,,

技術專欄

鐵死亡在肝纖維化治療中的作用機制

供稿：市場部

發布時間：2023-07-20

瀏覽量：1375次

2012年，哥倫比亞大學Brent R. Stockwell團隊首次提出了一種名為鐵死亡的新型細胞程序性死亡方式。從此，鐵死亡相關研究熱潮逐年攀升。這期小編將帶領大家探究鐵死亡調控與肝纖維化的作用機制。

與細胞凋亡和細胞自噬不同，鐵死亡是一種依賴鐵的過程。鐵死亡的本質是谷胱甘肽(GSH)的耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)活性的降低。當谷胱甘肽過氧化物無法被GPX4催化還原，脂質過氧化物將無法代謝，從而破壞細胞膜的完整性，導致細胞死亡。鐵死亡在形態學、生物化學和遺傳學上有其獨特的表征。

● 形態特征

表現為線粒體體積縮小、雙層膜密度增加，線粒體嵴減少或消失，線粒體外膜破裂；核大小正常，無染色質聚集。

● 生化特征

鐵聚積，脂質過氧化，絲裂原活化蛋白酶(MAPKs)系統激活，胱氨酸-谷氨酸反向轉運體(System Xc-，由SLC7A11的SLC3A2組成的異二聚體)抑制胱氨酸攝取降低，谷胱甘肽(GSH)耗竭，NAPDH氧化增加，釋放花生四烯酸介質(如11-HETE和15-HETE)等。

●免疫特征

釋放損傷相關的分子模式(DAMPs)，促進炎癥反應。

鐵代謝與鐵死亡

鐵是人體中不可或缺的微量元素，對正常的生理功能起著重要作用。鐵在細胞內參與多種生理過程，如氧的轉運、線粒體呼吸、DNA復制和細胞信號傳導。但鐵的生物利用度有限，因為它主要以Fe³⁺離子的形式存在，不溶于水溶液。過量的游離Fe²⁺離子可能引發氧化應激和脂質過氧化。細胞內外的鐵含量由調節系統控制，通過轉鐵蛋白導入和鐵轉運蛋白輸出。增加可變鐵池的鐵含量會增加氧化損傷和鐵死亡的敏感性。通過對鐵死亡的抑制或誘導調控，發現鐵死亡可能是肝纖維化等肝臟疾病中診斷、預防和治療的潛在靶標。

鐵死亡與肝纖維化

纖維化疾病由細胞經歷持續慢性損傷的復雜病理過程發展而來，鐵死亡相關機制在纖維化疾病進展中發揮重要的調控作用。肝纖維化的主要病理特征是肝臟內HSC的活化與ECM過度沉積，匯管區大量纖維結締組織異常增生，進而破壞肝臟正常結構以及生理功能。因此，抑制HSC的活化及增殖，誘導HSC死亡是治療肝纖維化的有效方法。研究表明，HSC中儲存有大量的鐵離子，鐵死亡可以通過調控HSC內鐵離子含量以及脂質過氧化程度等影響肝纖維化的發展進程，因此靶向HSC鐵死亡可能成為治療肝纖維化的新策略^[1](圖1)。

圖1：鐵死亡在肝纖維化中的相關調控途徑

01 RNA結合蛋白ZFP36/TTP和ELAVL1/HuR調控鐵死亡

Sui等^[2]研究發現在大鼠肝纖維化模型中，異甘草酸鎂可誘導 HO-1上調，促進鐵和脂質過氧化物的積累，從而促進HSC鐵死亡的發生；而通過鐵死亡抑制劑ferrostatin-1或沉默HO-1則消除了異甘草酸鎂的抗纖維化作用。鋅指蛋白36(ZFP36 ring finger protein 36，ZFP36/TTP)和胚胎致死性異常視覺樣蛋白1(ELAV like RNA binding protein 1，ELAVL1/HuR) 在調控HSC鐵死亡中發揮重要作用，下調 ZFP36和上調ELAVL1可以促進索拉非尼(sorafenib)/erastin介導的HSC鐵死亡，減輕小鼠肝纖維化，進一步機制研究發現ZFP36/ELAVL1可能與下游靶基因結合，影響其mRNA穩定性，從而調控HSC中儲鐵蛋白自噬，釋放出鐵離子，繼而通過芬頓反應產生大量ROS，促進HSC鐵死亡^[3,4] 。

