铁死亡调控在肌少症中的作用机制及治疗

本文来源：中华老年医学杂志, 2024,43(9) : 1090-1095.

本文作者：蒋骏 周迪夷

肌少症是一种进行性和全身性的骨骼肌疾病，欧洲肌少症工作组将肌少症定义为一种增龄相关的肌肉量减少、肌肉力量下降和/或躯体功能减退的老年综合征。肌少症的发生发展是一个复杂的过程，老年人肌少症防控干预中国专家共识认为其发病机制与α运动神经元及运动单位进行性减少、骨骼肌蛋白合成及代谢失衡、线粒体功能障碍、骨骼肌细胞凋亡和卫星细胞(SCs)数量减少及功能下降等有关。运动神经元及运动单位减少，导致肌纤维支配不足，肌肉便逐渐萎缩。营养不良引起骨骼肌蛋白合成与代谢失衡，机体出现负氮平衡，肌肉流失速度快于肌肉生成速度，就会导致肌少症。线粒体为骨骼肌收缩提供能量，各种原因导致的线粒体含量减少及功能异常对肌肉萎缩具有重要作用。SCs活化、增殖为成肌细胞是骨骼肌再生的唯一来源，铁死亡对该过程具有显著的影响。铁死亡是一种不同于细胞凋亡，细胞坏死和细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式，研究显示铁死亡与年龄相关性疾病关系密切。肌少症作为一种常见的年龄相关性疾病，许多研究显示其发生发展与铁死亡有关。本文对近年来国内外关于调控铁死亡防治肌少症的作用机制及治疗的文献进行归纳，以期为肌少症的基础研究及临床治疗提供新思路。

一、铁死亡概述

铁死亡是一种铁依赖性的调节性细胞死亡方式，其发生由一种小分子化合物——erastin诱导，形态学上铁死亡细胞具有不同于细胞凋亡的典型坏死形态，包括线粒体变形、嵴减少、膜密度增高、外膜完整性被破坏等。在分子机制上，铁死亡由铁代谢异常以及脂质过氧化引起，并受到过氧化抑制蛋白的调节。在生物化学上，细胞内谷胱甘肽(GSH)耗尽，谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性降低，Fe2＋通过芬顿反应导致脂质过氧化物累积，脂质过氧化物会释放大量活性氮(ROS)，进一步加剧脂质过氧化反应，形成一种恶性循环，进而促进了细胞铁死亡的发生。

二、铁死亡的机制

1．铁代谢异常：

铁代谢通过调节细胞内的易耗铁池(LIP)来决定细胞铁死亡，LIP的增加也就意味着细胞内的Fe2＋含量增加，而Fe2＋可以增强芬顿反应。铁进入细胞内的途径是血液循环中的Fe3＋与转铁蛋白结合，再通过细胞膜上的转铁蛋白受体1(TFR1)进入细胞内，细胞内的Fe3＋在金属还原酶六跨膜前列腺上皮抗原3(STEAP3)的作用下转化为Fe2＋并且在二价金属离子转运体的转运作用下进入LIP，从而促进铁死亡的发生。LIP的增加还可以通过吞噬红细胞作用进行，Fe2＋在血红素氧合酶1的作用下从血红素中分离出来。铁蛋白也是铁代谢的主要参与者，铁蛋白可以将Fe2＋氧化成Fe3＋，储存在铁存储蛋白中。铁蛋白主要分布在细胞质和线粒体内，细胞质中的Fe3＋结合铁蛋白会被核受体辅激活因子4(NCOA4)依赖性自噬体降解释放出Fe2＋，导致LIP增加。细胞质中Fe2＋进入线粒体内主要以3种形式存在，一部分与铁蛋白结合形成线粒体铁蛋白，一部分用于生成血红素，一部分则形成铁硫簇(ISC)，ISC的合成是维持线粒体电子传递链(ETC)的关键，而ETC是产生ROS的源头，ROS的过量产生会导致脂质过氧化。铁代谢会通过多个途径影响细胞内的LIP，从而影响细胞铁死亡。

