腫瘤鐵死亡調(diào)控機(jī)制的新進(jìn)展

張正陽(yáng)， 王昕， 王康， 朱海濤

(江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院影像科， 江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

細(xì)胞死亡是細(xì)胞生命過(guò)程的終結(jié)，該過(guò)程對(duì)機(jī)體的生存和發(fā)展意義重大。誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡是臨床癌癥治療的主要策略。凋亡和壞死是最常見(jiàn)的兩種細(xì)胞死亡形式，但隨著研究深入，近來(lái)發(fā)現(xiàn)一種以鐵依賴(lài)性的脂質(zhì)活性氧堆積為特點(diǎn)的細(xì)胞死亡方式——鐵死亡。鐵死亡目前已經(jīng)成為腫瘤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其在形態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)和代謝特征等方面顯著區(qū)別于其他類(lèi)型的細(xì)胞死亡形式。同時(shí)，鐵死亡的激活可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖，有望成為腫瘤治療的新方式。本文針對(duì)鐵死亡主要的調(diào)控機(jī)制及其近來(lái)在腫瘤治療中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 鐵死亡及調(diào)節(jié)因素

鐵死亡(ferroptosis)一詞于2012年首次提出，用于描述由小分子化合物erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞非凋亡非壞死的死亡新模式。Erastin通過(guò)抑制胱氨酸向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而導(dǎo)致谷胱甘肽耗盡和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)的失活，最終誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[1]。細(xì)胞內(nèi)GPX4的主要生理作用是將脂質(zhì)過(guò)氧化物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的脂質(zhì)醇，從而抑制脂質(zhì)過(guò)氧化物對(duì)細(xì)胞的毒副作用。而GPX4活性抑制劑(erastin或RSL3)等通過(guò)抑制GPX4活性可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物大量堆積，最終引起細(xì)胞鐵死亡[2-3]。因此，脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)是調(diào)節(jié)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的核心因素。

1.1 鐵代謝調(diào)控鐵死亡

鐵離子是脂質(zhì)過(guò)氧化物累積和細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的必要因素之一[4]。細(xì)胞內(nèi)鐵離子攝入與釋放、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)都是影響細(xì)胞鐵死亡的重要因素[5]。研究報(bào)道，鐵死亡發(fā)生的必要條件之一是轉(zhuǎn)鐵球蛋白及其受體將鐵離子從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)[6]。沉默大鼠鐵離子代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子——鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2可以有效降低細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性[1]。自噬亦可以通過(guò)影響鐵離子代謝，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性[7]。儲(chǔ)鐵蛋白介導(dǎo)的選擇性自噬，簡(jiǎn)稱(chēng)為鐵自噬，其通過(guò)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。特定的受體核受體活化輔助因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)識(shí)別儲(chǔ)鐵蛋白后，將儲(chǔ)存的鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)至自噬小體中降解，進(jìn)而將鐵離子釋放入細(xì)胞質(zhì)變?yōu)橛坞x鐵[8-9]。近期研究也發(fā)現(xiàn)，核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2, NRF2)、熱休克蛋白B1等基因可通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的鐵離子代謝，進(jìn)而影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性[10-11]。由此可見(jiàn)，鐵離子代謝和鐵自噬可能是誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的潛在調(diào)控點(diǎn)。

1.2 脂質(zhì)代謝調(diào)控鐵死亡

研究表明，鐵死亡是一類(lèi)含多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)的磷脂過(guò)度氧化所引起的細(xì)胞死亡，該類(lèi)磷脂在細(xì)胞膜中大量存在[12]。長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A合成酶4和溶血卵磷脂?；D(zhuǎn)移酶3是調(diào)控磷脂膜中多不飽和脂肪酸合成與重塑的關(guān)鍵酶，其抑制或缺乏可以增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的抵抗。多不飽和脂肪酸的豐度決定了細(xì)胞中發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化的程度和鐵死亡發(fā)生的難易程度[13-14]。

