鐵死亡在消化系統(tǒng)腫瘤中的研究進展*

王秀超 李澤坤 郝繼輝

消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)生率約占癌癥的一半，嚴重威脅人類的健康。通過誘導(dǎo)腫瘤細胞死亡控制癌癥是放化療、靶向治療以及免疫治療的共同特征，耐藥以及免疫逃逸是傳統(tǒng)治療方式面臨的主要難題。一種不同于凋亡、焦亡和壞死的程序性細胞死亡形式，因其過程存在高度的鐵依賴性，故將其定義為鐵死亡（ferroptosis）［1］。新近的研究表明鐵死亡作為一種新型可誘導(dǎo)的細胞程序性死亡方式，在逆轉(zhuǎn)腫瘤鉑類耐藥中發(fā)揮積極作用，提示其在消化系統(tǒng)腫瘤的治療中具有重要轉(zhuǎn)化研究意義［2］。本文將對鐵死亡的分子機制以及近期國內(nèi)外鐵死亡在消化系統(tǒng)腫瘤中的相關(guān)研究進展進行綜述。

1 鐵死亡的核心通路

1.1 氧化還原平衡和脂質(zhì)過氧化

腫瘤細胞中高濃度的活性自由基（reactive oxygen species，ROS）易與生物脂膜上富含烯丙基的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化物和其代謝產(chǎn)物如4-羥基-2-烯醛和丙二醛的堆積致使細胞膜崩解發(fā)生鐵死亡。在脂質(zhì)過氧化的上游，長鏈脂酰CoA合成酶4（long-chain acyl-CoA syntheatase 4，ACSL4）和溶血卵磷脂乙酰轉(zhuǎn)移酶3（lysolecithin acetyl transferase 3，LPCAT3）是負責(zé)膜磷脂合成的關(guān)鍵酶［3-4］。ACSL4 可催化乙酰輔酶A 與PUFAs 中的花生四烯酸和腎上腺酸結(jié)合生成長鏈多不飽和脂酰輔酶A，后者在LPCAT3 作用下與溶血磷脂酰乙醇胺結(jié)合生成含多不飽和?；牧字CSL4 和LPCAT3 的高表達被認為是鐵死亡發(fā)生的標(biāo)志。脂質(zhì)過氧化在一定限度下是可逆的，通過內(nèi)源性抗氧化酶和外源性使用親脂抗氧化劑如生育酚、丁羥基甲苯等可阻斷脂質(zhì)過氧化反應(yīng)從而逆轉(zhuǎn)鐵死亡過程。

1.2 細胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)和鐵死亡

鐵死亡另一個核心特征是對鐵的需求。鐵的作用一方面是與H2O2的芬頓反應(yīng)形成羥基自由基（OH·）和羥基過氧自由基（OOH·）。另一方面，鐵是脂質(zhì)過氧化相關(guān)催化蛋白的輔因子。使用脫鐵胺而非其他二價金屬螯合劑，以及沉默轉(zhuǎn)鐵蛋白受體均可逆轉(zhuǎn)Erastin誘導(dǎo)的細胞鐵死亡［1］。

1.3 胱氨酸代謝與鐵死亡

谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）是體內(nèi)水解脂質(zhì)過氧化物的關(guān)鍵酶。GPX4依賴輔因子谷胱甘肽（glutathione，GSH）將有毒的脂質(zhì)過氧化物還原為無毒的脂質(zhì)醇，同時自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸凸入赘孰模╫xidized glutathione，GSSG）。GSH的合成需要半胱氨酸作為原料，后者在細胞外由胱氨酸（Gys）/谷氨酸（Glu）反向轉(zhuǎn)運體（Xc-系統(tǒng)）攝入細胞內(nèi)。當(dāng)細胞外半胱氨酸不足時，內(nèi)源性轉(zhuǎn)硫途徑合成的半胱氨酸可補充GSH。Xc-系統(tǒng)由是SLC7A11和SLC3A2兩個亞基組成，其核心SLC7A11在約70%的人腫瘤組織中過表達［1］。小分子化合物如Erastin、柳氮磺胺吡啶、索拉菲尼等是SLC7A11的藥理學(xué)靶點。通過SLC7A11抑制劑或基因敲除可使細胞因GSH耗竭發(fā)生顯著的鐵死亡。