2．脂质过氧化：

铁死亡是以ROS的产生和脂质过氧化为特点的细胞调节性死亡方式。脂质过氧化一共经历了3个过程：引发、扩散和终止。脂质过氧化的引发是通过ROS、活性氮(RNS)和活性脂(RLS)从不饱和脂肪酸上"窃取"一个氢离子，细胞膜上的多不饱和脂肪酸也就成为了首要的"窃取"目标，其中ROS在该过程占有核心地位，而ROS中的羟基自由基和氧化氢自由基是由Fe2＋通过芬顿反应形成的。在扩散阶段，新形成的脂质自由基不是非常稳定的分子，因此容易与氧分子发生反应，形成过氧脂质自由基，该自由基可与另一种不饱和脂肪酸形成脂质过氧化物或新的脂质自由基。当自由基种类的浓度很高时，往往发生的是两个自由基产生一个非自由基的反应，脂质过氧化就进入了终止阶段，内源性抗氧化剂可以加快其终止速度。GSH/GPX4/System Xc-抗氧化体系是抑制ROS产生的关键，GPX4在GSH的辅助作用下可以将铁死亡产生的脂质过氧化物进行还原，当跨膜调控蛋白System Xc-不能将细胞内外的胱氨酸和谷氨酸进行交换，细胞内的GSH过度缺乏，相应的GPX4就会失去活性，导致ROS的产生增加，从而诱导细胞启动铁死亡。脂酰辅酶A合成酶长链家族成员4和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3是脂质过氧化过程中的两个关键酶，靶向地对编码这两个酶的基因进行敲除可以抑制细胞铁死亡。脂氧合酶通过直接氧化细胞膜上的多不饱和脂肪酸以及多不饱和脂肪酸和磷脂的复合物，产生大量的脂质过氧化物，促进细胞铁死亡。最近的研究显示在细胞内普遍表达的细胞色素P450氧化还原酶具有激活脂质过氧化的作用。三磷酸鸟苷(GTP)环水解酶1及其代谢产物四氢生物蝶呤(BH4)和二氢生物蝶呤(BH2)可抵抗铁死亡，BH4和BH2不仅具有强大的抗氧化作用，BH4还参与辅酶Q10的合成，保护脂质免受氧化降解，从而降低细胞铁死亡的敏感性。脂质过氧化是细胞铁死亡的关键因素，它通过一系列复杂的生化反应，在各种因素的影响下导致脂质的氧化和过氧化物生成，最终引发细胞的铁死亡。

3．铁自噬：

自噬通常是一种生理自我保护机制，在亚致死压力的作用下，细胞为了应对新环境的新陈代谢通过多个途径作出一系列自我保护调节，其中自噬就是关键的途径之一。但是在细胞发生铁死亡的过程中铁自噬却能促进细胞死亡，铁自噬是诱导铁死亡的上游机制，铁自噬增加了细胞内的LIP，促进了ROS的积累，从而导致细胞发生铁死亡。铁自噬的过程需要NCOA4的参与，NCOA4是一种选择性货物受体，它能结合铁蛋白并转运到自噬小体，随后转运至溶酶体进行铁蛋白的降解并释放大量的铁。铁自噬的铁释放量由NCOA4调节，细胞内的铁水平又可以调控NCOA4水平。当细胞铁水平较高时，NCOA4与E3泛素蛋白连接酶抗体(HERC2)相互作用，形成泛素-蛋白酶体系统来靶向降解NCOA4，使NCOA4水平降低，与此同时，NCOA4和铁蛋白的结合也会受到抑制，相反当细胞内的铁水平较低时，NCOA4和HERC2的相互作用减低，导致NCOA4水平升高，从而促进铁自噬。相关研究已经显示铁死亡是一种细胞自噬死亡过程，实验通过使用自噬抑制剂和NCOA4基因敲除的方法阻断铁自噬过程，最终阻止细胞铁死亡。

