铁死亡（ferroptosis）是新近发现的一种不同于凋亡的坏死性细胞死亡方式，其主要特征是细胞发生依赖于铁的脂质过氧化反应，可导致多种形式的病理反应，如组织缺血-再灌注损伤、神经系统变性及退行性病变、炎性疾病、自身免疫性疾病以及癌症等。铁死亡主要由脂质修复酶谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）失活以及活性氧簇（reactive oxygen species, ROS）特别是脂质ROS聚集诱导发生^[1]。近年来研究表明，程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD）方式如坏死、焦亡、铁死亡等，更容易释放损伤相关分子模式（danger-associated molecular patterns, DAMPs），使机体环境向促炎状态发展，从而引发坏死性炎症^[2]。铁死亡在坏死性炎症疾病的发生、发展中起到重要作用，可能成为坏死性炎症疾病治疗的潜在靶点。因此，进一步探明铁死亡在坏死性炎性疾病中的病理生理特点及分子机制将为该疾病的治疗提供理论基础。

1 铁死亡概述

细胞死亡在整个机体的生长、发育中具有不可替代的作用。目前认为，细胞死亡的形式分为PCD和非程序性细胞死亡（non-programmed cell death, NPCD），PCD包括凋亡和自噬（autophagy），NPCD包括副凋亡（paraptosis）、细胞有丝分裂灾难（mitotic catastrophe）和胀亡等。Dixon等^[3]在2012年提出，铁死亡作为一种新型非典型的细胞死亡方式，与自噬、凋亡、坏死等死亡方式在诱导因素、细胞死亡形态、调控通路以及诱发和抑制生物学效应等方面明显不同。铁死亡这种细胞坏死方式最关键环节集中于半胱氨酸的利用、谷胱甘肽（glutathione, GSH）的生物合成、多不饱和脂肪酸的代谢以及磷脂代谢的调节，由非酶促和酶促脂氧合酶介导的脂质双分子层脂质过氧化反应这一过程多伴有GSH/GPX4的消耗。

铁死亡是一种具有铁离子依赖性、氧化型的细胞死亡方式，表现为细胞内胞质和脂质的ROS明显增多、线粒体体积变小以及膜密度增厚。铁死亡发生的主要原因是GSH合成减少以及GPX4活性抑制，其形态学特征包括质膜气泡、线粒体变小、线粒体膜密度增加、线粒体嵴减少或消失、细胞质以及脂质ROS增加、细胞核正常，主要涉及的信号调控通路包括System Xc-和GPX4、MVA、HSF1-HSPB1等途径^[4]。

2 坏死性炎症概述

通常炎症反应是指由外来刺激因素包括微生物、细菌、病毒等产生的复杂生物学反应过程^[5]。Medzhitov等^[6]阐明炎症反应的分子机制在于体内免疫系统可从外来侵入微生物中有效地识别自我与非我成分，这种由一系列模式识别受体（pattern recognition receptors, PRRs）引起自身内在免疫系统监测的炎症模式称为病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns, PAMPs）。由于该系统不能充分解释诸如自身炎性疾病、自身免疫性疾病以及排斥反应、肿瘤等相关疾病的机制，所以Matzinger^[7]在此基础上进一步完善了理论假说，即危险相关理论，描述宿主免疫系统感知内源性危险信号并启动相应的免疫反应。即便当不存在由微生物所引发的PAMPs时，由于细胞面临各种刺激或不同方式死亡时，通过产生DAMPs并整合信号通路应对多种刺激而产生炎症反应，这种炎症反应被定义为坏死性炎症^[8-9]。坏死性炎症反应是一种不受控制的免疫应答，它与多种疾病相关，其发病过程及机制非常复杂^[10]。近年来人们关注的多种PCD方式如坏死、焦亡、铁死亡等均与机体炎性疾病以及自身免疫性疾病有关^[11]。

3 铁死亡在坏死性炎性疾病中的作用

GPX4被认为是调控铁死亡的关键因子，它可以通过调节脂氧化酶（lipoxygenases, LOX）和前列腺素内过氧化物合酶（prostaglandin-endoperoxide synthase, PTGS）活性参与炎症反应过程^[12]。研究表明，LOX和PTGS作为花生四烯酸代谢酶，其活性调节主要基于过氧化物水平，细胞内脂质过氧化物能增强LOX和PTGS代谢酶的活性^[13-14]。由于GPX4能够抑制细胞内过氧化物水平，因此通过对GPX4表达及其活性的调控可实现细胞内LOX和PTGS所催化产生过氧化产物的调节。这一结论通过大量实验得以证实，为铁死亡与坏死性炎症之间关系的研究奠定了基础。

