鐵死亡在結(jié)直腸腫瘤治療中的應(yīng)用*

楊世發(fā)，張楠，，孫維義，郅強(qiáng)

1.河南中醫(yī)藥大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，河南 鄭州 450000

結(jié)直腸癌是全球最常見的惡性消化道腫瘤之一，其總發(fā)病率在所有惡性腫瘤中占10%，居全球第三位，死亡率為9.4%，居全球第二位，我國結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率均呈上升趨勢。該病治療周期長且易復(fù)發(fā)，嚴(yán)重危及患者生命健康及生活質(zhì)量[1]。結(jié)直腸腫瘤的臨床治療策略主要有放化療、免疫治療及靶向治療，但腫瘤細(xì)胞的耐藥性以及免疫逃逸是目前臨床治療面臨的難題。面對臨床上結(jié)直腸癌治療的難點(diǎn)，進(jìn)一步探究其發(fā)生發(fā)展機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)，將中藥與常規(guī)化療藥物聯(lián)合應(yīng)用，是結(jié)直腸癌研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

近年來，相關(guān)臨床研究表明，鐵死亡在多種惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展機(jī)制及臨床治療運(yùn)用中具有重要的轉(zhuǎn)化研究意義[2-5]，因此，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的鐵死亡可作為臨床治療惡性腫瘤的新策略。但目前鐵死亡機(jī)制在結(jié)直腸腫瘤中的研究尚不足，以中藥調(diào)控鐵死亡來抑制結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展的研究更是寥寥可數(shù)。本文就鐵死亡的發(fā)生機(jī)制及國內(nèi)外對鐵死亡在結(jié)直腸腫瘤中的應(yīng)用研究及相關(guān)問題進(jìn)行綜述，并結(jié)合中藥及其活性成分調(diào)節(jié)鐵死亡探索新的治療策略。

1 鐵死亡概念

2012年，Dixon團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種新型的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡形式——鐵死亡。作為一種依賴鐵和活性氧(reactive oxygenspecies，ROS)的細(xì)胞死亡方式，鐵死亡在形態(tài)學(xué)生理特征、生物學(xué)生理特征、免疫學(xué)特征及基因水平等方面不同于凋亡、壞死、自噬等其他傳統(tǒng)形式的細(xì)胞死亡[6]。自鐵死亡的概念及其發(fā)生發(fā)展機(jī)制被提出，相關(guān)研究已證實(shí)鐵死亡與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

2 鐵死亡的分子機(jī)制

鐵死亡具有完全區(qū)別于其他各種程序性死亡特有的形態(tài)學(xué)變化特征和分子學(xué)變化機(jī)制。當(dāng)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡時，電鏡下觀察到線粒體形態(tài)皺縮變小，線粒體嵴收縮或消失，線粒體膜密度明顯增加，伴有線粒體外膜破裂，但細(xì)胞質(zhì)膜及細(xì)胞核形態(tài)完整[7]。這些形態(tài)學(xué)特征的改變是基于其內(nèi)在基因分子生物學(xué)及細(xì)胞代謝進(jìn)程而不斷變化的。在利用基因調(diào)控細(xì)胞死亡方面，與傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡不同的是，鐵死亡并不完全依賴于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate-specific proteases，caspase)等家族基因的參與，其發(fā)生過程主要還是受到核糖體蛋白L8(ribosomalprotein L8，RPL8) 、ACSF、鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2(iron response element binding protein 2，IREB2)、ATP合成酶F0復(fù)合體亞基C3(ATP synthase F0 complex subunit C3，ATP5G3)、檸檬酸合酶(citrate synthase，CS)和三四肽重復(fù)結(jié)構(gòu)域35(tetratricopeptide repeat domain 35，TTC35)等基因的調(diào)控[6，8-10]。谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性失效、細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物代謝功能障礙、鐵依賴的脂質(zhì)活性氧自由基大量累積均為誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的重要分子調(diào)控機(jī)制，而這一分子調(diào)控機(jī)制受多條分子通路的調(diào)控。

