铁死亡在椎间盘退变中的研究进展.pdf

分分子子生生物物医医学学铁死亡在椎间盘退变中的研究进展孙华张亮张永博陈浏阳戴睿杨盛孟博彭晴(.扬州大学临床医学院江苏 扬州 .江苏省苏北人民医院脊柱外科江苏 扬州):/基金项目:国家自然科学基金()江苏省中医药科技发展计划项目()江苏省苏北人民医院院级科研基金(交叉合作专项)()江苏省第六期“工程”优秀青年人才科研项目(苏人才办 号)通信作者:张亮:.中图分类号:文献标识码:文章编号:()摘要:铁死亡是新近识别的一种与凋亡和坏死不同的细胞死亡机制也是一种由细胞内游离亚铁离子增加引发的以细胞内脂质活性氧堆积为主的细胞死亡 椎间盘细胞主要包括髓核细胞、纤维环细胞以及上下两端的软骨终板细胞椎间盘退变是导致腰痛的重要原因之一但目前椎间盘退变的具体机制尚未完全阐明 铁死亡在许多疾病中发挥重要作用深入研究铁死亡与椎间盘退变发生发展的关系以及铁死亡在椎间盘细胞中的作用机制可以为相关疾病的预防、治疗提供新思路关键词:椎间盘退变腰痛铁死亡椎间盘细胞 .:.:.:铁死亡是一种新型细胞程序性坏死模式其核心原因在于细胞内铁水平升高导致细胞膜上的脂质过氧化物大量积累而脂质过氧化物可转化为具有破坏性的化合物如醛和活性氧醛和活性氧可破坏细胞内的蛋白质、脂质和核酸等大分子物质从而引发细胞死亡 椎间盘由软骨终板、纤维环以及位于纤维环中间的髓核细胞构成 椎间盘退变是人体自然衰老过程可引起腰椎管狭窄、腰椎间盘突出症、腰椎不稳定、腰椎滑脱和退变性腰椎侧凸等一系列疾病 研究表明铁死亡与神经系统、循环系统、血液系统、消化系统等系统疾病有关已成为近年研究的热点 此外铁死亡与骨关节炎、骨肉瘤、骨质疏松、脊髓损伤、椎间盘突出等骨科疾病也密切相关 因此全面了解铁死亡在椎间盘退变中的作用机制及其在预防和治疗椎间盘退变中的潜在作用具有重要意义 现就铁死亡在椎间盘退变性中的研究进展予以综述 铁死亡概述铁是重要的微量元素在人体细胞生长发育、医学综述 年 月第 卷第 期 繁殖、运输及储存氧气、代谢等方面发挥重要作用抗肿瘤药物 可导致 突变细胞死亡但不同于目前所知的细胞死亡模式未检测到细胞凋亡 等和 等研究发现细胞凋亡、坏死、自噬等抑制剂均不可抑制、以及谷胱甘肽过氧化物酶()抑制剂 和 诱导的细胞死亡而铁螯合剂和脂质过氧化物抑制剂则可达到抑制效果 在铁死亡过程中细胞的形态变化主要集中于线粒体主要表现为线粒体缩小、线粒体脊减少或消失 铁是一种重要的自由基清除剂参与机体多种病理生理过程 年 等将与铁相关的细胞死亡命名为铁死亡 铁死亡的主要途径.铁代谢途径铁元素作为人体重要的微量元素主要在小肠内被吸收利用参与人体氧的运输及血红蛋白等重要物质合成 许多疾病的发生与铁离子的代谢异常密切相关 铁是体内含量最丰富的微量元素之一在维持机体内环境稳态中发挥重要作用 研究表明在发生铁死亡的细胞中铁离子水平显著升高 细胞内铁离子水平增加主要通过 种方式:细胞内的转铁蛋白途径 转铁蛋白可将细胞外的铁转移至细胞内 研究显示转铁蛋白受体基因缺失可抑制 所致的铁死亡而细胞内二价铁离子()水平升高则可促进 所致的铁死亡但添加其他二价金属离子并不会引发铁死亡 血红素加氧化酶 通路 血红素加氧化酶 通路是细胞中铁的主要来源之一该通路已被证实可通过引起脂质过氧化反应导致铁死亡溶酶体破裂释放途径 