鐵死亡機制在胰腺癌治療中的研究進展

郭凱 宋麗娜 王中秋

南京中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院(江蘇省中醫(yī)院)放射科，南京 210000

【提要】 鐵死亡是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴性細胞內(nèi)程序性死亡，主要通過活性氧水平升高，影響鐵代謝及脂質(zhì)氧化物代謝穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)。研究證實誘導鐵死亡可有效抑制胰腺癌細胞的生長增殖，并增加其對化療藥物及免疫藥物的敏感性。本文主要圍繞鐵死亡的機制及其在胰腺癌中的調(diào)節(jié)效應等問題進行綜述，探討其在胰腺癌發(fā)生發(fā)展過程中的作用，為胰腺癌的防治提供新視角。

鐵死亡(ferroptosis)是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種程序性細胞死亡[1]，通過細胞內(nèi)鐵離子的不斷累積，引起脂質(zhì)活性氧含量上升，破壞細胞氧化還原反應代謝，最終導致細胞死亡。已有研究表明鐵死亡存在于缺血再灌注損傷、帕金森病、胰腺癌及肝細胞癌等多種疾病中[2-4]。近年來不少體內(nèi)外研究證實，鐵死亡在胰腺癌發(fā)展過程中扮演重要角色。本文就鐵死亡在胰腺癌中的最新研究進展進行綜述，以期為胰腺癌的防治提供新思路和新策略。

一、鐵死亡的發(fā)生及其調(diào)控機制

2012年Dixon等[1]首次發(fā)現(xiàn)并命名了一種調(diào)節(jié)性細胞死亡方式——鐵死亡，這種死亡在許多方面與其他細胞死亡如壞死、凋亡、自噬等類型不同。在形態(tài)學上，它的特點是線粒體體積縮小，線粒體膜厚度和密度增加，線粒體嵴數(shù)目減少或消失，而細胞核體積正常且染色質(zhì)無明顯濃聚改變[1,5]；在生理學上，表現(xiàn)為細胞內(nèi)谷胱甘肽耗減，脂質(zhì)活性氧不能通過谷胱甘肽介導的還原反應代謝，導致大量活性氧在細胞內(nèi)積聚，其后果是與過量鐵離子發(fā)生芬頓反應，從而啟動核內(nèi)DNA損傷，促使細胞鐵死亡的發(fā)生[6]。由此可見，鐵死亡過程中最重要的特征是細胞內(nèi)鐵離子濃度升高(主要為Fe2+)和脂質(zhì)活性氧的異常積累[6-7]，其調(diào)控機制主要包括以下兩個方面。

1．鐵代謝途徑與鐵死亡：細胞內(nèi)鐵的代謝平衡取決于鐵離子的吸收、存儲和輸出，體內(nèi)鐵含量增加與鐵死亡的發(fā)生密切相關[8]。血液中的Fe3+通過與轉(zhuǎn)鐵蛋白緊密結合和釋放以維持鐵代謝的穩(wěn)態(tài)。這一過程高度依賴環(huán)境pH的變化，當pH為7.4時，鐵離子能有效地與細胞外的轉(zhuǎn)鐵蛋白結合；而在細胞內(nèi)酸性環(huán)境中(pH為5.5)，鐵離子將從轉(zhuǎn)鐵蛋白中釋放[9]。Fe3+-轉(zhuǎn)鐵蛋白在細胞膜上被轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor-1,TFR1)識別并進入細胞內(nèi)體(酸性環(huán)境)釋放，F(xiàn)e3+被鐵還原酶STEAP3還原成Fe2+，隨后二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)將Fe2+釋放入細胞質(zhì)的不穩(wěn)定鐵池中。除此之外，SLC39/ZIP跨膜蛋白家族亦可直接介導細胞外的非轉(zhuǎn)鐵蛋白結合的鐵離子穿過細胞膜進入胞內(nèi)[10]。

游離鐵在細胞內(nèi)具有毒性，過量的Fe2+通過芬頓反應可直接催化脂質(zhì)過氧化物產(chǎn)生活性氧，觸發(fā)鐵死亡。過量的鐵離子一方面通過形成鐵蛋白聚合物儲存起來，另一方面通過膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白(ferroportin ，F(xiàn)PN)輸出胞外，以此維持鐵代謝的穩(wěn)態(tài)。鐵蛋白是一種胞內(nèi)儲鐵蛋白，由鐵蛋白重鏈1(ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1)和鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain，F(xiàn)TL)兩個亞基組成，可以螯合大約4 500個鐵原子。FTH1可將Fe2+迅速氧化成Fe3+，而FTL參與鐵離子的核化，維持鐵蛋白的穩(wěn)定性[11]。SLC40A1編碼的FPN是哺乳動物中唯一已知的鐵輸出蛋白，參與鐵外排機制，在巨噬細胞、肝細胞、腸細胞的基底外側(cè)膜高度表達，在調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)方面起著重要作用[12]。肝細胞分泌的鐵調(diào)素是一種多肽，在細胞表面與FPN結合，誘導FPN內(nèi)化和降解，從而抑制鐵的輸出[13]。