1.4 對抗脂質(zhì)過氧化的新途徑

鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis-suppressor-protein 1，F(xiàn)SP1）是新近發(fā)現(xiàn)的鐵死亡保護因子［5-6］。FSP1通過N末端肉豆蔻?；饔帽荒技劫|(zhì)膜上，并通過NAD（P）H將泛醌（CoQ）還原為泛醌醇（CoQH2），后者是一種親脂性自由基清除劑，在GPX4缺失的情況下可限制細胞膜內(nèi)脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。Kraft等［7］發(fā)現(xiàn)GTP環(huán)水解酶-1及其代謝衍生物四氫生物蝶呤/二氫生物蝶呤在多種腫瘤中高表達并具有鐵死亡抗性。機制上，在半胱氨酸酶處理的細胞內(nèi)激活GTP環(huán)水解酶-1/四氫生物蝶呤/二氫生物蝶呤通路軸可通過GPX避免含有兩條特定多不飽和脂肪?；湹牧字c自由基發(fā)生過氧化，并介導(dǎo)了細胞內(nèi)CoQ豐度的提高。上述研究揭示了平行于GSH/GPX4經(jīng)典通路以對抗脂質(zhì)過氧化的全新途徑（圖1）。

2 鐵死亡研究在消化系統(tǒng)腫瘤中的進展

2.1 肝癌

肝細胞癌是世界范圍內(nèi)致死率第2 位的癌癥。索拉菲尼作為晚期肝癌的一線用藥，被證實可誘導(dǎo)肝癌細胞鐵死亡［8-10］。應(yīng)用脫鐵胺或Fer-1處理肝癌細胞可減弱索拉菲尼的抗腫瘤活性。機制上，索拉菲尼能夠抑制SLC7A11 表達，以獨立于其本身的RAF激酶抑制劑作用激活下游鐵死亡通路。Sun等［8］發(fā)現(xiàn)置于氧化壓力下的肝癌細胞通過激活自身P62-Keap1-NRF2 信號通路，上調(diào)NRF2 下游參與鐵和ROS代謝的靶基因，如醌氧化還原酶1（quinone oxidoreductase 1，NQO1）、血紅素加氧酶1（heme oxygenase 1，HO-1）和鐵蛋白重鏈1（ferritin heavy chain-1，F(xiàn)TH1），從而增強索拉菲尼的鐵死亡抗性。NRF2 同樣調(diào)控一種金屬硫蛋白（metallothionein-1G，MT-1G）的顯著表達，抑制MT-1G 提高索拉菲尼在體內(nèi)外的療效［9］。此外，一種精神類藥物氟哌啶醇被報道通過鐵死亡途徑對索拉菲尼起增敏效果［10］。上述結(jié)論為索拉菲尼在肝癌靶向治療領(lǐng)域方面提供了新的思路。

圖1 鐵死亡核心通路

肝癌的發(fā)生常伴隨抑癌基因的失活。Louandre等［11］報道Rb基因的抑癌作用至少部分通過鐵死亡途徑實現(xiàn)。相比于Rb野生型，在體內(nèi)外使用索拉菲尼處理Rb缺失的肝癌細胞可觀察到細胞內(nèi)高濃度的線粒體ROS水平和顯著的鐵死亡毒性。Jennis等［12］報道非洲人P53基因第47位絲氨酸（TP53S47）的遺傳多態(tài)性特點會影響P53抑制SLC7A11轉(zhuǎn)錄的能力。與野生型相比，S47突變體細胞在順鉑治療中表現(xiàn)出鐵死亡抗性，并增加了小鼠模型的肝癌風(fēng)險。Xie等［13］報道P53在結(jié)腸癌細胞中可促進二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-4，DPP4）入核形成DPP4-P53復(fù)合物，從而抑制質(zhì)膜相關(guān)DPP4依賴的脂質(zhì)過氧化以拮抗鐵死亡。提示不同背景下P53在鐵死亡中具有雙向調(diào)控作用。

