鐵死亡在結直腸癌治療中的作用

莊志誠，官國先

福建醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 結直腸外科, 福建 福州 350005

細胞死亡是生命過程的終點，它在維持正常生理功能方面起著重要作用。凋亡(apoptosis)和壞死(necrosis)是細胞死亡的兩種經典形式。近年來，隨著對細胞死亡的不斷深入研究，人們發(fā)現了許多其他死亡方式如自噬(autophagy)、壞死性凋亡(necroptosis)、焦亡(pyrotosis)以及鐵死亡(ferroptosis)等。其中，鐵死亡是近年來提出的一種新型細胞死亡概念[1]。研究表明，鐵死亡在結直腸癌發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了復雜的作用，這為結直腸癌的治療提供了新的靶點。

1 鐵死亡的特征

鐵死亡作為一種全新的細胞死亡模式，在形態(tài)學、遺傳學和生物化學等方面與凋亡、壞死和自噬有較大的區(qū)別[2]。鐵死亡發(fā)生時，細胞內的線粒體會發(fā)生特征性的皺縮、嵴減少或消失，并且線粒體膜密度會增高。而細胞內會產生大量活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)，胱氨酸攝入障礙從而引起谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成衰竭，引發(fā)谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)的活性降低等一系列氧化還原系統(tǒng)失衡的表現。

2 鐵死亡的調控機制

2.1 氧化應激途徑

GSH是哺乳動物細胞中的主要抗氧化劑， 也是GPX4的首選底物，因此GSH供應不足將直接影響GPX4的功能，導致細胞鐵死亡。位于細胞膜上的胱氨酸谷胺酸轉運受體(xCT)可以使胞外的胱氨酸和胞內的谷胺酸進行等量交換，為GSH的合成提供原料，因此對平衡細胞內的氧化還原反應方面起著重要作用[2]。GPX4作為細胞脂膜修復酶之一，通過結合輔因子GSH，催化去除脂膜上多余的活性氧自由基，阻止細胞膜脂質過氧化，從而被認為是鐵死亡的核心調控分子。通過消耗細胞內的GSH含量或者使GPX4失活，可以使細胞具有的抗氧化體系的平衡被打破，從而直接或間接的誘導鐵死亡。

2.2 鐵代謝與脂質代謝途徑

鐵是人體的微量元素之一，鐵的缺乏或過載都會引起人體的損傷[3]。細胞內的二價鐵離子主要儲存在胞質不穩(wěn)定鐵池中(labile iron pool，LIP)，其中一部分以鐵蛋白(ferritin)形式儲存，另一部分則參與各種生化過程。當細胞內鐵過載時，Fe2+可以通過芬頓(Fenton)反應產生大量活性氧簇[4]，從而為脂質過氧化物的形成提供原料。脂質代謝在鐵死亡的發(fā)生過程中也是至關重要的，脂質的氧化耐受性會影響鐵死亡的程度。其中，多不飽和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acid，PUFA)最受人關注，游離的PUFA是合成細胞膜成分的底物，它們可以經過酯化反應變成膜磷脂從而整合到細胞膜上，而這個過程受到長鏈脂酰輔酶A合成酶4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)與溶血磷脂酰膽堿?；D移酶(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)的調控[5]。

2.3 其他途徑誘導的鐵死亡

除了上述經典途徑，隨著研究的深入，近年來還陸續(xù)發(fā)現其他鐵死亡調控途徑。之前為人們所知的線粒體相關凋亡誘導因子2(apoptosis inducing factor mitochondrion associated 2，AIFM2)，可以通過利用輔酶Q10阻止脂質過氧化，因此成為了與GPX4平行的獨立的鐵死亡抑制因子，并被重新命名為鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，FSP1)[6]。由于在細胞缺鐵時，鐵蛋白可以通過被核受體共同活化子4(nuclear receptor coactivator 4，NCOA4)降解，通過自噬途徑運輸到溶酶體，從而釋放鐵離子補充不穩(wěn)定鐵池，因此，自噬依賴的鐵死亡途徑在近年來報道也的越來越多，但具體的機制還需進一步闡明[7]。

