烷二酮(TZDs)可以抑制RSL3诱导的脂质过氧化与铁死亡[16]。Ferrostatin-1 (Fer-1)与Liproxstatin-1 (Lip-1)是两种机制相似的铁死亡抑制剂，通过抑制脂质过氧化物、保护细胞膜完整性、调节铁代谢来抑制铁死亡，对抗动脉粥样硬化。自由基捕获抗氧化剂(RTAs)包括维生素E与二丁基羟基甲苯(BHT)二者通过抑制脂质过氧化来减少细胞死亡。依达拉奉(Edaravone)是一种自由基清除剂，通过清除过氧自由基来抑制铁死亡[25]。

5.2. 中药单体

Teng等经过研究发现刺五加叶乙醇提取物中的一种主要活性成分Chiisanoside (CSS)可以激活SLC7A11/GPX4通路来减轻细胞的脂质过氧化从而抑制铁死亡[26]。黄芩中的黄芩素可能通过Wnt/β-catenin信号传导通路通过上调GPX4来抑制铁死亡[27]。丹参酮ⅡA (tanshinoneⅡA, TSA)具有广泛的药理作用例如扩张血管、抗病毒、抗菌、抗氧化、抗炎以及抗肿瘤等[28]，研究表明，TSA通过降低细胞内铁含量、降低ROS积累、抑制p53表达、增加SLC7A11表达、抑制Erastin/RSL3轴、激活NRF2途径来减少细胞脂质过氧化，抑制细胞铁死亡，缓解动脉粥样硬化[29] [30]。黄芪甲苷Ⅳ (astragaloside Ⅳ, AS-IV) AS-IV通过提高细胞内GPX4、SLC7A11的表达、降低细胞内游离铁与ROS的水平、来抑制铁死亡，保护内皮细胞，AS-IV也可以缓解线粒体功能和结构障碍[31]。木犀草素(luteolin)可以抗炎、抗氧化，是一种具有多种心脏保护作用的黄酮类化合物[32]。木犀草素通过下调ACSL4表达以及提高GPX4表达，减少ROS积累，抑制氧化应激和炎症反应，来抑制内皮细胞铁死亡，缓解内皮功能障碍，且木犀草素的活性优于铁死亡抑制剂Fer-1 [33]。有研究表明，白藜芦醇(resveratrol)通过调节血脂水平、抗血小板聚集、抗炎、抑制低密度脂蛋白氧化修饰、抑制斑块内新生血管等作用发挥抗动脉粥样硬化作用[34]-[36]。白藜芦醇通过降低细胞内Fe²⁺、ROS和MDA的含量、提高FTH1和GSH的水平、激活SLC7A11/GPX4轴来对抗ox-LDL诱导的铁死亡[37]。银杏素(ginkgetin)通过激活Nrf2/SLC7A11/GPX4通路抑制ox-LDL诱导的内皮细胞铁死亡，使细胞内的ROS、p53、Fe²⁺水平明显降低[38]。柴胡皂苷A通过增加GPX4表达，降低ACSL4表达来自H₂O₂诱导的人脐静脉内皮细胞(HUVEC)铁死亡，从而对抗动脉粥样硬化的发展[39]。虎杖具有抗炎、抗氧化、调血脂、抗动脉粥样硬化等药理作用。虎杖含药血清能抑制细胞线粒体固缩、降低线粒体膜密度，提高SOD、GSH水平，升高GPX4蛋白表达，降低Fe²⁺、MDA、ROS水平，还可以激活Nrf2/HO-1通路，这表明虎杖含药血清能抑制细胞铁死亡[40]。还有一些中药单体/活性成分如芍药苷、槲皮素、茯苓酸、乌头侧根多糖、人参皂苷Rg1等通过降低ROS和Fe²⁺水平，提升SLC7A11/GSH/GPX4表达来抑制铁死亡[41]。