2.2 胰腺癌

胰腺導(dǎo)管腺癌是惡性度最高的消化系統(tǒng)腫瘤。廣泛的KRAS突變使胰腺癌細胞重編程成為依賴于葡萄糖和谷氨酰胺代謝的狀態(tài)。Badgley等［14］發(fā)現(xiàn)胞外的半胱氨酸濃度對胰腺癌細胞存活至關(guān)重要。半胱氨酸剝奪的胰腺癌細胞在透射電鏡下可觀察到大量脂滴樣結(jié)構(gòu)的球狀上皮細胞病變，以及線粒體嵴破壞、線粒體膜不完整等腫瘤特異性的鐵死亡病理特征。在體內(nèi)外加入一種用于清除血液內(nèi)半胱氨酸的藥物—半胱氨酸酶，可特異性激活胰腺癌細胞鐵死亡。此外，半胱氨酸耗竭可激活細胞內(nèi)自噬，促進了胰腺癌細胞內(nèi)核受體共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）降解［15］。NCOA4是一種鐵蛋白運載受體，在自噬體上與FTH1結(jié)合并將后者遞送至溶酶體中降解從而增加細胞內(nèi)鐵的含量。研究發(fā)現(xiàn)，溶酶體功能障礙或自噬通量受損影響了鐵超載和脂質(zhì)過氧化物生成［16］，證明自噬和鐵死亡之間存在交互作用。基于此，Li等［17］通過乳化技術(shù)構(gòu)建了一種由鐵蛋白、Erastin和雷帕霉素組成的新型納米藥物，該藥物在體內(nèi)通過同時誘導(dǎo)自噬和鐵死亡展現(xiàn)了良好的治療效果。

目前已鑒定出可誘導(dǎo)鐵死亡的多種化合物見圖2。傳統(tǒng)抗瘧疾藥物青蒿素是新近發(fā)現(xiàn)的鐵死亡特異性誘導(dǎo)劑，但機制尚未明確，一種解釋是KRAS突變胰腺癌細胞在接觸高濃度的青蒿琥酯可促進KRAS突變胰腺癌細胞溶酶體合成V-ATPase，進而激活溶酶體誘導(dǎo)自噬體NCOA4降解［18］。Chen等［19］發(fā)現(xiàn)雙氫青蒿素以一種自噬無關(guān)的方式誘導(dǎo)鐵蛋白的溶酶體降解，并通過與細胞游離鐵相互作用刺激鐵調(diào)節(jié)蛋白與含有鐵響應(yīng)元件序列的mRNA結(jié)合進一步增加游離鐵?？傊?，青蒿素及其衍生物誘導(dǎo)的鐵死亡依賴于細胞鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。此外，表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）被報道通過占據(jù)ATP結(jié)合位點抑制熱休克蛋白家族A成員5（heat shock 70kDa protein 5，HSPA5）與GPX4形成復(fù)合體從而促進GPX4降解，并逆轉(zhuǎn)了胰腺癌細胞吉西他濱耐藥［20］。有報道β-異硫氰酸苯乙酯和Cotylenin A兩藥聯(lián)用或蓽拔酰胺、Cotylenin A和柳氮磺胺吡啶三藥聯(lián)用可分別顯著誘導(dǎo)耐藥和正常胰腺癌細胞生成ROS并誘發(fā)隨后的鐵死亡，證明鐵死亡是胰腺癌治療有希望的靶點［21-22］。

圖2 鐵死亡主要的誘導(dǎo)劑和抑制劑

2.3 結(jié)腸癌

結(jié)腸癌是全球第三大高發(fā)癌癥。食用富含纖維的食物可有效降低結(jié)腸癌患病風(fēng)險，現(xiàn)有證據(jù)表明植物中含有的多酚、萜類、皂苷和類胡蘿卜素等有效成分可依賴鐵死亡途徑發(fā)揮抗癌功效。如苯并吡喃衍生物IMCA 通過激活A(yù)MPK/mTOR/p70S6k 信號通路抑制SLC7A11 表達，并降低胱氨酸和GSH 含量抑制結(jié)腸癌細胞增殖［23］。白樺樹提取物Betula etnensis Raf 通過誘導(dǎo)血紅素加氧酶-1 表達增加細胞內(nèi)游離鐵濃度提高結(jié)腸癌細胞的鐵死亡敏感性［24］。Park等［25］發(fā)現(xiàn)菠蘿莖中的菠蘿蛋白酶通過調(diào)控ACSL4水平特異性誘導(dǎo)KRAS突變型結(jié)腸癌細胞鐵死亡，而在KRAS野生型中不明顯。

結(jié)腸癌細胞存在廣泛KRAS突變，導(dǎo)致晚期患者聯(lián)用化療和單克隆抗體靶向治療效果不佳［26］，通過靶向鐵死亡手段可增強現(xiàn)有治療效果。Chen等［27］發(fā)現(xiàn)KRAS 突變型的結(jié)腸癌細胞在植物提取物β-elemene和西妥昔單抗處理后鐵死亡通路被顯著激活，同時觀察到與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)的腫瘤生長和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移被抑制。藥物劑量的維生素C 聯(lián)合西妥昔單抗可延緩結(jié)腸癌的獲得性耐藥。二者誘導(dǎo)的ATP耗竭和氧化應(yīng)激在結(jié)腸癌類器官中發(fā)揮不可逆的代謝性合成致死效應(yīng)［26］。使用Erastin 與順鉑聯(lián)合處理結(jié)腸癌細胞，也展現(xiàn)了預(yù)期的增敏效果［2］。

