鐵死亡與腫瘤及腫瘤耐藥的研究進(jìn)展

張海燕，王 欣，李錦碩，韓麗炘，李澤昊，閆燕艷

（山西大同大學(xué)醫(yī)學(xué)院，山西大同 037009）

1 鐵死亡概述

生物在自身的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)清除自身已經(jīng)破壞或多余的細(xì)胞。在此過(guò)程中，細(xì)胞死亡起著極其重要的作用。不同類型的細(xì)胞死亡通常有不同的機(jī)制。2008年，Yang[1]等研究發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了細(xì)胞內(nèi)的鐵和脂質(zhì)活性氧(reactive oxygen,ROS)與一種新的細(xì)胞死亡形式有關(guān)。2012 年，Dixon[2]等將這種由鐵離子累積及氧化物過(guò)多引起細(xì)胞死亡的方式稱為“鐵死亡”。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是一種非程序性凋亡的細(xì)胞死亡過(guò)程，與典型的細(xì)胞凋亡和自噬機(jī)制不同，它與脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵的代謝有密切的關(guān)系[2]。在鐵死亡中，線粒體作為細(xì)胞中主要累積過(guò)氧化物的細(xì)胞器，形態(tài)結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，體積減小、線粒體嵴消失但膜密度會(huì)增加。鐵死亡與Caspase 家族無(wú)關(guān)，主要受一些基因調(diào)節(jié)，如鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2(iron responsive element binding protein 2,IREB2)等，而鐵螯合劑和抗氧化劑能夠抑制鐵死亡[2]。

2 鐵死亡的調(diào)節(jié)機(jī)制

鐵死亡導(dǎo)致的細(xì)胞死亡方式與細(xì)胞內(nèi)諸多生理過(guò)程，如鐵的代謝、脂質(zhì)過(guò)氧化及其他途徑有密切的聯(lián)系。在細(xì)胞中，ROS含量過(guò)多，細(xì)胞內(nèi)ROS的穩(wěn)態(tài)被破壞，就會(huì)觸發(fā)鐵死亡。與ROS 的含量密切相關(guān)的生化因素如鐵離子的代謝、脂質(zhì)過(guò)氧化以及各種信號(hào)及分子等是調(diào)節(jié)鐵死亡的關(guān)鍵。

2.1 鐵離子的代謝

鐵死亡與鐵的攝取、轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存有很大的關(guān)系。鐵穩(wěn)態(tài)在生物體內(nèi)有嚴(yán)格的調(diào)控機(jī)制。鐵離子一般具有Fe2+和Fe3+兩種氧化形式。鐵調(diào)節(jié)蛋白在起始點(diǎn)能夠調(diào)控鐵的代謝，而細(xì)胞內(nèi)鐵的濃度是決定鐵調(diào)節(jié)蛋白是否表達(dá)的重要因素，鐵與mRNA 結(jié)合來(lái)控制鐵代謝基因的表達(dá)[3]。轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TfR1)在鐵的攝入中將Fe3+轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)，使其被金屬還原酶還原成Fe2+[4]；二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)將Fe2+釋放到胞質(zhì)的不穩(wěn)定鐵池中[5]；同時(shí)，細(xì)胞中的Fe2+也能夠被鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白氧化為Fe3+，最終細(xì)胞內(nèi)的鐵離子濃度會(huì)形成平衡以達(dá)到正?；?。正常條件下，鐵池維持鐵平衡，而病理?xiàng)l件下，細(xì)胞中的Fe2+會(huì)發(fā)生聚集，發(fā)生Fenton[6]反應(yīng)與哈伯-韋斯反應(yīng)，眾多的ROS 會(huì)產(chǎn)生，ROS 破壞細(xì)胞中的DNA 等基本結(jié)構(gòu)，從而殺死細(xì)胞。因此，過(guò)量的鐵離子是產(chǎn)生鐵死亡的重要條件，鐵穩(wěn)態(tài)的相關(guān)因素就是細(xì)胞鐵死亡的潛在靶點(diǎn)。抑癌因子卵巢癌結(jié)構(gòu)域蛋白酶-1(ovarian tumor domain-containing protease-1,OTUD1)能夠調(diào)節(jié)鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2 從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Fe2+聚集，誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[7]。血紅素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)促進(jìn)產(chǎn)生游離的鐵，從而誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡?？傊?，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵相關(guān)蛋白及鐵穩(wěn)態(tài)發(fā)生問(wèn)題時(shí)，細(xì)胞內(nèi)游離的鐵濃度增加，導(dǎo)致細(xì)胞中ROS 升高，誘導(dǎo)鐵死亡[8]。

