Роль ферроптоза в репродукции. Современный взгляд на проблему

Железо является важнейшим микроэлементом для поддержания гомеостаза в организме, оно участвует в различных физиологических процессах. Перегрузка железом при окислительном стрессе может вызвать повреждение и физиологическую дисфункцию клеток и тканей [1—3]. Роль железа и антиоксидантной терапии в репродуктивной медицине была подтверждена экспериментально в исследованиях Л.В. Адамян и соавт. [2, 4, 5]. Так, было установлено, что биядерная форма водорастворимых комплексов динитрозильного железа (ДНКЖ) с глутатионом и цистеином (DNIC-GSH и DNIC-Cys соответственно) способна избирательно подавлять рост хирургически индуцированного эндометриоза на крысиной модели. Эффект был заметен на ранних (через 4 дня после имплантации ткани матки на внутреннюю поверхность брюшной стенки) и поздних (через 30 дней после имплантации) этапах его развития [4, 5]. Ферроптоз — новая форма неапоптотической клеточной гибели, ее название происходит из-за зависимости этого типа гибели клеток от внутриклеточного железа [1, 6, 7]. Ферроптоз характеризуется тремя механизмами: (1) утратой контроля над метаболизмом железа; (2) нарушением тиолового обмена; (3) перекисным окислением липидов. Впервые термин «ферроптоз» был применен только в 2012 г. [8], однако уже сейчас доказана его роль во многих заболеваниях. Данный процесс тесно связан с развитием и метастазированием онкологических заболеваний, таких как колоректальный рак, рак печени и рак желудка [9—11]. Кроме того, большое внимание привлекли исследования ферроптоза при некоторых воспалительных заболеваниях, таких как ишемически-реперфузионное повреждение, нейровоспаление и острое повреждение почек. Доказана его роль в болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона [12—14]. Исследования, проведенные в последние 10 лет в области репродуктивной медицины, подтверждают, что перегрузка железом, а также ферроптоз являются участниками регуляции окислительного стресса и метаболизма гранулезных клеток, инвазии трофобласта, децидуализации эндометрия, развития ооцитов и раннего эмбрионального развития [15—20]. Однако потенциальная взаимосвязь ферроптоза и перегрузки железом с заболеваниями, связанными с женским бесплодием и снижением качества жизни, остается неизученной. Клиническое ведение этих заболеваний — до сих пор сложная задача, поэтому необходимо определить механизмы и связь ферроптоза с заболеваниями репродуктивной системы для улучшения репродуктивного здоровья женщин.

Целью данного обзора литературы является выявление роли ферроптоза и перегрузки железом в репродуктивной медицине, в частности при эндометриозе, спаечном процессе, преждевременной недостаточности яичников, и описание молекулярных механизмов ферроптоза, участвующего в развитии и прогрессировании данных заболеваний.

Поиск литературы для написания данного обзора проводился в базах данных PubMed, Scopus, Google Scholar по комбинациям ключевых слов: «ferroptosis AND mechanism», «endometriosis AND ferroptosis», «POI AND ferroptosis», «adhesions AND ferroptosis», «ferroptosis AND biomarkers», «ferroptosis AND markers», «endometriosis AND ferrum», «POI AND ferrum», и «ferrum AND pelvic fluid». По результатам поиска было найдено 145 788 работ, включающих обзоры литературы, оригинальные исследования, систематические обзоры и метаанализы. Публикации проанализированы по названию и резюме, после полнотекстового анализа для качественного синтеза отобрано 99 исследований.

Ферроптоз — это клеточная гибель, которая находится на пересечении регуляции железа и метаболизма активных форм кислорода (АФК) [8]. Она характеризуется окислением специфических липидов, а также нарушением естественных механизмов, блокирующих их накопление [21—23]. Ферроптоз приводит к нарушению или недостаточной эффективности антиоксидантных механизмов GSH-GPX4, FSP1-CoQ₁₀ и GCH1-BH₄. Так, антипортерная система Xc-, содержащая член 11 семейства транспортеров растворенных веществ 7 (SLC7A11) и член 2 семейства транспортеров растворенных веществ 3 (SLC3A2), опосредует поглощение цистина, который расходуется при синтезе внутриклеточного глутатиона (GSH). Затем антиоксидантный фермент глутатионпероксидаза-4 (GPX4) восстанавливает гидроперекиси липидов до липидных спиртов с помощью GSH для защиты клеток от ферроптоза. Убихинон (CoQ₁₀) — антиоксидантный белок, он может быть восстановлен до убихинола (CoQ₁₀H₂) с помощью ферроптоз-супрессор-белка 1 (FSP1), что предотвращает окисление веществ. Ось GCH1-BH₄ подавляет ферроптоз путем регулирования антиоксидантов тетрагидробиоптерина (BH₄) и CoQ₁₀, а также перекисного окисления липидов [24].

