鐵死亡在肺癌中研究進展

谷一婷 李德輝 (河北中醫(yī)學院 第一附屬醫(yī)院，河北 石家莊 0500；2研究生學院)

細胞死亡是生命現(xiàn)象不可逆的終止，是生命的終結(jié)。在健康的人體組織中常有細胞死亡，這是保證組織正常運轉(zhuǎn)和形態(tài)所必需的，包括主動細胞死亡(程序性細胞死亡、凋亡)和被動細胞死亡(細胞壞死)。適當?shù)募毎劳稣{(diào)控機制對于正常的有機體發(fā)育和維持成年期的組織穩(wěn)態(tài)具有重要意義。以往的研究認為細胞死亡是由細胞壞死和凋亡導致的，然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)了許多新的細胞死亡模式，鐵死亡作為新的細胞死亡方式之一引起了廣泛的關(guān)注。鐵死亡是一種新型的非凋亡細胞死亡模式，其特征是鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化和脂質(zhì)活性氧(ROS)堆積〔1〕。其實質(zhì)表現(xiàn)為細胞中脂質(zhì)過氧化物代謝異常，在鐵離子催化作用下進行非正常代謝，使細胞抗氧化功能顯著降低，脂質(zhì)ROS大量積累，使細胞內(nèi)氧化還原功能失調(diào)，誘發(fā)細胞死亡。鐵死亡作為一種非常規(guī)的細胞死亡方式，其主要表現(xiàn)為線粒體體積和嵴的減小及線粒體密度和胞質(zhì)中脂質(zhì)ROS的增加〔2〕。研究證實，鐵死亡與腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等多種疾病緊密相連，最新的科學研究表明，鐵死亡在肺癌中亦發(fā)揮著不可忽視的作用。本文闡述了鐵死亡的機制及其在肺癌發(fā)生發(fā)展中的作用，并簡述了肺癌的治療方法，以期為肺癌的進一步研究提供新思路。

1 概述

1.1鐵的吸收與利用 鐵是人體必需的微量元素，主要是以Fe2+的形式被機體吸收，其中可以被直接吸收的通常是肉制品中肌紅蛋白所包含的鐵，而植物中的大多為Fe3+。Fe3+需要借助胃液所分泌的鹽酸或由十二指腸細胞色素b將其還原為Fe2+的形式，進而在二價金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白(DMT)1的幫助下，吸收進入腸上皮黏膜細胞胞質(zhì)中，最終經(jīng)鐵轉(zhuǎn)運蛋白(FPN)1傳輸運送至血液循環(huán)中，并為人體其他組織使用或存儲。膜鐵轉(zhuǎn)運輔助蛋白(HP)可以使出胞的鐵氧化為Fe3+，其儲存在鐵蛋白中供細胞正常的生理活動之用。鐵攝入量或輸出量的變化，都會增強肺癌細胞對鐵死亡的敏感性。細胞內(nèi)Fe2+水平是脂質(zhì)過氧化和誘導鐵死亡的關(guān)鍵要素，轉(zhuǎn)鐵蛋白介導的鐵攝取或鐵自噬可提高其水平。

1.2鐵死亡的定義 生命的終結(jié)就注定是死亡，而細胞亦無法避免。細胞死亡是維持組織功能和形態(tài)所必需的。細胞意外死亡和調(diào)節(jié)性細胞死亡是國際官方所認定的細胞死亡的兩種方式，其中，凋亡和壞死是經(jīng)典的兩種細胞死亡形式〔3〕。隨著研究的深入，上述死亡方式已無法適應現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展的需求，各種新的死亡形式接踵而至，其中，鐵死亡逐步被人們認識和接受。2003年Dolma等〔4〕發(fā)現(xiàn)了一種新型具有細胞滲透性的誘導鐵死亡的催化劑——earstin(愛拉斯汀)。2008年Yang等〔5〕選擇細胞死亡形式作為研究對象，在研究過程中發(fā)現(xiàn)了ras選擇性致死化合物(RSL)3和RSL5，實驗證實上述物質(zhì)與earstin作用相似。隨后于2012年哥倫比亞大學，Brent Stockwell 教授提出了鐵死亡這一新概念，選擇將鐵作為詳細研究方向，研究結(jié)果表明，鐵死亡可以用于描述一種特殊的細胞死亡模式〔6〕。在這一模式中，其作用機制表現(xiàn)為erastin 和 RSL3 等小分子化合物作用于細胞內(nèi)特異性靶點，進而抑制了抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)的合成，壓抑了GSH過氧化物酶(GPX)4的活性，以至于脂質(zhì)過氧化物水平超過還原系統(tǒng)的能力，刺激芬頓反應，致使過量ROS堆積，細胞發(fā)生脂質(zhì)過氧化，發(fā)生鐵死亡，即細胞內(nèi)游離亞鐵離子過多導致ROS過度堆積的一種細胞死亡方式。2018年，鐵死亡被細胞死亡命名委員會(NCCD)定義為調(diào)節(jié)性細胞死亡(RCD)模式中的一種〔7〕。