2.2 脂質(zhì)過(guò)氧化

脂質(zhì)過(guò)氧化作為催化因子促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡。脂質(zhì)過(guò)氧化物屬于ROS，將細(xì)胞內(nèi)DNA 等結(jié)構(gòu)破壞，執(zhí)行細(xì)胞的鐵死亡[9]。脂質(zhì)過(guò)氧化物在細(xì)胞中的過(guò)量積累是細(xì)胞鐵死亡的標(biāo)志，因此，影響脂質(zhì)過(guò)氧化的因子能影響細(xì)胞鐵死亡。具體來(lái)說(shuō)，促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化的因子多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)能促進(jìn)鐵死亡的進(jìn)程；抑制脂質(zhì)過(guò)氧化的因子谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)和半胱氨酸能抑制鐵死亡的進(jìn)程[10]。深入了解不同因子對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化的影響對(duì)了解細(xì)胞鐵死亡具有重要作用。

2.2.1 PUFA加快脂質(zhì)過(guò)氧化，促進(jìn)鐵死亡

細(xì)胞膜的流動(dòng)性對(duì)細(xì)胞能否適應(yīng)環(huán)境有極大的作用，PUFA 含量升高能增強(qiáng)細(xì)胞膜流動(dòng)性，對(duì)細(xì)胞存活有重要作用[11]。PUFA 中存在不穩(wěn)定的雙鍵結(jié)構(gòu)，易與鐵死亡中增加的ROS 觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜的破裂與細(xì)胞死亡。PUFA 含量的不同意味著細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化的速度不同，鐵死亡的劇烈程度也不同。富含花生四烯酸的磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)是激發(fā)細(xì)胞鐵死亡的關(guān)鍵物質(zhì)[12]。細(xì)胞中的長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A 合成酶4 (longchain acyl-CoA synthelase 4,ACSL4)以及溶血卵磷脂?；D(zhuǎn)移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)是脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程中的必需酶，前者參與PE 的合成，后者參與PE 的重塑。這兩種酶缺少時(shí)，PUFA 因PE 的減少而減少，鐵死亡的進(jìn)程將會(huì)減慢[12-13]。因此，在細(xì)胞內(nèi)增加這兩種酶、PE 和PUFA含量增多，能使細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性提高。PUFA的過(guò)氧化反應(yīng)也會(huì)受脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)的催化，減少細(xì)胞內(nèi)LOX 的含量能夠抑制PUFA 的堆積，進(jìn)而抑制鐵死亡[12]。

2.2.2 半胱氨酸抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，抑制鐵死亡

由負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的輕鏈亞基(SLC7A11)與負(fù)責(zé)SLC7A11 胞內(nèi)運(yùn)輸和胞膜表達(dá)的重鏈亞基(SLC3A2)共同構(gòu)成的胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白體(System Xc－)不僅能有效防止物質(zhì)氧化，還以1∶1的比例將胞外胱氨酸攝入和細(xì)胞內(nèi)谷氨酸排出，使胱氨酸還原成半胱氨酸。半胱氨酸等組成的谷胱甘肽(glutathione,GSH)具有抗氧化作用，抑制了ROS的堆積，抑制鐵死亡進(jìn)程[14]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺失控制System Xc－活性的基因SLC7A11 時(shí)，System Xc－受到抑制，GSH 因半胱氨酸的缺少而減少，加快鐵死亡的發(fā)生。鐵死亡促進(jìn)劑愛(ài)拉斯汀(Erastin)能作用于System Xc－，通過(guò)抑制半胱氨酸的還原減少GSH 的含量，進(jìn)而促進(jìn)鐵死亡[2]。除此之外，胞內(nèi)的β-巰基乙醇能夠?qū)㈦装彼徇€原為半胱氨酸，不需要依賴System Xc－，因此，β-巰基乙醇對(duì)鐵死亡起負(fù)性調(diào)節(jié)[14]。在缺失半胱氨酰tRNA 合成酶的細(xì)胞中，蛋氨酸能通過(guò)轉(zhuǎn)硫化過(guò)程直接轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，同樣抑制鐵死亡。

2.2.3 GPX4抑制脂質(zhì)過(guò)氧化物堆積，抑制鐵死亡

GPX4 有極強(qiáng)的抗氧化作用。在鐵死亡中，還原型GSH 在GPX4 的抗氧化作用下被轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽，而ROS 被轉(zhuǎn)化為無(wú)毒醇[14]，ROS 在胞內(nèi)的積累和脂質(zhì)過(guò)氧化減少，抑制了鐵死亡進(jìn)程。抑制GPX4，能夠誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生。GPX4 屬于鐵死亡中的調(diào)節(jié)蛋白，能夠決定鐵死亡的劇烈程度。當(dāng)GPX4基因缺失后，細(xì)胞鐵死亡敏感性會(huì)升高，將減弱對(duì)鐵死亡的抵抗性[15]。