В нарушении липидного обмена участвуют семейство липоксигеназ арахидоновой кислоты (ALOX) и система ACSL3-SCD1. Главными субстратами перекисного окисления липидов являются полуненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав клеточных мембран [25].

В обычных условиях большинство клеток поглощают железо с помощью эндоцитоза благодаря взаимодействию трансферрина (TF) и рецептора трансферрина 1 (TFR1). Если TFR1 чрезмерно активен, то происходит увеличение количества железа внутри клетки и снижение ее устойчивости к ферроптозу. И наоборот, подавление активности TFR повышает устойчивость клетки к ферроптозу [26]. В эндосоме Fe³⁺ восстанавливается до Fe²⁺ с помощью шеститрансмембранного эпителиального антигена простаты 3 (STEAP3). Затем Fe²⁺ переносится цинковым транспортером 8/14 (ZIP8/14) или транспортером двухвалентных металлов 1 (DMT1), формируя пул лабильного железа (LIP). Ферропортин (FPN) является транспортным белком, который может выделять избыточное клеточное железо для поддержания баланса гомеостаза железа [27].

Нарушение метаболизма железа и его накопление внутри клеток или во внеклеточном пространстве приводит к избытку свободного железа в клетках. Это, в свою очередь, запускает реакцию Фентона. Она заключается в том, что Fe²⁺ взаимодействует с перекисью водорода (H₂O₂), в результате чего образуется большое количество гидроксильных радикалов (·OH). Это может привести к окислительному повреждению клеточной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), перекисному окислению липидов и нарушению целостности клеточных мембран [28], что является субстратом ферроптоза [29].

Избыточное железо, которое не преобразовалось в Fe²⁺ с помощью DMT1, накапливается в ферритине [30]. Это позволяет избежать реакции Фентона и последующего окислительного повреждения [31]. Однако ферритин может быть разрушен в процессе ферритинофагии, который регулируется коактиватором ядерного рецептора 4 (NCOA4), что приводит к повышенному количеству продуктов перекисного окисления в результате реакции Фентона и смерти. Ядерный фактор эритроидного-2-родственного фактора 2 (Nrf2) регулирует антиоксидантный ответ в организме и способствует ферроптозу, активируя транскрипцию FTH1 [32]. Член 1 семейства транспортеров растворенных веществ 40 (SLC40A1) увеличивает экспрессию FPN, что способствует выведению железа из клеток и предотвращает его избыточное накопление, это помогает предотвратить ферроптоз. Если SLC40A1 разрушается в результате аутофагии, то железо перестает эффективно выводиться из клетки, накапливается, что приводит к запуску ферроптоза.

Таким образом, увеличение поглощения железа клетками, снижение эффективности его накопления, стимулирование ферритинофагии и ограничение оттока железа могут привести к нарушению внутриклеточного гомеостаза железа и его избытку, что приведет к реакции Фентона, повреждению клеточных мембран и инициации ферроптоза.

Сегодня эндометриоз является одним из самых распространенных гинекологических заболеваний в мире. Он характеризуется наличием ткани, подобной эндометрию, за пределами полости матки и обычно сопровождается воспалительным процессом и окислительным стрессом [33]. Эндометриоз поражает около 6—10% женщин репродуктивного возраста с наибольшей распространенностью в возрастной группе 20—40 лет [34]. На данный момент этиология и патогенез заболевания не изучены, однако есть множество теорий: ретроградной менструации, доброкачественного метастазирования, нарушения иммунной регуляции, целомической метаплазии, гормонального дисбаланса, нарушения эпигенетической регуляции, теория эмбрионального покоя, теория рекрутирования стволовых клеток эндометрия и экологическая теория [35—37]. Уделяется большое внимание изучению роли избыточного накопления железа в патогенезе эндометриоза. Так, Л.В. Адамян и соавт. (2003) в тканях эндометриоидных гетеротопий (матка, яичники, брюшина) с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) обнаружили очаги, содержащие кластеры ионов железа Fe²⁺ и Fe³⁺, что нехарактерно для нормальных тканей эндометрия [2, 4]. Очаги имели высокую термоустойчивость, что говорит об их биохимической стабильности.

