摘要：铁死亡是一种非半胱天冬酶依赖的细胞死亡方式，由脂质过氧化引起，可被铁螯合剂和抗氧化剂抑制。这种细胞死亡方式于2012年被提出，主要发生在erastin诱导的突变RAS癌细胞中。在活性氧（ROS）积累时，过氧化的PUFA-PL会破坏细胞膜结构，导致细胞损伤和质膜
铁死亡是一种非半胱天冬酶依赖的细胞死亡方式，由脂质过氧化引起，可被铁螯合剂和抗氧化剂抑制。这种细胞死亡方式于2012年被提出，主要发生在erastin诱导的突变RAS癌细胞中。在活性氧（ROS）积累时，过氧化的PUFA-PL会破坏细胞膜结构，导致细胞损伤和质膜破裂。铁死亡与肿瘤、缺血再灌注损伤和退行性疾病等多种病理过程相关，在肾脏疾病中尤为重要，特别是在急性肾损伤、肾缺血再灌注损伤、糖尿病肾病和肾细胞癌中起关键作用。草酸钙等物质通过氧化应激诱发铁死亡，在肾结石形成中扮演关键角色。基于“死亡波”现象的研究为理解肾结石中铁死亡机制提供了新视角。
铁死亡是一种铁依赖的非凋亡细胞死亡方式，特征包括线粒体形态变化（如皱缩、膜密度增加、嵴破裂）和细胞核正常。生化特征表现为系统Xc-活性降低、GSH和GPX4减少，以及ROS和脂质过氧化物积累。铁代谢异常也是其特征之一。新研究显示，强脂质过氧化也见于非典型焦亡，不应作为铁死亡的唯一标志物。
图 1.铁死亡的调控机制图。调节铁死亡的主要机制包括（1）GPX4的抗氧化途径，（2）涉及自噬和Fenton反应的铁代谢，（3）涉及酶反应的脂质代谢，以及（4）CoQ抗氧化活性。
ACSL4酰基辅酶A合成酶长链家族成员4、AIFM2凋亡诱导因子线粒体相关2、BH2二氢生物蝶呤、BH4四氢生物蝶呤、CoA辅酶A、CoQ10辅酶Q10、CoQ10H2泛醇、ETC电子传递链、FSP1铁死亡抑制蛋白1、GPX4谷胱甘肽过氧化物 4、GSH谷胱甘肽、GSR谷胱甘肽二硫化物还原酶、GSSG谷胱甘肽二硫化物、LIP不稳定铁库、LOX脂氧合酶、LPCAT3溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3、PLOOH磷脂氢过氧化物、POR细胞色素 P450 氧化还原酶、PUFA多不饱和脂肪酸、PUFAs-PLs含 PUFA 的磷脂、ROS活性氧、SLC3A2溶质载体家族 3 成员 2、SLC7A11溶质载体家族 7 成员 11、TfR转铁蛋白受体、TXNRD1硫氧还蛋白还原酶 1GSH是关键抗氧化剂，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸合成，作为GPX4的辅助因子，后者是唯一能减少磷脂过氧化物的含硒代半胱氨酸的抗氧化酶。GSH和NADPH的含量影响GPX4活性。半胱氨酸主要来源于System Xc−途径和转硫途径，其中System Xc−由SLC7A11和SLC3A2组成，负责将胱氨酸还原为半胱氨酸。抑制System Xc−或直接抑制GPX4活性可诱导铁死亡。
铁死亡诱导剂分为两类：一类如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、erastin等抑制System Xc−；另一类如RSL3、ML162、ML210、FINO2和FIN56等直接抑制GPX4活性。 脂质过氧化是PUFA膜结构被ROS破坏的过程，影响膜功能。ROS由氧不完全还原产生，可通过线粒体ETC和NOX等产生。游离PUFA的氧化是铁死亡信号传递的前提。ACSL4将游离PUFA与辅酶A结合，LPCAT3重新酯化产物为磷脂，影响PUFA跨膜特性。脂质过氧化可由非酶促（芬顿反应）和酶促（LOX和POR）机制触发。 铁是人体代谢必需的金属离子，对铁死亡至关重要。Fe2+通过肠道吸收或红细胞降解形成，并被氧化为Fe3+，与转铁蛋白结合后通过TFR1进入细胞。在细胞内，Fe3+还原为Fe2+并释放到不稳定铁池（LIP）。过量Fe2+可产生ROS导致铁死亡。 NCOA4促进铁蛋白降解释放铁，HO-1催化血红素降解产生铁到LIP，但对铁死亡的影响尚不明确。HSPB1通过减少TFR1表达抑制铁死亡。
乙酰辅酶A通过MVA途径合成类固醇前体角鲨烯和辅酶Q前体法呢基焦磷酸。研究发现角鲨烯能改变细胞脂质谱，保护癌细胞免于铁死亡。CoQ10是常见的膳食补充剂，其还原形式泛醇(CoQ10H2)是细胞内源性抗氧化剂，通过阻断脂质过氧化抑制铁死亡。 GTP环状水解酶1（GCH1）合成的四氢生物蝶呤（BH4）能直接捕获自由基并参与泛醌合成以抑制铁死亡。AIFM2/FSP1是CoQ抗氧化系统的关键成分，能将CoQ10还原为CoQ10H2，减轻铁死亡。
