铁死亡相关通路与癫痫致病机制的研究进展

Research Progress on Ferroptosis-Related Pathways and the Pathogenic Mechanisms of Epilepsy

摘要: 癫痫作为一种常见的神经系统疾病，尽管过去几十年在临床诊断及治疗方面取得了显著进展，但其潜在发病机制仍未完全阐明，特别是导致持续性神经元损伤和癫痫复发的分子机制。近年来，铁死亡这一新型程序性细胞死亡方式在癫痫的发生发展中逐渐受到关注。研究表明，铁死亡通路的异常激活在癫痫及癫痫所致的神经元损伤中扮演关键角色，而靶向铁死亡相关分子的干预策略已在动物模型中展现出显著疗效。深入理解铁死亡与癫痫的交互作用，有望为癫痫的预防和治疗提供新的理论依据与药物研发靶点。本文系统梳理了铁死亡通路的分子机制及其与癫痫致病过程的关联，分析不同药物及天然化合物在调控铁死亡通路改善癫痫症状中的最重要作用。

Abstract: Epilepsy, a common neurological disorder, has witnessed significant advancements in clinical diagnosis and treatment over the past few decades. However, its underlying pathogenic mechanisms, particularly the molecular mechanisms leading to persistent neuronal damage and epileptic recurrence, remain not fully elucidated. In recent years, ferroptosis, a novel form of programmed cell death, has attracted increasing attention in the occurrence and development of epilepsy. Studies have demonstrated that the abnormal activation of the ferroptosis pathway plays a crucial role in epilepsy and epilepsy-induced neuronal damage, while intervention strategies targeting ferroptosis-related molecules have shown remarkable efficacy in animal models. An in-depth understanding of the interaction between ferroptosis and epilepsy is expected to provide new theoretical bases and drug development targets for the prevention and treatment of epilepsy. This article systematically reviews the molecular mechanisms of the ferroptosis pathway and its association with the pathogenic process of epilepsy, and analyzes the most important roles of different drugs and natural compounds in regulating the ferroptosis pathway to improve epileptic symptoms.

1. 引言

癫痫(Epilepsy)是最常见的慢性神经系统疾病之一，其特征是发作性、反复性、短暂性、刻板性的痫样发作，全球约有5000万人受此影响。其病理基础为大脑神经元异常放电导致的反复发作性抽搐、意识障碍等。近年来新型抗癫痫药物(ASMs)的研发取得了显著进展，但仍有30%的患者面临药物难治性癫痫的困扰，且现有药物常伴随认知障碍、肝损伤等不良反应[1]。所以，现需深入探索癫痫的病理机制并开发新的治疗策略，为癫痫的诊断、治疗提供新的方向。

铁死亡(Ferroptosis)是2012年由Stockwell团队首次定义的一种铁依赖的脂质过氧化驱动的程序性细胞死亡方式，其分子机制与传统的凋亡、坏死显著不同[2]。研究表明，铁死亡在多种神经退行性疾病中扮演关键角色，包括帕金森病、阿尔茨海默病及缺血性脑卒中等[3]。在癫痫领域，越来越多的证据显示铁死亡通路的异常激活与癫痫所致的神经元损伤及认知功能障碍密切相关[4]。本文将从铁死亡的分子机制出发，阐述其在癫痫发生发展中的作用，并总结靶向铁死亡通路的干预策略在癫痫治疗中的研究进展。

2. 铁死亡的分子机制与调控网络

2.1. 铁死亡的核心调控通路

铁死亡的发生依赖于铁离子介导的脂质过氧化反应，其分子机制涉及多个关键信号通路的交互调控。核因子E2相关因子2 (Nrf2)/谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)通路是铁死亡调控的核心环节。正常生理状态下，Nrf2与Kelch样ECH相关蛋白1 (Keap1)结合并处于泛素化降解状态；当细胞内部发生氧化应激时，Nrf2与Keap1解离并转位至细胞核，启动抗氧化基因的转录，其中GPX4作为关键效应分子，可催化谷胱甘肽(GSH)还原脂质过氧化物，从而抑制铁死亡[5]。研究表明，GPX4的缺失可显著降低细胞对铁死亡的抵抗能力，而Nrf2的激活则通过上调GPX4表达发挥保护作用[6]。