Баланс железа, который поддерживается с помощью белков, описанных выше, тесно связан с механизмом развития эндометриоза. Это подтверждается данными о том, что у больных эндометриозом в перитонеальной жидкости накапливается избыточное количество железа [38, 39]. Кроме того, в систематическом обзоре Л.В. Адамян и соавт. (2024), в котором рассматриваются маркеры метаболизма железа в перитонеальной жидкости у пациенток с эндометриозом, отмечается, что у данных пациенток, как правило, повышены уровни ферритина и железа [40]. В дополнение к этому было обнаружено, что эндометриомы яичников также содержат большое количество свободного железа. Его избыток был обнаружен и в окружающих эндометриому фолликулах ткани яичника, что отрицательно влияет на развитие и качество ооцитов [41]. Установлено, что перегрузка железом и недостаточность трансферрина приводят к избытку АФК, нарушают целостность митотического веретена деления, способствуя хромосомной нестабильности. Все это может повлиять на созревание, количество и качество ооцитов у женщин с эндометриозом [42].

Кроме того, в генотипе пациенток с эндометриозом различной степени тяжести обнаруживали полиморфизм гена трансферрина TF*С2 [43]. Л.В. Адамян и соавт. (2012) показали, что лактоферрин (Lf), являющийся членом семейства трансферринов, имеет антимикробную активность, которая связана с отсутствием у микроорганизмов необходимого для их развития и роста важнейшего источника — железа [44]. Перегрузка железом может возникать из-за активированных макрофагов, вызывающих разрушение эритроцитов, которые, в свою очередь, возникают из-за циклических изменений в очаге эндометриоза. Эти процессы сами по себе создают условия для воспалительной среды. Скопление эритроцитов приводит к выделению гема и железа — провоспалительных факторов, которые участвуют в образовании АФК [45, 46]. Это, в свою очередь, приводит к окислительному стрессу. В результате возникает воспаление в брюшной полости и повреждение ткани яичников [47].

Перегруженная железом и перекисно-окислительная среда создает условия для возникновения резистентности к ферроптозу в очагах эндометриоза. При применении индуктора ферроптоза эрастина отмечалась гибель стромальных клеток эктопического эндометрия и регрессия эктопических очагов на мышиных моделях [48]. Эрастин действует на систему ферропортина (FPN), уменьшая его экспрессию. Кроме того, было показано, что клетки эутопического эндометрия не подвергались ферроптозу под действием данного индуктора. Эти результаты указывают на то, что эрастин может служить многообещающим терапевтическим средством для лечения эндометриоза [48].

Однако роль ферроптоза в контексте эндометриоза неоднозначна. Так, была выявлена устойчивость клеток эктопического эндометрия к ферроптозу благодаря повышенной экспрессии относительно нормального эндометрия девяти антиферроптотических генов [49]. Кроме того, было показано, что эрастин-индуцированный ферроптоз за счет сигнального пути p38 MAPK/STAT6 стимулирует выработку VEGF-A и IL-8, которые способствуют клеточной пролиферации, адгезии и ангиогенезу эктопической ткани эндометрия, тем самым способствуя развитию эндометриоза [50]. Более того, ферроптоз воспалительных клеток связан с высвобождением DAMPs, которые могут запускать врожденную иммунную систему и активировать путь NF-κB, что способствует инвазии, ангиогенезу и клеточной пролиферации и ингибированию апоптоза клеток эндометриоза [51, 52].

Таким образом, перегрузка железом может напрямую вызывать окислительный стресс, что приводит к повреждению мезотелиальных клеток и способствует пролиферации, миграции и ангиогенезу эктопических эндотелиальных клеток, участвуя таким образом в развитии и прогрессировании эндометриоза [48, 50].