02 BRD7-P53-SLC25A28軸和Trf調控鐵死亡

Zhang等^[5]研究發現采用CRISPR/cas9介導的BRD7敲除可減少HSC鐵死亡，而特異性BRD7質粒介導的BRD7過表達可促進HSC鐵死亡，進一步研究發現BRD7表達升高可通過直接與P53 N-末端轉激活域結合促進P53線粒體轉位，從而與下游SLC25A28相互作用形成復合物來介導鐵死亡的發生。研究者發現小鼠肝細胞特異性敲除Trf表現為肝臟非轉鐵蛋白結合鐵蓄積，加重高鐵飲食介導的肝纖維化，而同時特異性敲除小鼠肝細胞Trf和溶質載體家族39成員14(solute carrier family 39 member 14，SLC39A14) 可顯著減少肝臟鐵的積聚，改善了高鐵膳食或四氯化碳注射介導的肝纖維化，這些數據表明肝臟轉鐵蛋白在維持肝功能方面發揮保護作用，為預防鐵過載誘導的肝纖維化提供了一個潛在治療靶點^[6]。

03 P62-Keap1-Nrf2信號通路調控鐵死亡

目前研究認為，鐵死亡的最終執行機制是由于過量的脂質過氧化物累積引起質膜損傷，造成細胞鐵死亡的發生。Sun等^[7]研究報道，沉默P62表達會增加erastin/sorafenib誘導的肝細胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC) 細胞鐵死亡。此外，在HCC細胞移植瘤小鼠模型以及細胞實驗中發現，核因子E2-相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2) 敲低也表現出增強erastin/sorafenib抗HCC的作用。這些結果表明，P62-Kelch樣ECH關聯蛋白1(Kelch-like ECH-associating protein 1，Keap1)-Nrf2信號通路可能在鐵死亡中發揮重要作用。因此，Nrf2可能是參與鐵死亡及未來治療多種肝病的重要靶點。

01 靶向system Xc－誘導鐵死亡

目前研發發現鐵死亡誘導劑主要是通過靶向system Xc－、GSH、GPX4 以及鐵離子和ROS實現誘導鐵死亡，其中erastin是最早確定的一種特異性鐵死亡誘導劑，可靶向抑制system Xc－的活性，影響GSH的合成，促進多種細胞發生鐵死亡^[8]。

02 靶向鐵離子和 ROS誘導鐵死亡

研究顯示，青蒿素和青蒿蓽茇酰胺等多種中藥可以通過提高ROS含量，從而影響鐵代謝來誘導鐵死亡，發揮抗肝癌的作用且毒性較低，是非常有前景的藥物^[9]。FINO2 是一類具有1,2-二氧戊烷結構的plakinic酸D衍生物，可通過發生類芬頓反應，間接失活GPX4以及直接氧化PUFA的作用誘導細胞鐵死亡，且其在鐵水平高的腫瘤細胞中作用更強^[10]。

03 靶向GSH誘導鐵死亡

丁胱亞磺酰亞胺通過抑制GSH合成限速酶-谷氨酰半胱氨酸連接酶(gluta‐mate-cysteine ligase, GCL)，降低GSH水平和GPX4活性來促進脂質過氧化，進而誘導多種癌細胞發生鐵死亡。順鉑可與GSH直接結合形成Pt(鉑)-GSH復合物，導致GSH和GXP4失活，從而促進鐵死亡。研究者進一步使用順鉑與erastin聯合作用于人肺癌細胞和人結腸癌細胞后發現，聯合用藥呈現出顯著的協同抗腫瘤效應^[11]。

04 靶向脂質過氧化抑制鐵死亡

糙米提取物可以通過抑制鐵死亡來改善GPX4失活導致的脂質過氧化和細胞毒性^[12]；黃芩苷也可以通過抑制脂質過氧化，減少游離鐵蓄積而抑制鐵死亡，且其抑制作用明顯優于一些典型的鐵死亡抑制劑^[13]。

