鐵死亡抑制因素及其在腫瘤治療中應(yīng)用研究進(jìn)展

[摘要] 鐵死亡是一種以細(xì)胞內(nèi)鐵依賴的脂質(zhì)過氧化物蓄積為特征的細(xì)胞死亡方式，它與細(xì)胞典型的壞死、凋亡和自噬不同，在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)上具有獨特性。在胰腺癌、肝癌、前列腺癌和乳癌中，鐵死亡可以抑制腫瘤細(xì)胞的增殖;通過誘導(dǎo)鐵死亡會增強(qiáng)化療藥物對腫瘤的治療效果。但是鐵死亡的抑制因素會降低鐵死亡誘導(dǎo)劑的效果。本文對腫瘤細(xì)胞中鐵死亡的抑制因素及其應(yīng)對策略的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

[關(guān)鍵詞] 鐵死亡;抑制因素;腫瘤;鐵代謝障礙;脂質(zhì)過氧化作用

[中圖分類號] R73-3

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[文章編號] 2096-5532（2021）06-0944-05

doi：10.11712/jms.2096-5532.2021.57.179

[開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）]

[網(wǎng)絡(luò)出版] https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1517.R.20211101.1534.007.html;2021-11-02 15：51：02

RESEARCH ADVANCES IN FERROPTOSIS-INHIBITING FACTORS AND THEIR APPLICATION IN TUMOR THERAPY

LIU Huayuan， SHI Guangjun

（Department of Hepatobiliary Surgery， The Affiliated Qingdao Municipal Hospital of Qingdao University， Qingdao 266011， China）

[ABSTRACT]Ferroptosis is a form of death characterized by the accumulation of intracellular iron-dependent lipid peroxides， and different from typical necrosis， apoptosis， and autophagy， it has unique features in morphology， biochemistry， and genetics. A large number of studies have shown that ferroptosis can inhibit the proliferation of tumor cells in pancreatic cancer， liver cancer， prostate cancer， and breast cancer， and the therapeutic effect of chemotherapeutic drugs on tumors can be enhanced by inducing ferroptosis; however， the inhibiting factors for ferroptosis can reduce the effect of ferroptosis inducers. This article reviews the research advances in the inhibiting factors for ferroptosis in tumor cells and related coping strategies.

[KEY WORDS]＼ferroptosis; inhibitors; neoplasms; iron metabolism disorders; lipid peroxidation

鐵死亡是通過化學(xué)篩選發(fā)現(xiàn)的一種新的非程序性凋亡的細(xì)胞死亡過程[1]。多聚不飽和脂肪酸（PUFAs）、半胱氨酸和鐵的代謝都與鐵死亡的發(fā)生密切相關(guān)。多種信號通路也被發(fā)現(xiàn)參與鐵死亡調(diào)節(jié)[2]。揭示鐵死亡的抑制因素，通過藥理學(xué)干預(yù)鐵死亡的抑制因素，促進(jìn)癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，這在科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)臨床中都是非常有意義的。本文綜述了鐵死亡的啟動機(jī)制，參與鐵死亡抑制的途徑，以及對抗鐵死亡抑制的藥物及其在腫瘤治療中的應(yīng)用，在鐵死亡抑制因素中尋找治療癌癥的新途徑。

1 鐵死亡的特點

鐵死亡的大致過程是通過小分子物質(zhì)的誘導(dǎo)直接或間接地激活不同的信號通路，從而降低谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）的活力，抑制細(xì)胞內(nèi)抗氧化能力，導(dǎo)致細(xì)胞活性氧（ROS）累積過多而發(fā)生膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。鐵死亡在幾個方面區(qū)別于其他程序性細(xì)胞死亡：①在形態(tài)學(xué)特征上，主要表現(xiàn)為線粒體萎縮，線粒體膜密度增大，線粒體外膜完整性破壞，但是細(xì)胞核大小正常，沒有核濃縮現(xiàn)象[3];②生化特點方面，主要表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)ROS積累，還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化增加，胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)抑制等[4]。

2 鐵死亡的發(fā)生機(jī)制及其抑制因素

鐵死亡的調(diào)控過程包括鐵代謝以及脂質(zhì)過氧化兩個主要方面，每個方面都涉及到多個基因的表達(dá)調(diào)控以及多個細(xì)胞信號通路的共同作用。

