Ferroptosis-associated lesion as a potential target for cardiovascular disease: A review

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Cell death is an important feature of the development of multicellular organisms, a critical factor in the occurrence of cardiovascular diseases. Understanding the mechanisms that control cell death is crucial to determine its role in the development of the pathological process. However, the most well-known types of cell death cannot fully explain the pathophysiology of heart disease. Understanding how cardiomyocytes die and why their regeneration is limited is an important area of research. Ferroptosis is an iron-dependent cell death that differs from apoptosis, necrosis, autophagy, and other forms of cell death in terms of morphology, metabolism, and protein expression. Ferroptotic cell death is characterized by the accumulation of reactive oxygen species resulting from lipid peroxidation and subsequent oxidative stress, which can be prevented by iron chelates (eg, deferoxamine) and small lipophilic antioxidants (eg, ferrostatin, liproхstatin). In recent years, many studies have been carried out on ferroptosis in the context of the development of atherosclerosis, myocardial infarction, heart failure, and other diseases. In addition to cardiovascular diseases, the review also presents data on the role of ferroptosis in the development of other socially significant diseases, such as COVID-19, chronic obstructive pulmonary disease. With the study of ferroptosis, it turned out that ferroptosis participates in the development of bacterial infection associated with the persistence in the host body of Pseudomonas aeruginosa. The review summarizes the recent advances in the study of ferroptosis, characterizing this type of cell death as a novel therapeutic target.

About the authors

Valery I. Podzolkov

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: tarzimanova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0758-5609

д-р мед. наук, проф., зав. каф. факультетской терапии №2, дир. клиники факультетской терапи №2

Russian Federation, Moscow

Aida I. Tarzimanova

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Author for correspondence.
Email: tarzimanova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9536-8307

д-р мед. наук, проф. каф. факультетской терапии №2

Russian Federation, Moscow

Liubov A. Ponomareva

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: tarzimanova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3179-470X

ординатор, каф. факультетской терапии №2

Russian Federation, Moscow

Elena N. Popova

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: tarzimanova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5164-4621

д-р мед. наук, проф. каф. внутренних, профессиональных болезней и ревматологии Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского

Russian Federation, Moscow

Andrey B. Ponomarev

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: tarzimanova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4242-5723