3.1 LOX在铁死亡中的作用与机制

早期研究显示，应用LOX抑制剂可消耗细胞内GSH，从而引发依赖LOX的细胞死亡方式，即现在所说的铁死亡^[15]。Seiler等^[16]在后续实验中发现，12/15-LOX特异性抑制剂能减轻他莫昔芬诱导GPX4敲除细胞的死亡，据此认为12/15-LOX缺陷的细胞更具有抵抗GSH消耗的能力。当铁死亡发生时，大量GSH被消耗，导致GPX4功能受损，细胞内大量过氧化物形成，引起LOX活性增强；中性粒细胞及巨噬细胞等先天性免疫细胞分泌炎症细胞因子如肿瘤坏死因子α（tumour necrosis factor-α, TNF-α）进一步对GPX4活性产生不利影响^[17]。发生铁死亡的细胞除了激活免疫细胞引发炎症之外，还可以通过自身裂解后释放DAMPs；机体免疫细胞开始启动LOX和PTGS酶的作用，通过分泌白三烯等炎症介质，加速炎症反应过程。由此可见，正是免疫细胞中LOX及PTGS表达、活性改变和DAMPs释放，在不同层面将铁死亡与坏死性炎症紧密联系起来。

3.2 PTGS在铁死亡中的作用及机制

PTGS2参与了铁死亡病理过程^[18-19]。经RSL3或erastin刺激细胞发生铁死亡后，PTGS2表达和活性明显增强^[18]。然而，PTGS2抑制剂吲哚美辛并不能抑制细胞发生铁死亡，这种现象与c-Myc/Ha-rasV12转化的GPX4敲除细胞中的情况相类似^{[16, 19]}。另据报道，在GPX4敲除小鼠皮肤角质细胞中观察到PTGS mRNA表达上调，并发现PTGS产生的前列腺素E2（prostaglandin E2, PGE2）水平升高，PTGS抑制剂塞来昔布能够减轻GPX4敲除小鼠新生毛囊形态的破坏^[20]。据此推测，促进铁死亡细胞中PTGS2上调的原因可能是某种具有药理作用的生物标志物而非铁死亡抑制剂，PTGS抑制剂并非通过铁死亡诱导剂及GPX4基因敲除等方式抑制细胞发生铁死亡。

4 与铁死亡相关的坏死性炎症疾病 4.1 神经系统疾病

铁死亡作为新发现的PCD方式，与多种神经系统变性疾病的病理机制存在密切关系。在大脑皮质和海马敲除GPX4的小鼠模型中^[21]，给予他莫昔芬后，海马区CA1区出现神经元丢失、脂质过氧化、细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases, ERK）激活、炎性因子释放，维生素E缺乏加重，铁死亡抑制剂Liproxstatin-1可缓解上述异常改变，表明大脑皮质和海马易受铁死亡影响。另有研究证实，小鼠神经元细胞中GPX4条件性缺失可导致动物运动神经元快速变性，诱导神经元细胞GPX4消减后造成海马区神经元细胞减少和引发炎症反应^[22-23]。在亨廷顿细胞模型中^[24]，铁死亡抑制剂Ferrostain-1通过抑制脂质过氧化减轻细胞死亡，但不影响线粒体ROS产生及溶酶体膜的通透性。此外，在小鼠模型中发现半胱氨酸合成受损引发细胞坏死性死亡方式，在亨廷顿患者细胞内存在半胱氨酸合成酶γ-lyse的大量消耗^[25]，表明铁死亡参与亨廷顿病的发病过程。近年来铁离子代谢在帕金森病中亦有大量研究，铁离子螯合剂对帕金森病具有保护作用^[26-27]。蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）α以非RAS依赖的途径激活ERK激活蛋白激酶，诱发铁死亡^[28]。

4.2 心血管系统疾病

铁死亡作为一种重要的细胞死亡方式，与多种心血管系统坏死性炎症疾病密切相关，包括心肌梗死后伴发的再灌注损伤、心脏移植术后炎性改变等。Baba等^[29]首次在体内实验证实，铁离子超载参与心肌细胞缺血-再灌注过程，Fe³⁺分子激活剂比如GPX4抑制剂RSL3可诱导小鼠心肌细胞发生铁死亡。同样，在心肌细胞发生缺血-再灌注时，铁螯合剂有效地减少梗死的面积，谷氨酰胺酶抑制剂8亦可减少心肌细胞缺血面积，说明谷氨酰胺分解作用与铁死亡机制有关^[30]。在离体灌注心脏的缺血-再灌注区域细胞内，线粒体靶向突变体GPX4过表达通过减少肌酸激酶的释放从而保护心肌细胞；GPX4还能降低线粒体脂质过氧化，抑制心肌细胞缺血-再灌注区域细胞的功能障碍^[31]。研究证实，Ferrostatin-1或铁螯合剂处理不仅减少小鼠缺血-再灌注区域梗死面积以及坏死的血清标志物水平，而且通过抑制脂质过氧化和线粒体铁超载等途径改善阿霉素治疗心肌细胞功能障碍的存活率^[32]。此外，在心脏移植和冠状动脉结扎缺血-再灌注小鼠模型中，Ferrostatin-1能明显防止心肌细胞的死亡^[33]。铁死亡通过Toll样受体4/诱导β干扰素的TIR结构域接头蛋白/干扰素通路促进中性粒细胞募集，表明通过拮抗中性粒细胞依赖的机制即可减轻心肌细胞铁死亡的发生。因此，铁死亡在心脏坏死性炎症疾病中发挥重要调节作用。