2.1 鐵代謝及鐵代謝過程中的鐵死亡抑制因素

鐵代謝過程涉及多個基因調(diào)控，各種能夠與鐵特異性結(jié)合的分子也會影響細(xì)胞內(nèi)游離鐵的含量。首先，鐵調(diào)節(jié)蛋白1（IRP-1）和鐵調(diào)節(jié)蛋白2（IRP-2）作為細(xì)胞內(nèi)鐵的傳感器，在起始點開始調(diào)控鐵的代謝。IRP-1和IRP-2可以根據(jù)細(xì)胞內(nèi)鐵濃度的大小，通過結(jié)合位于mRNA的3’-或5’-非翻譯區(qū)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)來控制鐵代謝基因的表達(dá)[5]。而作為IRP-1和IRP-2的靶標(biāo)，細(xì)胞膜轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（TFR1）則可以與胞外轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，將與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的三價鐵離子（Fe3+）運(yùn)輸進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，形成核內(nèi)體。核內(nèi)體中的Fe3+被鐵還原酶STEAP3還原為二價鐵離子（Fe2+），F(xiàn)e2+通過二價金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1（DMT1，也稱為SLC11A2）進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，并且過量的鐵則被存儲在鐵蛋白中。最后，位于細(xì)胞膜的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ferroportin，也稱為SLC11A3）可以再把細(xì)胞內(nèi)的Fe2+氧化為Fe3+并運(yùn)送出細(xì)胞外，從而使細(xì)胞內(nèi)鐵濃度維持在正常水平[6]。

鐵在線粒體電子傳遞鏈中影響ROS產(chǎn)生的過程，對某些酶和亞單位的功能具有至關(guān)重要的作用，比如NADPH氧化酶、脂氧合酶等[6]，過量游離鐵會通過Fenton反應(yīng)促進(jìn)ROS的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[7]。并且，幾乎所有的脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生都可以被鐵螯合劑抑制[8]。因此可以認(rèn)為，游離鐵是鐵死亡的必須條件之一，鐵的代謝過程與鐵死亡之間有密切的聯(lián)系。

根據(jù)鐵代謝過程的特點，以及Ras基因突變的細(xì)胞中TFR1表達(dá)增加、鐵蛋白表達(dá)減少，從而導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡敏感性增高的規(guī)律[9]，可以認(rèn)為提高細(xì)胞內(nèi)游離態(tài)鐵的濃度，同時降低結(jié)合態(tài)鐵的含量，會誘發(fā)鐵死亡。因此，與游離鐵結(jié)合的鐵蛋白具有防止鐵死亡發(fā)生的作用[10-11]。同時，能夠?qū)⒓?xì)胞內(nèi)的Fe2+運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外的SLC11A3蛋白，可以有效地降低胞內(nèi)游離鐵濃度，也是一種鐵死亡的抑制因素[12]。此外，一些信號傳導(dǎo)途徑也參與調(diào)控鐵代謝，例如范可尼貧血互補(bǔ)群基因D2（FANCD2）是一種鐵死亡抑制因素，它可以影響鐵代謝基因和GPX4，從而抵抗鐵死亡[13]。

2.2 影響脂質(zhì)氧化的因素及其與鐵死亡的關(guān)系

由于脂質(zhì)氧化可以促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生，所以在鐵死亡過程中，參與抑制脂質(zhì)氧化的一些物質(zhì)，比如GPX4以及半胱氨酸等，都是主要的鐵死亡抑制因素[14]。而一些抑制脂質(zhì)氧化促進(jìn)因素的物質(zhì)，也可以間接抑制鐵死亡。通過分析鐵死亡發(fā)生過程中抑制脂質(zhì)氧化的因素，可以有針對性地尋找對抗這些因素的策略，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生。

2.2.1 PUFAs氧化促進(jìn)脂質(zhì)過氧化物的積累 所有細(xì)胞的存活需要維持膜的流動性，而脂膜上的PUFAs是維持這種流動性的因素之一。鐵死亡過程中產(chǎn)生的大量ROS可以與PUFAs發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂和細(xì)胞的死亡。同時，PUFAs被氧化后的產(chǎn)物可以在脂氧合酶（LOXs）的催化下，形成誘導(dǎo)鐵死亡的脂質(zhì)過氧化物[15-16]。有研究還發(fā)現(xiàn)，PUFAs氧化過程中具有催化作用的兩種脂質(zhì)代謝調(diào)節(jié)劑溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3（LPCAT3）和?；o酶A合成酶長鏈家族成員4（ACSL4），可以促進(jìn)被GPX4抑制劑誘導(dǎo)的KBM7細(xì)胞中的鐵死亡[17]。在鐵死亡過程中PUFAs的氧化促進(jìn)因素已經(jīng)找到多個，但是負(fù)向調(diào)節(jié)其氧化并抑制鐵死亡的因素尚待研究。