4．其他调节途径：

有研究利用基因抑制剂鉴定出铁死亡抑制蛋白1(FSP1)是一种GPX4非依赖性的铁死亡调节因子，为了证实该蛋白对铁死亡的调节作用，他们在Pfa1和人纤维肉瘤1080细胞中过表达FSP1，结果显示FSP1过表达的细胞在铁死亡诱导剂的作用下仍然在无限增殖。越来越多的研究显示P53在铁死亡中也发挥着重要的作用，作为P53的直接靶基因，精脒/精胺N1-乙酰转移酶1可以上调花生四烯酸15脂氧和酶的表达，促进细胞铁死亡。而且上调的P53可以通过抑制其下游靶基因SLC7A11的表达，来影响GSH的合成，从而导致细胞铁死亡。

三、铁死亡调控在肌少症中的作用

1．卫星细胞：

SCs最早由MAURO在对青蛙骨骼肌的研究过程中发现，它"镶嵌"在肌肉纤维质膜和基底膜之间，使肌肉纤维质膜和基底膜紧密结合，MAURO认为该细胞可能与骨骼肌再生有很大关系。SCs是一种特定的成体干细胞群，通常处于静息状态，在稳态环境中只进行极少部分的增殖来维持干细胞库的稳定，当组织受损时则会通过自身调控作用等方面实现自身的激活并增殖为成肌细胞，然后再经过分化和融合，发挥强大的促进骨骼肌再生和损伤修复的能力。研究显示，衰老的小鼠骨骼肌中存在不稳定的铁积累并可能通过下调SCs标志物来阻止小鼠肌肉的再生和修复。TFR1是SCs激活、增殖的重要因素，在衰老的骨骼肌中TFR1的表达显著下降，研究显示TFR1基因缺乏可以促进锌转铁蛋白Zip14吸收非血红素铁，并下调GPX4、核因子红细胞系2相关因子2(Nrf2)和铁蛋白重链(FTH1)，增加不稳定的铁积累和脂质过氧化水平，从而诱导骨骼肌细胞发生铁死亡，阻碍骨骼肌的再生。然而，到目前为止铁死亡调控、卫星细胞与肌少症的相关研究仍处于初级阶段，其机制还需要更深一步地探究。

2．成肌细胞：

成肌细胞是活化的骨骼肌卫星细胞，Menasche医师团队在治疗一例心衰的老年男性时，在患者身上成功获取并培养得到大量的骨骼肌成肌细胞，在为患者进行冠脉搭桥手术的过程中，将细胞直接注入心脏的瘢痕组织，术后该患者的心功能得到了良好的改善。研究发现，在肌少症小鼠动物模型中，C2C12成肌细胞中的铁积累和小鼠的年龄呈正相关，同时P53/SLC7A11轴的激活会诱导C2C12成肌细胞发生铁死亡，阻碍骨骼肌形成，促进肌少症的发生。C2C12成肌细胞是研究肌肉分化和再生的理想体外模型，王瑶教授团队发现经铁死亡诱导剂处理过后的C2C12成肌细胞，P53的信使核糖核酸(mRNA)表达水平升高，Sitr6及P53下游铁死亡相关分子SLC7A11和GPX4的mRNA表达水平却随之降低，而在使用Sitr6激活剂后成肌细胞的铁死亡则会明显地被抑制，表明成肌细胞中铁死亡的发生与P53/SLC7A11/GPX4信号通路关系密切，并伴有Sitr6表达下调。相关研究显示，硫化氢也可以抑制C2C12成肌细胞发生铁死亡，其主要表现为硫化氢可以通过抑制氧化应激，降低乙酰辅酶A的含量，抑制人花生四烯酸-12-脂加氧酶(ALOX12)乙酰化来抑制铁死亡诱导剂处理过后的C2C12成肌细胞发生铁死亡。铁死亡可以通过不同途径来调节成肌细胞的分化和融合，但其中还可能有更深层的机制，值得进一步研究。

