鐵死亡在腫瘤治療中的研究進展

余錢 ，尹曉玲 ，張獻全 (通訊作者★)

（1. 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院腫瘤科，重慶；2. 重慶市第九人民醫(yī)院，重慶）

0 引言

盡管醫(yī)療水平提高，腫瘤是依舊是世界上僅次于心血管疾病的第二大死亡原因。大多數(shù)腫瘤發(fā)現(xiàn)時已失去手術(shù)機會，只能采取化療、靶向治療、免疫治療、放療等治療手段，這些治療手段目前主要以觸發(fā)凋亡性細胞死亡發(fā)揮抗癌作用。腫瘤治療過程中常常會出現(xiàn)耐藥，前述治療效果十分有限。因此利用其他形式的非細胞死亡來殺死腫瘤細胞為腫瘤治療耐藥患者提供了新的機會。鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種細胞死亡形式，它是一種鐵依賴的脂質(zhì)活性氧(ROS)累積所致的細胞死亡過程，通過調(diào)節(jié)腫瘤生長、增殖在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起著不可忽視的作用。本文綜述了鐵死亡的發(fā)現(xiàn)和定義，然后重點闡述了鐵死亡及其機制在克服腫瘤耐藥相關(guān)研究和最新進展，為腫瘤治療提供了新思路。

1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn)及定義

鐵死亡是一種新定義的程序性細胞死亡過程，2012年Stockwell 實驗室首次提出了這個術(shù)語[1]。鐵在形態(tài)學(xué)、生物學(xué)及基因水平上均明顯不同于凋亡、壞死、自噬等其他形式的調(diào)節(jié)性細胞壞死，使用小分子物質(zhì)（Fer-1）可以抑制細胞鐵死亡，而壞死抑制劑卻不能抑制細胞調(diào)節(jié)性細胞死亡。其本質(zhì)是細胞內(nèi)脂質(zhì)氧化物的代謝障礙，進而在鐵離子的催化下異常代謝，產(chǎn)生大量脂質(zhì)，破壞細胞內(nèi)氧化還原平衡，攻擊生物大分子，觸發(fā)細胞的死亡。

2 鐵死亡機制

2.1 谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）

關(guān)于經(jīng)典的鐵死亡目前為止已知的信號調(diào)控通路是由谷胱甘肽過氧化物酶GPX4[2,3]以及自由基捕獲抗氧化物（RTAs）[4,5]介導(dǎo)的。因此，通過抑制GPX4來誘導(dǎo)鐵死亡的方式目前有望成為誘導(dǎo)癌癥細胞死亡達到治療某些癌癥的治療策略[6]。在GPX4通路上存在兩類鐵死亡誘導(dǎo)劑，一類是胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運受體(System Xc-）抑制劑，另一類是GPX4抑制劑，除了這些小分子物質(zhì)外，還有許多藥物（如索拉非尼，青蒿素及其衍生物）可誘導(dǎo)鐵死亡。第一類鐵死亡誘導(dǎo)劑，如erastin、索拉菲尼和柳氮磺胺吡啶抑制System Xc-中SLC7A11并且阻礙細胞對胱氨酸的攝取，導(dǎo)致細胞內(nèi)半胱氨酸的下降，使谷胱甘肽(GSH)合成減少，這最終導(dǎo)致細胞抗氧化能力的下降[3,7]。通過硫轉(zhuǎn)移途徑，細胞蛋氨酸可用于補充半胱氨酸水平。作為鐵死亡的關(guān)鍵成分，GPX4可與GSH結(jié)合，抑制細胞脂質(zhì)過氧化物（ROS），抑制細胞鐵死亡。Ras選擇性致死小分子(RSL3）等第二類類鐵死亡誘導(dǎo)劑可直接抑制GPX4誘導(dǎo)鐵死亡[3]。

甲戊酸（MVA）通路是促進硒蛋白合成的重要因素，而GPX4是以硒代半胱氨酸為活性中心的硒蛋白，因此通路在調(diào)節(jié)GPX4成熟中起重要作用[8]。且由研究指出鐵死亡發(fā)生過程中的關(guān)鍵蛋白ACSL4通過參與合成易被氧化的膜磷脂而成為引發(fā)鐵死亡的必需組分之一，使得細胞對RSL3等誘導(dǎo)因素敏感，同時這一結(jié)果在三陰性乳腺癌細胞系MDA-MB-157中得到進一步證實[9]。