2.2.2 半胱氨酸在鐵死亡過程中的作用 細(xì)胞膜系統(tǒng)XC-是細(xì)胞產(chǎn)生半胱氨酸的一種重要途徑，也是抑制鐵死亡發(fā)生的一個主要因素。它以1∶1的比例將胞外的胱氨酸與胞內(nèi)的谷氨酸交換運(yùn)輸，使胱氨酸進(jìn)入到細(xì)胞中，并進(jìn)一步使胱氨酸轉(zhuǎn)化成為半胱氨酸，最終產(chǎn)生谷胱甘肽（GSH）。GSH可以對抗ROS引發(fā)的氧化作用[18]。通過抑制系統(tǒng)XC-，可以剝奪細(xì)胞半胱氨酸，使其不能用于GSH合成，進(jìn)而促進(jìn)鐵死亡[19]。目前發(fā)現(xiàn)的鐵死亡促進(jìn)劑erastin和柳氮磺胺吡啶就是通過這一途徑來促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生[1]。此外，β-巰基乙醇則可以直接將進(jìn)入細(xì)胞的胱氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)榘腚装彼?，而不依靠于系統(tǒng)XC-[20]。因此，可以產(chǎn)生β-巰基乙醇的細(xì)胞會對抗系統(tǒng)XC-抑制劑和半胱氨酸剝奪誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡[21]。其他的一些獲取半胱氨酸的替代方式，也是潛在的抑制鐵死亡的因素，比如敲除半胱氨酰tRNA合成酶后可以激活轉(zhuǎn)硫化途徑，并且細(xì)胞可以通過該途徑將蛋氨酸合成半胱氨酸，從而對抗半胱氨酸剝奪誘導(dǎo)的鐵死亡[22]。

還有一些信號通路參與了胞內(nèi)半胱氨酸水平的調(diào)節(jié)，比如核因子E2相關(guān)因子（Nrf2），在細(xì)胞內(nèi)Nrf2的接頭蛋白Keap1與Nrf2結(jié)合，當(dāng)發(fā)生氧化反應(yīng)時，Keap1-Nrf2解聚并使Nrf2觸發(fā)一系列抗氧化反應(yīng)[23]。Nrf2可以使組成系統(tǒng)XC-的關(guān)鍵組件SLC7A11表達(dá)上調(diào)[24]，從而增加胞內(nèi)半胱氨酸水平，抑制鐵死亡。而生長素響應(yīng)因子（ARF）作為一種抑癌因子，可以直接抑制Nrf2的轉(zhuǎn)錄并抑制其靶基因，包括SLC7A11[25]，使細(xì)胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性提高，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡。此外，自噬相關(guān)基因BECN1被AMP依賴的蛋白激酶（AMPK）磷酸化后，可以與SLC7A11相互結(jié)合，抑制SLC7A11發(fā)揮作用，抑制系統(tǒng)XC-，促進(jìn)鐵死亡[26];抑癌基因p53也作為SLC7A11的轉(zhuǎn)錄抑制因子，直接促進(jìn)鐵死亡[27-28]。但最近的研究表明，p53還可以通過抑制DPP4活性或通過CDKN1A/P21的轉(zhuǎn)錄激活來抑制鐵死亡[29]。因此，p53在鐵死亡中的具體作用仍需進(jìn)一步探究。

2.2.3 GPX4抑制細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物的積累 GPX4可以將還原型GSH轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸凸入赘孰模℅SSG），進(jìn)而促進(jìn)脂質(zhì)氫過氧化物被還原為脂質(zhì)醇，對抗鐵依賴的脂質(zhì)過氧化過程，并且維持脂質(zhì)雙層膜的穩(wěn)態(tài)[30-31]。因此，通過直接或間接抑制GPX4的活性，可以導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生。此外，前文所述對半胱氨酸的剝奪也可以減少GSH，間接抑制GPX4發(fā)揮作用。同時，鐵死亡激動劑RSL3可以與GPX4形成共價鍵而直接導(dǎo)致GPX4失活。

葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78（GRP78）是一種活躍的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白，在不同類型的癌癥中過表達(dá)，并參與腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展[32-33]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，在胰腺癌中GRP78也可以結(jié)合GPX4，但這種結(jié)合后的作用效果與RSL3與GPX4結(jié)合的作用效果相反，可以防止GPX4蛋白降解和隨后的脂質(zhì)過氧化，從而抑制鐵死亡[34]。因此，GRP78抑制劑聯(lián)用一些傳統(tǒng)的化療藥物或者新式鐵死亡促進(jìn)劑，比如青蒿琥酯，可能是一種更好的腫瘤治療策略[35]。

2.2.4 谷氨酰胺代謝對鐵死亡的影響 由于谷氨酰胺在對抗ROS及抑制鐵死亡方面具有重要作用，因此促進(jìn)其分解可以使細(xì)胞更容易發(fā)生鐵死亡。最近的研究也發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺分解在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（MEFs）鐵死亡過程中，具有不可或缺的作用[36]。而可以促進(jìn)谷氨酰胺分解的一些物質(zhì)，如谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶1（GOT1）和谷氨酰胺酶2（GLS2），可通過將谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸（α-KG）或谷氨酸，從而參與調(diào)節(jié)鐵死亡進(jìn)程[37-38]。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，GLS2在P53依賴的鐵死亡進(jìn)程中上調(diào)，說明參與谷氨酰胺分解的一些物質(zhì)與鐵死亡過程中的調(diào)節(jié)因子可能有較大的關(guān)聯(lián)[39]。

2.3 鐵死亡抑制蛋白1（FSP1）對鐵死亡的影響

FSP1最初名字為線粒體凋亡誘導(dǎo)因子2（AIFM2）[30]，后來研究發(fā)現(xiàn)，它可以對抗由于GPX4缺失引起的鐵死亡，因此將AIFM2稱為FSP1[40]。既往研究表明，鐵死亡是由磷脂過氧化（PLPO）驅(qū)動的，還原形式的輔酶Q10是磷脂中良好的自由基捕獲型抗氧化劑[41];同時，AIF家族的成員已經(jīng)被證明具有還原型輔酶Ⅰ（NADH）-泛醌氧化還原酶活性[42]。推測FSP1通過還原型輔酶Q10（CoQ10）并使用NADPH自由基捕獲型抗氧化劑來抑制PLPO，調(diào)節(jié)鐵死亡的過程。最近有研究表明，在缺乏GPX4的細(xì)胞內(nèi)，F(xiàn)SP1、CoQ10有助于將NAD（P）H傳遞到脂雙層中，抑制脂質(zhì)過氧化的傳播。FSP1-CoQ10-NADPH途徑是一個獨立的平行系統(tǒng)，它與GPX4和GSH協(xié)同作用以抑制磷脂過氧化和鐵死亡[43]。

基于FSP1的作用機(jī)制，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)FSP1選擇性抑制劑（iFSP1）是一種有效的FSP1抑制劑，可以誘導(dǎo)過表達(dá)FSP1的GPX4敲除細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，并且iFSP1治療使這些細(xì)胞對RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡非常敏感[43]。

3 對抗鐵死亡抑制因素的藥物及其在腫瘤治療中的應(yīng)用

鐵死亡的抑制因素會降低腫瘤細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生，甚至使一些主流的化療藥物，如索拉非尼[44]和順鉑[45]的治療效果大幅下降，并且一些傳統(tǒng)的化療藥物可能由于降低了腫瘤細(xì)胞內(nèi)的Fe2+水平，抑制鐵死亡的發(fā)生，從而導(dǎo)致療效不佳。所以消除鐵死亡的抑制因素，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞中鐵死亡的發(fā)生，是開發(fā)新型化療藥物的目標(biāo)之一。目前，通過減弱鐵死亡抑制因素來促進(jìn)鐵死亡發(fā)生的藥物主要有3類：第一類是直接調(diào)節(jié)游離鐵水平，削弱鐵代謝過程中存在的鐵死亡抑制因素;第二類是調(diào)節(jié)脂質(zhì)氧化水平，減少細(xì)胞內(nèi)抗氧化物質(zhì)的生成，為鐵死亡發(fā)生提供有利的高氧化水平環(huán)境;第三類是通過抑制與抗氧化功能相關(guān)的細(xì)胞信號通路中的分子，間接調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的氧化水平。