四、干预铁死亡治疗肌少症的应用

1．现代医学治疗：

肌少症的发生发展受到多种因素的影响，包括运动和营养的缺乏、内分泌功能变化、氧化应激和线粒体功能障碍、蛋白质降解及合成途径失衡、骨骼肌修复异常、遗传因素等。鉴于疾病发生的复杂性，现代医学对治疗肌少症药物的开发也面临着巨大挑战。已经有一部分药物进入了临床试验阶段。Apelin-13是一种十三元多肽，相关研究显示经Apelin-13干预的高铁环境下的C2C12细胞的细胞活力和细胞中GSH的浓度显著提升，细胞线粒体的损伤情况明显改善，细胞内ROS、总铁离子、Fe2＋、铁沉积明显减少，细胞中的GPX4和FTH1、Nrf2、血红素加氧酶-1(HO-1)的蛋白表达水平均得到了改善，表明Nrf2及HO-1信号通路是其发挥作用的靶点，研究结果提示Apelin-13可能是治疗肌少症的新方法。

2．运动疗法：

体育锻炼、营养和激素是对抗肌少症的三大支柱，充足的营养摄入，规律的力量训练均可以有效地改善肌肉的力量和功能。合理的运动可以通过Keap1/Nrf2通路改善衰老的骨骼肌氧化应激、炎症、铁死亡和肌肉萎缩。研究显示有氧、抗阻运动都可以通过调控GSH系统及NRF2-ARE信号通路改善衰老小鼠铁代谢失衡，减少组织铁过量积累，降低铁死亡敏感性，达到改善衰老小鼠骨骼肌质量、力量及功能的目的。抗阻训练主要通过下调P53，负调控SLC7A11信号通路及其下游相关分子，抑制肌肉氧化失衡，改善小鼠铁代谢紊乱；而有氧训练则是通过下调P53激活SAT1，ALOX15蛋白表达，调控脂质过氧化物的生成，从而改善小鼠肌肉铁过载现象。体育锻炼也能通过调控骨骼肌细胞铁死亡，缓解肌少症相关症状。

3．中医药治疗：

党参炔苷是党参的主要活性成分，相关体内体外研究显示党参炔苷可以通过激活Hedgehog信号通路抑制铁死亡来减轻慢性肾脏病诱导的肌肉损伤。人工虎骨粉水提取物可以通过上调GPX4的表达及其上游的Nrf2通路，抑制肌少症模型小鼠的铁死亡，有效增加肌少症模型小鼠的C2C12细胞活性，治疗肌少症。临床使用益气除痰方可以有效改善顺铂治疗的肿瘤患者消瘦及疲劳等症状，相关体内体外研究显示益气除痰方可以减轻顺铂诱导的氧化应激，有效的缓解顺铂导致的小鼠骨骼肌细胞铁死亡，这提示益气除痰方缓解顺铂治疗肿瘤患者肌少症消瘦、乏力等症状是通过抑制骨骼肌细胞铁死亡实现的。中药复方恒古骨伤愈合剂常用于骨科疾病，已经被纳入了《中成药治疗骨质疏松症临床应用指南》和《肌肉骨骼慢性疼痛诊治专家共识》等多项国内外诊疗指南中。研究显示，恒古骨伤愈合剂在体内可以缓解糖尿病肌少症小鼠肌肉力量、质量与组织学功能的下降；还能在体外通过抑制ELAVL1的表达，抑制铁离子的释放，减少C2C12成肌细胞发生铁死亡。恒古骨伤愈合剂能通过抑制成肌细胞的铁死亡治疗肌少症。研究显示，补肾还精方可以增加肌少症小鼠的肌肉质量、抓握力和肌纤维横截面积。经补肾还精方治疗的肌少症小鼠，抑制肌肉组织铁死亡的两个标志蛋白GPX4和SLC7A11的表达显著增加，而负调控SLC7A11的细胞衰老相关蛋白P53及其下游蛋白的表达显著减少，从而达到治疗肌少症的效果。

五、总结

近年来，铁死亡与肌少症的相关性受到广泛关注。铁死亡可以通过不同的信号通路及蛋白表达影响肌肉卫星细胞和成肌细胞的增殖和分化，破坏肌肉细胞稳态，导致肌少症的发生，具体的病理机制还需进一步研究。有一部分中药及复方被发现可以通过调控铁死亡干预肌少症的进展。现代医学对治疗肌少症的研究也在广泛地进行中，其中铁死亡调控相关的药物研究还较为欠缺，尤其是中西医结合、药物结合非药物等综合治疗方法还需进行更深入的研究。