综述：缺氧诱导因子-1α：缺血性卒中中铁死亡双向调控因子及潜在治疗靶点

《Frontiers in Neurology》：Hypoxia-inducible factor 1-alpha: a dual regulator of ferroptosis in ischemic stroke and a promising therapeutic target

　　

缺血性卒中（ischemic stroke, IS）是一种具有高发病率和高致残率的急性脑血管疾病，其发病机制复杂，涉及多种细胞死亡形式。铁死亡作为一种新型非凋亡性细胞死亡方式，在IS进展中发挥重要作用。缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor 1-alpha, HIF-1α）是缺氧应答中的关键转录因子，在IS中可发挥神经保护作用或神经毒性作用。近期研究证实HIF-1α是IS后铁死亡的关键调控因子，但其是否在IS后对铁死亡的调控中发挥双重效应仍不明确。为此，研究人员综述了HIF-1α调控铁死亡的相关研究，结果显示HIF-1α通过铁代谢、脂质过氧化（lipid peroxidation, LPO）及氧化应激等机制调控铁死亡，进而发挥抑制或促进作用。这种矛盾特性可能与不同时间点HIF-1α表达的动态变化及缺血严重程度差异相关。研究人员同时讨论了以调节HIF-1α水平抑制铁死亡的治疗策略，包括脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylase, PHD）抑制剂、去铁胺（deferoxamine, DFO）、二甲基乙二酰甘氨酸（dimethyloxallyl glycine, DMOG）、3-(5′-羟甲基-2′-呋喃基)-1-苄基吲唑（3-(5′-hydroxymethyl-2′-furyl)-1-benzyl indazole, YC-1）、丙泊酚及其他天然化合物。未来研究应探索不同缺血时长及缺血严重程度下HIF-1α调控铁死亡的动态变化，进一步明确其双重作用机制，推动治疗策略开发。然而，这些策略的临床转化目前受限于狭窄的治疗时间窗、潜在不良反应及临床验证不足。

1 引言

卒中是全球范围内导致残疾和死亡的主要病因，其中缺血性卒中占所有卒中事件的60%–70%，给家庭和社会带来沉重医疗与经济负担。IS由局部脑血流阻塞引发，导致缺血缺氧性局灶性脑组织坏死及神经功能缺损。早期快速恢复脑血流灌注是目前最有效的治疗手段，阿替普酶是唯一获美国食品药品监督管理局批准用于IS溶栓的药物，但部分患者溶栓后出现神经功能缺损进行性加重，即脑缺血再灌注损伤（cerebral ischemia–reperfusion injury, CIRI），目前尚缺乏有效临床治疗方案，其机制也未完全阐明。IS的病理进程涉及凋亡、坏死性凋亡、自噬性细胞死亡及细胞焦亡等多种程序性细胞死亡途径。铁死亡作为新发现的调节性细胞死亡形式，通过铁代谢紊乱、脂质过氧化及氧化应激介导神经元损伤，在IS进展中发挥关键作用。HIF-1α是缺氧条件下激活的转录因子，可调控氧化应激、炎症及细胞死亡相关基因表达，在脑缺血中发挥双重作用：一方面通过上调血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）促进血管生成与神经发生，上调促红细胞生成素（erythropoietin, EPO）增强氧输送与脑灌注，发挥神经保护作用；另一方面在IS早期可通过增加血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）通透性、介导促炎因子表达加重神经损伤，还可通过激活NOD样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3, NLRP3）炎性体诱导细胞焦亡与凋亡，或通过核因子κB（Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κB）通路增强炎症与氧化应激反应。近期研究表明HIF-1α可调控铁死亡通路，其在IS后的双向作用同样体现在铁死亡调控中：在大鼠短暂性大脑中动脉阻塞（transient middle cerebral artery occlusion, tMCAO）模型中，HIF-1α通过下调长链脂酰辅酶A合成酶4（long-chain acyl-CoA synthetase family member 4, ACSL4）转录抑制铁死亡，发挥脑组织保护作用；而HIF-1α表达升高也可上调转铁蛋白受体1（transferrin receptor 1, Tfr1）表达，导致病理性铁过载。目前尚无综述系统阐述HIF-1α在IS中铁死亡的双向调控机制及该双重效应的潜在原因，本综述首次汇总现有证据并提出，HIF-1α对铁死亡的双向调控可能与其在缺血时长及缺血程度差异下的动态表达变化密切相关，未来需开展多时间点、多疾病严重程度的动态监测以验证该假说。

