鐵死亡在消化系統(tǒng)腫瘤中的研究進(jìn)展

劉 靜，劉文天

鐵死亡于2012年由Dixon等[1]首次提出，是一種鐵依賴和過氧化驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞死亡形式，與多種代謝紊亂和體內(nèi)平衡失調(diào)有關(guān)。既往研究表明，細(xì)胞內(nèi)鐵離子與細(xì)胞膜上高表達(dá)的不飽和脂肪酸發(fā)生芬頓反應(yīng)，產(chǎn)生過量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)。一旦超過細(xì)胞自身抵抗氧能力，ROS將可能發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而損害了細(xì)胞內(nèi)的線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及核酸等，最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡[2]。鐵死亡在形態(tài)、生化和分子遺傳學(xué)上與其他為人熟知的自噬和凋亡不同。細(xì)胞凋亡中的染色質(zhì)固縮和邊緣化聚ADP核糖聚合酶1[poly (ADP-ribose) polymerase1, PARP1]裂解、線粒體釋放的細(xì)胞色素C或Caspase 3裂解、細(xì)胞自噬中的雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小泡、細(xì)胞器的腫脹、核膜和細(xì)胞膜的溶解等典型特征在鐵死亡中均未出現(xiàn)。此外，由于發(fā)生鐵死亡時(shí)，細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激，導(dǎo)致質(zhì)膜選擇滲透性喪失，線粒體形態(tài)發(fā)生特殊而獨(dú)特的變化，包括線粒體嵴減少或消失、線粒體外膜破裂、線粒體膜濃縮[3]。

近年來大量研究提出：細(xì)胞內(nèi)鐵代謝和鐵依賴的脂質(zhì)ROS代謝異常與腫瘤細(xì)胞死亡密切相關(guān)，雖然鐵死亡與腫瘤之間的具體關(guān)系目前尚不清楚，但提供了探討腫瘤發(fā)生的新思路。目前，消化系統(tǒng)腫瘤的發(fā)病率逐年遞增，胃癌、肝細(xì)胞性肝癌、胰腺癌以及結(jié)直腸癌是消化系統(tǒng)常見腫瘤，嚴(yán)重威脅著患者的生命健康。鐵死亡也參與了這些腫瘤的發(fā)病過程，可能成為消化系統(tǒng)腫瘤治療和預(yù)后判斷的一種新靶點(diǎn)。

1 鐵死亡發(fā)生的相關(guān)調(diào)控因子

1.1 谷胱甘肽耗竭在鐵死亡中的核心作用伊拉斯汀(Erastin)是在致癌基因RAS突變細(xì)胞系中誘導(dǎo)鐵死亡的小分子之一。對Erastin靶點(diǎn)的探索將半胱氨酸代謝與鐵死亡的發(fā)生聯(lián)系起來。Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡過程中最重要的靶點(diǎn)是谷氨酸鹽-胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體Xc-系統(tǒng)，其是由溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11/xCT)和溶質(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2, SLC3A2)組成，是胱氨酸和谷氨酸鹽的非鈉依賴的反向轉(zhuǎn)運(yùn)體，以1 ∶1的比例吸收細(xì)胞外胱氨酸來交換細(xì)胞內(nèi)谷氨酸鹽[4]。細(xì)胞外胱氨酸主要通過Xc-系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中，隨后由于細(xì)胞內(nèi)的高度還原條件而迅速轉(zhuǎn)化為半胱氨酸。

細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸是谷胱甘肽的重要前體。還原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)一旦合成，可作為活性氧解毒酶，如谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)的輔因子，其作用是以谷胱甘肽為代價(jià)減少過氧化物相關(guān)產(chǎn)物(如過氧化氫)，從而保護(hù)細(xì)胞免受活性氧誘導(dǎo)的損傷。研究發(fā)現(xiàn)Ras選擇性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3, RSL3)是引發(fā)鐵死亡的另一個(gè)小分子[1]。GPX4是RSL3的直接靶向蛋白，RSL3通過與GPX4共價(jià)鍵結(jié)合，抑制GPX4活性。GPX4可以通過其酶活性清除有害超氧化物、阻斷脂質(zhì)過氧化物鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并維持膜脂質(zhì)雙層的穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用RSL3處理誘導(dǎo)的鐵死亡與GPX4失活相似，進(jìn)一步支持RSL3通過GPX4抑制誘導(dǎo)鐵死亡。在小鼠中敲除GPX4會(huì)導(dǎo)致胚胎致死和大量脂質(zhì)過氧化物積累。過表達(dá)GPX4細(xì)胞表現(xiàn)出對RSL3的抵抗性，抑制其誘導(dǎo)的細(xì)胞鐵死亡[5]。此外，在敲除GPX4的小鼠中不會(huì)發(fā)生凋亡，這進(jìn)一步證實(shí)了鐵死亡是致死的主要原因。