近年来，铁死亡研究进展迅速，涉及Nrf2、硫氧还蛋白、p53和NOXs等机制。Nrf2调控抗氧化基因表达维持ROS平衡；硫氧还蛋白维持GSH水平；TP53基因p53抑制半胱氨酸摄取降低抗氧化能力增加敏感性；NOX过度表达提高氧化自由基水平增加敏感性。 缩写版： GSH是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸合成的关键抗氧化剂，并作为GPX4辅助因子发挥作用。半胱氨酸主要来源于System Xc−途径和转硫途径。两类化合物可诱导铁死亡：一类如索拉非尼等抑制System Xc−；另一类如RSL3等直接抑制GPX4活性。 脂质过氧化破坏PUFA膜结构影响功能，并可由非酶促（芬顿反应）和酶促（LOX和POR）机制触发。 Fe2+对维持人体代谢至关重要，并在过量时可导致ROS产生引起铁死亡。 NCOA4促进释放Fe至LIP；HO-1催化血红素降解产生Fe至LIP；HSPB1减少TFR1表达以抑制铁死
肾结石形成与肾小管上皮细胞（RTEC）损伤相关。传统研究集中于坏死和凋亡，但新研究表明铁死亡与肾结石相关。杨等人通过大鼠模型发现RTEC线粒体损伤，表现为铁死亡特征。肾结石患者尿液中脂质过氧化标志物TBARS和MDA含量升高，抗氧化酶活性降低，进一步证实铁死亡的参与。谢等人报道铁死亡抑制剂Ferrostatin-1能减少草酸钙诱导的RTEC损伤。鉴于兰德尔斑块与异位钙化相关，且冠状动脉粥样硬化与铁死亡有关，推测肾结石可能也与铁死亡相关。
是什么引发了与肾结石相关的铁死亡？CaOx晶体沉积与铁死亡密切相关，是结石形成的关键。研究发现，CaOx浓度升高可导致HK-2细胞中铁死亡相关蛋白表达变化、MDA水平增加和线粒体损伤。乙二醇诱导的CaOx晶体激活自噬和BECN1表达，影响胱氨酸摄取，抑制GPX4，增加脂质过氧化，诱导铁死亡。草酸盐处理的HK-2细胞中自噬和BECN1蛋白水平增加，BECN1敲低可降低脂质过氧化物和ROS水平，提高GPX4水平。CaOx晶体激活肽基脯氨酰异构酶F，导致线粒体损伤和ROS产生，并可通过激活肾素/血管紧张素系统和NOX加剧ROS产生，促进铁死亡。高尿酸、钙和磷酸盐也与铁死亡关联。硒是必需微量元素，具有抗氧化、抗炎和免疫调节功能，与成人肾结石发病率负相关。硒通过激活GPX4转录调节抗氧化机制，对铁死亡有保护作用，并能减轻铁死亡并改善脑缺血再灌注损伤及自闭症样行为。因此，硒可能是抑制肾结石发展的保护因子。
如何引发铁死亡？磷酸盐和尿酸盐降低GPX4表达，减少抗氧化能力。CaOx晶体激活NOX，释放ROS，导致氧化应激和线粒体损伤。这增强TCA循环，加剧ROS释放，减少抗氧化酶。高ROS水平下，PUFA氧化损伤，引发铁死亡。ROS还介导铁蛋白自噬和TFR1上调，促进铁过载和铁死亡。过量ROS破坏内质网稳态，引发ERS。硒通过抑制ERS减轻铁死亡，青蒿素激活ERS通路诱导铁死亡。ERS与CaOx肾结石形成相关，可能影响结石形成。
表 1.氧化钙激活自噬并上调 BECN1推动驱动Ppif，促进MPT毛孔打开上调肾素/血管紧张素系统磷酸盐抑制 SLC7A11/GSH/GPX4 通路推动尿酸盐下调 Nrf2/SLC7A11/GPX4 通路推动硒通过协调转录因子 TFAP2c 和 Sp1 的激活来驱动 GPX4 转录并调节抗氧化机制抵抗合成GPX4上调 Mfn1 表达上调 Nrf2/GPX4 信号通路抑制内质网应激BECN1beclin-1、CaOx草酸钙、GPX4谷胱甘肽过氧化物 4、GSH谷胱甘肽、MPT线粒体通透性转变、Nrf2核因子红细胞 2 相关因子 2、Ppif肽基脯氨酰异构酶 F、Se硒、SLC7A11溶质载体家族 7 成员 11
自噬是细胞在营养不足或氧化应激时，通过自噬囊泡清除受损细胞器和大分子，维持细胞内稳态的过程。研究表明ERS与自噬关系密切，自噬过度激活会破坏稳态。镉通过ERS介导的自噬激活促进铁死亡，揭示了ERS/自噬轴激活铁死亡的机制。自噬激活可诱导铁死亡，涉及多种机制如NCOA4、RAB7A、ARNTL和BECN1。CaOx晶体可能通过激活自噬和上调BECN1诱导铁死亡，促进肾结石形成。