2 铁死亡

2.1 铁死亡命名

铁死亡概念的形成历经数十年研究：1980年发现氨基酸以半胱氨酸形式氧化进入细胞，半胱氨酸与谷氨酸通过特异性转运体进入人表皮成纤维细胞发挥生理功能；2003年发现新型化合物erastin可诱导非凋亡、基因选择性细胞死亡；随后研究发现RSL3和RSL5可触发非凋亡、铁依赖性氧化细胞死亡，且致癌RAS转化的细胞因Tfr1表达升高、铁蛋白重链1（ferritin heavy chain 1, FTH1）与铁蛋白轻链（ferritin light chain, FTL）表达降低导致铁水平升高；2012年正式将这一铁依赖的、由脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡命名为铁死亡，并明确其形态学、生化及遗传学特征。

2.2 缺血性卒中与铁死亡机制

铁死亡是IS发展的重要驱动因素，其核心机制为铁代谢紊乱、脂质过氧化及氧化应激介导的神经元损伤。

2.2.1 缺血性卒中与铁代谢紊乱

生理状态下铁以亚铁离子（Fe²⁺）和三价铁离子（Fe³⁺）形式存在，铁稳态维持对正常脑功能至关重要，涉及铁导入、导出及胞内储存蛋白的调控。转铁蛋白（transferrin, Tf）结合血液中Fe³⁺形成Tf-Fe复合物，经Tfr1介导的内吞作用进入细胞；胞内Fe³⁺经六跨膜上皮抗原前列腺3（six-transmembrane epithelial antigen of prostate 3, STEAP3）还原为Fe²⁺，由铁蛋白储存于不稳定铁池（labile iron pool, LIP）以供利用；铁外排时，膜铁转运蛋白1（ferroportin 1, FPN1）与铜蓝蛋白（ceruloplasmin, CP）协同将Fe²⁺氧化为低毒性的Fe³⁺，重新结合Tf进入下一循环。病理状态下铁离子异常蓄积导致代谢紊乱，是铁死亡的特征之一。CIRI后BBB通透性增加，循环游离铁穿透脑实质导致病理性铁过载；同时IS导致铁外排蛋白功能障碍，铁外流受阻并在胞内蓄积。铁调素（hepcidin）是铁稳态的核心调节因子，IS后hepcidin水平升高导致FPN1降解，中枢神经系统中铁含量增加，触发铁死亡。此外，铁蛋白自噬（ferritinophagy）由核受体共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4, NCOA4）介导，IS后缺氧上调神经元NCOA4表达，过度铁蛋白自噬导致铁蛋白降解，释放大量游离铁，破坏铁稳态并诱发铁死亡；阻断NCOA4与FTH1的相互作用可抑制铁蛋白自噬，减少胞内Fe²⁺含量，有效抑制铁死亡并减轻tMCAO大鼠脑损伤。

2.2.2 缺血性卒中与脂质过氧化

过量铁离子通过芬顿反应（Fenton reaction）产生大量活性氧（reactive oxygen species, ROS），诱导脂质过氧化并导致丙二醛（malondialdehyde, MDA）与脂质过氧化物蓄积，是铁死亡的关键触发机制。脑缺血再灌注后ROS水平显著升高，刺激多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs）氧化，PUFAs特别是花生四烯酸（arachidonic acid, AA）与肾上腺酸（adrenic acid, AdA）在ACSL4催化下与辅酶A（coenzyme A, CoA）结合生成AA/AdA-CoA衍生物，经溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3, LPCAT3）整合至膜磷脂（尤其是磷脂酰乙醇胺，phosphatidylethanolamine, PE），形成AA/AdA-PE，其为诱导铁死亡的关键磷脂。酶促途径中，脂氧合酶（lipoxygenases, LOX）氧化AA/AdA-PE产生磷脂氢过氧化物（phospholipid hydroperoxides, PL-OOH），经β-裂解生成MDA与4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal, 4-HNE）；非酶促途径中，Fe²⁺与过氧化氢通过芬顿反应生成羟基自由基，触发脂质过氧化级联反应。ACSL4过表达可诱导tMCAO大鼠脑组织损伤，抑制ACSL4活性可减少线粒体膜电位与ROS水平，增加线粒体嵴形成，减轻铁蓄积与脂质过氧化物水平。