Внутриматочные спайки (ВМС) характеризуются повреждением базального слоя эндометрия и замещением нормальной ткани эндометрия фиброзной тканью. ВМС возникают в результате внутриматочной хирургии, инфекций и др. Патогенез ВМС связан с повреждением базального слоя, атрофией желез, гипоксией сосудисто-стромальной ткани и фиброзом эндометрия [53]. ВМС сопровождаются бесплодием, олигоменореей, аменореей и невынашиванием беременности [54, 55]. Единственным относительно эффективным способом лечения ВМС является трансцервикальная резекция спаек, однако данный способ характеризуется высоким уровнем рецидивов [55]. Фиброз эндометрия является одной из основных причин внутриматочных спаек, а он, в свою очередь, обуславливается воспалением. Роль ферроптоза доказана в патогенезе почечного, печеночного, легочного и миокардиального фиброза [56—58]. Также его значимость доказана в фиброзе очагов эндометриоза [59].

В 2023 г. Q. Zhu и соавт. выявили роль ферроптоза в развитии фиброза эндометрия при ВМС [54]. При исследовании транскриптома нормального эндометрия и эндометрия с ВМС было выявлено, что ферроптоз был значительно усилен в группе пациентов с синдромом Ашермана. Роль ферроптоза подтверждена с помощью эксперимента с эрастином — индуктором ферроптоза, который способствует эпителиально-мезенхимальному переходу, усиливает продукцию профибротических факторов, а применение ингибитора ферроптоза ferrostin-1 приводит к ослаблению фиброза эндометрия. Другое исследование оценило эффективность гуманин-подобного фактора (HNG) в ингибировании ферроптоза эпителиальных клеток эндометрия на крысиной модели [60]. Гуманин оказывает противовоспалительное, антиоксидантное и антиапоптотическое действие [60—64]. Было выявлено, что в эндометрии с ВМС уровень гуманина и раттина (аналога гуманина у крыс) был снижен относительно контроля. Добавление экзогенного HNG ослабило фиброз эндометрия и повысило фертильность крыс с ВМС.

Патогенез перитонеальных спаек при эндометриозе связывают с деятельностью макрофагов, высвобождением фибронектина, способствующего клеточному росту и адгезии, а также с цитокинами [65—67]. K. Arumugam и Y.C. Yip, изучая повышенный уровень железа в перитонеальной жидкости пациенток с эндометриозом, не получили результатов, доказывающих роль свободного железа в перитонеальной жидкости в инициации свободнорадикальных реакций, приводящих к фиброзу в полости таза, однако этот вопрос изучен мало и требует большего количества исследований [66].

Противоспаечные средства, такие как гели, мембраны и другие барьеры, разработанные для внутрибрюшинного применения, служат эффективным средством уменьшения образования перитонеальных спаек. Они предназначены для покрытия поврежденной поверхности брюшины, способствуют оптимизации процессов заживления и предотвращают образование жестких спаек [68]. В систематическом обзоре и метаанализе Л.В. Адамян и соавт. (2024) было отмечено, что применение гелей на основе гиалуроновой кислоты снижает частоту послеоперационных спаек средней или тяжелой степени и количество спаянных участков у пациенток, страдающих различными гинекологическими заболеваниями [69]. Кроме того, было отмечено, что пациентки в группе введения противоспаечного геля отмечали снижение диспареунии, дисменореи и дисхезии, что было отмечено на третьем и шестом месяце после лечения. Однако клинические исследования, оценивающие эффективность противоспаечных барьеров, имеют ряд ограничений. В связи с этим с целью объективизации результатов исследований в 2024 г. Л.В. Адамян и соавт. провели экспериментальное исследование на крысиных моделях. В результате эксперимента по данным морфологического и ультраструктурного исследования наблюдалось уменьшение выраженности воспалительного процесса, образования грануляционной ткани и усиление регенерационного процесса без активации пролиферации [70].