鐵死亡的核心過(guò)程是細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物堆積，細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)過(guò)氧化分為兩種，即非酶促的脂質(zhì)過(guò)氧化和酶促的脂質(zhì)過(guò)氧化。非酶促的脂質(zhì)過(guò)氧化又稱(chēng)為脂質(zhì)的自氧化，是一種自由基介導(dǎo)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。細(xì)胞內(nèi)芬頓反應(yīng)生成羥基自由基[16]，不斷將多不飽和脂肪酸氧化成脂質(zhì)過(guò)氧化氫。而酶促的脂質(zhì)過(guò)氧化是指在脂氧合酶的催化下，游離的多不飽和脂肪酸生成各種脂質(zhì)過(guò)氧化氫的過(guò)程[17]。隨后脂質(zhì)過(guò)氧化氫在Fe2+的催化下生成烷氧基自由基，參與下一個(gè)脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[18]。持續(xù)的氧化反應(yīng)以及多不飽和脂肪酸的耗竭改變了細(xì)胞膜的流動(dòng)性結(jié)構(gòu)，膜的通透性增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

Fe2+參與自由基的形成，同時(shí)也是脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)中重要的催化劑[19]。在某些細(xì)胞系中，用藥物抑制或者RNA干擾脂氧合酶，可以有效抑制鐵死亡[20]。近來(lái)，有報(bào)道稱(chēng)維生素E可以抑制脂氧合酶的活性[13]，這為維生素E可以挽救鐵死亡的效應(yīng)提供依據(jù)。此外，由于脂質(zhì)過(guò)氧化會(huì)生成毒性的醛類(lèi)物質(zhì)，如4-羥基-2-壬烯醛或丙二醛，這些醛類(lèi)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致一些參與正常生理功能的蛋白失活，從而促進(jìn)了鐵死亡的過(guò)程[21]。Shimada等[22]通過(guò)研究FIN56誘導(dǎo)鐵死亡的過(guò)程，確定甲羥戊酸途徑參與調(diào)節(jié)鐵死亡。甲羥戊酸途徑的直接代謝產(chǎn)物——焦磷酸異戊烯酯，對(duì)膽固醇生物合成、硒代半胱氨酸轉(zhuǎn)移酶的異戊烯基化和輔酶Q10的產(chǎn)生至關(guān)重要[23]。硒代半胱氨酸轉(zhuǎn)移酶參與GPX4合成，促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化氫向脂質(zhì)醇轉(zhuǎn)變[20]。同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸可以通過(guò)合成谷胱甘肽來(lái)作為GPX4催化反應(yīng)的還原劑，消除脂質(zhì)過(guò)氧化對(duì)膜的破壞[24]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制蛋白1的肉蔻酰化修飾導(dǎo)致輔酶Q的還原型輔酶Ⅰ(NADH)依賴(lài)性減少，輔酶Q作為一種自由基捕獲的抗氧化劑，抑制脂質(zhì)過(guò)氧化物增殖[25]。

