缺血性卒中中的铁死亡：机制、病理意义及治疗策略

《Frontiers in Neuroscience》：Ferroptosis in ischemic stroke: mechanisms, pathological implications, and therapeutic strategies

　　

铁死亡（ferroptosis）是一种由脂质过氧化（lipid peroxidation）驱动的铁依赖性细胞死亡形式，已成为缺血性卒中（ischemic stroke）复杂病理生理学中的关键机制，缺血性卒中是全球死亡和残疾的主要原因。本综述综合了当前对核心铁死亡途径的理解，包括铁失调（iron dysregulation）、谷胱甘肽（glutathione）耗竭和GPX4失活，并将其与其他细胞死亡方式区分开来。研究人员批判性地探讨了其作为卒中致病放大因子的作用，与神经炎症（neuroinflammation）和线粒体功能障碍（mitochondrial dysfunction）协同作用以扩大神经元损伤。该综述基于可靠的临床前证据，系统评估了从铁螯合剂（iron chelators）和脂质过氧化抑制剂（lipid peroxidation inhibitors）（例如，ferrostatin-1）到新兴的基因疗法（gene therapies）和基于纳米医学（nanomedicine）的方法的治疗策略。然而，将这些发现转化为临床面临挑战，包括狭窄的治疗窗口、患者异质性以及需要在疗效与全身性铁和脂质代谢安全性之间取得平衡。为了克服这些转化挑战，未来的研究必须优先发现临床生物标志物（clinical biomarkers）（例如，FABP5）和开发靶向递送系统（targeted delivery systems），以推进针对卒中的铁死亡导向疗法。

论文主体部分总结

**1 引言**

缺血性卒中是全球第二大死亡和残疾原因，约占卒中病例的80%。尽管急性干预（如溶栓和取栓）取得进展，但治疗窗口狭窄和患者异质性限制了疗效。缺血损伤后的病理生理级联反应涉及能量衰竭、兴奋性毒性、氧化应激和炎症，最终导致不可逆的神经元死亡。铁死亡（ferroptosis）——一种由脂质过氧化（lipid peroxidation）驱动的铁依赖性程序性细胞死亡途径——已成为缺血性神经变性的关键驱动因素。铁死亡的特征包括线粒体嵴萎缩、谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失活以及通过铁依赖性Fenton反应（Fenton reactions）积累致死性脂质过氧化物。在缺血性卒中中，铁代谢失调和活性氧（ROS）过度产生协同放大铁死亡途径，加剧神经元损伤。升高的不稳定铁池主要来源于血红蛋白降解和铁转运障碍，催化Fenton反应产生羟基自由基，传播脂质过氧化和膜不稳定。同时，抗氧化系统（特别是谷胱甘肽/GPX4轴）受损，无法中和脂质氢过氧化物，从而加速铁死亡。临床前研究表明，铁死亡抑制剂（如ferrostatin-1和liproxstatin-1）可减轻神经元损失并促进恢复。临床上，脂质过氧化生物标志物（如丙二醛（MDA））水平升高与卒中严重程度和不良预后相关。本综述旨在批判性评估铁死亡对缺血性卒中病理生理学的机制贡献，剖析文献中的明显矛盾，并通过转化视角评估新兴治疗策略，强调前景和未解决的挑战。

**2 铁死亡机制**

铁死亡是一种独特的调节性细胞死亡形式，其特征是脂质过氧化物积累至致死水平。与凋亡和坏死不同，铁死亡表现出独特的形态和生化特征，包括线粒体萎缩、膜密度增加，且缺乏凋亡小体等凋亡特征。铁死亡的核心是细胞膜中多不饱和脂肪酸（PUFAs）的过氧化，由ROS与细胞抗氧化防御系统之间的失衡驱动。脂氧合酶（LOXs）催化PUFAs氧化为过氧化物，而酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）通过激活PUFAs启动铁死亡。铁作为Fenton反应的关键辅因子，生成高反应性羟基自由基，放大氧化损伤。当脂质过氧化物积累超过细胞解毒阈值时，铁死亡不可逆地触发。