去铁胺可与铁螯合并聚积于溶酶体中溶酶体破坏只发生在对细胞有毒性作用的过氧化氢中在铁死亡中并未发现溶酶体破坏 因此细胞内 的来源主要依靠前两种途径铁离子异常蓄积是导致细胞铁死亡的重要原因且铁死亡过程必须有铁离子参与但铁离子在铁死亡过程中的具体作用机制目前尚未明确 铁离子可能参与铁死亡过程中脂质过氧化的调节 在酸性环境中 可通过芬顿反应触发过氧化氢生成羟自由基羟自由基进一步与脂质发生化学反应生成脂质过氧化物脂质过氧化物在体内蓄积并造成细胞膜系统损伤最终导致细胞铁死亡.脂质活性氧与氨基酸代谢途径铁死亡过程的核心环节是与铁有关的脂质活性氧累积而多不饱和脂肪酸()是铁死亡过程中脂质过氧化物积累的关键成分参与多种生理过程如线粒体功能异常、氧化应激 通过一系列化学反应生成脂质活性氧团包括与脂氧合酶进行氧化反应、生成脂质活性氧以及产生具有细胞毒性的自由基等从而导致细胞受损有害的自由基可迁移至附近的 从而触发新一轮脂质氧化过程导致并传播氧化损害 因此阐明铁死亡过程中的脂质过氧化及其调控机制具有重要意义 生物体的氧化与抗氧化过程处于动态平衡 在其中发挥关键作用 在铁死亡发生发展中具有重要作用其通过将脂质过氧化物降解为水和相应的醇类物质抑制活性氧的形成而谷胱甘肽()是合成 的必要辅助因子 细胞内可影响 合成的途径主要包括胱氨酸谷氨酸转运体()途径:是一种存在于细胞膜表面的转运蛋白由溶质载体家族 成员 和溶质载体家族 成员 组成 可将细胞外的胱氨酸转运至细胞内并在细胞内氧化还原为半胱氨酸进而形成 的重要合成底物 细胞表面的 减少或失去活性可导致细胞摄取的胱氨酸水平发生改变进而使 合成减少、活性降低最终导致胞内过氧化氢堆积并被亚铁离子活化从而产生过量氧自由基导致细胞铁死亡发生 甲硫氨酸 途径:在氧化应激状态下甲硫氨酸通过其他途径转化为胱氨酸促进 合成并辅助 减少脂质活性氧生成胞内甲硫氨酸水平降低或活性减弱可导致 合成减少、活性减弱最终导致细胞铁死亡发生 甲羟戊酸通路和 通路:甲羟戊酸通路通过调控硒代半胱氨酸转运 的成熟过程对 产生影响导致细胞内发生铁死亡 硒代半胱氨酸是一种具有生物活性的巯基化合物参与调控许多生理过程 硒代半胱氨酸转运 的成熟过程需要异戊烯基转移酶将异戊烯焦磷酸中的异戊烯基转移至硒代半胱氨酸转运 前体中因此甲羟戊酸通路可通过调节异戊烯焦磷酸影响硒代半胱氨酸转运 的生成进而影响 的活性引发细胞内的铁死亡医学综述 年 月第 卷第 期 铁死亡与椎间盘退变椎间盘是一种位于椎体间的纤维软骨组织可通过分散机械负荷实现减震器的功能 正常椎间盘由外部的纤维环形成环状结构包围中央部位胶冻状的髓核组织并通过软骨终板连接到相邻椎体 其中纤维环和髓核在维持椎间盘的正常功能中发挥重要作用 椎间盘退变的发生发展涉及氧化应激、创伤、感染、炎症等因素 椎间盘退变的具体病因目前尚未完全阐明可能与椎间盘细胞学行为改变有关且可能涉及细胞凋亡和细胞外基质分解 等研究发现在退变椎间盘组织中存在铁死亡铁死亡可能在椎间盘退变中起重要作用.