鐵死亡的代謝關聯(lián)機制及其在腫瘤免疫治療中的作用研究進展

徐麗程 田霖麗 綜述 劉鳴 審校

鐵死亡是Brent R.Stockwell 于2012年首次提出的一種新的適應性和程序化細胞死亡形式［1］，參與多種疾病的病理過程，包括退行性疾病、惡性腫瘤、腦卒中和缺血再灌注損傷等［2-3］。現(xiàn)對鐵死亡的調(diào)節(jié)機制及與腫瘤免疫之間的關系進行綜述，期望為腫瘤免疫治療帶來新的思路。

1 鐵死亡及其代謝關聯(lián)機制

鐵死亡是描述一種鐵依賴性的脂質(zhì)活性氧（re?active oxygen species，ROS）過量積聚導致調(diào)節(jié)性細胞死亡的過程［1］。2003年，Dolma 等［4］發(fā)現(xiàn)了一種新的化合物-erastin，對表達Ras基因的腫瘤細胞有選擇性的致死作用，但不同于已知的細胞死亡模式，未見細胞核形態(tài)改變、DNA斷裂和caspase激活，此過程不能被caspase 抑制劑逆轉(zhuǎn)。隨后，有研究［5-6］發(fā)現(xiàn)這種細胞死亡模式可以被鐵絡合劑抑制，并發(fā)現(xiàn)了另一種可能導致此類細胞死亡模式的化合物-RSL3［5］。2012年，有報道［1］根據(jù)在研究erastin 通過Ras 突變殺死腫瘤細胞的機制時的特點，正式將這種細胞死亡模式命名為鐵死亡。小分子物質(zhì)erastin 通過抑制細胞攝入胱氨酸（cystine，Cys），增加細胞內(nèi)谷胱甘肽（glutathione，GSH）的消耗并使谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）失活，進而引起脂質(zhì)過氧化積聚，導致細胞發(fā)生鐵死亡［7］。與凋亡、自噬和壞死等傳統(tǒng)細胞死亡方式相比，鐵死亡在形態(tài)學上表現(xiàn)為細胞核結(jié)構(gòu)完整，不伴有細胞膜腫脹和破裂，同時線粒體縮小、膜密度增加及線粒體嵴減少或消失［1］。有研究［2］表明，細胞對鐵死亡的敏感性與多種生物學途徑相關，包括氨基酸和谷胱甘肽代謝、鐵代謝和脂質(zhì)代謝等（圖1）。

1.1 氨基酸和谷胱甘肽代謝

GSH 作為哺乳動物體內(nèi)重要的抗氧化劑，由谷氨酸、甘氨酸和半胱氨酸在谷氨酸-半胱氨酸連接酶和谷胱甘肽合成酶的催化下產(chǎn)生。GSH 耗竭后可觸發(fā)鐵死亡，通過抑制GSH 的生物合成和阻斷胞外環(huán)境中Cys的攝入（erastin抑制system Xc-）兩條通路以實現(xiàn)［1］。胱氨酸-谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體（system Xc-）由跨膜轉(zhuǎn)運蛋白SLC3A2和SLC7A11組成，可通過促進胞膜外Cys和胞膜內(nèi)谷氨酸（glutamine，Glu）的1:1交換將Cys 還原為半胱氨酸，并參與GSH 的合成，因此抑制system Xc-可以觸發(fā)鐵死亡［8］。p53是目前研究最多的抑癌基因之一，其通過轉(zhuǎn)錄的方式抑制sys?tem Xc-的功能，從而正向調(diào)控鐵死亡［1，9］。然而在某些情況下，p53 可通過一種與轉(zhuǎn)錄無關的方式阻斷T細胞表面抗原CD26的活性來抑制鐵死亡［10］，因此需要根據(jù)不同情況評估p53 的作用。半胱氨酸的另一來源是某些細胞可以通過蛋氨酸的反向轉(zhuǎn)硫化生成胱硫氨酸。因此，這些細胞可抵抗system Xc-相關的鐵死亡［11］。