2.1 通過抑制胱氨酸/谷氨酸逆轉(zhuǎn)運(yùn)體(the cystine/glutamate antiporter system，System Xc-)誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡System Xc-是一種廣泛分布于人體細(xì)胞膜上的以胱氨酸谷氨酸作為轉(zhuǎn)運(yùn)酶的受體。它是細(xì)胞中重要抗氧化系統(tǒng)的組成部分，是由兩個亞單位SLC7A11和SLC3A2組成的異二聚體。通過systemXc-，胱氨酸和谷氨酸以11的比例在細(xì)胞膜上進(jìn)行交換[6]，交換進(jìn)入的胱氨酸在胞內(nèi)被還原成半胱氨酸，半胱氨酸參與谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成。GSH在GPX的作用下可以降低細(xì)胞內(nèi)的活性氧以抑制鐵死亡的發(fā)生。當(dāng)System Xc-受到抑制時，胱氨酸的交換也受到抑制，從而影響GSH的合成，導(dǎo)致GPX活性降低，細(xì)胞抗氧化能力下降，脂質(zhì)及ROS積累，最終發(fā)生氧化損傷和鐵死亡。鐵死亡相關(guān)激活劑 Erastin及柳氮磺胺吡啶也可以通過抑制 System Xc-的活性、減少細(xì)胞對胱氨酸的攝取來降低GSH合成，從而誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[11-12]。此外，P53也可以直接或間接下調(diào)System Xc-中的亞單位SLC7A11的表達(dá)來抑制System Xc-對胱氨酸的攝取，從而嚴(yán)重影響GPX4的活性，導(dǎo)致細(xì)胞抗氧化能力明顯降低、脂質(zhì)ROS積累和鐵死亡的發(fā)生[13-15]。

總之，當(dāng)System Xc-的活性受到抑制時，會誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。

2.2 通過降低GPX4活性誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡在眾多GPX家族成員中，GPX4是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生鐵死亡最重要的調(diào)控因子之一，在鐵死亡的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。GPX4能夠直接降解小分子的過氧化物和大多數(shù)脂質(zhì)過氧化物，抑制細(xì)胞過氧化體系。有研究表明，GPX4能夠?qū)⑦€原型谷胱甘肽(glutathione，GSH)直接轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽(glutathione oxidized，GSSG)，同時能夠把細(xì)胞毒性脂質(zhì)過氧化物還原為無細(xì)胞毒性的醇類物質(zhì)[16]。細(xì)胞中GPX4活性受到抑制時會對鐵死亡更敏感；反之，當(dāng)上調(diào)GPX4的表達(dá)，則細(xì)胞對鐵死亡的發(fā)生會產(chǎn)生過度耐受。隨著蛋白組學(xué)的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)RSL3作為鐵死亡誘導(dǎo)劑，可直接作用于細(xì)胞內(nèi)的GPX4，同時抑制其活性，從而間接降低細(xì)胞的抗氧化能力并積累大量ROS，最終導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[17]。研究發(fā)現(xiàn)，某些化合物如ML162、withaferinA、DPI7、DPI10及化療藥物altretamine，也能夠直接或間接地抑制GPX4活性的表達(dá)，最終誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[18-22]。

上述研究表明，GPX4是細(xì)胞發(fā)生的重要調(diào)節(jié)因子，當(dāng)GPX4的活性受到抑制時，細(xì)胞會更容易發(fā)生鐵死亡。