另一条重要通路是高迁移率族蛋白B1 (HMGB1)/晚期糖基化终末产物受体(RAGE)/Toll样受体4 (TLR4)/核因子κB (NFκB)信号轴。HMGB1作为一种损伤相关分子模式(DAMP)，在细胞损伤时释放并与RAGE和TLR4结合，激活NFκB通路，促进炎症因子如肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、白细胞介素-1β (IL-1β)的表达，进而加剧脂质过氧化和铁死亡[7] [8]。在神经系统中，该通路的异常激活与神经炎症和神经元死亡密切相关[9]。

2.2. 铁代谢与脂质过氧化的调控

铁离子的异常蓄积是引发细胞铁死亡的关键因素。细胞内铁稳态受转铁蛋白受体(TfR1)、铁蛋白(Ferritin)及铁调素(Hepcidin)等分子的精密调控。在癫痫模型中，血脑屏障破坏导致外周铁离子内流增加，同时神经元内铁蛋白降解增强，共同导致游离铁离子的蓄积[10]。游离铁通过芬顿(Fenton)反应催化活性氧(ROS)生成，诱导多不饱和脂肪酸(PUFAs)的过氧化反应，最终导致细胞膜结构破坏和细胞死亡，即铁死亡[11] [12]。

脂质过氧化的调控涉及多种酶类，包括酰基辅酶A合成酶家族成员4 (ACSL4)、脂氧合酶(LOX)及环氧化酶(COX)等。ACSL4可催化花生四烯酸使PUFAs与辅酶A结合，为脂质过氧化提供关键底物，而LOX则进一步促进脂质过氧化物的生成[13]。在脑损伤模型中，ACSL4和LOX的表达显著上调，与神经元铁死亡程度呈正相关[14]。

3. 铁死亡通路与癫痫的病理关联

3.1. 癫痫模型中的铁死亡证据

在戊四氮(PTZ)诱导的癫痫模型中，研究发现小鼠海马区存在脂质过氧化产物MDA升高、抗氧化物质GSH含量降低的氧化应激相关变化，提示脂质过氧化损伤的发生[15]。同时，小鼠全脑内脂质过氧化产物MDA水平显著升高，内源性抗氧化酶SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性显著降低，这些变化均符合铁死亡的病理特征[16]。类似的结果在海人酸(KA)诱导的颞叶癫痫模型中也得到证实：KA注射后小鼠海马区GPX4表达下调，Nrf2核转位减少，同时观察到细胞内MDA水平升高及线粒体形态异常，表明KA通过抑制Nrf2/GPX4通路促进铁死亡[17]。

在KA诱导的癫痫小鼠模型中，发现基因位点microRNA-211-5p和嘌呤能受体P2X 7 (P2RX7)，降低癫痫小鼠海马内P2RX7可能通过抑制丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/细胞外信号调节激酶(ERK)通路调控GPX4/血红素加氧酶-1 (HO-1)轴，从而改变癫痫小鼠癫痫发作的严重程度及铁死亡[18]。该结果提示了在癫痫模型中存在与铁死亡相关的分子调控机制。此外另一项研究发现，赖氨酰氧化酶(LysOX)通过激活ERK依赖的花生四烯酸5-脂氧合酶(Alox5)磷酸化介导神经元铁死亡从而加重癫痫脑损伤[19]。这些研究进一步说明铁死亡在癫痫进程中发挥作用。