2 鐵死亡的發(fā)生機制

目前，國內(nèi)外對鐵死亡研究頗多，其發(fā)生機制復雜深奧，尚未完全明確，仍在努力探索中，就現(xiàn)有的研究可以發(fā)現(xiàn)鐵死亡的發(fā)生過程是在鐵、脂質(zhì)、氨基酸和脂質(zhì)ROS代謝的共同作用下完成的，但其敏感性也受到其他途徑的影響。

2.1鐵代謝異常(鐵過載) 經(jīng)過研究得出，鐵代謝異常是鐵死亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。鐵作為維持機體健康必需的微量營養(yǎng)元素，主要以Fe2+或Fe3+的形式存在于各種細胞活動中〔8〕。正常人體中，鐵需要在轉(zhuǎn)鐵蛋白(TF)和TF受體(TFR)1的幫助下完成運轉(zhuǎn)的過程，即1分子TF在TFR1發(fā)揮作用的同時，結(jié)合2分子的Fe3+進而形成復合物。當細胞外物質(zhì)進入細胞內(nèi)時，還原酶將復合物釋放的Fe3+還原為Fe2+，后被DMT1存放在可變鐵池中，剩余的Fe2+被氧化出胞后在機體內(nèi)循環(huán)往復，維持鐵穩(wěn)態(tài)〔9〕。當機體內(nèi)鐵動態(tài)失衡時，細胞內(nèi)的鐵含量減少，而Fe2+增多，供給量超過了人體對鐵的需求量，過量活性鐵堆積于人體重要器官和組織細胞，即鐵過載。其在芬頓反應的作用下產(chǎn)生大量細胞毒性物羥自由基和大量ROS，進而打破基因分子結(jié)構(gòu)，破壞血管內(nèi)皮細胞膜、脂質(zhì)和DNA等〔10〕。同時，鐵在脂質(zhì)過氧化或鐵死亡過程中亦發(fā)揮著不可忽視的作用。因此，鐵死亡在鐵過載的刺激下更容易發(fā)生，鐵代謝異常是細胞鐵死亡過程的重要表現(xiàn)。

2.2脂質(zhì)過氧化 通常情況下，游離基反應和脂質(zhì)過氧化反應相互協(xié)調(diào)并處于動態(tài)平衡，兩者對于體內(nèi)各種生理和免疫反應有著極為重要的作用。當這種相對穩(wěn)定的狀態(tài)被破壞，就會導致體內(nèi)的代謝異常和免疫減低，引發(fā)一系列對細胞具有破壞作用的連鎖反應。由于氧化應激(即體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態(tài))的加劇，觸發(fā)ROS氧化生物膜，這一過程便是脂質(zhì)過氧化。ROS與一些大分子物質(zhì)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應所產(chǎn)生的化學產(chǎn)物被稱為脂質(zhì)過氧化物(LPO)，它們也是脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物：反應性醛，如丙二醛(MDA)和4-羥基壬烯酸(HNE)。研究顯示，這一化學產(chǎn)物通常會以多種形式破壞細胞，如過度分解ROS，加劇脂質(zhì)過氧化進程，或者干擾細胞膜運動，摧毀其結(jié)構(gòu)，破壞細胞代謝。如前文所描述的，鐵死亡是GPX4失活誘發(fā)LPO的堆放，所以脂質(zhì)過氧化與鐵死亡也有著必然的聯(lián)系，是鐵死亡的標志性事件。

2.3谷氨酸-胱氨酸轉(zhuǎn)運受阻 作為重要氨基酸轉(zhuǎn)運體的胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運體(systemXc-)在維持谷氨酸動態(tài)平衡、胱氨酸轉(zhuǎn)運、GSH合成方面發(fā)揮著重要的作用〔11〕。健康機體通過這一轉(zhuǎn)運體可以將細胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)運至胞內(nèi)，促進GSH的合成。GSH通過轉(zhuǎn)變體內(nèi)的有毒物質(zhì)，使其變?yōu)闊o毒無害的物質(zhì)，最終將其排出體外，以達到抗氧化和解毒的作用。身體內(nèi)大量堆放的ROS便是通過GSH這一作用得以清除的。GSH可以輔助GPX4完成抗氧化的作用〔12〕，當胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運體發(fā)生意外被阻撓時，胱氨酸進入細胞受限，GSH的生成量隨著半胱氨酸的減少相應降低，GPX4反應性減弱，促使ROS的聚集，提高鐵死亡發(fā)生的概率。