Преждевременная недостаточность яичников (ПНЯ) характеризуется потерей активности яичников в возрасте до 40 лет. Ей соответствуют нарушения менструального цикла (аменорея или олигоменорея) с повышением гонадотропинов и низкий уровень эстрадиола [71]. Верификация диагноза ПНЯ проводится после получения минимум двух результатов повышенного фолликулостимулирующего гормона (>25 МЕ/л) с интервалом в 4 нед [72]. Патогенез ПНЯ до сих пор не ясен. Установлены генетические, хромосомные и аутоиммунные причины развития ПНЯ [71—73]. Доказано, что при фолликулярной атрезии на ранних стадиях происходит накопление железа и наблюдается аномальный метаболизм GSH. Кроме того, выявлено снижение TF и увеличение железосодержащего шаперона PCBP, что может привести к ферроптозу при более раннем процессе атрезии [72].

F. Wang и соавт. (2022) установили, что дефицит базонуклина 1 (BNC1) вызывает ферроптоз по пути NF2-YAP и приводит к преждевременной активации и чрезмерной атрезии фолликулов [17]. Фармакологическое ингибирование передачи сигналов YAP или ферроптоза значительно снижает проявления ПНЯ, вызванной мутацией BNC1. Благодаря этому исследованию можно предположить, что ингибиторы YAP и ферроптоза являются потенциальными мишенями для лечения ПНЯ. Исследование, оценивающее влияние цисплатина на функцию яичников на крысиной модели ПНЯ, показало, что цисплатин может стимулировать ферроптоз гранулезных клеток, вызывать нарушения развития фолликулов, фиброз ткани яичников и индуцировать ПНЯ путем регуляции экспрессии ACSl4, ALOX15, SLC7A11 и GPX4. Для оценки молекулярных изменений, связанных с ферроптозом, были применены методы: вестерн-блоттинг, количественная полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией в реальном времени (qRT-PCR) и иммуногистохимия. С помощью окрашивания гистологических срезов, подсчета фолликулов, уровней половых гормонов, а также анализа на фертильность оценивали морфологию и функцию яичников. Таким образом, цисплатин может стимулировать ферроптоз клеток фолликулов, вызывать нарушения развития фолликулов, фиброз ткани яичников и индуцировать ПНЯ. Витамин Е является ингибитором ферроптоза, он приводил к улучшению функции яичников после обработки цисплатином [74]. В 2024 г. W. Dai и соавт. установили, что мезенхимальные стволовые клетки пуповины человека (HUC-MSC) способны улучшить состояние яичников при ПНЯ на крысиной модели. Модель ПНЯ была достигнута применением циклофосфамида. Наблюдалось снижение уровня железа и уменьшение ферритинофагии в гранулезных клетках. Кроме того, отмечено, что в гранулезных клетках HUC-MSC активируют защитный антиоксидантный путь через NRF2 [75].

На данный момент роль ферроптоза известна для многих заболеваний, однако требует бóльших исследований для ее подтверждения. Кроме того, изучение механизмов данной клеточной гибели и поиск новых методов ее обнаружения необходимы для новых решений в терапии заболеваний репродуктивной системы. На данный момент применяются методы оценки морфологических, биохимических и генетических отличительных особенностей ферроптоза. Известны методы оценки цитотоксичности, обнаружения и анализа внутриклеточных структур, оценки экспрессии генов, обнаружения продуктов транскрипции и протеомного анализа [76—80]. Особое внимание уделяется оценке количества продуктов метаболизма [7, 10, 22, 24, 81—83].

Оценку уровня клеточной гибели определяют с помощью колориметрических методов, таких как измерение 3-(4,5-диметилтиазол-2)-2,5-дифенилтетразолия бромида (MMT), набор для подсчета клеток-8 (CCK8), оценка уровня лактат-дегидрогеназы (LDH-test), и методов, основанных на флуоресценции: проточной цитофлуометрии и флуоресцентной микроскопии, применяя реактивы пропидий-йодид (PI) и кальцеин [24, 84, 85]. Все эти методы важны в исследовании и подтверждении ферроптоза, так как количественно показывают уровень цитотоксичности, однако не являются специфичными.