铁死亡与软骨终板细胞软骨终板由软骨细胞和基质组成结构类似于薄透明软骨 软骨终板的主要功能是分配机械负荷并为椎间盘提供营养物质 氧化应激、调节性细胞死亡和软骨终板细胞自噬是软骨终板退变和钙化的主要原因软骨终板细胞变性可降低组织扩散能力改变椎间盘的生化微环境导致葡萄糖和氧浓度降低、乳酸水平升高、椎间盘内 值降低进而引发椎间盘退变 等研究发现椎间盘退变患者软骨终板标本中的白细胞介素()及其受体表达异常因此认为软骨终板细胞的铁死亡由 通过氧化应激和铁稳态诱导所致研究还发现 通过抑制 受体表达部分抑制 诱导的铁死亡因此/受体轴可能是椎间盘退变治疗的潜在靶点 等研究显示铁过量是椎间盘退变的独立危险因素铁过载不仅以剂量依赖方式促进椎间盘退变和软骨终板退变还可促进软骨细胞退变、上调基质金属蛋白酶表达、下调软骨标志物表达导致终板软骨细胞矿化、软骨细胞氧化应激和软骨基质降解最终导致软骨细胞铁死亡而使用铁螯合剂(去铁胺)、抗氧化剂(乙酰半胱氨酸)和铁死亡抑制剂()可有效抑制铁过载引起的终板软骨细胞退变挽救高剂量铁诱导的椎间盘退变和软骨终板钙化 综上铁过载在椎间盘退变中起重要作用且与软骨终板细胞铁死亡有关 因此及时调整细胞中的铁水平可延缓甚至逆转椎间盘退变抑制氧化应激或铁死亡导致的终板退变可能是椎间盘退变的潜在治疗策略之一.铁死亡与纤维环细胞纤维环围绕在椎间盘外部区域维持生理椎间盘内压力 板层是纤维环组织的一种独特结构在防止髓核组织横向扩张方面发挥关键作用 胶原蛋白丰富的基质中富含大量纤维环细胞这些纤维环细胞退化可破坏椎间盘的结构完整性引发机械平衡失调和椎间盘突出等问题 纤维环细胞退变在椎间盘退变的发生发展过程中容易被追踪 纤维环细胞退变可导致椎间盘细胞减少、基质降解酶增加以及炎症等病理改变 等研究发现随着叔丁基过氧化氢()水平升高大鼠模型纤维环细胞中的铁蛋白重链和 表达下调前列腺素内过氧化物合酶 和酰基辅酶 合成酶 表达上调表明氧化应激诱导的大鼠纤维环细胞中存在铁死亡当纤维环细胞遭受氧化应激时纤维环内存在大量受损细胞从而诱导纤维环细胞发生自噬细胞内的吞噬体通过与选择性铁蛋白受体 核受体共激活因子 结合将铁蛋白转运至铁蛋白自噬体中并通过一系列反应释放 促使纤维环细胞内产生芬顿反应进而生成脂质过氧化物损伤胞膜系统导致纤维环细胞铁死亡以上研究表明氧化应激和铁过载在纤维环损伤过程中起重要作用抑制氧化应激可减少纤维环细胞铁死亡的发生进而从病理生理学机制上逆转椎间盘退变.铁死亡与髓核细胞髓核是一种位于椎间盘中央的胶冻状无血管组织主要由髓核细胞、蛋白多糖和型胶原组成 髓核具有吸收和传递应力的功能髓核细胞退化是椎间盘退化的主要触发因素 髓核细胞变性常伴随细胞外基质代谢失衡、型胶原降解、聚集蛋白表达下调、促炎性细胞因子表达上调、氧化应激等一系列病理改变膜铁转运蛋白()是一种多跨膜蛋白也是哺乳动物中唯一的可输出细胞内过量亚铁的转运蛋白主要负责维持细胞内铁稳态 缺乏可导致细胞中不稳定的铁积聚以及与铁和亚铁相关的活性氧的产生并最终导致铁死亡 等通过 模拟人髓核细胞的氧化应激环境并采用流式细胞仪和透射电镜检测铁死亡采用铁含量测定试剂盒、染色和蛋白质印记法检测细胞内的铁含量结果发现细胞间铁过载在 诱导的医学综述 年 月第 卷第 期 人髓核细胞铁死亡中发挥重要作用且 失调是氧化应激下细胞间铁过载的原因而金属调节转录因子 核转位的增加可恢复 功能、消除细胞间铁过载保护细胞免受铁死亡 因此 可作为新的椎间盘退变治疗靶点 