圖1 鐵死亡的代謝關聯(lián)機制［1］

1.2 鐵代謝

正常情況下，細胞內(nèi)鐵通過鐵運輸系統(tǒng)保持平衡，增加鐵攝取或減少鐵輸出都會增加腫瘤細胞對氧化損傷和鐵死亡的敏感性［8］。Fe2+作為脂質(zhì)過氧化和鐵死亡關鍵的誘導因子，其水平可以通過鐵轉(zhuǎn)運蛋白（transferrin，TF）介導的鐵攝取或鐵蛋白的自噬或溶酶體降解來提高［2］。核受體共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）是一種鐵蛋白特異性受體，介導鐵蛋白運輸至自噬小體并進行鐵蛋白吞噬，NCOA4的敲除降低了人纖維肉瘤細胞和人胰腺癌細胞的鐵死亡敏感性［12］。鐵反應元件結(jié)合蛋白2（iron-responsive element-binding protein 2，IREB2）是鐵代謝的主要調(diào)節(jié)因子，IREB2的沉默顯著減弱了erastin誘導的鐵死亡［1］。此外，研究發(fā)現(xiàn)Ras-RAF-MEK通路在一些腫瘤細胞系的鐵死亡敏感性中起決定性作用，在許多腫瘤細胞株中已觀察到致癌的Ras通過下調(diào)膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白（ferroportin，F(xiàn)PN）及上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（transferrin receptor，TFR）以增加細胞內(nèi)鐵含量［13］，而為了達到細胞快速增殖的需求，腫瘤細胞對鐵的需求量要高于非腫瘤細胞，因此鐵依賴使腫瘤細胞比非腫瘤細胞更容易受到鐵超載和ROS積累的影響，使鐵離子介導的腫瘤微環(huán)境相關的靶向治療成為可能。

1.3 脂質(zhì)代謝

脂質(zhì)過氧化物通過兩種機制對腫瘤細胞產(chǎn)生毒性作用。分子水平方面，脂質(zhì)過氧化物進一步分解，消耗核酸和蛋白質(zhì)，驅(qū)動細胞鐵死亡；結(jié)構(gòu)方面，脂質(zhì)的廣泛過氧化導致生物膜變薄和曲率增加，進一步加劇氧化并最終導致膜不穩(wěn)定和膠束形成［14］。同時，芬頓反應也闡明了一些鐵死亡誘導劑的致死作用主要通過含鐵酶（花生四烯酸脂氧合酶，arachido?nate lipoxygenases，ALOX）介導的脂質(zhì)過氧化作用，小支架蛋白Raf1 激酶抑制蛋白（riboflavin kinase inhibi?tor 1，RKIP1）通過與ALOX15 結(jié)合干擾磷脂醇的產(chǎn)生，正向調(diào)節(jié)鐵死亡［15］。

參與鐵死亡的ROS來源廣泛，且其氧化產(chǎn)物（尤其是脂質(zhì)過氧化物）的積累被認為是鐵死亡的標志。大多數(shù)腫瘤細胞表現(xiàn)出ROS 水平升高，將ROS水平提高至細胞毒性水平可能起到消滅腫瘤細胞的作用。當ROS 水平升高時，內(nèi)源性半胱氨酸的水平不足以合成足夠的GSH。因此，需要通過system Xc-獲得細胞外的半胱氨酸［16］，其中erastin［1］、索拉菲尼［16］和柳氮磺胺吡啶［17］可以作為system Xc-的抑制劑誘導腫瘤細胞鐵死亡。

