國自然熱點 | 鐵死亡機制及檢測方法

什么是鐵死亡？

鐵死亡（ferroptosis）是細胞在小分子物質誘導下發生的氧化性細胞死亡，具有鐵離子依賴性。研究發現，鐵死亡與神經退行性疾病、腫瘤、動脈硬化、糖尿病、急性腎損傷等多種疾病相關，致病機理復雜，并可通過激活或抑制鐵死亡來干預疾病的發展，因此鐵死亡成為近年來的研究熱點。

圖1 鐵死亡發生機制^[1]

鐵死亡發生機制

鐵死亡是亞鐵離子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）依賴的脂質過氧化物累積引起的。鐵死亡的發生機制如圖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，降低細胞抗氧化能力，致使脂質過氧化反應增加，脂質活性氧增多，引起鐵死亡的發生。此外，在亞鐵離子或酯氧合酶的作用下，催化細胞膜上高表達的不飽和脂肪酸，發生脂質過氧化，從而誘導細胞死亡。鐵死亡的本質是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）活性下降，脂質氧化物不能通過GPX4催化的谷胱甘肽還原酶反應代謝，之后亞鐵離子氧化脂質產生活性氧，從而促使鐵死亡的發生。

鐵死亡形態特點

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

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

圖2 細胞鐵死亡、凋亡、壞死和自噬的形態癥狀^[2]

鐵死亡的調節通路

研究表明，鐵死亡可以被多種化合物誘導（表1），其發生受胱氨酸谷氨酸轉運受體（System xc-）、p53、GPX4、電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs）等通路的調節。此外，誘導脂質過氧化反應也可導致鐵死亡；血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）、轉鐵蛋白是細胞內鐵的來源，它們也參與了鐵死亡的調節過程^[3]。

表1 鐵死亡誘導劑和抑制劑

鐵死亡的判斷與檢測

細胞發生鐵死亡，其在生化特征上表現為鐵積累、脂質過氧化、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與脂質過氧化檢測方法：

1）特異性熒光探針（如DCHF-DA）進行半定量分析；

2）ELISA和TBAR檢測脂質ROS下游副產物（如4-HNE蛋白質加合物和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來檢測鐵離子水平，該化合物與鐵結合時能顯色；

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

線粒體檢測：

1）觀測線粒體發生鐵死亡特征性形態改變，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胞碎裂的現象，可使用線粒體標記物如MitoScene Green I檢測線粒體的形態。

鐵死亡作為新型程序性細胞死亡方式，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、發生機制有了初步的了解，但依舊有許多問題亟待解答，比如進一步揭示鐵死亡在各種疾病中的詳細調控機制，開發新的鐵死亡特異性標志物檢測技術等。

[1] 周文博,孔晨飛,秦高偉,等.鐵死亡發生機制的研究進展[J].生物化學與生物物理進展, 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.心肌細胞鐵死亡及其檢測方法[J].心血管病學進展, 2023, 44(2):167-171.

鐵死亡誘導劑：

鐵死亡抑制劑：

鐵死亡研究相關抗體/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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