國自然熱點 | 鐵死亡機(jī)制及檢測方法

什么是鐵死亡？

鐵死亡（ferroptosis）是細(xì)胞在小分子物質(zhì)誘導(dǎo)下發(fā)生的氧化性細(xì)胞死亡，具有鐵離子依賴性。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡與神經(jīng)退行性疾病、腫瘤、動脈硬化、糖尿病、急性腎損傷等多種疾病相關(guān)，致病機(jī)理復(fù)雜，并可通過激活或抑制鐵死亡來干預(yù)疾病的發(fā)展，因此鐵死亡成為近年來的研究熱點。

圖1 鐵死亡發(fā)生機(jī)制^[1]

鐵死亡發(fā)生機(jī)制

鐵死亡是亞鐵離子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）依賴的脂質(zhì)過氧化物累積引起的。鐵死亡的發(fā)生機(jī)制如圖1，其上游通路是通過直接或間接影響谷胱甘肽過氧化物酶（glutathioneperoxidase，GPXs）的活性，降低細(xì)胞抗氧化能力，致使脂質(zhì)過氧化反應(yīng)增加，脂質(zhì)活性氧增多，引起鐵死亡的發(fā)生。此外，在亞鐵離子或酯氧合酶的作用下，催化細(xì)胞膜上高表達(dá)的不飽和脂肪酸，發(fā)生脂質(zhì)過氧化，從而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。鐵死亡的本質(zhì)是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）活性下降，脂質(zhì)氧化物不能通過GPX4催化的谷胱甘肽還原酶反應(yīng)代謝，之后亞鐵離子氧化脂質(zhì)產(chǎn)生活性氧，從而促使鐵死亡的發(fā)生。

鐵死亡形態(tài)特點

目前，研究較多的細(xì)胞死亡方式包括鐵死亡（ferroptosis）、細(xì)胞凋亡（apoptosis） 、細(xì)胞壞死（necrosis）和細(xì)胞自噬（autophagy），它們在形態(tài)上的區(qū)別如圖2。

鐵死亡：線粒體皺縮、膜密度增加、線粒體嵴減少或消失；
細(xì)胞凋亡：染色質(zhì)凝集、核固縮、碎裂；形成凋亡小體、線粒體形態(tài)無明顯變化；
細(xì)胞壞死：細(xì)胞器腫脹、質(zhì)膜損壞、細(xì)胞裂解、細(xì)胞內(nèi)容物溢出、組織損傷；
細(xì)胞自噬：雙層膜自噬體（內(nèi)含胞漿成分，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等）或單層膜自噬溶酶體（胞漿成分已降解）形成。

圖2 細(xì)胞鐵死亡、凋亡、壞死和自噬的形態(tài)癥狀^[2]

鐵死亡的調(diào)節(jié)通路

研究表明，鐵死亡可以被多種化合物誘導(dǎo)（表1），其發(fā)生受胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)受體（System xc-）、p53、GPX4、電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs）等通路的調(diào)節(jié)。此外，誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)也可導(dǎo)致鐵死亡；血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）、轉(zhuǎn)鐵蛋白是細(xì)胞內(nèi)鐵的來源，它們也參與了鐵死亡的調(diào)節(jié)過程^[3]。

表1 鐵死亡誘導(dǎo)劑和抑制劑

鐵死亡的判斷與檢測

細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，其在生化特征上表現(xiàn)為鐵積累、脂質(zhì)過氧化、線粒體膜電位降低等。因此可以通過檢測以下特異性元素：GPX4和GSH、ROS和脂質(zhì)過氧化、鐵離子水平、線粒體活性等多方向，盡可能全面地驗證鐵死亡^[4]。

1、GPX4和GSH檢測方法：

1）比色測定法評估GPX4活性；

2）通過抗GPX4的抗體檢測。

2、ROS與脂質(zhì)過氧化檢測方法：

1）特異性熒光探針（如DCHF-DA）進(jìn)行半定量分析；

2）ELISA和TBAR檢測脂質(zhì)ROS下游副產(chǎn)物（如4-HNE蛋白質(zhì)加合物和MDA）；

3）抑制劑：利用特異性抗氧化性鐵死亡抑制劑，如Ferrostatin-1協(xié)同分析。

鐵離子水平：

1） 可通過使用例如菲洛嗪等化合物的比色反應(yīng)來檢測鐵離子水平，該化合物與鐵結(jié)合時能顯色；

2） 影響鐵離子濃度的螯合劑或基因操縱（如轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、鐵蛋白和線粒體鐵蛋白）也會影響鐵死亡。

線粒體檢測：

1）觀測線粒體發(fā)生鐵死亡特征性形態(tài)改變，線粒體膜密度增加，嵴減少，膜電位降低；

2）GPX4功能降低后幾個小時會有細(xì)胞碎裂的現(xiàn)象，可使用線粒體標(biāo)記物如MitoScene Green I檢測線粒體的形態(tài)。

鐵死亡作為新型程序性細(xì)胞死亡方式，近年來在疾病研究中的重要作用逐漸被揭示。雖然目前對其特點、發(fā)生機(jī)制有了初步的了解，但依舊有許多問題亟待解答，比如進(jìn)一步揭示鐵死亡在各種疾病中的詳細(xì)調(diào)控機(jī)制，開發(fā)新的鐵死亡特異性標(biāo)志物檢測技術(shù)等。

[1] 周文博,孔晨飛,秦高偉,等.鐵死亡發(fā)生機(jī)制的研究進(jìn)展[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展, 2018, 45(1):7.

[2] Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death[J]. Cell, 2012, 149( 5): 1060-1072.

[3] Gao M, Monian P, Quadri N, et al. Glutaminolysis and transferrin regulate ferroptosis. Mol Cell, 2015, 59(2): 298-308.

[4] 孫悅,付松波,李亦蘭.心肌細(xì)胞鐵死亡及其檢測方法[J].心血管病學(xué)進(jìn)展, 2023, 44(2):167-171.

鐵死亡誘導(dǎo)劑：

鐵死亡抑制劑：

鐵死亡研究相關(guān)抗體/蛋白：

鐵死亡研究檢測試劑盒：

死亡研究熒光探針與染料：

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