研究表明，熱休克蛋白B1(heat shock protein B1，HSPB1)通過穩(wěn)定肌動蛋白細胞骨架，抑制TFR1介導的鐵離子轉(zhuǎn)運，是細胞鐵死亡的負性調(diào)節(jié)因子[14]。核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)可介導鐵蛋白自噬降解，導致Fe2+釋放，誘導鐵死亡的發(fā)生[15]；鐵調(diào)節(jié)蛋白ACO1和IREB2是鐵代謝蛋白主要轉(zhuǎn)錄因子，對鐵代謝基因進行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，進而控制鐵死亡[9]；p62-kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白-1(Keap1)-核因子E2相關因子2(Nrf2)通過下調(diào)抗氧化蛋白HO-1及FTL的表達促進鐵死亡[16]。鐵螯合劑去鐵胺亦可抑制鐵死亡發(fā)生[1]。以上研究證實鐵代謝在調(diào)節(jié)鐵死亡中具有重要作用。

2．脂質(zhì)過氧化與鐵死亡：脂質(zhì)過氧化在細胞內(nèi)的異常積聚與鐵死亡亦密切相關[1]。研究表明，脂質(zhì)過氧化物可破壞細胞膜磷脂雙分子層的穩(wěn)定，導致細胞膜解體[17]。通過脂質(zhì)組學分析發(fā)現(xiàn)，在過量Fe2+存在的情況下，過氧化物H2O2可以通過芬頓反應特異性地氧化不飽和脂肪酸花生四烯酸(arachidonic acid, AA)和腎上腺素酸(adrenaline acid, ADA)等，最終導致脂質(zhì)過氧化[18]。?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4, ACSL4)-溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3(lysophosphatidylcho-line acyltransferase 3, LPCATs)途徑是鐵死亡過程中產(chǎn)生多不飽和脂肪酸(polyunstatured fatty acids, PUFAs)的重要途徑。PUFAs通常由ACSL4和LPCATs等酶激活，ACSL4催化游離的AA或ADA與輔酶A結合為AA-CoA或ADA-CoA；然后LPCATs催化它們酯化反應形成AA-PE或ADA-PE，產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物，傳遞鐵死亡信號，導致細胞鐵死亡[19]。另外，ALOX家族(ALOXE3、ALOX5、 ALOX12、 ALOX12B、ALOX15和ALOX15B)通過介導PUFAs過氧化作用產(chǎn)生AA/AdA-PE-OOHs，從而導致鐵死亡。例如在H1299細胞中，通過p53-絲氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶1(SAT1)-花生四烯酸-15-脂加氧酶(ALOX15)途徑引起細胞鐵死亡[20]。正常情況下，谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)可通過谷胱甘肽將脂質(zhì)過氧化物降解為無毒的脂肪醇，是鐵死亡重要的負性調(diào)節(jié)因子。一旦GPX4失活或谷胱甘肽合成受阻，脂質(zhì)過氧化物便會在細胞內(nèi)逐漸累積，并被鐵離子催化為有毒的自由基，導致細胞鐵死亡發(fā)生[21]。使用GPX4小分子拮抗劑RSL3可有效誘導人肺癌細胞和人纖維肉瘤細胞鐵死亡[1]。另外谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸構成，通過抑制胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白系統(tǒng)(system xc-)可耗竭胞內(nèi)的胱氨酸，影響GPX4抗氧化功能，最終導致細胞鐵死亡[22]。