канд. мед. наук, доц. каф. патологической анатомии им. А.И. Струкова

Russian Federation, Moscow

References

  1. Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell. 2012;149(5):1060-72. doi: 10.1016/j.cell.2012.03.042
  2. Stockwell BR, Jiang X, Gu W. Emerging Mechanisms and Disease Relevance of Ferroptosis. Trends Cell Biol. 2020;30(6):478-90. doi: 10.1016/j.tcb.2020.02.009
  3. Kerr JF. A histochemical study of hypertrophy and ischaemic injury of rat liver with special reference to changes in lysosomes. J Pathol Bacteriol. 1965;90(2):419-35. doi: 10.1002/path.1700900210
  4. Lockshin RA, Williams CM. Programmed cell death-II. Endocrine potentiation of the breakdown of the intersegmental muscles of silkmoths. J Insect Physiol. 1964;10(4):643-9. doi: 10.1016/0022-1910(64)90034-4
  5. Lockshin RA, Williams CM. Programmed cell death-I. Cytology of degeneration in the intersegmental muscles of the pernyi silkmoth. J Insect Physiol. 1965;11:123-33. doi: 10.1016/0022-1910(65)90099-5
  6. Kerr JF, Wyllie AH, Currie AR. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Br J Cancer. 1972;26(4):239-57. doi: 10.1038/bjc.1972.33
  7. Dolma S, Lessnick SL, Hahn WC, Stockwell BR. Identification of genotype-selective antitumor agents using synthetic lethal chemical screening in engineered human tumor cells. Cancer Cell. 2003;3(3):285-96. doi: 10.1016/s1535-6108(03)00050-3
  8. Yang WS, Stockwell BR. Synthetic lethal screening identifies compounds activating iron-dependent, nonapoptotic cell death in oncogenic-RAS-harboring cancer cells. Chem Biol. 2008;15(3):234-45. doi: 10.1016/j.chembiol.2008.02.010
  9. Yagoda N, von Rechenberg M, Zaganjor E, et al. RAS-RAF-MEK-dependent oxidative cell death involving voltage-dependent anion channels. Nature. 2007;447(7146):864-8. doi: 10.1038/nature05859
  10. Li J, Cao F, Yin HL, et al. Ferroptosis: past, present and future. Cell Death Dis. 2020;11(2):88. doi: 10.1038/s41419-020-2298-2
  11. Xie Y, Hou W, Song X, et al. Ferroptosis: process and function. Cell Death Differ. 2016;23(3):369-79. doi: 10.1038/cdd.2015.158
  12. Wu Z, Geng Y, Lu X, et al. Chaperone-mediated autophagy is involved in the execution of ferroptosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019;116(8):2996-3005. doi: 10.1073/pnas.1819728116
  13. Galanopoulos M, Gkeros F, Doukatas A, et al. COVID-19 pandemic: Pathophysiology and manifestations from the gastrointestinal tract. World J Gastroenterol. 2020;26(31):4579-88. doi: 10.3748/wjg.v26.i31.4579
  14. Cavezzi A, Troiani E, Corrao S. COVID-19: hemoglobin, iron, and hypoxia beyond inflammation. A narrative review. Clin Pract. 2020;10(2):1271. doi: 10.4081/cp.2020.1271
  15. Zhou C, Chen Y, Ji Y, et al. Increased serum levels of hepcidin and ferritin are associated with severity of COVID-19. Med Sci Monit. 2020;26:e926178. doi: 10.12659/MSM.926178
  16. Edeas M, Saleh J, Peyssonnaux C. Iron: Innocent bystander or vicious culprit in COVID-19 pathogenesis? Int J Infect Dis. 2020;97:303-5. doi: 10.1016/j.ijid.2020.05.110
  17. Ganz T, Nemeth E. Hepcidin and iron homeostasis. Biochim Biophys Acta. 2012;1823(9):1434-43. doi: 10.1016/j.bbamcr.2012.01.014
  18. Ma TL, Zhou Y, Wang C, et al. Targeting Ferroptosis for Lung Diseases: Exploring Novel Strategies in Ferroptosis-Associated Mechanisms. Oxid Med Cell Longev. 2021;2021:1098970. doi: 10.1155/2021/1098970
  19. Jacobs W, Lammens M, Kerckhofs A, et al. Fatal lymphocytic cardiac damage in coronavirus disease 2019 (COVID-19): autopsy reveals a ferroptosis signature. ESC Heart Fail. 2020;7(6):3772-81. doi: 10.1002/ehf2.12958
  20. Fratta Pasini AM, Stranieri C, Girelli D, et al. Is ferroptosis a key component of the process leading to multiorgan damage in COVID-19? Antioxidants (Basel). 2021;10(11):1677. doi: 10.3390/antiox10111677
  21. Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease. Global Strategy for the Diagnosis, Management, and Prevention of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Revised 2020. Available at: https://goldcopd.org/wp-content/uploads/2019/11/GOLD-2020-REPORT-ver1.0wms.pdf. Accessed: 12.05.2022
  22. Yoshida M, Minagawa S, Araya J, et al. Involvement of cigarette smoke-induced epithelial cell ferroptosis in COPD pathogenesis. Nat Commun. 2019;10(1):3145. doi: 10.1038/s41467-019-10991-7