等通过基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱研究发现新生血管外渗的血红素可促进人髓核细胞和组织细胞中的铁积累和铁死亡 等研究发现 诱导的氧化应激和铁死亡可减弱大鼠髓核细胞和纤维环细胞的增殖能力和细胞活力其具体机制在于核受体共激活因子 与铁蛋白重链结合可显著增强铁蛋白降解增加细胞 浓度芬顿反应可通过产生活性氧使细胞膜发生脂质过氧化和细胞铁死亡 等研究表明高同型半胱氨酸是导致人类椎间盘退变的主要独立风险因子同型半胱氨酸可促进退变性细胞表型(包括氧化应激增加和铁死亡引发的细胞死亡)进一步研究发现叶酸(用于治疗人类高同型半胱氨酸血症)可减弱饮食诱导的高同型半胱氨酸促进椎间盘退变的能力 等研究显示 可诱导人髓核细胞活化转录因子 过表达和铁死亡敲低活化转录因子 可下调 表达、上调溶质载体家族 成员 表达进而抑制髓核细胞铁死亡在动物模型水平缓解椎间盘退变进展 等从小鼠骨髓间充质干细胞中提取细胞外囊泡并与 诱导的髓核细胞共培养结果发现髓核细胞可通过摄取骨髓间充质干细胞来源的细胞外囊泡延缓椎间盘退变其具体机制是细胞外囊泡中携带的 通过抑制 表达、上调核转录因子红系 相关因子 表达抑制髓核细胞铁死亡同时还可促进髓核细胞合成细胞外基质体内实验也证实骨髓间充质干细胞来源的细胞外囊泡可通过/核转录因子红系 相关因子 轴改善动物模型的椎间盘病变 等建立大鼠椎间盘退变模型检测其腰椎间盘组织中的 和 同源物()表达、获取大鼠髓核细胞并给予 干预结果发现大鼠退变椎间盘组织中 的活性增强 可通过抑制 诱导的氧化应激和氧化应激引发髓核细胞铁死亡不仅可通过与血红素加氧酶 结合影响髓核细胞的氧化应激还可通过与 结合影响髓核细胞铁死亡而抑制 表达可改善椎间盘退变并影响脂质代谢 综上 功能失调、新生血管外渗的血红素、同型半胱氨酸、活化转录因子、细胞外囊泡和 等均可影响髓核细胞铁死亡为椎间盘退变的治疗提供了新靶点 小 结近年椎间盘退变性疾病作为一种高致残性疾病受到广泛关注 铁死亡与椎间盘退变性疾病的病理生理机制有关在椎间盘退变的发生发展中起重要作用通过干预铁死亡相关的通路可不同程度地改变细胞损伤和衰老的程度 因此调节铁死亡成为治疗椎间盘退变性疾病的新策略 铁死亡与髓核、纤维环及软骨终板间的相互作用为椎间盘退变性疾病的进一步研究以及治疗提供了新方向 但目前关于椎间盘退变中铁死亡的研究尚处于早期阶段需进一步研究验证铁死亡在椎间盘退变中的普遍性 未来深入研究铁死亡的具体机制、分子靶点和相关信号通路可以为椎间盘退变性疾病的治疗提供证据支持参考文献 .:.:.():.:.:.杨延辑谭先昱.铁死亡与骨骼以及关节疾病的研究进展.医学研究生学报():.():.():.:.():.:.():.():.():.医学综述 年 月第 卷第 期 .():.:.:./().:.():.:.():.:.():.():.吴德升.椎间盘退变干细胞生物学修复的临床研究进展与挑战.中国临床新医学():.():.():.():.:.:.:.:.():./.:.:.:.:.:.:.:.():.():.:.():.():.():.:.():.:.:.:./.():.收稿日期:修回日期:编辑:郑雪医学综述 年 月第 卷第 期