1.2 細(xì)胞鐵是誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵鐵是生命體不可缺少的重要元素，在DNA合成、能量代謝、細(xì)胞呼吸等過程中發(fā)揮著重要作用。對游離鐵需求是鐵死亡的基本特性，幾乎所有的脂質(zhì)過氧化物都可以被鐵螯合劑結(jié)合而減少。已經(jīng)證實(shí)，轉(zhuǎn)鐵蛋白是鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)體，其通過識(shí)別轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1將鐵從細(xì)胞外環(huán)境導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。轉(zhuǎn)鐵蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1都是誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡所必需的。轉(zhuǎn)鐵蛋白與游離鐵結(jié)合，使其不可利用，從而起到防止鐵死亡的作用。鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)從細(xì)胞中輸出鐵，是鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子[6]。鐵螯合劑長期以來被用于開發(fā)抗腫瘤策略。然而，鐵死亡誘導(dǎo)中的鐵需求重新定義了鐵螯合劑在癌癥治療中的作用。未來的研究仍然需要驗(yàn)證不同條件下癌癥治療中的鐵螯合策略。

1.3 ROS過量是鐵死亡的最后通路從機(jī)制上講，鐵死亡是通過鐵介導(dǎo)的脂質(zhì)活性氧的積累導(dǎo)致細(xì)胞死亡。脂質(zhì)活性氧的積累會(huì)干擾細(xì)胞的完整性和膜的流動(dòng)性、滲透性，這種影響可能是致命的[7]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵離子通過芬頓反應(yīng)參與了ROS的產(chǎn)生[8]。鐵催化產(chǎn)生的ROS可能是鐵死亡的主要原因。熱休克蛋白β-1(heat shock protein beta-1, HSPB1)通過減少細(xì)胞內(nèi)鐵和脂質(zhì)ROS來保護(hù)癌細(xì)胞免于鐵死亡[9]。在體內(nèi)，敲除HSPB1增強(qiáng)了鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin的抗腫瘤活性[10]。上述研究結(jié)果均支持過量的ROS直接導(dǎo)致了細(xì)胞鐵死亡。

2 鐵死亡在不同消化系統(tǒng)腫瘤治療中的調(diào)控機(jī)制

2.1 肝細(xì)胞癌肝細(xì)胞癌的治療主要有手術(shù)和化療，均無法達(dá)到令人滿意的效果，尤其是對于晚期肝細(xì)胞癌。索拉非尼是第一個(gè)被批準(zhǔn)用于晚期肝癌患者的全身療法。索拉非尼誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞中GSH水平的雙重降低，這種效應(yīng)與Erastin的作用相當(dāng)[11]。眾所周知，視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(Rb)蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖，Rb蛋白功能的喪失是肝癌發(fā)生過程中的一個(gè)重要事件。研究表明索拉非尼通過在肝癌細(xì)胞中的雙重作用模式促進(jìn)鐵死亡。第一種作用模式獨(dú)立于Rb蛋白，與索拉菲尼消耗肝癌細(xì)胞內(nèi)GSH的能力有關(guān)。人們將這種效應(yīng)歸因于Xc轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的抑制。Xc轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一種胱氨酸谷氨酰胺反向轉(zhuǎn)運(yùn)體，最近有報(bào)道稱索拉菲尼和Erastin以其為靶點(diǎn)[12]。第二種作用模式取決于肝癌細(xì)胞的Rb蛋白狀態(tài)，并與線粒體產(chǎn)生的活性氧增加有關(guān)。既往研究報(bào)告指出線粒體呼吸鏈?zhǔn)潜┞队谒骼悄岬母伟┘?xì)胞的潛在弱點(diǎn)。

