《Genes & Diseases》：Targeting Nrf2-mediated regulation of ferroptosis: A novel therapeutic approach for orthopedic diseases
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本综述系统阐述了转录因子Nrf2（NF-E2-related factor 2）通过调控铁代谢（如FTH1、FPN1）与抗氧化系统（如GPX4、SLC7A11、FSP1）在铁死亡（Ferroptosis）中的核心作用，并深入探讨了SIRT6/Nrf2/GPX4、p62/KEAP1/Nrf2、AKT/Nrf2/HO-1等关键信号通路。文章进一步揭示了Nrf2-铁死亡轴在椎间盘退变、骨关节炎、骨质疏松、脊髓损伤和骨肉瘤等骨科疾病中的病理机制与治疗潜力，为开发靶向Nrf2通路的新型疗法提供了重要理论依据和研究方向。
铁死亡是一种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡形式，其在多种疾病发病机制中的作用日益受到关注。核因子E2相关因子2（Nrf2）作为抗氧化防御的主要调节因子，通过调节铁代谢和氧化还原稳态，在铁死亡中扮演着 pivotal 角色。
铁死亡的基本生物学机制
铁死亡的核心特征在于铁依赖的脂质过氧化、活性氧（ROS）的积累以及多不饱和脂肪酸（PUFAs）的过氧化。这一过程受到细胞铁稳态和多种抗氧化防御系统的精细调控。
铁代谢涉及吸收、转运、储存和再利用的严密调控过程。饮食中的铁通过二价金属转运蛋白1（DMT1）等被细胞吸收，并通过转铁蛋白受体1（TfR1）介导的内吞作用进入细胞。细胞内，铁主要储存在由铁蛋白重链1（FTH1）和铁蛋白轻链（FTL）组成的铁蛋白中。核受体辅激活因子4（NCOA4）介导的铁蛋白自噬（ferritinophagy）可降解铁蛋白释放Fe2+。线粒体在铁稳态和铁死亡中也起着关键作用，线粒体铁超载可通过芬顿反应促进ROS生成，而线粒体自噬（mitophagy）则有助于清除铁超载的功能障碍线粒体。
抗氧化系统是抵抗铁死亡的核心，主要包括三条通路：系统Xc-–谷胱甘肽（GSH）–谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）轴、铁死亡抑制蛋白1（FSP1）–辅酶Q10（CoQ10）–NADPH轴以及GTP环化水解酶1（GCH1）–四氢生物蝶呤（BH4）–二氢叶酸还原酶（DHFR）轴。这些系统均受到转录因子Nrf2的协调调控。
在铁死亡过程中，细胞膜中的磷脂（PLs），尤其是含有PUFA尾的磷脂，是氧化的主要靶点。长链脂酰辅酶A合成酶4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）参与PUFA磷脂的合成，使其易于氧化。脂氧合酶（ALOXs）家族可直接催化磷脂中的PUFAs形成脂质氢过氧化物（LOOH）。铁超载通过芬顿反应产生羟基自由基（·OH），触发脂质过氧化。当GSH合成受损、GPX4活性受抑制时，脂质过氧化物无法被有效清除，导致ROS大量积累，加速铁死亡进程。
Nrf2在铁死亡中的转录调控机制
Nrf2是一种由NFE2L2基因编码的主要抗氧化转录因子。在正常生理条件下，Nrf2与Kelch样ECH关联蛋白1（KEAP1）结合，并通过泛素化降解途径维持低水平。当细胞受到氧化应激时，Nrf2从KEAP1解离并易位至细胞核，与抗氧化反应元件（AREs）结合，激活一系列下游基因的表达。
在铁代谢相关靶标的调控方面，Nrf2通过调节铁蛋白（FTH1、FTL）的表达促进铁储存，通过调节铁转运蛋白（FPN1）的表达促进铁外排，从而维持细胞铁稳态。Nrf2还参与血红素合成与降解的调控，例如通过诱导血红素加氧酶1（HO-1）的表达来降解血红素，其产物胆绿素具有抗氧化作用。此外，Nrf2可通过调节FBXL5影响铁调节蛋白（IRP1/2）的稳定性，间接影响铁蛋白翻译，并通过调节VAMP8等影响铁蛋白自噬。
在抗氧化系统的调控方面，Nrf2直接调控GSH合成关键酶（如GCLC、GCLM、GSS）和胱氨酸/谷氨酸反向转运体轻链SLC7A11的表达，保障GSH供应。Nrf2也上调GPX4以及GPX4非依赖性的FSP1和GCH1的表达，形成多层次的抗氧化防御网络，共同抵抗脂质过氧化和铁死亡。