铁死亡如何介导肾结石形成？多数研究关注肾结石危险因素对RTEC铁死亡的影响。我们提出假设，探讨细胞铁死亡后结石形成的过程。全基因组关联研究显示，近端肾小管（pRTECs）是肾结石的关键靶点，其损伤促进结石形成。肾结石机制基于“Randall斑块”和“Randall栓”学说，涉及晶体在肾小管尿液中的成核、生长和聚集，以及钙斑块的形成。pRTECs的微绒毛影响流体流速和晶体运动，晶体沉积导致上皮损伤和细胞铁死亡。铁死亡通过细胞连接引发连锁反应，降低抗氧化能力，增加对铁死亡的敏感性。氧化应激导致pRTECs ROS积累和线粒体损伤，加剧氧化损伤，在结石形成中起重要作用。
图 2.pRTECs 铁死亡机制和肾结石信息。尿液中化学物质的过饱和会形成晶体，并引发线粒体损伤和 RTEC 中 ROS 的积累，最终导致铁死亡。死亡细胞通过NADPH的自由扩散，降低邻近细胞的抗氧化能力，造成氧化应激，并可能诱发邻近细胞铁死亡，形成“死亡波”现象。邻近细胞中ROS的积累会对RTEC造成损害并促进晶体粘附和聚集。死亡细胞的质膜破裂并释放 DAMP，从而激活并招募巨噬细胞。巨噬细胞可以极化为M1型，促进炎症反应，最终为结石形成提供条件。
BECN1beclin-1，CD44分化簇 44、DAMP损伤相关分子模式、ERS内质网应激、ETC电子传递链、GPX4谷胱甘肽过氧化物 4、IL白细胞介素、LIP不稳定铁池、MPT线粒体通透性转变、NADPH烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、NF- kB核转录因子-kappa B、NOXsNADPH 氧化酶、p38MAPKp38有丝分裂原激活蛋白激酶、Ppif肽基脯氨酰异构酶 F、ROS活性氧、pRTECs近端肾小管上皮细胞、Se硒、TNF-α肿瘤坏死因子-α表 2.活性氧通过 p38MAPK 通路上调透明质酸、骨桥蛋白和 CD44 的表达改变 RTEC 对 CaOx 晶体的粘附[ 103 ]氧化尿调节素促进CaOx结晶和晶体生长[ 104 ]启动NF-kB信号通路，促进TNF-α、IL-6、IL-1b等细胞因子的分泌导致RTECs损伤、脱离和基底膜暴露[ 105 , 106 ]CaOx草酸钙、CD44分化簇 44、IL白细胞介素、NF-kB核转录因子-kappa B、p38MAPKp38 丝裂原激活蛋白激酶、ROS活性氧、RTECs肾小管上皮细胞、TNF-α肿瘤坏死因子-α
当氧化损伤积累至一定程度时，相邻细胞可能诱发铁死亡，导致周围细胞抗氧化能力下降，进而造成大面积pRTECs损伤。死细胞或碎片在管状腔内积聚，促进晶体聚集，形成结石生长的有机基质。晶体随尿液移动至远端集合管，形成“兰德尔塞”，加速肾结石形成。细胞死亡，暴露基底膜，晶体与其结合，再生上皮生长推动晶体进入间质，促进晶体保留和炎症反应。pRTEC经历铁死亡后释放DAMPs（如HMGB1、ATP等），激活免疫反应和巨噬细胞分泌趋化因子，导致肾脏间质炎症。炎症和晶体沉积与兰德尔斑块形成相关。尽管铁死亡在pRTEC和肾结石中起重要作用，但其确切机制需进一步研究。
铁死亡是由于铁代谢失衡或系统Xc破坏，导致抗氧化剂消耗和ROS增加，最终引发脂质过氧化。肾结石形成中，CaOx晶体、尿液环境变化和缺硒等通过氧化应激、ERS和自噬诱发铁死亡。铁死亡的pRTEC可能降低周围细胞抗氧化能力，导致肾小管损伤，促进晶体聚集。肾结石危险因素引起近曲小管上皮细胞铁死亡，加速晶体沉积和聚集。铁死亡在肾结石中的作用揭示了新的治疗目标，但其促进结石形成的机制尚不明确。使用铁死亡抑制剂治疗肾结石面临挑战，需研究其对机体抗恶性细胞能力的影响及对肾脏其他组织潜在损害。明确铁死亡在肾结石中的具体机制对实现针对性、个性化治疗至关重要，有助于精准医疗和新防治策略的发展。
参考：Yang J, Wu W, Amier Y, Li X, Wan W, Xun Y, Yu X. Ferroptosis and its emerging role in kidney stone formation. Mol Biol Rep. 2024 Feb 20;51(1):314. doi: 10.1007/s11033-024-09259-1. PMID: 38376557; PMCID: PMC10879253.
来源：医学镜界