5.3. 中药复方及中成药

二陈汤合桃红四物汤通过增加AS小鼠血清SOD和GSH水平，降低MDA水平，抑制p53表达，提高SLC7A11、GPX4表达来抑制铁死亡，对抗动脉粥样硬化[42]。清心解瘀方可以降低LDL-C和TG水平，稳定动脉粥样硬化斑块，通过减少细胞内铁含量、降低脂质过氧化物酶(lipid peroxidase, LPO)与MDA水平，增加SOD、GSH表达，减少TNF-α等炎症因子，调节GPX4/xCT信号途径来抑制铁死亡[43]，周湘等经过对88名冠心病患者的研究后发现该方能抑制炎症反应，改善血管通透性，扩张血管，故能改善冠心病临床症状，降低心血管不良事件发生，且清心解瘀方联合西医常规治疗的效果要优于单纯西医常规治疗[44]。四君子汤由人参、茯苓、白术、甘草组成，有健脾益气，化痰祛瘀之功效，对动脉粥样硬化的防止可起到关键作用。四君子汤可以减少细胞内Fe²⁺水平，提高GSH水平，显著提升GPX4、xCT、SLC7A11的表达[45]。宋玮等通过研究发现茱萸丸可以减少小鼠主动脉斑块的面积，降低血清中铁离子与MDA含量，降低p53、COX2的表达，提高SOD、GSH-Px水平，升高FTH1、SLC7A11、GPX4的表达[46]。孙孟艳等的研究发现经血管软化丸干预后小鼠主动脉粥样硬化得到改善，这可能与血管软化丸激活Nrf2/xCT/GPX4通路，抑制铁死亡有关[47]。秦合伟等通过对120名患者的临床研究发现血管软化丸可以抑制动脉粥样硬化发展，并且治疗效果优于阿司匹林联合辛伐他汀[48]。芪仙颗粒是一种用于治疗绝经后动脉粥样硬化性心血管疾病的中药复方制剂。有研究发现其中的有效成分淫羊藿苷可以通过促进氧化低密度脂蛋白诱导的动脉粥样硬化小鼠血管内皮细胞损伤和自噬，抑制铁死亡；另一种有效成分丹酚酸B可以通过减少GPX4的泛素蛋白酶体降解和下调ROS-c-Jun N-terminal kinases (JNK)/mitogen-activated protein kinase (MAPK)通路，抑制铁死亡[49]。

6. 结语

动脉粥样硬化的发病机制复杂，关联到三种关键的细胞类别，内皮细胞、平滑肌细胞以及巨噬细胞。铁死亡的出现和GSH合成受到限制、机体内铁的平衡被打破、脂质过氧化物的积聚以及脂肪酸的合成等存在关联，而这些又都和AS的产生紧密相连。在本文中，我们描述了铁死亡信号途径和转录因子和其他调节分子在铁死亡发展中的作用，重点关注这些信号途径和转录因子和其他调节因子在铁死亡和动脉粥样硬化之间的联系。血管不仅仅是一个简单的解剖器官，而是一个具有复杂功能的器官。动脉粥样硬化是心肌梗塞和脑梗塞等多种心脑血管疾病的基础，铁死亡于众多系统性心血管疾病中同样有着极为关键的作用。当下针对动脉粥样硬化和铁死亡的探究依旧处在极为初期的水准，还有很多不足之处，比如铁死亡导致细胞死亡的具体机制尚未完全明确，虽然脂质过氧化是铁死亡的特点，但是具体的哪一类脂质、在哪个细胞器中触发死亡信号以及如何将氧化损伤转化为细胞死亡信号仍需要深入研究；从细胞死亡途径上来看，现有研究显示铁死亡与凋亡、焦亡、坏死等传统细胞死亡途径有明显区别，但铁死亡是否真的独立于传统细胞死亡途径还需要研究与验证；尽管实验室中已发现多种铁死亡调控靶点(如SLC7A11、HMOX1等)，但多数研究停留在细胞或动物模型阶段；在研发铁死亡诱导剂与铁死亡抑制剂时需要注意可能产生的副作用与毒性；目前缺乏能够特异性检测铁死亡的生物标志物，尤其是在活体水平上，现有的检测方法多依赖于脂质过氧化、铁离子水平等间接指标，但这些指标可能受到其他因素的干扰；铁死亡在动脉粥样硬化的致病机制当中以及其引发的其他器官病变的参与里究竟起着怎样的作用？是否还有更有效地抑制铁死亡缓解动脉粥样硬化的方法？我们希望本文能够为动脉粥样硬化与铁死亡之间的关系提供新的见解。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。