鐵死亡機制與卵巢癌

黃承穎，林小麗，劉楠

卵巢癌是婦科腫瘤中最致命的惡性腫瘤，每年約有150 000名女性死于卵巢癌[1]。由于卵巢癌發(fā)生早期缺乏典型的臨床癥狀，75%的卵巢癌確診時已達晚期，超過70%的患者在治療后復發(fā)[2]。一項流行病學研究收集了來自61個國家的數(shù)據(jù)，卵巢癌的5年生存率在30%～50%，且多數(shù)國家近20年生存率變化不大[3]。紫杉醇聯(lián)合鉑類藥物是目前卵巢癌一線化療方案，然而隨著鉑耐藥的出現(xiàn)，改善卵巢癌的生存率陷入瓶頸。

近年來鐵死亡成為研究熱點，其與多種疾病有關，包括帕金森病、阿爾茨海默癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，缺血再灌注損傷，腎臟損傷，血液疾病等[4]，誘導或抑制鐵死亡可以對疾病的發(fā)生、發(fā)展進行有效干預[5]。在腫瘤研究領域，鐵死亡是誘導腫瘤細胞死亡的新的可能靶點。美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）已批準的鐵死亡相關藥物中，索拉非尼（Sorafenib）、柳氮磺胺吡啶（Sulfasalazine）已用于腫瘤治療。最新的研究表明鐵死亡與卵巢癌有關[6]。因此，誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡是攻克卵巢癌的新策略[7]?，F(xiàn)深入討論鐵死亡的主要通路、鐵死亡誘導劑與鐵死亡抑制劑、鐵死亡與卵巢癌的聯(lián)系，為卵巢癌治療尋找突破點。

1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展

2012年Dixon等[8]在研究RAS突變的腫瘤細胞時，首次將由艾拉斯汀（Erastin）引起的一種依賴于鐵的非凋亡性細胞死亡方式定義為鐵死亡。與凋亡、壞死相比，在形態(tài)特征上，發(fā)生鐵死亡的細胞，其細胞質(zhì)中的線粒體嵴及膜會發(fā)生破裂，但細胞膜不會破裂，因而具有完整的球形細胞的外觀。生化方面，鐵死亡以鐵、活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）及脂質(zhì)過氧化的水平增加為特征。調(diào)控鐵死亡的關鍵有芬頓反應、胱氨酸-谷氨酸反向轉(zhuǎn)運蛋白系統(tǒng)（Xc－系統(tǒng)）、谷胱甘肽過氧化物酶 4（glutathionedependant peroxidase 4，GPX4）[9]。其中，Erastin 作用于Xc-系統(tǒng)，抑制胱氨酸運入細胞，減少了細胞內(nèi)谷胱甘肽的水平，進而影響GPX4的功能，最終細胞內(nèi)ROS積聚和細胞膜脂質(zhì)過氧化導致細胞死亡[5]。

2 鐵死亡的主要通路

2.1 鐵代謝與芬頓反應鐵是哺乳動物細胞維持正常所需的元素。Fe3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，TF）形成結(jié)合物，通過細胞膜表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TFR1）轉(zhuǎn)運。結(jié)合物經(jīng)過內(nèi)吞作用進入細胞，由六跨膜前列腺上皮抗原3（six transmembrane epithelialantigen ofprostate 3，STEAP3）還原為Fe2+，然后經(jīng)過二價金屬離子轉(zhuǎn)運體 1（divalent metal transporter 1，DMT1）從內(nèi)體（endosome）進入胞質(zhì)。細胞內(nèi)的鐵可用于多種代謝過程，如形成鐵硫簇，運入線粒體用于合成血紅蛋白。如果細胞內(nèi)鐵過多，則會以鐵蛋白的形式儲存，當體內(nèi)需要時，鐵會從鐵蛋白復合物釋放出來；也可由膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白 1（ferroportin 1，F(xiàn)PN1）運出細胞[10]。體內(nèi)鐵缺乏常常導致貧血，然而過多的鐵可能造成鐵穩(wěn)態(tài)的失衡帶來生物毒性，這來源于其催化的芬頓反應。芬頓反應中，F(xiàn)e2+與過氧化氫反應生成Fe3+和羥自由基。羥自由基是一種具有極強氧化能力的ROS，可以破壞蛋白、脂質(zhì)和DNA，影響細胞膜的功能，導致細胞死亡[11]。

2.2 脂質(zhì)過氧化在鐵死亡中，由ROS驅(qū)動的脂質(zhì)過氧化反應在鐵死亡通路中發(fā)揮重要作用。首先，羥自由基奪去細胞膜中多不飽和脂肪酸的氫，生成磷脂自由基，接著，磷脂自由基與氧、鄰近的脂質(zhì)反應，生成磷脂過氧化氫（phospholipid hydroperoxide，PLOOH），F(xiàn)e2+與PL-OOH的反應產(chǎn)物繼續(xù)與脂質(zhì)反應，得到磷脂自由基，再次啟動新一輪的脂質(zhì)過氧化反應[12]。PL-OOH的降解物會破壞細胞膜，并且持續(xù)廣泛的脂質(zhì)過氧化會影響細胞膜的流動性和結(jié)構(gòu)，增加細胞膜的滲透性，是細胞死亡的重要原因[13]。

