鐵死亡在腫瘤免疫治療的研究進展*

陳麗華，向陽

100730北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)院 婦產(chǎn)科

鐵死亡是一種主要依賴于鐵離子的細胞死亡形式,它不同于細胞凋亡、細胞自噬等其它常見的細胞死亡方式[1],主要表現(xiàn)為細胞內(nèi)鐵離子的電流紊亂、活性氧(reactive oxygen species,ROS)的增多以及脂質(zhì)過氧化,進而打破了細胞內(nèi)原有的氧化與還原平衡,引起細胞膜損傷,最終導(dǎo)致細胞死亡。已知鐵死亡涉及體內(nèi)多種生物代謝和病變發(fā)生的過程,并且廣泛參與了各種惡性腫瘤的形成、發(fā)展,在癌癥免疫微環(huán)境中扮演著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。近期的研究已證實鐵死亡與癌癥免疫治療的療效息息相關(guān)[2-4]。本文對鐵死亡在腫瘤與免疫治療領(lǐng)域的前沿研究進展進行了綜述,旨在給癌癥免疫治療領(lǐng)域帶來新的研究方向和思路。

1 概 述

鐵死亡是一種為平衡機體新陳代謝、生物氧化還原和機體組織器官正常生長發(fā)育而存在的新型的細胞死亡形式。鐵死亡主要依賴于鐵離子電流,其本質(zhì)是一種應(yīng)激反應(yīng)。2003年，Dolma等[5]的研究指出喜樹堿(camptothecin,CPT)和另一種新型化合物erastin能夠誘導(dǎo)表達RAS V12蛋白的腫瘤細胞發(fā)生細胞死亡,但是兩者誘導(dǎo)的細胞死亡形式不同。CPT誘導(dǎo)細胞凋亡,而erastin引起的細胞死亡形式卻與之大不相同，它在細胞形態(tài)和生物化學(xué)特征方面,與凋亡和自噬等細胞死亡形式有明顯的差別,主要表現(xiàn)為:細胞線粒體體積縮小,線粒體膜皺縮、密度增強,線粒體嵴變少甚至完全消失。因此，認定erastin所誘導(dǎo)的細胞死亡是一種區(qū)別于細胞凋亡的細胞死亡形式。無獨有偶,Yang等[6]的研究也報道了另一類復(fù)合物RSL3可產(chǎn)生同樣的細胞死亡方式,而且這一過程能被鐵的螯合物所抑制。直到2012年，Dixon等[1]將這種新型的細胞死亡形式定義為鐵死亡。

鐵死亡的發(fā)生機制主要有兩大途徑：一是抑制胱氨酸(cystine，Cys)/谷氨酸(glutamine，Glu)反向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(system Xc-)-谷胱甘肽(glutathione，GSH)-谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase，GPX)4軸，促進脂質(zhì)ROS積聚的經(jīng)典途徑[1，6-7]。在經(jīng)典途徑中，system Xc-由跨膜轉(zhuǎn)運蛋白SLC3A2和SLC7A11組成異二聚體，可通過促進胞膜外Cys和胞膜內(nèi)Glu交換,將Cys還原為半胱氨酸，并參與GSH的合成，因此，抑制system Xc-可以促進鐵死亡的發(fā)生[8]；其次，GPX4是一種將H2O2分解成水或相應(yīng)醇的酶[9],細胞內(nèi)GPX4活性下降或GPX4直接降解會引發(fā)鐵依賴性ROS增加，進而誘發(fā)鐵死亡[10]。目前認為GPX4是多種鐵死亡誘導(dǎo)物誘導(dǎo)鐵死亡的關(guān)鍵靶點[11]。二是鐵代謝異常和線粒體直接或間接誘導(dǎo)鐵死亡的非經(jīng)典途徑[12]。除此之外，還有p53介導(dǎo)的細胞鐵死亡途徑[13],并且p53對鐵死亡的調(diào)控具有雙向性。在骨髓瘤細胞中，p53通過抑制腫瘤細胞中SLC7A11轉(zhuǎn)錄表達,進而抑制system Xc-而減少Cys攝取,通過經(jīng)典途徑介導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[14]；同時，又有研究指出[15],在纖維肉瘤、腎癌中，野生型p53通過維持p21水平,從而增加細胞中GSH的含量和降低脂質(zhì)ROS的蓄積從而負調(diào)控鐵死亡。雖然鐵死亡的上游調(diào)控通路不同，但最終都會影響GPXs的活性，使得細胞抗氧化能力降低，最終引起脂質(zhì)ROS增多，促進鐵死亡的發(fā)生(圖1)。