05 靶向 ACSL4抑制鐵死亡

噻唑烷二酮類藥物羅格列酮、吡格列酮和曲格列酮等可特異性抑制ACSL4表達，從而保護細胞免受 RSL3誘導的鐵死亡和脂質過氧化。其中，曲格列酮雖抑制ACSL4的效應較低，但可能由于其6-色原烷醇結構而具有固有的抗氧化活性，是噻唑烷二酮類藥物中抑制鐵死亡作用最強的^[14]。一些研究者還將納米技術與鐵死亡研究相結合，利用納米材料抑制或誘發鐵死亡。因此，探索鐵死亡誘導劑和抑制劑的作用機制及開發新的靶向鐵死亡藥物對于治療肝纖維化具有重要意義。

作為生命科學及醫學領域的蛋白抗體供應商，ELK biotechnology可為鐵死亡相關研究提供高品質的試劑，這里將鐵死亡部分產品列出來以便大家參考，詳情見下表：

【參考文獻】

[1] Anderson ER, Shah YM. Iron homeostasis in the liver [J]. Compr Physiol, 2013, 3: 315-330.

[2] Sui M, Jiang X, Chen J, et al. Magnesium isoglycyrrhizinate ameliorates liver fibrosis and hepatic stellate cell activation by regulating ferroptosis signaling pathway [J]. Biomed Pharmaco‐ ther, 2018, 106: 125-133.

[3] Zhang Z, Yao Z, Wang L, et al. Activation of ferritinophagy is required for the

RNA-binding protein ELAVL1/HuR to regulate ferroptosis in hepatic stellate cells [J]. Autophagy, 2018, 14: 2083-2103.

[4] Zhang Z, Guo M, Li Y, et al. RNA-binding protein ZFP36/TTP protects against ferroptosis by regulating autophagy signaling pathway in hepatic stellate cells [J]. Autophagy, 2020, 16: 1482- 1505.

[5] Zhang Z, Guo M, Shen M, et al. The BRD7-P53-SLC25A28 axis regulates ferroptosis in hepatic stellate cells [J]. Redox Biol, 2020, 36: 101619.

[6] Yu Y, Jiang L, Wang H, et al. Hepatic transferrin plays a role in systemic iron homeostasis and liver ferroptosis [J]. Blood, 2020, 136: 726-739.

[7] Sun X, Ou Z, Chen R, et al. Activation of the p62-Keap1-NRF2 pathway protects against ferroptosis in hepatocellular carcinoma cells [J]. Hepatology, 2016, 63: 173-184.

[8] Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death [J]. Cell, 2012, 149: 1060-1072.

[9] Ooko E, Saeed ME, Kadioglu O, et al. Artemisinin derivatives induce iron-dependent cell death (ferroptosis) in tumor cells [J]. Phytomedicine, 2015, 22: 1045-1054.

[10] Abrams RP, Carroll WL, Woerpel KA. Five-membered ring peroxide selectively initiatesferroptosis in cancer cells [J]. ACS Chem Biol, 2016, 11: 1305-1312.

[11] Guo J, Xu B, Han Q, et al. Ferroptosis: a novel anti tumor action for cisplatin [J]. Cancer Res Treat, 2018, 50: 445-460.

[12] Xu WH, Li CH, Jiang TL. Ferroptosis pathway andits interven‐ tion regulated by Chinese materia medica [J]. China J Chin Mater Med (中國中藥雜志), 2018, 43: 4019-4026.

[13] Xie Y, Song X, Sun X, et al. Identification of baicalein as a ferroptosis inhibitor by natural product library screening [J]. Biochen Biophys Res Commun, 2016, 473: 775-780.

[14] Doll S, Proneth B, Tyurina YY, et al. ACSL4 dictates ferroptosis sensitivity by shaping cellular lipid composition [J]. Nat Chem Biol, 2017, 13: 91-98.

[15] Chen Hao, Li Xiaofeng, Wang Hua. Research progress on the mechanism of iron death in regulating liver fibrosis [J]. Acta Pharmacologica Sinica, 2019,56(11):2916-2922.DOI:10.16438/J.0513-4870.2021-0959.