1.3 氨基酸代謝調(diào)控鐵死亡

越來(lái)越多的研究證實(shí)，氨基酸代謝異常與細(xì)胞鐵死亡密切相關(guān)[26]。谷胱甘肽是細(xì)胞最重要的抗脂質(zhì)氧化分子，而其合成需要半胱氨酸作為原材料。因此，細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸的豐度決定細(xì)胞對(duì)抗脂質(zhì)氧化的程度。細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸的來(lái)源主要通過(guò)兩個(gè)途徑：一是胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(system Xc-，Xc-系統(tǒng))；二是轉(zhuǎn)硫途徑。Xc-系統(tǒng)是位于細(xì)胞膜的一種轉(zhuǎn)運(yùn)體，由溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)和溶質(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member2, SLC3A2)兩個(gè)亞基組成，將谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞的同時(shí)將胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞[27]。細(xì)胞也可以通過(guò)轉(zhuǎn)硫途徑將甲硫氨酸合成半胱氨酸，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Xc-系統(tǒng)受到抑制時(shí)，細(xì)胞仍然能夠通過(guò)轉(zhuǎn)硫途徑合成半胱氨酸。因此，以抑制Xc-系統(tǒng)為靶點(diǎn)的鐵死亡誘導(dǎo)劑并不能完全、有效地殺傷細(xì)胞。Hayano等[28]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)干擾RNA抑制半胱氨酸-tRNA合成酶的表達(dá)可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)硫途徑，進(jìn)而增加細(xì)胞對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑的抵抗。谷氨酸和谷氨酰胺是鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子[29]。細(xì)胞膜上的Xc-系統(tǒng)是維持細(xì)胞內(nèi)谷氨酸和胱氨酸穩(wěn)態(tài)的主要體系。正常條件下，Xc-系統(tǒng)在泵出一分子谷氨酸的同時(shí)，泵入一分子的胱氨酸。而Xc-系統(tǒng)的活性同時(shí)受細(xì)胞外谷氨酸水平的反饋調(diào)節(jié)[30]。研究表明，細(xì)胞外谷氨酸濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致Xc-系統(tǒng)失活并引起鐵死亡，由此解釋了谷氨酸濃度過(guò)高對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞毒性作用的機(jī)制[6]。Massie等[31]研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠Xc-系統(tǒng)可以保護(hù)其免受谷氨酸積累而引起的神經(jīng)毒性損傷。因此，細(xì)胞外谷氨酸積累可以認(rèn)為是生理?xiàng)l件下誘導(dǎo)鐵死亡的因素之一。

2 鐵死亡與腫瘤

大量研究表明，鐵死亡可以殺死腫瘤細(xì)胞，抑制腫瘤生長(zhǎng)[32]。雖然目前僅限于細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但是已經(jīng)有一些小分子鐵死亡誘導(dǎo)劑表現(xiàn)出良好的腫瘤治療效果。

2.1 鐵死亡與胰腺導(dǎo)管細(xì)胞癌

胰腺導(dǎo)管細(xì)胞癌是消化道常見(jiàn)的惡性腫瘤，5年生存率僅9%，號(hào)稱(chēng)“癌中之王”[33-34]。吉西他濱是胰腺癌的一線化療藥，但治療效果仍不理想。研究表明，熱休克蛋白5(heat shock protein family A5, HSPA5)與胰腺癌患者的吉西他濱治療預(yù)后密切相關(guān)[33, 35]。HSPA5-GPX4通路激活可導(dǎo)致胰腺癌細(xì)胞對(duì)吉西他濱耐藥，而抑制HSPA5或GPX4的基因表達(dá)則可以逆轉(zhuǎn)，該過(guò)程中鐵死亡發(fā)揮重要作用[35]。青蒿琥酯是青蒿素衍生物的一種，是治療瘧疾的一線藥物[36]。前期研究及相關(guān)報(bào)道表明，青蒿素及其衍生物可以特異性誘導(dǎo)Kras突變的胰腺癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，而對(duì)正常細(xì)胞毒性作用很小[37]。青蒿素及其衍生物促進(jìn)胰腺癌細(xì)胞鐵死亡的主要機(jī)制是依賴(lài)增加細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[37]。

2.2 鐵死亡與肝細(xì)胞癌

肝細(xì)胞癌的最主要治療手段是手術(shù)，但是患者術(shù)后復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移發(fā)生率較高[38]。索拉非尼是治療肝細(xì)胞癌的常用化療藥物之一。研究表明，索拉非尼可以誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)氧化水平增高，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，鐵死亡的特異性抑制劑ferrostatin-1可以阻止該效應(yīng)，而凋亡和壞死的抑制劑則不能起到挽救作用[11]，因此可認(rèn)為索拉非尼誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞死亡的途徑與鐵死亡相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合低密度脂蛋白和天然ω-3多不飽和脂肪酸二十二碳六烯酸的納米復(fù)合物(LDL-DHA)，可以通過(guò)引起鐵死亡有效殺傷肝癌細(xì)胞[39]。研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合erastin、索拉非尼和氟哌啶醇，可以誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞內(nèi)鐵離子濃度增高，鐵離子通過(guò)芬頓效應(yīng)產(chǎn)生過(guò)量的活性氧，導(dǎo)致脂質(zhì)氧化水平升高，進(jìn)而誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[40]。