3.2. 铁死亡介导的神经环路损伤与功能障碍

癫痫患者在长期的病程中，常常伴随着慢性的神经环路损伤，并表现出不同程度的功能障碍，如认知功能减退、记忆力和学习能力下降等。铁死亡通过调控铁代谢失衡、脂质过氧化及抗氧化通路功能，显著影响海马、皮层等关键脑区的结构完整性与生理功能，并与癫痫引发的认知、情感障碍密切相关。根据相关研究，东莨菪碱(Scopolamine)诱导的小鼠记忆障碍模型中，毛茛糖苷上调小鼠脑内Nrf2的表达，进而促进其下游靶蛋白HO-1的表达增加。Nrf2表达升高可增强细胞对氧化应激的防御能力，HO-1表达升高则能直接提升ROS清除效率，减少氧化损伤产物堆积；同时，毛茛糖苷还通过抑制核因子κB (NF-κB)及其下游炎症标志物(环氧化酶-2，COX-2；肿瘤坏死因子-α，TNF-α)的表达，减轻神经炎症对氧化应激的叠加效应，进一步降低大脑氧化应激水平，最终改善记忆功能[20]。另外，给予Nrf2激动剂萝卜硫素可显著改善小鼠认知功能[21]，其机制可能与上调GPX4表达、降低MDA水平相关。在脓毒症相关性脑病大鼠模型中，海马区铁沉积增加引发神经元铁死亡，导致神经细胞损伤、突触结构破坏，进而诱发认知功能障碍，而铁离子螯合剂可通过激活Nrf2/GPX4通路减少铁死亡，改善认知缺陷[22]。前额叶皮层作为认知调控核心脑区，其铁超载引发的铁死亡会破坏Xc⁻/GPx4抗氧化通路，导致神经元丢失及神经环路异常，加剧学习记忆能力下降[23]。癫痫发作时，脑内氧化应激增强可诱发关键脑区铁死亡，海马神经元损伤进一步加重癫痫相关认知障碍，皮层铁死亡介导的神经炎症则可能参与癫痫合并情感异常的病理过程，形成“铁死亡–脑区损伤–癫痫相关障碍”的恶性循环。

4. 靶向铁死亡通路的抗癫痫相关药物

4.1. 天然化合物的神经保护作用

合欢花(Albizia adianthifolia)是一种用于治疗癫痫和记忆障碍的传统中药草，该植物的提取物在PTZ诱导的癫痫模型中表现出显著的抗惊厥作用，其机制与调节氧化应激和铁死亡通路相关[24]。研究显示，提取物可上调Nrf2/GPX4通路活性，增加GSH含量并降低MDA水平[25]。在行为学测试中，提取物处理组小鼠的自发交替行为和新物体识别指数显著改善，提示其对癫痫相关认知障碍的保护作用[24]。香草醛(Vanillin)作为天然酚类化合物，在PTZ诱导的癫痫模型中通过激活Nrf2/GPX4通路发挥神经保护作用。实验显示，经香草醛预处理可延长癫痫发作潜伏期，降低MDA水平并增加GSH含量[15]。分子机制研究表明，香草醛能激活Nrf2/HO-1信号通路，减轻顺铂诱导的肾损伤，表现出抑制氧化应激、炎症和细胞凋亡的作用[26]。虾青素(Astaxanthin)作为一种强效抗氧化剂，在KA诱导的癫痫模型中表现出明显的抗铁死亡作用。研究发现，虾青素可通过激活Nrf2/GPX4通路，减少海马区铁离子蓄积和脂质过氧化，同时抑制小胶质细胞活化和促炎因子释放[17]。另一项研究表明虾青素在戊四氮诱导的癫痫模型大鼠中表现出抗癫痫和抗炎作用，能够增强丙戊酸的抗癫痫效果，减轻氧化应激和炎症反应[27]。