轉(zhuǎn)鐵蛋白將鐵從胞外轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)部，鐵螯合劑可以阻止鐵死亡。線粒體是參與鐵亡的最重要的細胞器，含有6個鐵亡相關(guān)基因，并且通過電子傳遞鏈釋放鐵死亡誘導(dǎo)產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物。此外，許多細胞內(nèi)分子或者蛋白質(zhì)可調(diào)節(jié)鐵死亡，例如，P53抑制SLC7A11并促進脂質(zhì)過氧化物的生成[8,10]。大鼠27kDa熱休克蛋白(HSPB1)可通過阻礙細胞內(nèi)鐵的增加而抑制鐵死亡[11]。

2.2 鐵死亡抑制蛋白FSP1

GPX4抑制劑在不同的癌癥細胞系中的響應(yīng)不一致[12]，說明可能存在其他因子調(diào)控鐵死亡。最近的研究[13,14]發(fā)現(xiàn)了平行于GPX4的信號調(diào)控方式鐵死亡抑制蛋白FSP1，其在細胞中過表達能夠顯著保護細胞免受鐵死亡誘導(dǎo)因子引發(fā)鐵死亡的影響這是迄今為止首次發(fā)現(xiàn)能夠補足GPX4引起鐵死亡的其他因子。機制上，F(xiàn)SP1只有被豆蔻酰化修飾后才能夠起到抗鐵死亡的功能，肉豆蔻?；瘜SP1募集到質(zhì)膜，在其中它作為氧化還原酶起作用，從而降低輔酶Q10（CoQ），生成親脂性自由基捕獲抗氧化劑（RTA），從而阻止脂質(zhì)過氧化物的傳播。FSP1可以作為多種癌癥細胞中鐵死亡抵抗能力的生物標(biāo)記物[14]，因此FSP1的抑制劑可能會成為癌癥治療藥物靶標(biāo)之一。而通過在GPX4KO/WT的細胞中過表達FSP1來進行藥物篩選，在篩選了約為10000種藥物混合物后，找到了FSP1的抑制劑iFSP1[13]。在多種癌細胞中，F(xiàn)SP1都能夠表達，而iFSP1處理后能夠顯著影響這些細胞系對于鐵死亡的敏感性[13]。上述研究鑒定出了獨立于經(jīng)典的GPX4信號通路的鐵死亡抑制因子FSP1，其通過還原CoQ10來阻止脂質(zhì)氧化，進而抑制鐵死亡。這一發(fā)現(xiàn)對于癌癥中鐵死亡相關(guān)的藥物的開發(fā)等方面提供了重要的策略參考。

3 鐵死亡與腫瘤耐藥

3.1 鐵死亡克服腫瘤化療耐藥

細胞死亡的無效誘導(dǎo)是大多數(shù)化療藥物共有的特征之一。上皮癌細胞通過上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g充質(zhì)細胞狀態(tài)這個過程產(chǎn)生了許多細胞死亡抵抗機制，研究[15,16]顯示鐵死亡促進耐藥的間充質(zhì)狀態(tài)癌細胞死亡。從機制上看，在上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化和脂肪生成過程中發(fā)揮作用的鋅指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子中的E盒結(jié)合鋅指蛋白(ZEB)，是間質(zhì)狀態(tài)與過氧化脂質(zhì)脆弱性的中間關(guān)聯(lián)因子[15,16]。這些結(jié)果可以在不同類型的癌細胞中得到驗證，已知高間質(zhì)狀態(tài)的HCC4006非小細胞肺癌細胞對吉非替尼耐藥，然而與親代細胞相比這些細胞對GPX4抑制更敏感。同時間質(zhì)來源的癌細胞對鐵死亡化合物也表現(xiàn)出極大的敏感性[15]。