3 鐵死亡與結直腸癌治療

腫瘤研究中的一個具有挑戰(zhàn)性的關鍵問題是如何在保持健康細胞完整性的同時有效殺傷腫瘤細胞。腫瘤細胞往往在死亡機制方面有缺陷，這是治療失敗原因之一。為了滿足增殖需要，與正常細胞相比，腫瘤細胞對鐵離子的需求更高。這種對鐵的依賴使得腫瘤細胞可能更容易發(fā)生鐵死亡。經膳食途徑攝入的鐵在胃腸道中被吸收，通過氧化應激誘導結腸損傷并放大致癌信號，從而增加了結直腸癌發(fā)展的風險[8]。相反，缺鐵卻在結直腸癌患者中很常見[9]，這會限制造血功能并出現貧血的癥狀。鐵是免疫細胞功能所必需的，因此缺鐵會導致免疫反應減弱和免疫微環(huán)境的改變，從而使結直腸癌細胞逃避免疫監(jiān)視[10]。因而人們推測結直腸癌細胞鐵死亡的水平也會隨著腫瘤細胞鐵含量的減少而降低，從而導致其過量增殖。此外，活性氧也與結直腸癌的發(fā)生發(fā)展和治療息息相關，活性氧是一把“雙刃劍”,高水平的ROS會導致一系列細胞毒事件如鐵死亡，凋亡，周期阻滯，增殖抑制等，而低水平的ROS則會引起DNA損傷和遺傳不穩(wěn)定性，刺激腫瘤細胞增殖，血管生成，轉移以及激活腫瘤細胞的耐藥性。但腫瘤細胞往往具有強大的抗氧化系統(tǒng)，這也使得腫瘤細胞中的ROS可以處于有利于腫瘤細胞生存的水平，從而維持致癌信號[11]。而化療藥或是放射治療常常會誘導腫瘤細胞產生過量活性氧，這可能會直接或間接導致細胞鐵死亡。

3.1 結直腸癌放療與鐵死亡

對于局部晚期直腸癌(local advanced rectal cancer，LARC),術前放療能夠有效縮小腫瘤體積，提高保肛率，減少復發(fā)，延長生存期并提高生活質量[12]。電離輻射可以引起DNA損傷，激活DNA損傷反應(DNA damage response，DDR)進行修復，當損傷修復不當時，DDR就會引發(fā)細胞凋亡程序，以消除未修復的細胞。毛細血管擴張性共濟失調突變基因(ataxia telangiec-tasia-mutated gene，ATM)屬于PI3K家族，是DNA雙鏈斷裂(double-strand breakage，DSB)主要的感應因子和傳導因子，也是DNA損傷檢查點的主要成員，負責協調細胞對DSB的應答。ATM基因的敲除和化學抑制能通過增強細胞內鐵離子的螯合作用和鐵輸出，調控細胞內鐵池，從而降低細胞對鐵死亡的敏感性[13]。除了DNA損傷外，電離輻射還可以通過細胞水的輻射分解和氧化酶的刺激產生諸如氧自由基和過氧化氫的活性氧，損壞蛋白質和脂質并引起細胞損傷乃至死亡[14]。電離輻射能導致GPX4的表達水平降低，而鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1能促進其恢復[15]。此外，電離輻射還可以誘導ACSL4的表達增加,進一步PUFAs的合成，為細胞膜脂質過氧化提供底物，促進鐵死亡的發(fā)生[16]。TP53是腫瘤中最常見的突變基因，也是放射治療的主要效應因子之一。電離輻射介導的p53激活可以拮抗SLC7A11的表達，抑制谷胱甘肽的合成，從而促進癌細胞脂質過氧化和鐵死亡,故TP53的突變缺失的癌細胞可以通過抑制鐵死亡提高自身的輻射抗性,這是以前從未被認識到的作用[17]。上述研究的結果表明鐵死亡參與了放療誘導的細胞死亡過程中，可見鐵死亡在腫瘤放射增敏效果中具有巨大的潛力，但考慮到不同癌種對放療效果以及鐵死亡的敏感性方面具有較大差異，鐵死亡在結直腸癌放療中的作用尚缺乏詳細的報道，需要進一步的實驗支持。