4.2. 合成药物的铁死亡调控作用

布立西坦(Brivaracetam)与卢非酰胺(Rufinamide)这两种抗癫痫药物的联合应用在角膜点燃模型中表现出协同抗惊厥作用[28]。据相关报道，布立西坦通过结合突触囊泡蛋白2A (SV2A)调节神经递质释放[29]。值得关注的是，使用铁超载诱导剂处理小鼠海马神经元细胞(HT22)，发现右美托咪定预处理可显著降低铁死亡标志物前列腺素内过氧化物合成酶2 (PTGS2)和脂酰辅酶A合成酶4(ACSL4)的蛋白及基因表达水平，同时减少细胞内脂质氧化水平[30]。芬布芬(Fenoprofen)作为非甾体抗炎药，芬布芬在PTZ诱导的癫痫模型中通过调节氧化应激发挥作用。芬布芬预处理可降低小鼠血清中一氧化氮(NO)水平，增加GSH和CAT活性，同时下调海马区TNF-α和NFκB的表达[31]。组织学观察中还发现，芬布芬可减轻PTZ诱导的海马神经元皱缩和嗜酸性变，其机制与抑制铁死亡相关的线粒体损伤密切相关[31]。这些发现也许能为与抑制铁死亡相关的联合用药提供思考。

4.3. 铁死亡抑制剂的治疗潜力

铁抑素-1 (Fer-1)作为经典铁死亡抑制剂，Fer-1在多种癫痫模型中展现出显著的神经保护作用。在PTZ点燃和匹鲁卡品诱导的癫痫小鼠模型中，Fer-1可有效减轻癫痫发作，其机制是通过提高GPX4和GSH水平，抑制脂质降解产物(如4-羟基壬烯醛、丙二醛)，减少铁积累和下调前列腺素内过氧化物合成酶2RNA (PTGS2 mRNA)的表达[32]，证明了Fer-1在不同癫痫模型中的神经保护作用。机制研究中，Fer-1通过抑制脂氧合酶活性，阻断PUFAs的过氧化反应，证实其可保护神经元免受铁死亡损伤[33]。黄芩素(Baicalein)是中药黄芩中提取的一种有机化合物，近年来被作为铁死亡抑制剂，在创伤后癫痫发作模型中发挥神经保护作用。在动物实验中，黄芩素对PTZ诱导的急性癫痫小鼠模型表现出显著干预效果，能延长癫痫全面强直–阵挛发作潜伏期，降低发作率与死亡率；同时通过HE染色和尼氏染色证实，其可减少前额叶皮层及海马体CA1区炎性细胞浸润，保护神经元形态完整，改善癫痫相关脑区的病理损伤[34]。这些效应与抑制铁死亡后减轻神经元氧化损伤的结果一致。

5. 当前挑战

5.1. 基础研究中的关键问题

尽管铁死亡在癫痫中的作用已得到广泛证实，仍有若干关键科学问题等待解决。其一，铁死亡在癫痫病理进程中的因果关系，现有证据多支持其作为下游效应参与神经元损伤，但铁死亡异常激活是否为癫痫发作的始动因素尚未明确，需进一步理清其与神经元异常放电的时序关联。铁死亡在癫痫不同阶段(如急性期、慢性期)的时空分布规律尚不明确，缺乏动态监测手段[35]。其二，铁死亡与其他细胞死亡方式(如凋亡、焦亡)的串扰在癫痫中的病理意义尚未阐明，这可能影响靶向治疗的特异性。目前常用的PTZ与KA模型可有效模拟癫痫发作及铁死亡相关病理变化，如PTZ模型中出现脂质过氧化产物升高、抗氧化酶活性下降，KA模型中存在GPX4下调、Nrf2核转位减少等铁死亡特征，可用于验证铁死亡通路在癫痫中的作用及干预药物效果；匹鲁卡品模型在Fer-1的神经保护研究中展现价值，能支撑铁死亡抑制剂的抗癫痫潜力评估。然而动物模型的局限性也是制约研究进展的重要因素。PTZ和KA模型主要模拟全面性强直–阵挛发作，而对于临床常见的颞叶癫痫模型(如匹罗卡品模型)中铁死亡的研究仍较为有限[17]。现有研究中针对慢性癫痫病程的模型应用较少，难以完全反映癫痫慢性进展中的铁死亡动态变化。此外，啮齿类动物与人类在铁代谢和血脑屏障结构上的差异，可能导致动物实验结果向临床转化的偏差[28]。