多藥耐藥(MDR)在腫瘤化療中普遍存在，MDR涉及多種復(fù)雜的機制，其中耐藥細胞(PCCs)的存在被認為是導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)的重要原因[17]，因此靶向耐藥癌細胞也是克服癌細胞耐藥性的重要策略。干細胞標(biāo)記物和間質(zhì)細胞標(biāo)記物在耐藥細胞中的上調(diào)顯示了這些癌細胞的間質(zhì)狀[18]，對這些耐藥細胞癌細胞脆弱性的探索發(fā)現(xiàn)鐵死亡主要抑制因子Nrf2被下調(diào)，同時耐藥細胞可使谷胱甘肽和NADPH的水平顯著下降，并且其對脂質(zhì)過氧化具有特異性敏感性。有證據(jù)表明GPX4抑制劑通過鐵死亡特異性致死耐藥細胞[15,18]。鑒于細胞鐵死亡是一種與凋亡完全不同的細胞死亡過程，基于上述結(jié)果，鐵死亡誘導(dǎo)劑可能是克服凋亡誘導(dǎo)化療藥物耐藥的潛在策略。

3.2 鐵死亡與腫瘤靶向治療

p53腫瘤抑制因子在許多腫瘤中發(fā)生突變或功能性失活，根據(jù)p53的突變狀態(tài)和所處的細胞，蛋白分子p53就像變阻器一樣在基礎(chǔ)的或低水平的氧自由基壓力下，具有抑制鐵死亡的作用，而在高氧化壓力狀態(tài)下則促進鐵死亡[19]。腫瘤抑制分子BAP1編碼一種核去泛素化酶，BAP1突變見于多種散發(fā)的人類腫瘤中，其胚系突變被認為是遺傳性腫瘤的重要易感因素[20]。BAP1的腫瘤抑制活性部分是通過SLC7A11啟動子處H2A的去泛素化，使SLC7A11表達受到抑制，發(fā)生了鐵死亡。體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，在BAP1缺陷的細胞中恢復(fù)BAP1的表達可以抑制異種移植的腫瘤的生長[21]。

人腫瘤相關(guān)BAP1突變不能抑制SLC7A11的表達，不能通過促進鐵死亡抑制腫瘤6。Poursaitidis 等人的研究表明 EGFR 和BRAF 突變細胞對鐵鐵死亡敏，其敏感性與 MAPK 信號通路的激活及過氧化氫的產(chǎn)生和釋放有關(guān)，提示利用EGFR/MAPK驅(qū)動的腫瘤對胱氨酸缺乏的敏感性引起腫瘤細胞的鐵死亡的潛在可能性[22]。

3.3 鐵死亡與腫瘤免疫治療

以免疫檢查點抑制劑為主的腫瘤免疫治療能夠恢復(fù)或者增強效應(yīng)性CD8+T細胞的增殖及其功能，活化的CD8+T細胞可以特異性地識別腫瘤細胞，并通過釋放穿孔素和顆粒酶以及Fas配體來誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生凋亡，從而清除腫瘤細胞[23]。盡管近年其在腫瘤臨床治療中取得巨大成功，只有約20%患者在接受治療后獲得了長期療效, 且多數(shù)患者后期耐藥復(fù)發(fā)。雖然此前已研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡與腫瘤等多種疾病相關(guān)，但在腫瘤免疫治療過程中是否有鐵死亡的參與還未可知。近期Wang等人的研究[24]發(fā)現(xiàn)免疫治療過程中活化的CD8+T細胞能夠增強腫瘤細胞內(nèi)鐵死亡特異的脂質(zhì)過氧化水平，鐵死亡的增強有助于免疫治療的抗腫瘤療效。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)在機制上，CD8+T細胞釋放的干擾素γ（IFNγ）下調(diào)了System Xc-的兩個亞單位SALC3A2和SLCA11的表達，損害了腫瘤細胞對胱氨酸的吸收，從而促進了腫瘤細胞脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。通過分析臨床腫瘤樣本，在癌癥患者中System Xc-表達與CD8+T細胞數(shù)量、IFNγ的表達、以及患者預(yù)后均呈負相關(guān)。對納武單抗（Nivolumab）治療受益的患者轉(zhuǎn)錄組的分析顯示，在接受治療后SLC3A2表達下降，而IFNγ和CD8表達升高。