2 鐵死亡與腫瘤的關系及其對腫瘤免疫的調(diào)節(jié)作用

2.1 鐵死亡與腫瘤的關系

在研究Ras 突變的腫瘤細胞中發(fā)現(xiàn)腫瘤存在鐵死亡。Yang 等［7］通過測定117 個來源于不同組織的腫瘤細胞株對erastin的敏感性，證明使用鐵死亡誘導劑可誘導Ras突變腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡。結(jié)果表明，相較于其他腫瘤細胞，腎癌細胞和彌漫性大B細胞淋巴瘤細胞對erastin 更敏感，且證明Ras 突變與erastin的療效無關。erastin可以提高化療藥物的療效，如替莫唑胺［18］和順鉑［19］，以治療特定的癌癥。Jiang等［9］研究發(fā)現(xiàn)p53可通過抑制SLC7A11基因表達來抑制Cys攝取導致鐵死亡，證明p53可通過鐵死亡對腫瘤起到抑制作用，同時還表明鐵死亡誘導劑可以通過抑制system Xc-治療p53野生型腫瘤。

目前，已上市的藥物中包括索拉菲尼［20］、柳氮磺胺吡啶［17］和青蒿琥酯［21］等已被證明可在部分腫瘤細胞中誘導鐵死亡。其中，索拉菲尼誘導的鐵死亡存在兩種不同機制：抑制system Xc-介導的Cys 攝入并觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激［16］；視網(wǎng)膜母細胞瘤（retinoblastoma，Rb）蛋白水平降低，伴線粒體ROS 增加，以發(fā)揮在細胞增殖中的調(diào)節(jié)作用以及其在G1/S檢查點的關鍵作用［20］。然而，Rb 蛋白的產(chǎn)生機制和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是否為索拉菲尼治療后癌細胞死亡的關鍵啟動因素仍需進一步研究來確定。

2.2 鐵死亡對腫瘤免疫的調(diào)節(jié)作用

腫瘤的一個典型標志是免疫失調(diào)，而鐵死亡和脂質(zhì)代謝間的相互作用在腫瘤免疫調(diào)節(jié)中非常關鍵。1）鐵死亡細胞通過釋放脂質(zhì)代謝產(chǎn)物影響免疫細胞，免疫細胞向腫瘤的動員受各種趨化因子、細胞因子和可溶性代謝物（如脂類和核酸）的控制。然而目前尚未明確鐵死亡的腫瘤細胞是否能產(chǎn)生該信號，但有研究［22］表明，巨噬細胞可清除正在經(jīng)歷鐵死亡的細胞，支持信號的存在。積累的脂滴通常被認為是花生四烯酸（arachidonic acid，AA）或其他多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）的儲存庫，這些PUFAs被動員后形成脂質(zhì)介質(zhì)信號，如二十碳二烯酸［23］。在GPX4缺失誘導的鐵死亡過程中，細胞可釋放氧化性脂質(zhì)介質(zhì)［24］。因此，AA 代謝物可能是招募免疫細胞尋找鐵死亡腫瘤細胞潛在的“找到我”信號。此外，鐵死亡的腫瘤細胞高表達Cox-2 基因PTGS2，產(chǎn)生免疫抑制因子前列腺素E2（prosta?glandin E2，PGE2），從而抑制傳統(tǒng)的1型樹突狀細胞、自然殺傷細胞和細胞毒性T 細胞的腫瘤免疫作用［7］。高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1 protein，HMGB1）是鐵死亡的生物學標志物，也是腫瘤免疫的重要因子。從鐵死亡腫瘤細胞釋放的HMGB1可以通過HMGB1-AGE信號通路促進巨噬細胞向M1 型極化，而當HMGB1 基因被敲除后，通過Ras-JNK/p38 途徑抑制erastin 誘導下鐵死亡的發(fā)生［25］。此外，12/15-LOX（脂氧合酶，lipoxygenases）產(chǎn)生的氧化磷脂是自噬所需的關鍵蛋白的底物，而HMGB1 可以依賴于自噬的方式釋放［26］。因此，脂質(zhì)代謝和鐵死亡的相互作用可能會影響HMGB1 的釋放，達到腫瘤免疫調(diào)節(jié)的作用［27］。然而，其潛在機制仍有待闡明。