圖1 鐵死亡在腫瘤免疫中的機制Figure 1.Mechanism in Which Ferroptosis Participates in Tumor Immunotherapy

2 鐵死亡與腫瘤免疫的關(guān)系

鐵死亡是一種新型的細胞死亡類型,在許多惡性腫瘤如乳腺癌、肝癌、胃癌、直腸癌、前列腺癌、膠質(zhì)細胞瘤和胰腺癌中均有報道[16-18]。免疫治療在整個抗腫瘤醫(yī)療領(lǐng)域中是一顆冉冉升起的新星,它通過激活機體受抑制的免疫系統(tǒng)和提高其固有的抗癌能力,展現(xiàn)出了令人鼓舞的臨床效果[19]。以抗程序性細胞死亡受體1(programmed death-1,PD-1)/程序性死亡配體1 (programmed death ligand-1,PD-L1)為代表的免疫治療,開啟了現(xiàn)代癌癥防治的嶄新時期[20]。雖然靶向PD-1/PD-L1的免疫治療是當前臨床上最有效的癌癥免疫治療方式,但它在實體腫瘤中的有效率僅有20%～30%[21]。當前免疫治療的有效性遠沒有達到我們的理想水平,表明在腫瘤微環(huán)境中可能存在其他未知的免疫抑制途徑。因此亟需尋找新的免疫治療靶標或者聯(lián)合其他有效的治療措施來進一步提高腫瘤免疫治療的效果?？萍嫉陌l(fā)展,使人們在研究鐵死亡產(chǎn)生機制的深度與廣度上都更進一步,大量新研究已證實鐵死亡與腫瘤的免疫調(diào)節(jié)有關(guān)[22-24]。