研究證實(shí)索拉菲尼是鐵死亡的強(qiáng)效誘導(dǎo)劑，而不是凋亡的誘導(dǎo)劑。肝癌細(xì)胞暴露于索拉非尼時(shí)發(fā)生鐵死亡，并且Sigma-1 receptor(S1R)是人類肝癌細(xì)胞中鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子，其調(diào)節(jié)許多參與活性氧和鐵代謝的靶位，其中最關(guān)鍵的是鐵死亡靶位GPX4。在體外和體內(nèi)，抑制S1R顯著加速了Erastin和索拉非尼在肝癌細(xì)胞中誘導(dǎo)的脂質(zhì)產(chǎn)生和隨后的鐵死亡。并且，敲除S1R在體外和體內(nèi)阻斷了GPX4的表達(dá)[13]。因此，S1R在調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡時(shí)具有重要作用。在另一項(xiàng)研究中[14]，p62-Keap1-NRF2抗氧化信號(hào)通路是參與ROS和鐵代謝基因轉(zhuǎn)錄激活肝癌細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子；抑制p62-Keap1-NRF2途徑可顯著增強(qiáng)Erastin和索拉非尼在體外和體內(nèi)對肝癌細(xì)胞中的抗癌活性。綜上所述，鐵死亡為肝癌的治療提供了新靶點(diǎn)，為治療方向提供了新思路。

2.2 胰腺導(dǎo)管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)PDAC是一種不可治愈的癌癥，其標(biāo)準(zhǔn)療法使存活率提高了不到6個(gè)月[1]，且PDAC的發(fā)病率預(yù)計(jì)還會(huì)增加。既往研究發(fā)現(xiàn)，致癌性KRas將PDAC細(xì)胞重編程至高度抗凋亡狀態(tài)。青蒿琥酯(Artesunate, ART)是一種抗瘧藥，以引發(fā)ROS產(chǎn)生的方式在不同的癌細(xì)胞類型中特異性誘導(dǎo)程序性細(xì)胞死亡。目前研究證明，抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法在PDAC細(xì)胞系中誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，而不影響非腫瘤性人胰腺導(dǎo)管上皮細(xì)胞。與鐵代謝抑制劑鐵抑制素-1聯(lián)合治療可阻斷ART誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞死亡，并增加細(xì)胞長期存活和增殖[15]。

除此之外，研究人員發(fā)現(xiàn)核受體輔激活因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)介導(dǎo)的鐵蛋白吞噬是一種自噬過程，該過程在胰腺癌中通過鐵蛋白的降解導(dǎo)致鐵死亡。鐵蛋白降解導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的游離鐵增加，這觸發(fā)了活性氧的產(chǎn)生和隨后的胰腺癌中鐵死亡。胰腺癌中特異性shRNAs敲除NCOA4抑制了鐵蛋白吞噬并抑制了Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。相比之下，NCOA4過表達(dá)增加了鐵蛋白的降解，并促進(jìn)了鐵死亡[16]。這進(jìn)一步證明了體內(nèi)誘導(dǎo)鐵死亡可用于靶向殺死PDAC細(xì)胞，為PDAC治療提供了新思路。

2.3 胃癌Hao等[17]研究顯示：Erastin可以誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。CD44最近被確定為幾種腫瘤中與腫瘤干細(xì)胞相關(guān)的細(xì)胞表面標(biāo)志之一，標(biāo)準(zhǔn)CD44亞型(CD44s)主要在造血細(xì)胞和正常上皮細(xì)胞亞群中表達(dá)，而膜近端細(xì)胞外區(qū)插入的變異亞型(CD44v)在上皮型癌中大量存在[18]。研究發(fā)現(xiàn)CD44v在小鼠胃癌中不均勻表達(dá)，在增殖細(xì)胞和慢循環(huán)干細(xì)胞樣細(xì)胞中高表達(dá)，但在含有粘蛋白5AC(MUC5AC)基因(胃分化的標(biāo)志)的細(xì)胞中表達(dá)不豐富。CD44v可與Xc-系統(tǒng)相互作用，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)GSH水平。因此，CD44高表達(dá)人胃腸道腫瘤細(xì)胞中GSH合成能力高，進(jìn)而可以阻斷ROS誘導(dǎo)的應(yīng)激信號(hào)傳導(dǎo)，使胃癌細(xì)胞對鐵死亡產(chǎn)生抵抗[19]。相反，降低胃癌細(xì)胞中CD44v表達(dá)，可使細(xì)胞內(nèi)GSH合成減少，促進(jìn)胃癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，起到抗腫瘤作用。