铁代谢是铁死亡调控的核心。铁通过转铁蛋白受体1（TfR1）介导的内吞作用进入细胞，经六跨膜上皮抗原前列腺3（STEAP3）还原为Fe²⁺并释放至胞质。过量铁储存在铁蛋白（由铁蛋白重链（FTH1）和轻链（FTL）组成）中，或通过铁转运蛋白（SLC40A1）输出，其输出受肝脏来源的激素铁调素（hepcidin）调节。病理铁超载发生在FTH1/FTL功能中断时，导致不稳定铁池（LIP）扩大。LIP中的氧化还原活性铁驱动Fenton反应，产生羟基自由基，放大脂质过氧化。谷胱甘肽（GSH）/GPX4轴是抵抗脂质过氧化的主要防御机制。GPX4以GSH为辅助因子解毒脂质氢过氧化物，而GSH合成依赖于通过溶质载体家族7成员11（SLC7A11）亚基（系统xc^-转运体）导入的半胱氨酸。在代谢应激下，肿瘤抑制因子TP53通过转录抑制SLC7A11和GPX4加剧铁死亡。除脂质过氧化和铁代谢外，铁死亡抑制蛋白1（FSP1）/辅酶Q10（CoQ10）轴和GCH1/BH4途径也参与铁死亡调控，通过减少脂质自由基和再生抗氧化剂来缓解铁死亡。

**3 铁死亡作为缺血性卒中的致病放大器**

**3.1 缺血性卒中中铁死亡的机制**

铁死亡通过铁超载、脂质过氧化和线粒体功能障碍加剧缺血性损伤。脑缺血期间，铁稳态破坏导致不稳定铁积累，催化Fenton反应生成羟基自由基，引发神经元膜中PUFAs的脂质过氧化，产生细胞毒性醛类（如4-羟基壬烯醛（4-HNE）和丙二醛（MDA）），破坏膜完整性和细胞器功能。GPX4失活进一步耗竭抗氧化防御，允许脂质过氧化物不受控制地积累。线粒体功能障碍加剧铁死亡损伤：缺血应激诱导线粒体膜去极化、ATP耗竭和ROS过度产生，形成放大脂质过氧化的恶性循环。内质网（ER）应激通过IRE1α-XBP1轴与铁死亡交叉。铁死亡与神经炎症途径协同作用：死亡神经元释放损伤相关分子模式（DAMPs），激活小胶质细胞和星形胶质细胞。在谷氨酸能神经元中，铁死亡驱动的GPX4功能障碍和线粒体崩溃放大兴奋性毒性，而星形胶质细胞失去调节谷氨酸或维持血脑屏障（BBB）的能力，加剧水肿。铁死亡细胞分泌促炎细胞因子（如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1β（IL-1β）），导致BBB破坏、外周免疫细胞募集和继发性损伤传播。浸润巨噬细胞和活化小胶质细胞转向促炎状态，进一步放大氧化应激并释放DAMPs，触发NLRP3炎症小体活化。此外，铁死亡破坏小胶质细胞的线粒体能量代谢，损害其通过胞葬作用清除凋亡碎片的能力。少突胶质细胞通过铁依赖性髓鞘脂质氧化导致白质损伤，而内皮细胞铁死亡破坏血管完整性，促进白细胞浸润。

**3.2 化合物作为靶向疗法减少缺血性卒中中铁死亡的证据**

实验研究表明，药理学铁死亡抑制剂可通过靶向脂质过氧化和破坏氧化应激恶性循环，减少卒中模型的梗死面积并改善神经功能结局。靶向ACSL4蛋白稳定性可调节铁死亡敏感性：ACSL4通过两条平行机制加剧缺血性卒中——通过脂质过氧化触发神经元铁死亡，并通过小胶质细胞中下调剂炎症因子表达。褪黑素通过MDM2介导的ACSL4泛素化降解减轻铁死亡和神经元损伤。通窍活血汤通过促进ACSL4的泛素依赖性降解发挥神经保护作用。谷氧还蛋白5（GLRX5）的作用具有背景依赖性：在一种研究中，GLRX5介导铁死亡，而另一种研究发现GLRX5通过抑制铁死亡保护皮肤。铁死亡同时发生在神经血管单元的多细胞类型中：人参皂苷Rd通过激活NRG1/ErbB4信号通路保护BBB完整性，并抑制内皮细胞铁死亡。棉籽油保护BBB完整性并减少铁内流。白皮杉醇通过USP14/GPX4轴抑制神经元铁死亡。脂肪酸结合蛋白5（FABP5）被鉴定为受损人类神经元铁死亡的特异性生物标志物，其在缺血性半暗带中上调，可作为评估卒中严重程度和监测治疗反应的指标。此外，PPM1K/BCKDHA轴将支链氨基酸代谢与神经元脆弱性联系起来。核因子E2相关因子2（NRF2）激活（如Icariside II预处理）通过GPX4/SLC7A11轴和铁代谢调控转录抑制铁死亡，同时减轻氧化应激、神经炎症和凋亡。咖啡酸通过NRF2信号通路抵抗铁死亡。Rehmannioside A通过减轻认知障碍和梗死面积发挥神经保护作用。HSP90-GCN2-ATF4通路调节铁死亡和坏死性凋亡。USP14通过去泛素化稳定NCOA4，促进铁蛋白自噬，增加游离铁并触发铁死亡。