铁死亡中Nrf2信号通路的关键作用
多条信号通路通过调节Nrf2来影响铁死亡。SIRT6/Nrf2/GPX4通路中，SIRT6通过去乙酰化修饰增强Nrf2稳定性，促进其核转位，进而上调GPX4表达。p62/KEAP1/Nrf2通路中，磷酸化的p62竞争性结合KEAP1，解除其对Nrf2的抑制，同时通过自噬降解KEAP1，激活Nrf2。AKT/Nrf2/HO-1通路中，AKT磷酸化并激活Nrf2，上调HO-1等抗氧化基因表达；HO-1活性具有双刃剑效应，适度表达可保护细胞，持续高表达则可能通过释放铁促进铁死亡。其他如SIRT1/Nrf2/GPX4、PI3K/AKT/Nrf2、AMPK/Nrf2等通路也参与铁死亡的精细调控。
Nrf2–铁死亡轴在骨科疾病中的作用及靶向治疗策略
在椎间盘退变中，髓核细胞内铁超载和脂质过氧化导致细胞铁死亡和细胞外基质降解。Nrf2的激活可通过上调GPX4、HO-1、SOD等抗氧化基因，以及调节铁代谢相关蛋白，抑制铁死亡，延缓椎间盘退变进程。间充质干细胞来源的外泌体（MSC-EXOs）可通过p62–KEAP1–Nrf2轴或miR-19b-3p/ACSL4通路抑制髓核细胞铁死亡。羟基酪醇、漆黄素、没食子酸等天然化合物可通过激活Nrf2通路发挥保护作用。
在骨关节炎中，软骨细胞铁死亡参与关节软骨破坏。血清铁、铁蛋白水平与膝骨关节炎发生发展呈正相关。铁螯合剂去铁胺可抑制铁死亡，减轻软骨破坏。Nrf2通过调节抗氧化系统和铁代谢抑制软骨细胞铁死亡。MSC-EXOs可通过GOT1/CCR2/Nrf2/HO-1通路发挥保护作用。长春西汀、鲁斯可皂苷、泛酸等药物可通过激活Nrf2通路缓解骨关节炎。低强度脉冲超声波等物理疗法也可能通过调节氧化应激和铁代谢发挥治疗作用。
在骨质疏松中，成骨细胞铁死亡是骨形成能力减弱的重要机制。铁超载通过激活ACSL4等促进脂质过氧化，并通过“铁蛋白-RANKL正反馈环路”促进破骨细胞分化。Nrf2不仅细胞内维持 redox 平衡，还具有免疫调节功能，可调节巨噬细胞极化和Th17/Treg平衡，影响骨免疫微环境。维生素K2（VK2）可直接结合Nrf2，抑制其泛素化降解，并通过上调羰基还原酶1（CBR1）抑制铁死亡。Nrf2-PROTAC（Nrf2-DC-1）可特异性降解KEAP1，激活Nrf2，改善骨质疏松。运动诱导的肌肉因子Irisin可通过FNDC5–Cav1–AMPKα复合物激活AMPK/Nrf2通路，抑制成骨细胞铁死亡。MaR1、4-辛基衣康酸、二甲双胍等也可通过Nrf2通路抑制铁死亡，促进骨形成。
在脊髓损伤中，继发性损伤涉及铁死亡。损伤后红细胞破裂释放游离铁，导致局部铁超载，通过芬顿反应引发脂质ROS爆发，诱导神经元和内皮细胞铁死亡。Nrf2的激活可保护神经元、少突胶质细胞等，并通过调节小胶质细胞极化表型减轻神经炎症。MSC-EXOs可通过Nrf2/GCH1/BH4轴抑制小胶质细胞铁死亡。脂肪干细胞来源的外泌体（ADSC-EXOs）主要通过Nrf2/SLC7A11/GPX4通路缓解内皮细胞铁死亡。洛拉西泮通过GPR68/PI3K/Akt-Nrf2通路，安石榴苷、四氢小檗碱等通过激活Nrf2通路，发挥神经保护作用，抑制铁死亡，促进功能恢复。
在骨肉瘤中，Nrf2在调节顺铂耐药中起核心作用。激活的Nrf2增强下游抗氧化基因表达，清除ROS，抑制铁死亡，导致肿瘤细胞产生耐药性。靶向抑制Nrf2或使用铁死亡诱导剂可逆转耐药。二十碳五烯酸（EPA）通过抑制DNA-PKcs/AKT/Nrf2/GPX4通路，鸦胆子素醇（Brusatol）通过直接靶向KEAP1抑制Nrf2通路，五氟利多（Penfluridol）通过下调p62/Keap1/Nrf2通路，均可诱导骨肉瘤细胞铁死亡，抑制肿瘤生长。基于外泌体的骨靶向药物递送系统（如BT-EXO-CAP）可通过调控Keap1/Nrf2/GPX4轴诱导铁死亡，展现治疗潜力。
结论与展望
靶向Nrf2–铁死亡轴为骨科疾病的治疗提供了新的视角和策略。尽管临床前研究取得了显著进展，但将其转化为临床应用仍面临挑战，包括缺乏大规模的临床试验证据、Nrf2过度激活可能带来的潜在风险、天然化合物生物利用度低以及缺乏组织特异性靶向递送系统等问题。未来研究应着重于阐明Nrf2调控铁死亡的时空动力学及其与其他细胞死亡方式的crosstalk，开发高选择性、低毒性的Nrf2调节剂，探索个体化治疗策略和合理的联合疗法。随着机制认识的深入和药物研发的进展，这一调控通路有望推动骨科疾病精准治疗的发展。