順鉑和紫杉醇是針對晚期胃癌治療的一線化療藥物，但是在胃癌治療中對順鉑和紫杉醇的耐藥性變得越來越嚴(yán)重?；熌退幮酝ǔＥcDNA損傷修復(fù)、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和谷胱甘肽水平增加的分子突變有關(guān)。研究表明，鐵死亡相關(guān)信號(hào)通路的改變可能為逆轉(zhuǎn)化療耐藥性提供了一種新思路。外泌體屬于細(xì)胞外小泡(EVs)家族，直徑為30～100 nm，由多種細(xì)胞分泌?；ㄉ南┧嶂鹾厦?5(arachidonate lipoxygenase 15, ALOX15)是細(xì)胞中產(chǎn)生ROS的主要介質(zhì)，其在胃癌細(xì)胞中明顯下調(diào)，并發(fā)現(xiàn)與鐵死亡的抑制密切相關(guān)。此外，腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)分泌的外泌體miR-522在調(diào)控胃癌細(xì)胞ALOX15的表達(dá)中起主導(dǎo)作用。有研究證明，阻斷CAF-外泌體介導(dǎo)的脂質(zhì)-活性氧抑制導(dǎo)致癌細(xì)胞中鐵死亡水平增加，從而提高了化療的敏感性[20]。因此，探究由外泌體介導(dǎo)的調(diào)節(jié)癌細(xì)胞鐵死亡作用的機(jī)制，可為提高胃癌化療的敏感性提供新方法。

2.4 結(jié)直腸癌結(jié)直腸癌的發(fā)生是因?yàn)檫z傳和表觀遺傳學(xué)改變的逐漸積累，這些改變導(dǎo)致正常結(jié)直腸黏膜向腺瘤并最終向癌轉(zhuǎn)化和發(fā)展。除此之外，在結(jié)直腸癌中發(fā)現(xiàn)了30%～50%的K-ras突變，其在腫瘤發(fā)生過程中起重要作用，與不突變患者相比，K-ras突變患者的預(yù)后較差。Doll等[21]提出長鏈脂肪酸輔酶a連接酶家族的同工酶(ACSL-4)在誘導(dǎo)鐵死亡中起關(guān)鍵作用，并且可以通過調(diào)節(jié)磷脂(特別是磷脂酰乙醇胺)來預(yù)測對鐵死亡的敏感性。研究證明了菠蘿蛋白酶通過調(diào)節(jié)ACSL-4水平有效地導(dǎo)致K-ras突變細(xì)胞系中發(fā)生鐵死亡，有效地抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的生長及轉(zhuǎn)移[22]。

此外，亞氨基-6-甲氧基-2H-苯并吡喃-3-碳硫酰胺(2-imino-6-methoxy-2H-chromene-3-carbothioamide, IMCA)是一種苯并吡喃衍生物，具有多種生物活性。最新研究表明，IMCA誘導(dǎo)了DLD-1和HCT116細(xì)胞中腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)磷酸化激活、雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)去磷酸化失活，并最終導(dǎo)致致死性ROS積累，誘發(fā)鐵死亡[23]。因此，IMCA可以通過AMPK/mTOR途徑誘導(dǎo)SLC7A11下調(diào)，進(jìn)而發(fā)生鐵死亡。這些結(jié)果為結(jié)直腸癌提供了一種新的潛在治療化合物，并為誘發(fā)鐵死亡提供了新的見解。

3 討論

目前消化系統(tǒng)腫瘤有多種治療方式，早期以手術(shù)治療為主，晚期以靶向藥物治療為主，其中靶向藥物治療的病理機(jī)制中，細(xì)胞死亡是關(guān)鍵過程。綜合目前的研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡參與了腫瘤的靶向治療過程，可能是發(fā)揮作用的關(guān)鍵。因此，隨著鐵死亡調(diào)控機(jī)制的深入研究，消化系統(tǒng)腫瘤會(huì)有新的干預(yù)方法和新的治療策略。