3 鐵死亡對肺癌的影響

實驗室研究，鐵的異常代謝使人類患癌的風險顯著增大，并且會使腫瘤呈現(xiàn)出異常的增長趨勢，誘發(fā)腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移。有一臨床試驗結(jié)果顯示，肺癌患者與健康人相比較，前者的血清鐵和鐵蛋白含量要顯著大于后者，可見，血清中鐵的濃度越大，罹患肺惡性腫瘤的風險越高〔13〕。某地收集近十年的腫瘤患者和非腫瘤患者共30 000余例，其中8 000余例為腫瘤患者，3 000余例因腫瘤死亡，結(jié)果與上一試驗結(jié)果相同，高血清鐵增加患癌和死亡風險。當發(fā)生鐵死亡時，鐵在人體中含量升高的同時，也增加了健康人群罹患癌癥的風險。綜上，可知鐵死亡對惡性腫瘤有重要意義，亦對今后腫瘤各方面的研究進展有重要的指導意義。肺癌是當今世界上最常見的惡性腫瘤之一，它的致死率在我國乃至全世界都是非常高的。早期肺癌患者常欠缺顯著臨床表現(xiàn)，約75%的患者第一次就診時病變已進入晚期，錯失了根治性手術(shù)的最佳時機。肺癌病理類型主要分為非小細胞肺癌(NSCLC)和小細胞肺癌(SCLC)，其中NSCLC占比約為85%〔14〕。因此，探索NSCLC的發(fā)病機制，探求其潛在診斷與治療靶點，對肺癌病人意義重大。最近幾年，越來越多人發(fā)現(xiàn)，肺癌細胞中存在著大量的鐵死亡被抑制的現(xiàn)象。肺部組織的氧濃度較高，這一特點使肺部腫瘤細胞承受巨大的氧化壓力。因此，肺癌細胞通過某些方法提高鐵死亡的閾值以避免出現(xiàn)被簡單化或被強化的鐵死亡，減少鐵死亡發(fā)生，進而加速肺癌的發(fā)生發(fā)展〔15〕。

3.1鐵代謝異常 鐵死亡是一種依賴于鐵的細胞死亡方式，異常的鐵代謝在很大程度上會影響鐵死亡的發(fā)生發(fā)展。一項研究〔16〕發(fā)現(xiàn)，NSCLC患者的癌細胞組織中的鐵蛋白存在高表達現(xiàn)象，血清鐵也活躍增加。血清鐵蛋白含量越高，肺癌患者的預后越差，尤其當現(xiàn)鐵蛋白大于300 mg/L時，患者的存活率遠低于血清鐵蛋白含量低的患者。還有一動物實驗發(fā)現(xiàn)，過度表達的TFR1會加速肺癌裸鼠模型癌細胞對鐵的吸收，加快癌細胞的生長速度，減少裸鼠生存期〔17〕。此外，當鐵蛋白指標異常時，某種程度上會加劇免疫缺陷、改變細胞增殖，加速肺癌的發(fā)生發(fā)展過程〔18〕。由此可見，鐵代謝異常在某程度上會影響肺癌的發(fā)生發(fā)展。

3.2脂質(zhì)合成障礙 LPO的堆積是鐵死亡的特點之一，因此，脂質(zhì)合成障礙也會影響肺癌。淋巴特異性解旋酶(LSH)是一種可以準確形成DNA甲基化模式的蛋白質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)〔19〕，LSH通過活躍脂質(zhì)代謝基因，使其與WDR76蛋白相互發(fā)生反應，抑制ROS堆積和減少鐵含量，抑制鐵死亡，進而對肺癌進展造成影響。

3.3GSH合成通路上調(diào) 研究〔20,21〕發(fā)現(xiàn)肺癌細胞通過上調(diào)胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運受體，直接靶向GSH，增加細胞抗氧化能力。SLC7A11和SLC3A2是胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運受體的重要組成部分，在腫瘤細胞系集中表達，進而表明其在腫瘤細胞中活性更高。Lai等〔22〕在另一研究中發(fā)現(xiàn)，絲氨酸蘇氨酸酪氨酸激酶(STYK)1在NSCLC中呈現(xiàn)高表達狀態(tài)，它可以通過增強GPX4表達增強，抑制鐵死亡，加速了肺癌細胞的生長。