3.1 調(diào)節(jié)游離鐵水平的藥物及其應(yīng)用

細(xì)胞內(nèi)游離鐵增多是鐵死亡發(fā)生的一個前提條件，而胞外轉(zhuǎn)鐵蛋白對鐵離子的運(yùn)輸減少、鐵蛋白結(jié)合游離鐵以及鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將游離鐵轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外，是3個主要的降低胞內(nèi)鐵離子水平的途徑。溶酶體破壞劑（西拉美辛）和酪氨酸激酶抑制劑（拉帕替尼）則可以通過增加細(xì)胞外轉(zhuǎn)鐵蛋白向細(xì)胞輸送鐵并且同時抑制鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主導(dǎo)的鐵離子排出，從而升高了細(xì)胞內(nèi)鐵離子水平，促進(jìn)乳癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，成為治療乳癌的新型藥物[46]。此外，最近研究又發(fā)現(xiàn)，西拉美辛和拉帕替尼還可以通過降低血紅素加氧酶-1（HO-1）水平誘導(dǎo)鐵死亡[47]，這說明升高細(xì)胞內(nèi)鐵離子水平的藥物也可以間接影響與細(xì)胞內(nèi)氧化水平調(diào)節(jié)相關(guān)的因子，從而增強(qiáng)對鐵死亡的促進(jìn)作用。因此，調(diào)節(jié)鐵代謝的抗癌藥物機(jī)制研究可能還有很大的進(jìn)步空間。

3.2 調(diào)節(jié)脂質(zhì)氧化的藥物及其應(yīng)用

迄今為止，發(fā)現(xiàn)了三大類通過解除脂質(zhì)氧化抑制從而促進(jìn)鐵死亡的藥物。第一類藥物通過抑制系統(tǒng)XC-減少胞內(nèi)半胱氨酸含量，促進(jìn)鐵死亡，比如erastin、柳氮磺胺吡啶以及索拉菲尼，其中索拉菲尼在肝癌治療方面的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，并且其效果可以被鐵死亡抑制劑抑制[47]。第二類藥物是直接抑制或結(jié)合GPX4從而誘導(dǎo)鐵死亡，相關(guān)藥物有鐵死亡誘導(dǎo)劑FIN56、RSL3等，但尚未臨床應(yīng)用。第三類為降低胞內(nèi)GSH水平的藥物，比如順鉑，已經(jīng)用于卵巢癌、肺癌、甲狀腺癌、淋巴肉瘤等癌癥的治療。調(diào)節(jié)脂質(zhì)氧化的藥物種類較多，作用機(jī)制也逐漸清晰，已經(jīng)開始逐漸應(yīng)用于各種腫瘤的臨床治療。

3.3 調(diào)節(jié)有關(guān)信號通路分子的藥物

鴉膽子苦醇（Brusatol）是一種Nrf2抑制劑，它通過增強(qiáng)泛素化和Nrf2的降解抑制Nrf2途徑，從而降低細(xì)胞內(nèi)的半胱氨酸含量，促進(jìn)鐵死亡[48]。葫蘆巴堿（Trigonelline）也具有同樣抑制Nrf2的作用，并且其在體外實驗的胰腺癌細(xì)胞中可以有效地抑制癌細(xì)胞生長[49]。因此，開發(fā)更多的靶向調(diào)節(jié)信號通路分子的藥物誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，可能是一種有效的癌癥治療策略。

綜上所述，鐵死亡是一種在多種基因調(diào)控下，受到多種信號通路影響以及胞內(nèi)物質(zhì)代謝水平和氧化反應(yīng)調(diào)節(jié)的特殊死亡方式。鐵代謝的紊亂和鐵離子在細(xì)胞內(nèi)的過量積累是引發(fā)鐵死亡前提條件，也是鐵死亡的獨特之處。而鐵積累誘發(fā)的脂質(zhì)過度氧化以及GPX4、半胱氨酸和谷氨酰胺所調(diào)節(jié)的抗氧化能力的減弱，則最終誘導(dǎo)了細(xì)胞的死亡。鐵死亡這一特殊的細(xì)胞死亡方式，逐漸在多種癌細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞中鐵死亡發(fā)生成為新的腫瘤治療手段。探究鐵死亡的抑制因素，找到促進(jìn)癌細(xì)胞鐵死亡方法可能成為治療癌癥的新思路。

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（本文編輯 黃建鄉(xiāng)）