2）鐵死亡會直接影響免疫細胞的表型和功能。如鐵死亡腫瘤細胞釋放致癌的KRAS蛋白，其可被腫瘤相關的巨噬細胞吞噬并驅(qū)動其極化［28］。巨噬細胞也可發(fā)生鐵死亡［29-30］，但與腫瘤細胞相比，巨噬細胞對鐵死亡表現(xiàn)出更高的抵抗力，僅在高鐵條件下，erastin 和SLC7A11 表達缺失才能誘導巨噬細胞發(fā)生鐵死亡［30］。此外，M1巨噬細胞比M2巨噬細胞對鐵死亡的抵抗力更強［29］。與腫瘤細胞相似，15-LOX 對巨噬細胞的鐵死亡抵抗起到調(diào)節(jié)作用［29］，單獨敲除12/15-LOX 不足以防止T 細胞的脂質(zhì)過氧化［31］。相反，5-LOX 可能與缺乏GPX4 的T 細胞脂質(zhì)過氧化蓄積有關［31］。因此，在鐵死亡過程中，免疫細胞的脂質(zhì)代謝變化不同于腫瘤細胞。然而，巨噬細胞和T細胞發(fā)生鐵死亡的機制尚未明確。此外，缺乏GPX4的抗原特異性CD4+T 和CD8+T 細胞均無法增殖。在體外，GPX4缺陷的T細胞迅速積累細胞膜上的脂質(zhì)過氧化物并發(fā)生鐵死亡［31］。在B 細胞和彌漫性大B 細胞淋巴瘤中，GPX4能夠抑制脂質(zhì)過氧化和鐵死亡［32-33］。

免疫細胞也可調(diào)節(jié)腫瘤細胞的鐵死亡。在腫瘤侵襲過程中，初始的CD8+T細胞分化為效應性CD8+T細胞，并進一步激活為細胞毒性CD8+T細胞和記憶性CD8+T細胞，發(fā)揮其在腫瘤局部的靶向作用，而腫瘤免疫治療可增強CD8+T細胞在腫瘤微環(huán)境中的作用。免疫治療激活的CD8+T細胞通過干擾素γ（interferon gamma，IFN-γ）等細胞因子來下調(diào)system Xc-的兩個亞基SLC3A2和SLC7A11的表達［34］，導致腫瘤細胞中的GSH不可通過GPX4清除脂質(zhì)過氧化物，促進腫瘤細胞的脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。IFN-γ是一種抗腫瘤細胞因子，但在特定情況下，其有助于腫瘤逃逸，如在卵巢癌細胞中活化的CD8+T細胞分泌的IFN-γ可以上調(diào)PD-L1的表達，進而協(xié)助腫瘤細胞免疫逃逸，促進腫瘤生長［35］。因此，聯(lián)合檢查點阻斷和T細胞誘導的鐵死亡是一種潛在的癌癥治療方法（表1）。

表1 鐵死亡對腫瘤免疫的調(diào)節(jié)作用

表1 鐵死亡對腫瘤免疫的調(diào)節(jié)作用（續(xù)表1）

3 結(jié)語

綜上所述，鐵死亡是調(diào)節(jié)腫瘤免疫的一把雙刃劍。一方面，鐵死亡誘導劑和活化CD8+T細胞可通過分泌的IFN-γ促進腫瘤細胞鐵死亡發(fā)揮抗腫瘤作用，同時鐵死亡的腫瘤細胞釋放特定的信號以介導抗腫瘤免疫；另一方面，鐵死亡的腫瘤細胞和腫瘤浸潤性免疫細胞為了幫助鄰近腫瘤細胞逃脫免疫，通過產(chǎn)生包括PGE2在內(nèi)的免疫抑制介質(zhì)，或上調(diào)免疫檢查點，以抑制抗腫瘤免疫對腫瘤的識別，促進腫瘤生長。鐵死亡作為一種新發(fā)現(xiàn)的細胞死亡模式，在腫瘤領域潛力巨大，已為腫瘤的免疫治療帶來新的曙光，但如何揚長避短發(fā)揮其在腫瘤免疫中的最大效用仍需要進一步的探索。