近期，Sun等[24]通過建立一種負載有鐵死亡誘導(dǎo)劑(ferroptosis-inducingagents,FINs)的仿生磁小體,在乳腺癌種植瘤模型中發(fā)現(xiàn)FINs誘導(dǎo)強烈的T細胞依賴的局部和全身抗腫瘤免疫反應(yīng)，引起腫瘤免疫微環(huán)境重編程，并抑制細胞毒性CD8+T細胞和免疫抑制細胞之間的相互作用，從而抑制腫瘤生長。同時，鐵死亡誘導(dǎo)劑在癌癥治療中的實際價值也是日漸凸顯,目前FINs主要包括4類：Ⅰ類以索拉非尼(sorafenib) 為代表，通過消耗 GSH，打破細胞內(nèi)的氧化-還原平衡[25]；Ⅱ類以六甲蜜胺(altretamine)為代表，直接靶向作用于GPX4并使其失活性[26]；Ⅲ類以 FIN56為代表，通過非經(jīng)典途徑消耗 GPX4[27]，Ⅱ類和Ⅲ類FINs可通過作用于 GSH的下游靶標 GPX4，滅活或降解 GPX4，從而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物積累，誘發(fā)鐵死亡；Ⅳ類以 1，2-二氧戊環(huán)化合物 (FINO2)為代表，通過增加不穩(wěn)定鐵池或氧化鐵誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化，滅活 GPX4和促進鐵氧化引起癌細胞的鐵死亡[27]。將FINs搭配新型的納米藥物、免疫治療等方法,以期提供更為可靠、更為高效的治療方法。Tsoi等[28]指出,對于蛋白激酶和免疫治療不響應(yīng)的黑色素瘤細胞，表現(xiàn)為對 FINs的敏感性增加,FINs能夠進一步提升靶向藥物和免疫治療藥物的效果。發(fā)生鐵死亡的腫瘤細胞產(chǎn)生大量脂質(zhì)代謝產(chǎn)物直接影響免疫細胞的活性和功能,同時免疫細胞向腫瘤細胞的動員也受到許多趨化因子、細胞因子,以及可溶性代謝物(如脂類和核酸)的調(diào)控。Friedmann等[29]的研究指出在GPX4缺失誘導(dǎo)的鐵死亡過程中，細胞可釋放氧化性脂質(zhì)介質(zhì)，花生四烯酸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。其次,鐵死亡的發(fā)生會直接影響免疫細胞的表型與作用。例如,發(fā)生鐵死亡的腫瘤細胞能產(chǎn)生致癌的KRAS蛋白,它能夠被腫瘤有關(guān)的巨噬細胞吞噬而使其發(fā)生極化[30]。巨噬細胞也能引起鐵死亡,但巨噬細胞對鐵死亡的抗性遠比腫瘤細胞更強,表現(xiàn)為僅在高鐵離子濃度的環(huán)境下,erastin和SLC7A11表達缺失可以誘發(fā)巨噬細胞產(chǎn)生鐵死亡[31]。最后,免疫細胞也能調(diào)節(jié)腫瘤細胞的鐵死亡。在癌細胞侵襲轉(zhuǎn)移的過程中,初始的CD8+T細胞可以進一步分化為效應(yīng)性CD8+T細胞,并逐步活化為細胞毒性CD8+T細胞和記憶性CD8+T細胞,從而發(fā)揮其在癌癥局部的靶向功能,而癌癥免疫治療則是通過提高CD8+T細胞的免疫功能來實現(xiàn)[32]。腫瘤免疫微環(huán)境中被激活的T 細胞能產(chǎn)生多種細胞因子,包括干擾素-γ(interferon gamma,IFN-γ),進而促進腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡[33]。IFN-γ 是一類具有抗癌效應(yīng)的細胞因子,但在某些情形下,其也能促進腫瘤細胞發(fā)生免疫逃逸,例如在卵巢癌細胞中，活化的CD8+T細胞所產(chǎn)生的IFN-γ 能夠上調(diào)PD-L1的表達,從而促進腫瘤細胞發(fā)生免疫逃逸,進而導(dǎo)致了癌癥的產(chǎn)生與發(fā)展[34]。

3 鐵死亡調(diào)節(jié)腫瘤免疫治療的機制研究

隨著鐵死亡研究的日益深入,大量研究表明鐵死亡在抗腫瘤中做出突出的貢獻。但是鐵死亡在腫瘤免疫治療中扮演何種角色以及具體的機制仍然是目前研究的熱點和難點。高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)是鐵死亡的重要生物學(xué)標志物,同時也是腫瘤免疫的關(guān)鍵因子。發(fā)生鐵死亡的癌細胞會以自噬依賴性的方式釋放HMGB1,使之產(chǎn)生免疫原性,進一步激活機體的免疫系統(tǒng)[35]。除此之外,發(fā)生鐵死亡的癌細胞通過釋放HMGB1,經(jīng)由HMGB1-AGE信號通路促使巨噬細胞發(fā)生M1型極化，并且在敲除了HMGB1基因之后,可以通過Ras-JNK/p38途徑降低由erastin所誘發(fā)的鐵死亡[36]。所以,脂質(zhì)代謝與鐵死亡的共同作用可能會影響HMGB1的釋放,以達到對腫瘤免疫調(diào)節(jié)的效果。不過,脂質(zhì)代謝與鐵死亡在腫瘤免疫中的具體作用機制目前仍未明確。