2.2.3 缺血性卒中与抗氧化系统

谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）是人类唯一可直接还原脂质过氧化物的酶，是抗铁死亡的关键靶点，其将谷胱甘肽（glutathione, GSH）转化为氧化型谷胱甘肽（glutathione disulfide, GSSG），并将PL-OOH还原为磷脂醇（phospholipid alcohols, PL-OH），降低脂质过氧化物毒性。GSH由胱氨酸/谷氨酸逆向转运体（cystine/glutamate antiporter, system Xc^?）调控的胱氨酸代谢池合成，system Xc^?由溶质载体家族7成员11（solute carrier family 7 member 11, SLC7A11）与溶质载体家族3成员2（solute carrier family 3 member 2, SLC3A2）组成，介导胞外胱氨酸与胞内谷氨酸交换；胱氨酸进入细胞后还原为半胱氨酸，用于GSH合成。IS后SLC7A11上调可增加胞内半胱氨酸水平，促进GSH生成并增强GPX4活性，有效抑制铁死亡；急性IS患者血清SLC7A11与GPX4水平与疾病严重程度密切相关，较低水平对应更严重的神经功能损伤。脑组织因内源性抗氧化防御系统相对薄弱而对氧化应激高度敏感，IS后缺氧导致代谢紊乱，氧化磷酸化受损，ROS生成增加，破坏system Xc^?功能并抑制GSH合成；脂质过氧化物蓄积降低GPX4活性，无法分解毒性PL-OOH，最终导致神经元铁死亡。

2.2.4 Nrf2/HO-1抗氧化通路

核因子E2相关因子2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2）调控铁死亡并激活内源性抗氧化程序抵御氧化损伤。稳态下Kelch样ECH关联蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1, Keap1）在胞质负调控Nrf2，使其通过泛素-蛋白酶体途径快速降解；脑缺血后缺氧微环境促使Nrf2从Keap1解离并入核，激活多种抗氧化因子，通过靶向FTH1/FTL等铁代谢相关蛋白抑制铁死亡，还可降低ROS水平并增加GPX4蛋白表达，维持氧化平衡。血红素氧合酶-1（heme oxygenase-1, HO-1）是Nrf2下游靶基因，其催化血红素降解，将自由基转化为水和氧分子，减少氧化损伤产物蓄积；同时其代谢产物胆绿素与胆红素可有效降低ROS与MDA水平。Nrf2/HO-1信号通路激活可抑制tMCAO小鼠神经元铁死亡并保护脑组织。但需注意，血红素代谢同时释放游离铁，可促进铁蓄积并诱导铁死亡。

2.2.5 FSP1/CoQ10通路

铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1, FSP1）是新发现的氧化还原调控蛋白，作为独立于GPX4的铁死亡抑制剂，以NAD(P)H依赖的方式还原辅酶Q10（coenzyme Q10, CoQ10），还原型CoQ10作为亲脂性抗氧化剂捕获自由基，阻断脂质过氧化。

2.2.6 DHODH/CoQH2通路

二氢乳清酸脱氢酶（dihydroorotate dehydrogenase, DHODH）是位于线粒体内膜的黄素依赖酶，参与CoQ的氧化还原反应，催化二氢乳清酸转化为乳清酸的同时将CoQ还原为二氢醌（dihydroquinol, CoQH2）；CoQH2作为抗氧化剂捕获自由基，通过减少脂质过氧化物抑制铁死亡。当GPX4急性失活时，DHODH介导的CoQH2生成显著增强，可代偿GPX4缺陷，预防线粒体内铁死亡。

2.2.7 GCH1/BH4通路

GTP环化水解酶1（GTP cyclohydrolase 1, GCH1）/四氢生物蝶呤（tetrahydrobiopterin, BH4）轴是独立于GPX4的抗氧化与抗铁死亡通路，在血管疾病中发挥关键作用。BH4是抗氧化防御系统的关键组分，参与一氧化氮（nitric oxide, NO）生物合成与神经递质调节；GCH1是BH4合成的限速酶，BH4通过氧化还原循环清除内源性氧化自由基，抑制铁死亡。上述DHODH/CoQH2、GCH1/BH4与FSP1/CoQ10轴是IS抗铁死亡与抗氧化防御的潜在新型调控通路，值得深入探究。

3 缺氧诱导因子-1α

HIF-1由HIF-1α与HIF-1β组成，属于碱性螺旋-环-螺旋转录因子家族，HIF-1α是氧稳态的核心调节因子，其活性对氧水平高度敏感。常氧条件下，HIF-1α受PHD与缺氧诱导因子抑制因子-1（factor-inhibiting HIF-1, FIH-1）调控：PHD羟化HIF-1α后经E3泛素连接酶复合体泛素化，通过26S蛋白酶体降解；FIH-1通过阻断HIF-1α与转录