Cell Death Differ︱夏晓波团队首次揭示“铁死亡”与青光眼发病机制之间的相互关系

来源︱“岚翰生命科学”姊妹号“逻辑神经科学”

撰文︱姚   飞

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

青光眼（ glaucoma）是全球首位不可逆的致盲性眼病，可累及各年龄阶段人群，临床表现为进行性的视野缺损和视神经损害，视网膜神经节细胞（retinal ganglion cell，RGC，视网膜唯一的中枢传入神经元）的选择性和不可逆性丢失是青光眼病理损害的基础[1]。病理性高眼压（pathological high intraocular pressure，ph-IOP）是青光眼发病的重要特征，也是导致青光眼RGC丢失的主要因素。通过药物或手术途径降低青光眼患者的ph-IOP是目前临床中治疗青光眼的唯一有效方法。但单纯控制ph-IOP并不能完全阻止青光眼RGC的丢失，临床中很多青光眼患者在ph-IOP控制至正常水平后，RGC丢失和视野损害仍在继续，其具体的原因尚不完全清楚并存有争议[2]。因此，深入研究青光眼RGC损伤的机制并寻找切实可行的治疗方案对解决青光眼医疗卫生难题而言具有十分重要的研究意义。

2022年8月8日，中南大学湘雅医院眼科中心/湖南省眼科重点实验室夏晓波教授团队在Cell Death & Differentiation发表原创学术成果“Pathologically high intraocular pressure disturbs normal iron homeostasis and leads to retinal ganglion cell ferroptosis in glaucoma”。该研究首次报道了“铁死亡”与青光眼的相互联系，揭示了ph-IOP通过诱导视网膜铁代谢紊乱并促进RGC铁死亡的新机制，证明了去铁酮靶向抑制RGC铁死亡对青光眼的保护效果，为从铁稳态及铁死亡途径理解和治疗青光眼提供了新的研究思路。

铁是人体必需的微量元素，在细胞能量代谢、细胞周期、生长发育过程起着举足轻重的作用[3]。青光眼作为眼科最常见的致盲性眼病，虽然有部分流行病学的研究表明高铁饮食和高血清铁蛋白与青光眼发病具有相关性，但铁代谢具体是如何影响青光眼的仍不清楚[4,5]。为了阐明二者的关系，作者以青光眼ph-IOP损伤最为典型的急性闭角型青光眼（acute primary angle-closure glaucoma，APACG）为研究对象，分析了APACG患者血清中游离铁离子的含量，结果显示青光眼患者血清中游离Fe³⁺较对照人群升高（图1b）。对应的青光眼体外和体内模型结果也显示ph-IOP损伤可以导致视网膜内铁代谢相关基因转录组表达异常及视网膜和血清中游离铁升高（图1c-f）。证实了青光眼ph-IOP损伤与铁代谢紊乱的密切联系。

图1 青光眼ph-IOP损伤扰乱了正常的铁稳态

（图源：Yao F, et al , Cell Death Differ, 2022）

为了寻找青光眼ph-IOP损伤后视网膜铁代谢紊乱的可能原因。作者检测了视网膜内铁代谢相关蛋白的表达水平。结果显示：在诸多目标蛋白中，唯有铁蛋白重链（ferritin heavy polypeptide 1，FTH1，细胞中最重要的储铁蛋白）的表达水平及趋势与视网膜内的游离铁含量高度一致（图2a-g）。进一步的研究发现NCOA4介导的铁自噬是导致FTH1表达下调的主要原因：ph-IOP损伤后NCOA4和FTH1从游离态转为结合态，铁自噬被激活，FTH1降解并释放内部储存铁，引起视网膜中游离铁含量升高（图2i, j）。敲低NCOA4的表达可以抑制FTH1的降解并降低ph-IOP损伤后视网膜中游离铁的含量（图2m-p）。这些结果共同表明NCOA4介导的FTH1降解是ph-IOP损伤后视网膜铁代谢紊乱的主要原因。

图2 NCOA4介导的FTH1降解导致了青光眼ph-IOP损伤后的铁代谢紊乱

（图源：Yao F, et al., Cell Death Differ, 2022）

既往的研究表明，升高的亚铁作为一种强氧化剂，在铁死亡（ferroptosis）病理过程中起着至关重要的作用[6]。但铁死亡是否参与青光眼RGC损伤还未见报道。为此，作者探究了青光眼ph-IOP损伤后铁代谢紊乱是否可以通过诱导RGC铁死亡加重青光眼损伤。相关的结果显示，ph-IOP损伤后，视网膜中促铁死亡因子（MDA、ACSL4）表达增加（图3a, d, f, h），抑铁死亡因子（GSH、NADPH和GPX4）表达减少（图3b, c-e, g），RGC发生铁死亡特征性变化（图3i, j）。表明铁死亡是青光眼ph-IOP损伤后RGC丢失的一种新型细胞死亡方式。