В настоящее время уделяется большое внимание субклеточным изменениям при ферроптозе. Так, митохондрии являются важными участниками в метаболизме железа и продукции АФК, которые тесно связаны с ферроптозом [78]. Наблюдается их набухание, увеличение межмембранного пространства, нарушение структуры крист. Все эти изменения обнаруживают с помощью трансмиссионной электронной микроскопии [9, 78, 86]. Кроме того, при ферроптозе отмечается увеличение проницаемости митохондриальных мембран и снижение мембранного потенциала, для оценки применяют липофильный флуоресцентный краситель 3,3’-диэтилоксигетерокарбонилцианина йодид (DIOC6) [24, 87]. Для обнаружения митохондриальных АФК с помощью конфокальной микроскопии используют Mito-Tracker Green и MitoSOX Red [88].

Наибольший интерес среди последних исследований представляет обнаружение белков и генов, участвующих в ферроптозе. Для этого чаще всего применяют методы вестерн-блоттинга (western-blot) и полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (RT qPCR). На данный момент известно множество метаболических путей, которые в первую очередь связаны с липидным обменом, метаболизмом железа и антиоксидантной системой. Так, к маркерам, участвующим в метаболизме железа, относятся снижение FPN [27], увеличение NCOA4 [86, 89, 90], снижение FTH1 [90] и увеличение TFR1 [91, 92]. Из них наиболее изученными маркерами являются FTH1 и NCOA4 [24]. Маркерами нарушения липидного обмена являются повышенные уровни экспрессии PTGS2 (простагландин-эндопероксидсинтазы 2) [93], семейства ALOX (липоксигеназ арахидоновой кислоты) [12] и ACSL4 (ацил-КоА-синтетазы) [22, 23, 79, 83] и сниженный уровень ACSL3 [94]. К маркерам антиоксидантной системы относятся сниженный уровень GPX4, GSH и SLC7A11 [11, 19, 77, 82, 91, 95—97], FSP1 и CoQ₁₀H₂ [98], GCH1 (гуанозинтрифосфата циклооксигеназы) и BH₄ [99].

Таким образом, анализ данных литературы показал значимую роль ферроптоза в развитии различных патологических процессов в органах и функциях репродуктивной системы. Однако, несмотря на многолетние и многочисленные поиски с целью обнаружения диагностического маркера ферроптоза, таковых на сегодняшний момент не имеется. Имеющиеся данные позволяют сделать заключение о целесообразности использования сочетания различных тест-систем, описанных выше, наиболее точно характеризующих процесс ферроптоза.

Ферроптоз — это особая форма клеточной гибели, связанная с железозависимым перекисным окислением липидов, возникающим при нарушении метаболизма железа и работы антиоксидантных систем. В настоящее время этот процесс привлекает все большее внимание в изучении механизмов многих заболеваний органов репродуктивной системы, таких как преждевременная недостаточность яичников, эндометриоз, спаечный процесс и др., а также в поиске новых методов их лечения. К сожалению, несмотря на множество данных литературы, к настоящему времени не выявлено маркера данного патологического процесса и, как результат, не имеется подтверждения доказанных методов лечения. Поздняя диагностика — причина распространенных форм данных заболеваний, когда излечиваемость проблематична.

Механизмы, регулирующие ферроптоз, остаются сложными и малоизученными. Опубликованные исследования в этой области являются разрозненными и недостаточно полными, что затрудняет точную идентификацию мишеней и специфических сигнальных путей ферроптоза, связанных с различными расстройствами репродуктивной функции. Это создает препятствия на пути к разработке таргетных и эффективных методов лечения.

Таким образом, актуальной задачей является дальнейшее изучение ключевых мишеней и путей, связанных с ферроптозом, как в нормальных физиологических, так и в патологических процессах в женской репродуктивной системе. Для практического здравоохранения особенно важно исследовать возможность применения специфических индукторов и ингибиторов ферроптоза в условиях перегрузки железом и нарушения репродуктивной функции, вызванного перекисным окислением липидов. Дальнейшие исследования в этой области могут стать основой для разработки новых методов профилактики заболеваний репродуктивной системы женщины, лечения и реабилитации пациенток.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Адамян Л.В., Маилова К.С., Степанян А.А.

Сбор и обработка материала — Пивазян Л.Г., Юрканова М.Д.

Написание текста — Пивазян Л.Г., Юрканова М.Д.

Редактирование — Адамян Л.В., Маилова К.С., Степанян А.А.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.