2.3 Xc-系統(tǒng)/谷胱甘肽/GPX4軸Xc-系統(tǒng)是一種胱氨酸－谷氨酸反向轉(zhuǎn)運蛋白系統(tǒng)，包括2個獨立的蛋白質(zhì)，其中一個叫做溶質(zhì)載體家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）[14]，其與Xc-系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)功能有關；另一個是SLC3A2溶質(zhì)載體家族 3成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2），其攝取一個胱氨酸分子進入細胞，同時向細胞外輸出一個谷氨酸分子作為交換[15-16]。運入的胱氨酸進入細胞后轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，用于合成谷胱甘肽。谷胱甘肽是GPX4的輔因子和底物，與GPX4的脂質(zhì)修復功能有關。GPX4將還原型谷胱甘肽轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽，同時將PL-OOH還原為磷脂羥基化物（PL-alcohol，PL-OH）[17]。很多細胞依賴于 Xc-系統(tǒng)攝取胱氨酸，這個攝取步驟是合成半胱氨酸的限速步驟。阻止或抑制這個步驟可導致細胞內(nèi)半胱氨酸減少，抑制GPX4的脂質(zhì)修復功能，通過影響細胞的氧化還原狀態(tài)抑制鐵死亡[18]。

2.4 轉(zhuǎn)硫途徑半胱氨酸是一種非必需氨基酸，除了依靠Xc-系統(tǒng)獲取，一些哺乳動物細胞也能通過轉(zhuǎn)硫途徑合成半胱氨酸。甲硫氨酸作為硫供體，在胱硫醚 β-合酶（cystathionine β-synthase，CBS）、胱硫醚γ-裂解酶（cystathionine gamma-lyase，CSE）的催化下通過中間體同型半胱氨酸和胱硫醚轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，同時也產(chǎn)生氣態(tài)信號分子硫化氫[19-20]。此途徑的2個關鍵酶——CBS、CSE的活性及其蛋白表達可調(diào)控半胱氨酸的合成以及細胞質(zhì)內(nèi)谷胱甘肽的量進而調(diào)控鐵死亡[19]。了解鐵死亡通路與轉(zhuǎn)硫途徑的聯(lián)系有利于尋找潛在的抗腫瘤靶點。鐵死亡的主要通路見圖1（見后插一）。

圖1 鐵死亡過程

3 鐵死亡與腫瘤治療

在腫瘤研究中最主要的挑戰(zhàn)之一就是如何有效地殺死腫瘤細胞而讓正常細胞不受損傷。使用鐵死亡誘導劑或抑制劑來合理誘導鐵死亡的發(fā)生是提高腫瘤治療有效性和針對性的一個新方向。

3.1 鐵死亡誘導劑Dixon等[8]發(fā)現(xiàn)了4種啟動鐵死亡的方式，因而鐵死亡誘導劑可分為4類。第一類鐵死亡誘導劑主要是Xc-系統(tǒng)抑制劑，包括Erastin及Erastin類似物等，這些藥物是否可以用于體內(nèi)目前仍處于研究中。某些腫瘤細胞通過抑制Xc-系統(tǒng)不能誘導鐵死亡，這可能與不依賴于谷胱甘肽的硫氧還原蛋白抗氧化系統(tǒng)通路的提升有關[21]。針對GPX4的第2類和第3類誘導劑可用于。誘導這些腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡。

3.2 鐵死亡抑制劑鐵死亡抑制劑中鐵死亡抑制劑1（Fer-1）可通過減緩脂質(zhì)過氧化物的積累抑制鐵死亡，這可能源于它們捕獲自由基的抗氧化劑活性，而不是作為脂氧合酶抑制劑的效力[22]。去除鐵死亡誘導劑不足以使鐵死亡細胞復活，還需要鐵死亡抑制劑的輔助。Tang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當移除鐵死亡誘導劑后加入Fer-1，正在發(fā)生鐵死亡的細胞可以恢復。而其他鐵死亡抑制劑，如去鐵胺、抗氧化劑維生素C無法在加入鐵死亡誘導劑之后使細胞復活，因為它們作用于啟動鐵死亡的上行通路而不是執(zhí)行鐵死亡的下行通路。鐵死亡誘導劑和抑制劑見表1。

表1 鐵死亡誘導劑和抑制劑

4 鐵死亡在卵巢癌中的進展

4.1 鐵水平升高多項研究表明，細胞內(nèi)鐵水平的升高與多種腫瘤的發(fā)生有關，包括肺癌、肝癌、卵巢癌等[24]。Basuli等[25]發(fā)現(xiàn)，與正常的卵巢組織相比，高級別漿液性卵巢癌癌組織中FPN下降，TFR1與TF增加，鐵水平升高。卵巢癌起始細胞的遺傳模型也表現(xiàn)出鐵流出泵減少，鐵運入相關蛋白表達上調(diào)的情況。這表明在卵巢癌發(fā)生的早期，卵巢癌細胞內(nèi)鐵水平升高，在早期擾亂腫瘤細胞的鐵代謝是一個殺死腫瘤細胞的突破口。