上述研究結(jié)果提示T細胞促進腫瘤鐵死亡作為免疫細胞殺傷腫瘤的全新機制,靶向鐵死亡通路并聯(lián)合免疫檢查點抑制劑是未來極具潛力的腫瘤治療策略。此外Llabani等人[25]開發(fā)出新的鐵死亡誘導(dǎo)劑ferroptocide，這是一種合成改造于天然產(chǎn)物的活性小分子，作用于新靶點硫氧還蛋白(TXN)-細胞中抗氧化系統(tǒng)的關(guān)鍵蛋白之一。研究人員發(fā)現(xiàn)在免疫完全的Balb/c小鼠上鐵死亡誘導(dǎo)劑ferroptocide才能發(fā)揮腫瘤抑制作用，而在免疫功能嚴(yán)重缺失的SCID小鼠上卻完全沒有效果，表明ferroptocide具有免疫刺激功能，尤其T細胞和B細胞在鐵死亡誘導(dǎo)劑ferroptocide發(fā)揮藥效過程中也有不可忽視的作用，表明其在治療癌癥與研究免疫系統(tǒng)協(xié)同作用中具有一定的潛力。

3.4 鐵死亡與腫瘤放療

腫瘤學(xué)面臨的一大挑戰(zhàn)是如何合理有效地將免疫檢查點與包括放療在內(nèi)的傳統(tǒng)腫瘤治療方式進行整合。免疫治療和放療的療效都需要CD8 T細胞，臨床前數(shù)據(jù)表明免疫檢查點阻斷可通過DNA損傷激活的先天性免疫感應(yīng)通路的激動作用與放療產(chǎn)生協(xié)同作用[26,27]。有研究認為，輻射誘導(dǎo)的脂質(zhì)氧化導(dǎo)致細胞凋亡[28]，但放療與鐵死亡的關(guān)系仍未明確。前言已述CD8 T細胞通過IFNγ調(diào)節(jié)腫瘤細胞鐵死亡[24]。最近Langd等人進一步展開研究[29]表明，CD8 T細胞可以通過促進鐵死亡改變腫瘤細胞對放療的敏感性，CD8 T細胞來源的IFNγ和輻射協(xié)同抑制腫瘤SLC7A11的表達誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡，而放療激活A(yù)TM以抑制SLC7A11的表達，限制腫瘤胱氨酸的攝取，減少谷胱甘肽，增加脂質(zhì)氧化損傷來介導(dǎo)腫瘤細胞的鐵視性。生物化學(xué)和基因抑制共濟失調(diào)毛細血管擴張突變基因（ATM）可以防止SLC7A11表達缺失，減少脂質(zhì)氧化，挽救放療引起的腫瘤細胞鐵死亡。同樣，ATM促進輻射后的DNA損傷修復(fù)和細胞存活，但也是輻射誘導(dǎo)鐵死亡所必需的。不排除輻射可能影響其他鐵死亡相關(guān)基因，這些基因可能在不同情況下共同導(dǎo)致放療介導(dǎo)的鐵死亡。但這項研究表明鐵死亡是一種以前未知的體內(nèi)外放療后腫瘤細胞死亡機制，且放療在體外和體內(nèi)均能使腫瘤細胞對鐵死亡激動劑敏感，凸顯了放射增敏腫瘤的新策略。

4 總結(jié)與展望

作為一種新的程序性細胞死亡過程，鐵死亡具有獨特的特征，在耐藥后腫瘤治療中顯示出巨大的潛力。但目前仍有許多問題有待解答，如鐵死亡抑制因子除了經(jīng)典的GPX4及獨立于GPX4信號通路的FSP1，是否還存在清楚能力更強大的酶。此外，仍需進一步鑒定出對鐵死亡敏感的腫瘤類型，以及對不同病理狀態(tài)下細胞凋亡與其他細胞死亡過程之間的關(guān)系進行明確的分類，從而為靶向鐵死亡治療耐藥腫瘤提供更多策略。