2.3 脂質(zhì)氧化物和ROS的蓄積是鐵死亡的必要條件脂質(zhì)過氧化是鐵死亡發(fā)生的必要條件。脂質(zhì)過氧化物是鐵死亡發(fā)生的重要調(diào)節(jié)因子，能夠?qū)?xì)胞膜上的磷脂雙分子層造成損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[23]。脂質(zhì)過氧化主要是由芬頓反應(yīng)引起的，其發(fā)生過程是細(xì)胞內(nèi)抑癌基因ROX與多聚不飽和脂肪酸(polyyunsaturated fatty acids，PUFAs)上的丙烯基結(jié)合，發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，將細(xì)胞內(nèi)過量的PUFAs 轉(zhuǎn)化成脂氧化物和過氧化物，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞[24-25]。因此，對胞內(nèi)PUFAs的檢測可能間接反映了脂質(zhì)過氧化的程度和鐵死亡的發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)，PUFAs花生四烯酸(arachidonic，AA)及其衍生物腎上腺素的磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine，PEs)是誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵磷脂，經(jīng)erastin誘導(dǎo)后，細(xì)胞內(nèi)AA和PEs的含量明顯降低[26]。乙酰輔酶A合成酶長鏈家族4(acyl-CoA synthetase long-chain family 4，ACSL4)能夠?qū)A及腎上腺酸(adrenic acid，AdA)酯化為花生四烯酸CoA(AA-CoA及AdA-CoA)，在溶血卵磷脂?；D(zhuǎn)3(lysophosphatidylcholine acyltransferase3，LPCAT3)的作用下將AA-CoA和AdA-CoA結(jié)合于胞膜的磷脂雙分子層上。脂質(zhì)過氧化反應(yīng)形成具有毒性的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，如4-羥基-2-丙烯酸及丙二醛等，能夠?qū)?xì)胞膜上的脂質(zhì)造成不可逆的破壞，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)功能發(fā)生改變，細(xì)胞裂解，最終導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生[27]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) ACSL4 和LPCAT-3在受到抑制劑的抑制時，細(xì)胞鐵死亡的敏感性明顯下降[28-30]。總之，脂氧化物和活性氧的聚集是細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的必要條件，脂氧化物和活性氧濃度的提高能夠增強(qiáng)細(xì)胞對鐵死亡的敏感性。

鐵死亡發(fā)生機(jī)制的相關(guān)研究提示，鐵死亡的發(fā)生受多種信號通路及調(diào)節(jié)因子的調(diào)節(jié)，可針對這些靶點(diǎn)及調(diào)節(jié)因子進(jìn)行藥物的研發(fā)，指導(dǎo)相關(guān)疾病的治療。近年來，基于鐵死亡機(jī)制探討腫瘤防治的相關(guān)研究是學(xué)術(shù)界的熱門話題，但鐵死亡調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞發(fā)生發(fā)展的相關(guān)機(jī)制尚不明確，且鐵死亡檢測的相關(guān)標(biāo)志物也值得進(jìn)一步研究和探討。

3 鐵死亡與結(jié)直腸腫瘤

目前，結(jié)直腸癌的臨床治療方法主要有手術(shù)、化療、靶向治療及免疫治療等。盡管結(jié)直腸腫瘤的治療方式逐漸增多，但由于腫瘤細(xì)胞對化療藥物的耐藥性、腫瘤復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移等，結(jié)直腸腫瘤的生存率仍較低[31-33]，如何解決癌細(xì)胞化療的耐藥性成為癌癥治療的首要問題。細(xì)胞死亡的無效誘導(dǎo)是大多數(shù)化療藥物的共性[34]，而鐵死亡是一種完全不同于細(xì)胞凋亡的新型死亡過程，因此鐵死亡相關(guān)誘導(dǎo)劑作為一種新型藥物協(xié)同化療、免疫治療、靶向治療成為臨床治療結(jié)直腸腫瘤的新策略。此外，中藥具有不良反應(yīng)小、耐藥性低的優(yōu)勢，中藥及其活性成分聯(lián)合現(xiàn)有的治療手段誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的鐵死亡從而抑制腫瘤進(jìn)展也成為了未來的研究趨勢。