3.2 結直腸癌化療與鐵死亡

作為目前腫瘤治療的主要手段方式之一，化學治療(化療)藥物通過作用于腫瘤細胞增殖的不同階段,對細胞DNA、RNA及蛋白質合成過程進行阻礙，從而達到治療目的。產生耐藥性是腫瘤化療的一大難題，腫瘤耐藥是一個復雜的生物學過程，涉及多個基因與信號通路的活化以及藥物的代謝異常。此外，細胞內活性氧ROS失衡介導的氧化應激防御也與腫瘤耐藥密切相關[18]。當化療藥物作用于腫瘤細胞時時，細胞內可以產生大量的ROS，ROS的過度蓄積為腫瘤細胞的生存帶來巨大壓力。但部分腫瘤細胞可以通過調控氧化還原過程從而獲得更強的抗氧化系統(tǒng)與ROS耐受能力，導致耐藥形成[19]。KIF20A在奧沙利鉑耐藥的結直腸癌細胞模型中高度表達，敲減KIF20A可以通過抑制NRF2通路的活化從而逆轉癌細胞的耐藥性，并且其耐藥性可以在鐵死亡抑制劑的作用下恢復，這說明了奧沙利鉑耐藥可能是通過抑制癌細胞鐵死亡所實現的[20]。此外，鐵死亡的誘導劑Erastin也被發(fā)現對結直腸癌干細胞(cancer stem cells，CSCs)有著明顯的細胞毒作用，并且可以降低結直腸癌細胞的耐藥性[21]。而經典化療藥順鉑也被證實可以通過耗竭GSH誘導HCT116大腸癌細胞鐵死亡，并且其與Erastin聯合應用對殺傷腫瘤具有顯著的協同效應[22]。上述結論表明，鐵死亡在化療藥物的細胞毒作用中可能扮演著重要角色，靶向鐵死亡途徑，進一步放大或者恢復鐵死亡的作用對于逆轉結直腸癌細胞的耐藥性具有重大意義。

3.3 結直腸癌靶向治療與鐵死亡

靶向治療主要應用在晚期轉移性結直腸癌(mCRC)的患者中，使mCRC 患者的總生存期由6～12個月延長至將近30個月。西妥昔單抗是FDA批準的表皮生長因子受體(epithelial growth factor receptor,EGFR)單克隆抗體靶向藥，能夠抑制表皮生長因子受體及其下游信號通路，發(fā)揮抗癌作用。但西妥昔單抗只在10%～20%的結直腸癌患者中起作用，原因在于鼠類肉瘤病毒癌基因(kirsten rat sarcoma viral oncogene,KRAS)蛋白處于EGFR的下游，當RAS發(fā)生突變時，KRAS蛋白將持續(xù)激活信號通路而不受EGFR單抗抑制效果的影響，使得西妥昔單抗只適用于KRAS野生型轉移性結直腸癌患者[23]。可喜的是，已有報道稱，鐵死亡誘導劑β-elemene聯合西妥昔單抗可以有效誘導KRAS突變型結直腸癌細胞鐵死亡，提高細胞毒敏感性[24]。阿帕替尼被報道可以通過靶向ELOVL6/ACSL4信號通路促進大腸癌細胞鐵死亡的全新機制，為其進一步運用于晚期結腸癌的臨床治療提供了理論支持[25]。相信隨著研究的不斷進展，鐵死亡在分子靶向藥物治療mCRC的研發(fā)中會發(fā)揮更大的作用。

4 問題與展望

近年來，作為腫瘤領域的研究熱點之一，鐵死亡因為在殺死多種腫瘤細胞中發(fā)揮著重要的作用而被越來越多的研究者所關注?；阼F死亡的腫瘤治療靶點，對設計新型抗腫瘤藥具有重要意義。癌細胞通常在執(zhí)行細胞死亡機制方面有所缺陷，這與腫瘤本身的免疫微環(huán)境重塑、代謝重編程以及內在的凋亡抗性密切相關。隨著研究的深入，越來越多的基因與鐵死亡調控之間的關系也在漸漸明了，這都提示研究者可以從癌細胞特有的代謝途徑出發(fā)，尋找合適的誘導劑靶向腫瘤鐵死亡，對腫瘤治療過程進行方案改進，為聯合用藥提供理論依據。但是，雖然目前已經發(fā)現了一些抑制鐵死亡的機制參與了結直腸癌的治療抵抗，但還需要更多的實驗來進一步明確兩者間的關系。此外，作為一種細胞共有的死亡模式，如何精準放大鐵死亡對腫瘤細胞的殺傷作用同時保護正常細胞，這仍是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。況且，鐵死亡是否已經在結直腸癌臨床治療中發(fā)揮作用仍然是不清楚的，而對其調節(jié)是否會改變局部腫瘤免疫微環(huán)境，以及是否會使患者臨床獲益更是充滿未知，因此需要更多的基礎研究與臨床研究作為支撐。但從目前的研究結果來看，這是個富有前景的領域。綜上所述，進一步研究鐵死亡與結直腸癌的關系，有望突破治療瓶頸，為結直腸癌提供新的治療方法。