图3 青光眼ph-IOP损伤可以导致RGC铁死亡

（图源：Yao F, et al., Cell Death Differ, 2022）

当使用铁离子螯合剂去铁酮（deferiprone，作者团队筛选的一种可以通过血视网膜屏障的铁离子螯合剂）清除视网膜中异常升高的铁离子后，视网膜中促铁死亡因子（MDA、ACSL4）表达减少，抑铁死亡因子（GSH、NADPH和GPX4）表达增加，铁死亡被有效抑制（图4）。说明青光眼ph-IOP损伤后的铁代谢紊乱是RGC铁死亡的上游驱动因素，阻断视网膜铁代谢紊乱可有效抑制RGC铁死亡。

图4 去铁酮螯合视网膜游离铁离子后可抑制RGC铁死亡

（图源：Yao F, et al., Cell Death Differ, 2022）

此外，作者还研究了RGC铁死亡对青光眼的具体影响。结果显示：靶向抑制RGC铁死亡可有效减轻青光眼ph-IOP损伤后的RGC丢失，且在视网膜形态、眼底渗漏及视功能传导方面也均表现出良好的治疗潜力（图5）。表明铁代谢紊乱和铁死亡是青光眼治疗的潜在新靶点。

图5 去铁酮抑制RGC铁死亡可以减轻ph-IOP导致的青光眼损伤

（图源：Yao F, et al., Cell Death Differ, 2022）

图5. 该研究的科学假说模式图

（图源：Yao F,et al., Cell Death Differ, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究以临床中病理性高眼压（ph-IOP）损伤最典型APACG患者为切入点，发现青光眼患者血清中三价铁离子含量较正常人群升高，推测铁代谢参与调控了ph-IOP条件下RGC的损伤过程。进一步的体外和体内研究证实ph-IOP可以在损伤早期导致细胞和视网膜内二价铁离子异常蓄积及血清中三价铁离子含量升高。NCOA4介导的FTH1降解是导致ph-IOP损伤后视网膜内铁代谢紊乱的重要原因，敲低Ncoa4的表达可抑制FTH1的降解并降低视网膜中二价铁的含量。此外，ph-IOP导致的铁代谢紊乱可以通过增加视网膜促铁死亡因子的表达及减少抑铁死亡因子的表达诱导RGC发生铁死亡，加重青光眼损伤。去铁酮口服后可有效通过血视网膜屏障并螯合ph-IOP损伤后视网膜内异常升高的二价铁，抑制RGC铁死亡及保护视功能。该研究首次揭示了NCOA4-FTH1介导的铁代谢紊乱及铁死亡在青光眼RGC损伤中的作用，证明了去铁酮靶向抑制RGC铁死亡对青光眼的治疗作用，为从铁稳态及铁死亡途径理解和治疗青光眼提供了新的研究思路。

然而，该研究还存在一些不足之处。如直接干预铁离子抑制RGC铁死亡存在潜在风险，铁是人体必需的微量元素，但铁离子螯合剂对铁的清除作用是非选择性的，其除了对异常升高的铁离子具有螯合作用外，对机体正常所需的铁离子同样具有螯合作用，长期应用可能会导致铁元素不足而引发并发症。因此，未来还需寻找针对铁死亡更优的治疗靶点或提高铁离子螯合剂的细胞靶向性。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41418-022-01046-4.

通讯作者：夏晓波教授

（照片提供自：中南大学湘雅医院眼科夏晓波团队）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 

湘雅医院夏晓波教授团队，现有导师7人，其中博士生导师2人。研究团队依托中南大学湘雅医院眼科中心和眼科学湖南省重点实验室，针对青光眼、白内障、缺血性视网膜疾病等全球重要致盲性眼病开展基础研究及临床研究。团队先后主持完成各类科研课题58项（国家级27项），进站经费超过2000万元，承担国际及国内临床药物多中心研究15项；发表科研论文200余篇（SCI论文150余篇）；出版著作12部，其中主编（或参编）了《眼科学实习指导》、《眼科学》、《临床三基训练》等国家统编教材及专著12本；获省、厅级科技成果奖10项；国家授权专利12项；主持湖南省研究生重大教改课题1项、临床案例库1项、湖南省《眼科学》一流课程1门，夏晓波教授获全国“宝钢优秀教师奖”。

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Lipinski MM, Zheng B, Lu T, et al. Genome-wide analysis reveals mechanisms modulating autophagy in normal brain aging and in Alzheimer’s disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107:14164–14169.

[2] Pyo JO, Yoo SM, Ahn HH, et al. Overexpression of Atg5 in mice activates autophagy and extends lifespan. Nat Commun. 2013;4:2300.

[3] Hou L, Wang D, Chen D, et al. A systems approach to reverse engineer lifespan extension by dietary restriction. Cell Metab. 2016;23:529–540.

[4] Settembre C, Di Malta C, Polito VA, et al. TFEB links autophagy to lysosomal biogenesis. Science. 2011;332:1429–1433.

[5] Cheung ZH, Ip NY. Cdk5: a multifaceted kinase in neurodegenerative diseases. Trends Cell Biol. 2012;22:169–175.

本文完