**3.3 铁死亡信号中的矛盾与背景依赖性**

铁死亡与缺血性卒中的关联伴随许多看似矛盾的发现。实验背景（体外系统与体内模型）的差异是重要因素。体外模型（如氧-葡萄糖剥夺（OGD））中，核心抑制剂（如Ferrostatin-1和Liproxstatin-1）有效，但体内转化面临血脑屏障穿透、代谢失活和脱靶效应等障碍。缺血模型类型影响观察到的机制：缺血再灌注（I/R）模型（如tMCAO）具有氧化爆发和血红蛋白外源性铁负荷，去铁胺（DFO）特别有效；而永久缺血模型缺乏铁激增，更依赖内源性抗氧化系统崩溃。不同神经细胞类型对铁死亡敏感性不同：神经元高代谢且依赖GPX4，是主要靶点；星形胶质细胞支持神经元抗氧化防御；小胶质细胞铁死亡通过ACSL4和NLRP3炎症小体放大神经炎症；内皮细胞铁死亡直接破坏BBB。铁死亡贡献随时间动态变化：超急性期抗氧化迅速失效，直接抑制剂有效；亚急性期继发性神经炎症与铁死亡交织，可能降低急性期干预的疗效。方法学异质性（药理学抑制剂、遗传工具、生物标志物不同）进一步复杂化结果解释。

**4 靶向铁死亡途径的缺血性卒中治疗策略**

**4.1 药理学抑制剂和调节剂**

自由基捕获抗氧化剂Ferrostatin-1和Liproxstatin-1有效抑制脂质过氧化并减少梗死体积，但Liproxstatin-1可能具有更好的代谢稳定性和更长半衰期，提供更宽的治疗窗口。铁螯合剂DFO通过螯合催化铁在超急性期高度有效，但血脑屏障穿透差和潜在全身毒性限制其应用。NecroX-7和Eriodictyol-7-O-glucoside通过清除ROS和减轻铁毒性发挥功效，但血脑屏障通透性尚不明确。激酶B抑制因子（KBs）通过远程缺血后适应（RIPostC）机制靶向铁死亡。

**4.2 脂质过氧化调节**

靶向脂质过氧化包括酶活性调节，如抑制ACSL4（通过小分子TQHX和罗格列酮）减少多不饱和脂肪酸掺入膜，从而降低脂质过氧化。另一种策略是增强内源性抗氧化系统，如大黄酸和Reganone通过激活NRF2信号通路上调SLC7A11和GPX4等保护基因。

**4.3 抗炎和多靶点方法**

神经炎症通过DAMPs和细胞因子放大铁死亡。抗炎药（如依达拉奉右莰醇和米诺环素）可减轻炎症驱动，但单一疗效有限。多靶点药物L-F001和富马酸二甲酯（DMF）同时靶向氧化应激（包括铁死亡）、炎症（如NF-κB）和星形胶质细胞健康，可能在整个时间谱有效。

**4.4 创新治疗平台**

纳米颗粒系统（如重组人铁蛋白（rHF））作为多种ROS清除剂，具有工程化血脑屏障穿透和靶向递送的潜力。基因疗法（如上调GPX4或沉默ACSL4）提供高度特异性。但这些平台面临免疫原性、制造复杂性和转基因表达安全控制等转化障碍。

**5 当前挑战与未来展望**

铁死亡研究在缺血性卒中中的转化面临多个挑战：分子机制理解不完整且背景依赖性，平行系统（如FSP1/CoQ10和GCH1/BH4）的贡献未被充分量化，铁死亡与凋亡、坏死性凋亡的时空串扰复杂。未来研究需优先使用条件性敲除模型和单细胞组学实现细胞类型特异性解析，并量化替代途径的相对权重。临床前模型与人类之间的生理差异、狭窄的治疗窗口、单药疗法不足以及全身性铁和脂质代谢的潜在干扰是主要转化障碍。需开发脑靶向递送系统（如纳米颗粒）和背景激活前药，限制急性期给药以避免稳态破坏，并追求高选择性抑制剂（如针对ACSL4）或Fenton反应阻断策略而不消耗必需储存铁。方法学异质性（物种、模型类型、缺血持续时间）影响结果，需标准化模型或评估变量影响。推进精准医学需通过生物标志物（如FABP5）进行患者分层，在临床队列中验证其与卒中严重程度和进展的关联。本综述强调了铁死亡在缺血性卒中病理中的关键作用，并指出未来研究方向：纵向绘制铁死亡激活时间窗、开发靶向递送平台和选择性抑制剂、开展整合生物标志物驱动分层的临床研究，以及严格评估长期全身风险-收益比。