3.1 鐵死亡在結(jié)直腸腫瘤化療中的運(yùn)用鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典化療藥物誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡的一種新機(jī)制。治療結(jié)直腸癌的經(jīng)典藥物順鉑能夠誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生，主要通過直接消耗腫瘤細(xì)胞內(nèi)的GSH從而降低GPXs水平，最終誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[35]。此外，當(dāng)鐵蛋白吞噬增加游離水平時，順鉑也可誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[36]。研究表明，在結(jié)直腸癌的治療中，erastin和RSL3等鐵死亡誘導(dǎo)劑能夠通過抑制System Xc-、GPX4增強(qiáng)順鉑的抗腫瘤作用，減輕腫瘤的耐藥性[37-38]。亞甲基苯胺羥肟酸是一種組蛋白去乙?；敢种苿?，也可以通過誘導(dǎo)ROS聚集來增加腫瘤細(xì)胞對順鉑的敏感性[39]。鐵死亡誘導(dǎo)劑 sulfasalazine在結(jié)直腸癌的治療中主要通過抑制System Xc-來協(xié)同增強(qiáng)順鉑的抗癌作用[40]。在廣泛KRAS突變的結(jié)腸腫瘤細(xì)胞中，常因化療藥物的耐藥性而導(dǎo)致療效欠佳，而通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡則可增加化療藥物的療效[41]。有研究表明，在聯(lián)合運(yùn)用β-elemene和西妥昔單抗后結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，并且結(jié)直腸癌細(xì)胞的上皮間質(zhì)化轉(zhuǎn)移(epithelial-mesenchymal transition，EMT)明顯受到抑制[42]。此外，中草藥松根皮提取的活性成分土荊皮乙酸能夠上調(diào)腫瘤細(xì)胞內(nèi)鐵含量，抑制SystemXc-活性，誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。因此，在臨床治療結(jié)直腸癌的過程中，是否可以通過常規(guī)抗腫瘤藥物聯(lián)用中藥及鐵死亡誘導(dǎo)劑降低腫瘤患者對化療藥物的耐藥性，以增強(qiáng)化療藥物抗腫瘤的效果，有待證實(shí)。

3.2 鐵死亡在結(jié)直腸腫瘤免疫治療中的作用免疫治療是近年來腫瘤治療領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，對腫瘤的治療具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞毒性CD8+T細(xì)胞分泌的干擾素(interferon，IFN)能夠抑制SLC7A11基因從而下調(diào)System Xc-的表達(dá)，使腫瘤細(xì)胞發(fā)生脂質(zhì)過氧化，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，從而延緩腫瘤的進(jìn)展[43]。但在一定情況下，INF-γ能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生免疫逃逸。卵巢癌細(xì)胞中的CD8+T細(xì)胞分泌的INF-γ能夠促進(jìn)細(xì)胞程序性死亡-配體1(programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1)的高表達(dá)，幫助腫瘤細(xì)胞發(fā)生免疫，促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展[44]。鐵死亡通過調(diào)節(jié)免疫治療腫瘤具有雙向性[45]，一方面，CD8+T細(xì)胞釋放的IFN-γ能夠使腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，抑制腫瘤的侵襲與進(jìn)展；另一方面，發(fā)生鐵死亡的腫瘤細(xì)胞會產(chǎn)生某些免疫抑制因子如前列腺素E2，幫助鄰近的腫瘤細(xì)胞發(fā)生免疫逃逸以促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。綜上，我們可以通過鐵死亡誘導(dǎo)劑聯(lián)合相關(guān)免疫治療抑制結(jié)直腸腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。

3.3 鐵死亡在結(jié)直腸腫瘤靶向治療中的作用鐵死亡在腫瘤的靶向治療中也扮演著不可或缺的角色，可以通過干擾參與癌癥發(fā)展的靶分子在癌癥的靶向治療中發(fā)揮作用。有研究表明，索拉非尼(Sorafenib)作為一種多激酶抑制劑，既可以直接抑制System Xc-功能，也可以清除細(xì)胞內(nèi)Keap1蛋白，激活Nrf2-SLC7A11信號的表達(dá)，誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[46-47]。納米技術(shù)因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)在腫瘤的治療中受到廣泛關(guān)注，最新研究發(fā)現(xiàn)，納米材料硅酸錳納米氣泡可以清除細(xì)胞內(nèi)的GSH，導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生，且可以抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移[48]，這為治療結(jié)直腸腫瘤向遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移提供了新的治療思路。鐵死亡誘導(dǎo)劑和傳統(tǒng)抗腫瘤藥物的聯(lián)用可以使對化療、免疫治療和其他治療不太敏感的腫瘤患者獲得不錯的療效，為臨床治療結(jié)直腸腫瘤提供了新的治療方向。