二、鐵死亡機制在胰腺癌治療中的作用

目前，鐵死亡已在多種類型腫瘤細胞中被發(fā)現(xiàn)，如胰腺癌[23]、腎細胞癌[24]、肝細胞癌[25]、大B細胞淋巴瘤[26]等。據(jù)報道，90%的胰腺癌病例中存在K-ras基因突變，這些突變既促進腫瘤細胞惡性增殖，又改變細胞代謝[27]。突變的K-ras基因造成胰腺癌細胞內(nèi)活性氧增加，為緩解其對細胞的毒性作用，胰腺癌細胞通過大量合成具有抗氧化作用的谷胱甘肽以達到自我保護的目的[28]。谷胱甘肽由半胱氨酸衍生而來，因此為獲得更多的胞內(nèi)半胱氨酸，胰腺癌細胞內(nèi)system xc-高速運轉(zhuǎn)。然而，多數(shù)正常細胞僅需要較低的半胱氨酸水平即可維持正常運轉(zhuǎn)。因此，有學者利用正常細胞與癌細胞的半胱氨酸需求差異，通過靶向system xc-減少半胱氨酸輸入癌細胞內(nèi)，降低胞內(nèi)谷胱甘肽的合成量，致使活性氧大量累積，促使鐵死亡的發(fā)生，結果顯示胰腺癌荷瘤小鼠的生存時間可延長1倍[29]。研究人員發(fā)現(xiàn)NCOA4因子過表達可引起鐵蛋白降解，導致胞內(nèi)游離鐵增加，從而觸發(fā)胰腺癌細胞鐵死亡的發(fā)生[30]。鐵死亡的發(fā)生往往伴隨線粒體形態(tài)的變化，使用靶向線粒體的氮氧化物可增加胞內(nèi)活性氧積累和保護線粒體，阻止線粒體的脂質(zhì)氧化可抑制胰腺癌細胞的鐵死亡[31]；除此之外，線粒體多種功能酶之一的線粒體離子肽酶1可以調(diào)節(jié)Nrf2/Keap1通路，其激活亦可誘導胰腺癌PANC1細胞鐵死亡的發(fā)生[32]。

三、鐵死亡誘導劑在胰腺癌治療中的作用

近年來胰腺癌治療手段進步緩慢，吉西他濱依然是PDAC晚期患者的臨床一線化療藥物。鐵死亡這一鐵依賴性程序性細胞死亡方式，其原理近年來被多次用于胰腺癌的治療。誘導鐵死亡的抑制劑主要分為2類，GPX4抑制劑和system xc-抑制劑，其中以GPX4抑制劑-RSL3(鼠肉瘤病毒癌基因同源物合成致死化合物3)和xc-抑制劑愛拉斯汀(erastin)最為經(jīng)典[33]。研究顯示，RLS3通過靶向GPX4的活性位點硒半胱氨酸形成共晶結構，發(fā)揮干擾GPX4的活性作用[34]。近期研究發(fā)現(xiàn)小分子藥物QD394可以通過破壞胰腺癌細胞的GPX4蛋白穩(wěn)定性，引發(fā)細胞鐵死亡[35]；另外使用siRNA干擾GPX4的表達亦可誘導胰腺癌細胞鐵死亡的發(fā)生[21]。派嗪類藥物是愛拉斯汀的類似物，具有更好的水溶性和代謝穩(wěn)定性，可有效抑制小鼠胰腺癌種植瘤的生長增殖[21]。天然化合物青蒿琥酯作為抗瘧疾藥青蒿素的衍生物具有較強的抗腫瘤作用[36]，可特異性地誘導胰腺癌細胞株大量產(chǎn)生活性氧及溶酶體，引起胞內(nèi)活性氧和游離鐵離子水平的升高，尤其在K-ras突變型胰腺癌細胞中表現(xiàn)出更強的細胞毒性作用，使胰腺癌細胞發(fā)生鐵死亡，且對胰腺正常導管上皮細胞無毒性作用[23]。近期研究發(fā)現(xiàn)鳶尾素可同時調(diào)節(jié)胰腺癌細胞GPX4和system xc-活性，增加胞內(nèi)游離鐵離子濃度、脂質(zhì)過氧化物水平，誘導胰腺癌細胞鐵死亡[37]。

四、小結與展望

綜上所述，鐵死亡是一種不同于自噬、凋亡、壞死的程序性死亡方式，其特點是胞內(nèi)鐵依賴性脂質(zhì)氧化物的過度積累，通過抑制GPX4、system xc-活性或增加胞內(nèi)鐵離子濃度誘導胰腺癌細胞鐵死亡，為胰腺癌患者的治療提供了新視角。但由于GPX4在正常細胞內(nèi)具有重要生理功能，過度抑制是否會造成機體不良反應是未來研究需要思考的要點。另外，胰腺癌鐵死亡對腫瘤的生長增殖和血管神經(jīng)侵犯等詳細調(diào)控機制還不清楚，同時胰腺癌鐵死亡相關調(diào)控基因和因子是否具有早期診斷和預后判斷的臨床價值還有待進一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突