4.3 呼吸系统疾病

铁死亡作为PCD方式参与呼吸系统中某些氧化应激、炎症相关疾病的发病过程。目前，关于铁死亡在肺脏坏死性炎症疾病中的研究主要集中于烟雾诱导慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）以及铜绿假单胞菌诱导支气管上皮细胞发生铁死亡。早期资料显示，香烟烟雾不仅诱发细胞发生坏死，而且诱导支气管上皮细胞释放DAMPs，这显然与气道坏死性炎症改变相关^[34]。当气道上皮细胞暴露于香烟烟雾中，明显引起铁沉积和脂质过氧化反应且受GPX4负向调控。香烟烟雾通过NCOA4介导铁自噬体吞噬作用信号通路诱发支气管上皮细胞脂质过氧化和铁死亡；应用GPX4转基因小鼠和杂合子GPX4缺陷小鼠等方法证明铁死亡在烟雾诱导COPD中的重要地位^[35]。另据报道，铜绿假单胞菌产生的生物膜突变体通过增强pLOXA表达，将宿主细胞中AA-PE氧化成15-HOO-AA-PE，从而诱导人支气管上皮细胞（human bronchial epithelial, HBE）发生铁死亡。提示pLOXA介导铁死亡途径可能成为干预铜绿假单胞菌感染所致呼吸系统疾病（如持续性下呼吸道感染）的潜在靶点。

4.4 消化系统疾病

早期研究多集中在铁代谢、肠道微生态健康与肠道炎性疾病之间的关系。例如，过量铁可引发炎症性肠病、氧化应激甚至细胞死亡^[36]。过量摄入铁易破坏肠道的完整性，从而诱发氧化反应破坏肠道物理屏障，出现肠道功能障碍。随后进一步研究揭示了肝细胞铁死亡作用是非酒精性脂肪性肝炎的重要炎症触发因素^[37]。事实上，坏死性炎症机制最近被认为是导致非酒精性脂肪性肝炎进展的主要原因^[38]。通过给予野生型小鼠模型坏死作用抑制剂和铁死亡抑制剂分析坏死作用和铁死亡的效果，结果显示坏死作用抑制剂未能阻止细胞死亡，而铁死亡抑制剂几乎可完全保护肝细胞避免发生坏死，并抑制免疫细胞浸润以及炎症反应。表明肝细胞铁死亡在脂肪性肝炎中起着触发炎症的重要作用，是预防脂肪性肝炎发病的治疗靶点。

4.5 泌尿系统疾病

对于肾脏组织来说，坏死性炎症通常发生在缺血-再灌注损伤过程中。当肾脏器官遭受一过性缺血打击后，会引发肾脏炎症反应，造成肾脏缺血-再灌注损伤并最终导致急性肾损伤伴发肾脏细胞坏死。此外，自身免疫性和同种免疫性肾损伤也存在坏死性炎症。许多资料显示，当肾组织发生缺血-再灌注损伤时，损伤和死亡细胞释放内源性危险分子即DAMPs，包括热休克蛋白、高迁移率族蛋白B1、脱氧核糖核酸DNA片段和趋化细胞因子等^[39]。促炎细胞因子如白细胞介素-1α、TNF-α可刺激树突状细胞的迁移和激活，进而激活T细胞和巨噬细胞^[40]。大量炎症因子释放可加重细胞死亡，反过来细胞死亡又会促进炎症反应过程，从而形成一个自动放大的恶性循环，最终引发全身炎症反应，导致纤维化、组织缺损甚至器官衰竭。由此可见，铁死亡参与了肾脏缺血-再灌注损伤过程，很可能成为相关疾病治疗的重要靶标。

5 问题与展望

综上所述，铁死亡作为一种依赖于铁和GSH代谢的新型调控细胞程序性死亡的方式，在多种坏死性炎症疾病中起着不可替代的作用。与其他调控细胞死亡的形式不同，目前对于铁死亡状态下坏死性炎症疾病的研究仍然处于早期阶段，对于两者显而易见的联系进行更深层次的探索，无疑将会产生新的治疗理念。对细胞死亡途径及其通路的干预是治疗坏死性炎症疾病的靶向治疗方案，不仅可通过抑制铁死亡的方式来缓解坏死性炎性所致组织损伤，而且能够产生适应性免疫，进而有针对性地减轻炎性病变。因此，深刻认识铁死亡的调控本质和设计针对性临床试验将有助于坏死性炎症疾病的精确干预和靶向治疗。

作者个人贡献声明   李京宴负责论文书写，田英平和姚咏明负责论文选题和指导，田英平和姚咏明为共同通信作者

利益冲突   所有作者均声明不存在利益冲突