4.2 p53基因卵巢癌的發(fā)生與p53基因突變有關。細胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS損傷DNA造成p53基因的失活、K-ras的激活，誘導卵巢癌的發(fā)生[26]。近年來的研究顯示高級別漿液性卵巢癌可能起源于輸卵管的遠端。有研究表明，單純的p53基因突變可以引起小鼠輸卵管上皮細胞發(fā)生遷移；當p53基因突變與K-ras激活聯(lián)合發(fā)生時，小鼠輸卵管上皮細胞則轉(zhuǎn)化為腫瘤細胞[26]。這說明減少p53基因突變有助于改善生存率。進一步的研究表明在鐵死亡中，SLC7A11是p53的作用靶點，p53作用于Xc-系統(tǒng)的亞單位，抑制對胱氨酸的攝取來抑制鐵死亡[27]。

4.3 轉(zhuǎn)硫途徑大量研究證實細胞內(nèi)谷胱甘肽水平升高和相關代謝酶高表達與卵巢癌的耐藥性密切相關[28-29]。Liu等[30]建立了Erastin耐受細胞株，發(fā)現(xiàn)細胞株依然可以維持谷胱甘肽的含量，提示細胞內(nèi)存在其他途徑合成胱氨酸。檢測發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)硫途徑的關鍵酶CBS有高表達，說明Erastin耐受細胞株通過上調(diào)的轉(zhuǎn)硫途徑為細胞提供胱氨酸。Verschoor等[31]使用Xc-系統(tǒng)抑制劑和轉(zhuǎn)硫途徑抑制劑處理2種卵巢癌細胞模型，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)谷胱甘肽水平在轉(zhuǎn)硫途徑抑制后顯著降低，說明轉(zhuǎn)硫途徑對卵巢癌細胞合成谷胱甘肽非常重要。Chakraborty等[32]發(fā)現(xiàn)在少數(shù)卵巢癌細胞系中，轉(zhuǎn)硫途徑中的CBS表達水平升高，CBS基因沉默可抑制卵巢癌細胞發(fā)生細胞遷移和侵襲。以上研究均提示對卵巢癌細胞轉(zhuǎn)硫途徑的深入研究可能為鐵死亡誘導劑用于卵巢癌治療提供方向。

4.4 鉑耐藥鉑類藥物機制的基礎是產(chǎn)生細胞內(nèi)的ROS造成細胞損傷和死亡。許多學者報道細胞對半胱氨酸與谷胱甘肽的獲取合成對卵巢癌細胞對卡鉑的耐藥性有影響[33-35]。Santos等[35]猜想通過干擾半胱氨酸的代謝逆轉(zhuǎn)耐藥性，使用含硒白楊素作Xc-系統(tǒng)的抑制劑處理3種卵巢癌細胞系及2種良性細胞系，研究結(jié)果提示含硒白楊素可促進減少谷胱甘肽水平并且對CBS有抑制作用。為了增加藥物對腫瘤細胞的特異性，他們設計了一種納米藥物作為改善卵巢癌治療的新策略。表明設計藥物干擾胱氨酸/半胱氨酸代謝下調(diào)細胞谷胱甘肽含量是卵巢鉑耐藥的突破點。

4.5 鐵死亡相關藥物索拉非尼是臨床上批準的可以誘導鐵死亡的抗癌藥物[36]，一項多中心的隨機對照試驗使用索拉非尼與托泊替康進行聯(lián)合維持治療，發(fā)現(xiàn)鉑耐藥卵巢癌患者的無進展生存期有顯著改善[37]。青蒿素是一種經(jīng)典的抗瘧藥，腫瘤細胞對青蒿素及其衍生物的細胞反應涉及了鐵死亡、凋亡、壞死等多種細胞死亡方式[38]。青蒿酯處理卵巢癌細胞后，細胞內(nèi)產(chǎn)生大量的ROS，并且增殖程度降低，凋亡抑制劑或鐵死亡抑制劑都只能不完全地抑制青蒿酯對細胞的毒性作用，這說明青蒿酯通過多種機制對卵巢癌細胞發(fā)揮抗增殖和細胞毒作用[39]。雖然鐵死亡相關藥物的機制仍待研究，但其可能成為通過鐵死亡通路改善卵巢癌治療的新路徑。

5 展望

鐵死亡成為腫瘤方面的研究熱點，鐵代謝、芬頓反應、Xc-系統(tǒng)、GPX4之間的通路網(wǎng)絡已初步建立，其他重要的相關通路（包括轉(zhuǎn)硫途徑等）及鐵死亡相關藥物有待進一步的研究。目前卵巢癌的化療方案依然以鉑類和紫杉醇藥物為主，但晚期卵巢癌患者的預后依然不樂觀。對鐵死亡通路與卵巢癌的聯(lián)系的深入探究有利于尋找一種新的化療方案。鐵死亡誘導劑和抑制劑有望在未來得到有效合理的應用，從而提高卵巢癌和其他腫瘤治療的精準性。