4 中藥及其活性成分調(diào)節(jié)鐵死亡

中藥具有不良反應(yīng)少、耐藥性低等優(yōu)勢，中西醫(yī)結(jié)合治療結(jié)直腸癌顯著提高了患者的生存質(zhì)量和存活率，為中西結(jié)合治療相關(guān)疾病作出了很好的典范。但中藥及其活性成分調(diào)節(jié)疾病相關(guān)靶點(diǎn)的研究還處于前期階段，其治療惡性腫瘤的相關(guān)機(jī)制尚不明確，而鐵死亡相關(guān)機(jī)制的提出為中醫(yī)藥治療腫瘤的作用機(jī)制研究提供了合理論證，也為中醫(yī)藥治療腫瘤提供了新的理論指導(dǎo)和方向。有研究發(fā)現(xiàn)，青蒿素衍生物雙氫青蒿素能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞內(nèi)芬頓反應(yīng)的發(fā)生，從而使細(xì)胞內(nèi)ROS、脂質(zhì)聚集，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生，抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展[49]。在結(jié)直腸腫瘤的治療中，中草藥蓽茇能夠通過鐵代謝途徑提高腫瘤細(xì)胞中ROS的水平，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，治療腫瘤[50]。中藥芥蘭具有利水化痰、解毒祛風(fēng)等功效，其化學(xué)成分中的有機(jī)硫化復(fù)合物異硫氰酸鹽，能夠通過增加腫瘤細(xì)胞ROS水平及脂質(zhì)代謝，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，為結(jié)直腸腫瘤的臨床治療提供新的思路和策略[51]。近年來，通過對中醫(yī)藥作用機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，葛根素、淫羊藿、黃芩素、槐耳等也可以通過調(diào)節(jié)鐵死亡輔助腫瘤治療，為臨床治療結(jié)直腸癌提供新的研究方向[52-55]。

通過對鐵死亡相關(guān)分子機(jī)制及其在結(jié)直腸癌中應(yīng)用的了解，可以明確，鐵死亡的發(fā)生發(fā)展在結(jié)直腸癌的治療中扮演著關(guān)鍵角色，廣泛調(diào)控著腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移、治療、抵抗及腫瘤免疫，為臨床治療結(jié)直腸癌提供了新的思路。除臨床常規(guī)西藥放化療外，中醫(yī)藥及其活性成分也能夠調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞內(nèi)ROS水平，調(diào)節(jié)胞內(nèi)脂質(zhì)代謝，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，抑制結(jié)直腸癌的發(fā)生和發(fā)展。中西醫(yī)聯(lián)合治療不僅可以防治癌前病變，降低結(jié)直腸癌患者的發(fā)病率，還能提高療效，減少不良反應(yīng)，降低患者的耐藥性，為臨床治療腫瘤提供了新的策略。

5 結(jié)語與展望

鐵死亡作為近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型細(xì)胞死亡方式，其在形態(tài)學(xué)、藥理學(xué)及遺傳學(xué)表現(xiàn)均與傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式具有明顯的特征性區(qū)別。本文總結(jié)了近年來鐵死亡發(fā)生機(jī)制的研究進(jìn)展并闡述了鐵死亡在結(jié)直腸腫瘤治療中的研究進(jìn)展。自鐵死亡的概念被提出以來，越來越多的數(shù)據(jù)證明了誘導(dǎo)鐵死亡治療腫瘤的潛力，各種鐵死亡誘導(dǎo)劑在治療惡性腫瘤方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。盡管鐵死亡聯(lián)合化療、靶向治療、中醫(yī)治療等在結(jié)直腸腫瘤中的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，但仍有一些挑戰(zhàn)有待克服。鐵死亡的出現(xiàn)，為結(jié)直腸腫瘤的中西醫(yī)結(jié)合臨床治療提供了新思路，且為臨床治療其他惡性腫瘤提供了更多的參考。但中藥調(diào)控鐵死亡的機(jī)制目前還處于探索階段，仍有很多難題亟待解決，如何以中藥及其活性成分調(diào)節(jié)鐵死亡來抑制疾病的發(fā)生發(fā)展，如何基于鐵死亡理論以中醫(yī)藥防治結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展，明確中藥及其復(fù)方的活性成分及其抗腫瘤機(jī)制，突破中醫(yī)藥發(fā)展瓶頸，實(shí)現(xiàn)中西醫(yī)聯(lián)合治療結(jié)直腸癌的現(xiàn)代化、科學(xué)化、國際化等，均可作為今后的研究方向。