最新的相關(guān)研究也證實,在巨噬細胞中鐵死亡的發(fā)生會被一氧化氮通路所抑制,并為鐵死亡調(diào)節(jié)的固有免疫反應(yīng)提供理論基礎(chǔ)[37]。同時,Kapralov 等[38]的研究表明胰腺導(dǎo)管腺癌細胞會以自噬依賴性鐵死亡的方式釋出KARS G12D外泌體,接著巨噬細胞通過吞噬外泌體引導(dǎo)巨噬細胞發(fā)生M2極化過程,最終抑制它的吞噬功能。Matsushita等[39]的研究也表明,在脾臟的T細胞中,GPX4缺乏的效應(yīng)性T細胞的增殖，明顯受到抑制，是因為GPX4缺乏的T細胞膜上的脂過氧化物迅速堆積,而誘導(dǎo)了T細胞出現(xiàn)鐵死亡所引起的。被免疫治療所激活的 CD8+T 細胞能產(chǎn)生多種細胞因子,比如IFN-γ 通過下調(diào)SLC3A2和 SLC7A11蛋白的表達水平[34],使得細胞中GSH的濃度減少,從而導(dǎo)致了ROS的過量積聚并引起了細胞的鐵死亡[33]。另外,有關(guān)研究[29]也指出鐵死亡的腫瘤細胞中高表達Cox-2基因,能進一步促進負性免疫調(diào)控因子前列腺素E2的高表達,進而抑制了包含I型樹突狀細胞、自然殺傷細胞和細胞毒性T細胞的癌癥免疫系統(tǒng),從而介導(dǎo)腫瘤細胞產(chǎn)生免疫逃逸[40]。

Sun等[24]研究了FINs的納米材料,可以通過誘導(dǎo)強烈的T細胞依賴的局部和系統(tǒng)抗腫瘤免疫反應(yīng),重建腫瘤患者的免疫微環(huán)境,從而影響細胞毒性T細胞與抑制性免疫細胞間的作用,進而有效控制癌癥發(fā)展。并且,根據(jù)Lang等[41]的研究成果發(fā)現(xiàn)，癌癥的免疫治療可以促進腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡,從而增加腫瘤患者對放療、化療的敏感性。最新的研究指出,鐵死亡能夠顯著減少腫瘤微環(huán)境中與癌癥相關(guān)的M2樣巨噬細胞的數(shù)量,表明鐵死亡可以通過逆轉(zhuǎn)免疫抑制微環(huán)境來促進抗腫瘤免疫反應(yīng)[42]。上述的研究更進一步闡述了鐵死亡和免疫療法之間的相關(guān)性,為惡性腫瘤治療方案中，F(xiàn)INs聯(lián)合免疫治療奠定了理論基石。同時,也為進一步深入探討細胞鐵死亡分子機制以及提高免疫治療的效果提供了新的方向。

4 總結(jié)與展望

綜上所述,由于鐵死亡很可能是調(diào)節(jié)癌癥免疫治療的重要樞紐,因此控制鐵死亡對合理高效的整合免疫治療有著關(guān)鍵意義。雖然目前對腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡的機制研究已取得一些進展,但仍處在初級階段,亟需借助更多高通量技術(shù)手段，比如單細胞測序技術(shù)從代謝途徑、表觀修飾、基因突變譜等多種視角,解析鐵死亡在癌癥免疫治療中產(chǎn)生功能的調(diào)節(jié)機理。同時，相應(yīng)的基礎(chǔ)研究也可關(guān)注腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡的生理功能,從而深入剖析鐵死亡與癌癥免疫調(diào)節(jié)的相互作用,從而定義對鐵死亡治療敏感的腫瘤特征,并積極控制該治療方法潛在的毒副作用,最終推動癌癥診斷治療整體水平的提高。鐵死亡在癌癥治療領(lǐng)域潛力很大,但怎樣揚長避短充分發(fā)揮它在癌癥免疫中的最大作用仍需深入的探討?？傊?進一步明確鐵死亡在腫瘤免疫治療中的分子調(diào)控機制有助于推動腫瘤免疫治療領(lǐng)域的不斷突破,為癌癥的攻克作出重要貢獻。

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doi：10.1111/odi.14077.