5.2. 临床转化面临的挑战

靶向铁死亡的抗癫痫药物研发面临多重挑战。铁死亡抑制剂的药代动力学特性待优化，如Fer-1的口服生物利用度低，需通过静脉给药，限制了其长期应用。其次，铁死亡在中枢神经系统的时空特异性调控难度较大，全身给药可能引发外周组织的不良反应，如肝脏铁过载等[36]。生物标志物的缺乏是另一大瓶颈。目前临床常用的癫痫生物标志物，如神经元特异性烯醇化酶(NSE)缺乏对铁死亡通路的特异性反映，而新型标志物(如血清4-HNE、铁调素)的临床验证仍需大规模队列研究[37]。开发无创性监测铁死亡的影像学技术(如PET探针)将有助于癫痫的早期诊断和疗效评估[10]。

6. 小结与展望

Nrf2/GPX4通路作为铁死亡调控核心，正常状态下Nrf2与Keap1结合降解，氧化应激时核转位激活GPX4转录，通过催化GSH还原脂质过氧化物抑制铁死亡；而癫痫模型中，铁超载经Fenton反应促ROS生成，激活ACSL4、LOX介导脂质过氧化，同时抑制Nrf2核转位与GPX4表达，形成“铁代谢失衡–脂质过氧化增强–Nrf2/GPX4通路抑制”的负向循环加剧铁死亡。细胞损伤释放的HMGB1结合RAGE、TLR4激活NFκB通路，促进TNF-α、IL-1β释放增强脂质过氧化并抑制Nrf2/GPX4通路，而Nrf2激活可通过上调抗氧化基因拮抗NFκB介导的炎症与铁死亡，二者相互调控。MAPK/ERK通路则双向调控铁死亡，癫痫模型中P2RX7表达降低可抑制该通路，通过调控GPX4/HO-1轴抑制铁死亡，而LysOX可激活ERK依赖的Alox5磷酸化，促进脂质过氧化与神经元铁死亡；这些铁死亡通路的异常激活在癫痫的发生发展中扮演关键角色，其通过调控氧化应激、神经炎症和血脑屏障功能参与癫痫发作和认知损伤的病理过程，而靶向铁死亡相关分子(如Nrf2/GPX4、HMGB1/RAGE/TLR4/NFκB)的干预策略已在多种动物模型中展现出显著的抗癫痫和神经保护作用，为癫痫的治疗提供了新的理论依据和药物研发靶点。但基础研究中的机制复杂性和临床转化面临的挑战仍需深入探索，未来研究应聚焦于铁死亡的时空调控、细胞特异性机制及新型靶向药物开发，包括开发脑靶向铁死亡调节剂(如借助血脑屏障载体系统提升药物脑内浓度)、探索铁死亡与神经炎症及突触重塑的交互作用以挖掘多靶点联合治疗策略、利用单细胞测序技术解析不同细胞类型在铁死亡中的特异性反应以支撑细胞选择性治疗、开展铁死亡标志物与癫痫预后的相关性研究以建立基于分子特征的个体化治疗方案，以期为癫痫的精准治疗开辟新途径。

致 谢

本文章的完成离不开多方支持与帮助。首先，衷心感谢达州市中医药管理局的资助，为神经机制探索等实验提供关键经费保障；同时感谢所有资助者与支持者的信任，感谢导师在神经病理机制解析、文章结构、语言表达上的指导，也感谢《Neurobiology of Disease》《Journal of Neuroimmunology》等期刊文献所有者，承蒙许可转载引用，为本研究奠定重要理论依据。谨向所有给予支持的个人与机构致以诚挚谢意。

基金项目

2025年达州市中医药管理局科研项目(编号：2025LHZRPY01)。

NOTES

^*通讯作者。