4 鐵死亡與肺癌治療

4.1鐵死亡與化療 化療即化學藥物治療，借助化學治療藥物殺滅癌細胞，緩解病痛。化療是一種全身治療的手段，化療藥物會隨著體液循環(huán)遍布周身。因此，對一些有全身擴散傾向的肺部腫瘤及已經(jīng)轉(zhuǎn)移的中晚期肺癌，化療都是需要重點考慮的手段?；熆梢宰柚狗伟┘毎鲋硵U散并可以誘導“細胞死亡”。有研究表明，順鉑是肺癌人類肺泡基底上皮細胞和結(jié)腸癌細胞中鐵死亡及細胞凋亡的誘導劑，其機制可能與GSH的減少和GPX4的活躍性降低有關(guān)，進一步發(fā)現(xiàn)順鉑與Ⅰ類FIN Erastin聯(lián)合治療有1+1>2的優(yōu)異效果。但其他肺癌治療藥物，如替尼類藥物、紫杉醇類藥物、單抗類藥物等，暫時沒有與鐵死亡相關(guān)的研究。因此，相關(guān)研究仍需更多臨床與實驗工作者的持續(xù)跟進。

4.2鐵死亡與放療 腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法。約70%的患者在治療過程中需要用放射治療，但部分腫瘤患者對放療有抵抗。對于NSCLC早期患者，應首先考慮手術(shù)，但是有些高齡患者或合并一些內(nèi)科疾病的患者無法耐受手術(shù)，這時，放療便成為極其重要的治療手段之一。Lei等〔23〕發(fā)現(xiàn)放療可以使腫瘤細胞產(chǎn)生過多的ROS，導致LPO堆積，誘發(fā)鐵死亡。實驗人員進一步證實鐵死亡誘導劑可以抑制SLCA7A11或GPX4活性，使腫瘤細胞增加對放療的敏感。但是，其機制尚未明確，仍需要更多研究去深入發(fā)現(xiàn)。

4.3鐵死亡與其他治療 分子靶向治療又被稱為“生物導彈”，是在細胞分子水平上，針對已經(jīng)明確的致癌蛋白分子或基因片段，設計相應的診療藥物，藥物進入人體內(nèi)會特異性地選擇致癌位點，發(fā)揮藥物作用，使腫瘤細胞特異性死亡且不損傷身體其他健康組織，是目前惡性腫瘤常用的治療方法之一。Villalpando-Rodriguez等〔24〕在針對靶向藥物治療肺癌的研究中發(fā)現(xiàn)西拉美辛和拉帕替尼聯(lián)合使用會促使脂質(zhì)ROS增加，并減弱血紅素加氧酶-1表達，誘發(fā)肺癌細胞發(fā)生鐵死亡。

免疫治療是新型的腫瘤治療方式，主要針對具有虛弱或亢進的免疫系統(tǒng)的患者，通過提高或抑制人體免疫功能，中斷腫瘤細胞與免疫細胞結(jié)合，使人體依靠自身免疫殺滅腫瘤細胞。通過臨床觀察發(fā)現(xiàn)，細胞程序性死亡——配體(PD-L)1高度表達與惡性腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)〔25〕。程序性死亡受體(PD)-1及PD-1抑制劑在免疫治療中最常見，其主要機制是PD-1/PD-L1抑制劑與腫瘤細胞上的PD-L1結(jié)合，恢復T細胞對腫瘤細胞的識別殺傷功。Wang等〔26〕在研究鐵死亡與腫瘤免疫治療時，得出結(jié)論為：鐵死亡的興奮有利于免疫治療的抗腫瘤效果。其機制可概括為被免疫治療激活的CD8+T細胞可以通過釋放γ-干擾素(IFN-γ)促進脂質(zhì)過氧化，提高腫瘤對鐵死亡的敏感性，進而提高治療療效。但是引發(fā)腫瘤鐵死亡的內(nèi)源性機制仍不夠明確，需要更多研究。

綜上，鐵死亡作為近年來發(fā)現(xiàn)的新型細胞死亡形式，與細胞凋亡、壞死、自噬有著很大區(qū)別，依靠其獨特發(fā)生和抵抗機制吸引了眾多臨床和科研人員的研究。近年來，肺癌的發(fā)病率逐年上升，受肺癌折磨與死亡的人數(shù)越來越多，而鐵死亡為肺癌指出了新的治療方向。但是，仍有許多問題有待解決，如鐵死亡發(fā)生過程中哪些物質(zhì)被氧化？GPX4是不是致癌基因？總之，機遇與挑戰(zhàn)并存，鐵死亡是一個有前景的研究方向，深入研究其作用機制并應用于臨床必將為肺癌患者帶來福音。