2.3 鐵死亡與膠質(zhì)瘤

膠質(zhì)瘤是最常見(jiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤。研究表明，膠質(zhì)瘤細(xì)胞核因子E2相關(guān)因子2通路的過(guò)度激活，引起胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的活化，從而使膠質(zhì)瘤細(xì)胞的鐵死亡受到抑制[41]。Wang等[42]研究發(fā)現(xiàn)，土槿皮乙酸可以激活膠質(zhì)瘤細(xì)胞中NADPH氧化酶4，同時(shí)抑制細(xì)胞膜上的Xc-系統(tǒng)活性，促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的鐵死亡。轉(zhuǎn)錄激活因子4通過(guò)促進(jìn)胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體相關(guān)蛋白的表達(dá)，降低膠質(zhì)母細(xì)胞瘤對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性[27]。沉默膠質(zhì)母細(xì)胞瘤胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體相關(guān)蛋白的表達(dá)，可以增強(qiáng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞對(duì)替莫唑胺的敏感性。鐵死亡特異性誘導(dǎo)劑erastin通過(guò)抑制胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體活性，引起細(xì)胞內(nèi)還原型谷胱甘肽合成不足，進(jìn)而增敏替莫唑胺對(duì)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的殺傷作用[27]。

2.4 鐵死亡與血液系統(tǒng)腫瘤

急性淋巴細(xì)胞白血病是一種起源于淋巴細(xì)胞的B系或T系細(xì)胞在骨髓內(nèi)異常增生的惡性腫瘤性疾病，異常增生的原始細(xì)胞在骨髓聚集并抑制正常造血功能，同時(shí)也可侵及骨髓外的組織，如腦膜、淋巴結(jié)、性腺以及肝臟等[43]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡誘導(dǎo)劑RSL3可以直接抑制急性淋巴細(xì)胞白血病細(xì)胞GPX4酶活性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)氧化成分無(wú)法被還原為無(wú)毒的醇類(lèi)，引起細(xì)胞鐵死亡[44]。

彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤(DLBCL)是霍奇金淋巴瘤中最常見(jiàn)的類(lèi)型。DLBCL細(xì)胞轉(zhuǎn)硫途徑的缺陷致其對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑極度敏感[45]。Erastin等鐵死亡誘導(dǎo)劑抑制DLBCL細(xì)胞Xc-系統(tǒng)活性時(shí)，由于自身轉(zhuǎn)硫途徑的缺乏，合成還原型谷胱甘肽的胱氨酸無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物無(wú)法得到及時(shí)有效的還原，進(jìn)而誘導(dǎo)DLBCL細(xì)胞的鐵死亡[45]。Sato等[45]研究發(fā)現(xiàn)，柳氮磺嘧啶抑制Xc-系統(tǒng)活性能夠有效抑制淋巴瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)?；赟LC7A11缺陷小鼠的模型研究發(fā)現(xiàn)，SLC7A11缺失對(duì)小鼠的正常生長(zhǎng)發(fā)育沒(méi)有明顯影響，但是可以明顯促進(jìn)鐵死亡誘導(dǎo)劑的治療效果，因此SLC7A11或許可作為治療DLBCL的有效靶點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵死亡是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型死亡形式，其發(fā)生涉及多種分子的表達(dá)及信號(hào)通路，其中鐵、脂質(zhì)和氨基酸代謝是其最核心的調(diào)控機(jī)制。而腫瘤細(xì)胞中游離鐵豐富、活性氧水平高的特征，為臨床利用鐵死亡方式治療腫瘤提供了理論依據(jù)。此外，靶向鐵死亡通路的小分子藥物尚處在基礎(chǔ)研究階段，其在人體內(nèi)的具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。