2.4 胃癌

胃癌是消化系統(tǒng)中最常見的惡性腫瘤，傳統(tǒng)觀點認為胃癌的發(fā)生與脂質(zhì)異常攝取和代謝有關(guān)。Hao 等［28］發(fā)現(xiàn)由c-Myb 轉(zhuǎn)錄調(diào)控的半胱氨酸雙加氧酶1將半胱氨酸轉(zhuǎn)化為?；撬嶂率笹SH合成受阻，其結(jié)果是細胞內(nèi)以丙二醛為代表的脂質(zhì)過氧化物增加，同時鐵死亡敏感性提高。硬脂酰CoA去飽和酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1）是一種在胃癌中高表達的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)脂肪合酶。Wang 等［29］報道SCD1可通過催化單不飽和脂肪酸生成發(fā)揮潛在的鐵死亡抗性。此外，脂肪分化相關(guān)蛋白PLN2同樣在胃癌中顯著表達。研究表明PLN2 通過下調(diào)ACSL3、ALOX15、LC3A等脂質(zhì)合成相關(guān)基因抑制胃癌細胞鐵死亡［30］。Zhang 等［31］使用順鉑和紫杉醇處理細胞后觀察到腫瘤相關(guān)成纖維細胞（cancer associated fibroblasts，CAFs）激活并分泌miR522，后者通過靶向ALOX15阻斷脂質(zhì)ROS積累并抑制胃癌細胞鐵死亡，提示鐵死亡在介導(dǎo)胃癌細胞獲得性耐藥中的重要作用。

2.5 食管癌

食管癌是食管黏膜上皮細胞來源的惡性腫瘤，其中90%的病理類型是鱗狀細胞癌。放療是食管癌的輔助治療手段之一。Lei等［32］報道放療除直接損傷DNA 外，可上調(diào)細胞內(nèi)SLC7A11、GPX4、ACSL4 等鐵死亡關(guān)鍵基因表達，抑制鐵死亡途徑可導(dǎo)致食管癌放療抵抗。萜類化合物被報道可顯著誘導(dǎo)食管癌凋亡，Lu 等［33］在異土木香內(nèi)酯處理的食管癌細胞中觀察到ROS 顯著生成，通過外源使用乙酰半胱氨酸可逆轉(zhuǎn)因ROS 積累導(dǎo)致的細胞毒性，提示鐵死亡途徑或部分參與異土木香內(nèi)酯的抗癌活性。冬凌草甲素則通過抑制谷胱甘肽循環(huán)誘導(dǎo)食管癌細胞鐵死亡。在冬凌草甲素處理的食管癌TE1細胞中可觀察到γ-谷氨酰胺循環(huán)關(guān)鍵限速酶谷氨酸半胱氨酸連接酶和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶1 活性的顯著降低，以及GSH、GSSG、谷氨酸、半胱氨酸水平下降［34］。Wang 等［35］發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase 1，IDH1）的熱點突變賦予食管癌細胞KYSE-170 對Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡敏感性。其催化產(chǎn)物D-2-羥基戊二酸可通過降低GPX4水平以及增加GSH耗竭激活Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。

3 結(jié)語

鐵死亡是一種新近發(fā)現(xiàn)的細胞死亡形式。本文概括了鐵死亡發(fā)生機制并總結(jié)了鐵死亡在消化道腫瘤中的研究進展。通過將鐵死亡療法與放化療、靶向治療等方法聯(lián)用已在體內(nèi)外展現(xiàn)出了良好的治療效果。未來需要進一步探索鐵死亡這一分子現(xiàn)象的本質(zhì)，以及明確鐵死亡與不同死亡途徑之間的干擾和交互。令人興奮的是，許多現(xiàn)有藥物已被證實可直接或間接誘導(dǎo)鐵死亡：如美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的補鐵劑鈉米氧化鐵、用于卵巢癌治療的六甲蜜胺、用于二型糖尿病治療的吡格列酮以及他汀類藥物等。綜上所述，鐵死亡的發(fā)現(xiàn)為消化道系統(tǒng)腫瘤治療提供了新的思路，但能否實現(xiàn)患者生存獲益仍需進一步開展臨床試驗。