  23. Chiappori A, Folli C, Balbi F, et al. CD4(+)CD25(high)CD127(-) regulatory T-cells in COPD: smoke and drugs effect. World Allergy Organ J. 2016;9:5. doi: 10.1186/s40413-016-0095-2
  24. Park EJ, Park YJ, Lee SJ, et al. Whole cigarette smoke condensates induce ferroptosis in human bronchial epithelial cells. Toxicol Lett. 2019;303:55-66. doi: 10.1016/j.toxlet.2018.12.007
  25. Yellon DM, Hausenloy DJ. Myocardial reperfusion injury. N Engl J Med. 2007;357(11):1121-35. doi: 10.1056/NEJMra071667
  26. Friedmann Angeli JP, Schneider M, Proneth B, et al. Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice. Nat Cell Biol. 2014;16(12):1180-91. doi: 10.1038/ncb3064
  27. Li W, Feng G, Gauthier JM, et al. Ferroptotic cell death and TLR4/Trif signaling initiate neutrophil recruitment after heart transplantation. J Clin Invest. 2019;129(6):2293-304. doi: 10.1172/JCI126428
  28. Baba Y, Higa JK, Shimada BK, et al. Protective effects of the mechanistic target of rapamycin against excess iron and ferroptosis in cardiomyocytes. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2018;314(3):H659-68. doi: 10.1152/ajpheart.00452.2017
  29. Fang X, Wang H, Han D, et al. Ferroptosis as a target for protection against cardiomyopathy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019;116(7):2672-80. doi: 10.1073/pnas.1821022116
  30. Bai YT, Chang R, Wang H, et al. ENPP2 protects cardiomyocytes from erastin-induced ferroptosis. Biochem Biophys Res Commun. 2018;499(1):44-51. doi: 10.1016/j.bbrc.2018.03.113
  31. Ouyang S, You J, Zhi C, et al. Ferroptosis: the potential value target in atherosclerosis. Cell Death Dis. 2021;12:782. doi: 10.1038/s41419-021-04054-3
  32. Gong T, Liu L, Jiang W, Zhou R. DAMP-sensing receptors in sterile inflammation and inflammatory diseases. Nat Rev Immunol. 2020;20(2):95-112. doi: 10.1038/s41577-019-0215-7
  33. Donia T, Khamis A. Management of oxidative stress and inflammation in cardiovascular diseases: mechanisms and challenges. Environ Sci Pollut Res Int. 2021;28(26):34121-53. doi: 10.1007/s11356-021-14109-9
  34. Bai T, Li M, Liu Y, et al. Inhibition of ferroptosis alleviates atherosclerosis through attenuating lipid peroxidation and endothelial dysfunction in mouse aortic endothelial cell. Free Radic Biol Med. 2020;160:92-102. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2020.07.026
  35. Marques VB, Leal MAS, Mageski JGA, et al. Chronic iron overload intensifies atherosclerosis in apolipoprotein E deficient mice: Role of oxidative stress and endothelial dysfunction. Life Sci. 2019;233:116702. doi: 10.1016/j.lfs.2019.116702
  36. Moradali MF, Ghods S, Rehm BH. Pseudomonas aeruginosa lifestyle: a paradigm for adaptation, survival, and persistence. Front Cell Infect Microbiol. 2017;7:39. doi: 10.3389/fcimb.2017.00039
  37. Ruffin M, Brochiero E. Repair process impairment by Pseudomonas aeruginosa in epithelial tissues: major features and potential therapeutic avenues. Front Cell Infect Microbiol. 2019;9:182. doi: 10.3389/fcimb.2019.00182
  38. Fitzgerald ES, Luz NF, Jamieson AM. Competitive cell death interactions in pulmonary infection: host modulation versus pathogen manipulation. Front Immunol. 2020;11:814. doi: 10.3389/fimmu.2020.00814
  39. Dar HH, Tyurina YY, Mikulska-Ruminska K, et al. Pseudomonas aeruginosa utilizes host polyunsaturated phosphatidylethanolamines to trigger theft-ferroptosis in bronchial epithelium. J Clin Invest. 2018;128(10):4639-53. doi: 10.1172/JCI99490
  40. Dar HH, Anthonymuthu TS, Ponomareva LA, et al. A new thiol-independent mechanism of epithelial host defense against Pseudomonas aeruginosa: iNOS/NO sabotage of theft-ferroptosis. Redox Biol. 2021;45:102045. doi: 10.1016/j.redox.2021.102045
  41. Kapralov AA, Yang Q, Dar HH, et al. Redox lipid reprogramming commands susceptibility of macrophages and microglia to ferroptotic death. Nat Chem Biol. 2020;16(3):278-90. doi: 10.1038/s41589-019-0462-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Regulation of ferroptosis. Inhibition of system xc-deprives cellular cysteine, leading to GSH deletion and GPX4 inactivation. RSL3 inhibits the activity of GPX4 by covalent binding with GPX4. GPX4 inactivation leads to the accumulation of lipid peroxides and final ferroptosis.

Download (116KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Consilium Medicum

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
 
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».