2.3 其他途徑與鐵死亡

鐵死亡機(jī)制還受到核因子E2 相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信號(hào)通路、熱休克蛋白(heat shock proteins,HSP)、硒、能量應(yīng)激等的影響。Nrf2 能維持并調(diào)節(jié)胞內(nèi)氧化還原的穩(wěn)態(tài)，通過(guò)p62-Keap1-Nrf2途徑能加快System Xc－交換氨基酸，GSH 含量增加并還原胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物，抑制鐵死亡[16]。HSP是高度保守的分子伴侶，具有抗氧化等功能，HSPB1(Heat Shock 27kDa Protein 1)可降低細(xì)胞對(duì)鐵的攝入，減少ROS 增加，抑制鐵死亡，前列腺癌細(xì)胞等經(jīng)HSPB1 途徑降低Erastin 的藥效[17]。維持GPX4 活性的元素硒能調(diào)節(jié)GPX4 的活性以及豐度，使GPX4 更有效地與ROS 進(jìn)行反應(yīng)，間接抑制鐵死亡[18]。細(xì)胞處于能量應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，蛋白激酶被激活，胞內(nèi)大量的ATP 被消耗，PUFA 的合成受到抑制，對(duì)鐵死亡負(fù)性調(diào)節(jié)[19]。鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)能抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，抑制ROS聚集，抑制鐵死亡[20]。

3 鐵死亡與腫瘤

鐵死亡在多種腫瘤如肝癌、結(jié)直腸癌、胃癌、肺癌中較常見(jiàn)。腫瘤細(xì)胞可因鐵死亡機(jī)制而死亡，因此，鐵死亡在腫瘤中成為了新的治療方向。

3.1 鐵死亡與肝癌

低密度脂蛋白(low density lipoprotein-docosahexaenoic acid,LDL-DHA)二十二碳六烯酸能引起肝癌細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物增加、GSH 被消耗以及GPX4失活，進(jìn)而誘導(dǎo)鐵死亡在肝癌細(xì)胞中發(fā)生，對(duì)肝癌的發(fā)生和轉(zhuǎn)移具有抑制作用[21]。鐵硫結(jié)構(gòu)域蛋白1(CDGSH iron sulfur domain 1,CISD1)在肝癌細(xì)胞的線粒體內(nèi)減少Fe2+聚集和ROS積累，抑制了鐵死亡的發(fā)生[22]。作為治療肝癌的蛋白激酶抑制劑索拉菲尼(Sorafenib)能夠在肝癌中抑制System Xc－的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，降低細(xì)胞內(nèi)GSH 含量，加速肝癌細(xì)胞鐵死亡；氟哌啶醇(Haloperidol)在肝癌中加劇Fe2+聚集和ROS堆積，增強(qiáng)索拉菲尼和Erastin 的作用，促進(jìn)了鐵死亡在肝癌中發(fā)生[23]。隱丹參酮(Cryptotanshinone)可下調(diào)GPX4 和System Xc－的表達(dá)，增加胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物的堆積，促進(jìn)鐵死亡；而鐵螯合劑能夠緩解隱丹參酮的作用[24]。研究表明，相比于Rb野生型，在體內(nèi)外使用索拉菲尼處理Rb缺失的肝癌細(xì)胞可觀察到細(xì)胞內(nèi)高濃度的線粒體ROS水平，鐵死亡顯著發(fā)生[25]。

3.2 鐵死亡與結(jié)直腸癌

腸道細(xì)胞內(nèi)鐵離子的積累會(huì)導(dǎo)致ROS 過(guò)量聚集，誘導(dǎo)腸道上皮細(xì)胞鐵死亡[26]。鐵死亡誘導(dǎo)劑順鉑能下調(diào)GPX4 的表達(dá)，胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化增加，誘導(dǎo)鐵死亡[27]。患者同時(shí)使用β-欖香烯與西妥昔單抗可誘導(dǎo)鐵死亡，抑制體內(nèi)結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖與轉(zhuǎn)移；維生素C 不僅可以增加結(jié)直腸癌細(xì)胞內(nèi)ROS 的積累而誘導(dǎo)鐵死亡，也能夠與西妥昔單抗聯(lián)用，降低癌細(xì)胞的抗藥性，因此，維生素C 在結(jié)直腸癌的臨床治療中被廣泛認(rèn)可[28]。作為治療結(jié)直腸癌的經(jīng)典藥物5-氟尿嘧啶可以通過(guò)miRNAs 靶向HSPB1，誘導(dǎo)鐵死亡，提高結(jié)直腸癌細(xì)胞的敏感性[29]，增強(qiáng)結(jié)直腸癌的治療效果。

3.3 鐵死亡與胃癌

在胃癌中，Erastin 能降低System Xc－活性以及胱氨酸的轉(zhuǎn)化引起ROS 的積累，損壞DNA 或RNA，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡，半胱氨酸雙加氧酶1(cysteine dioxygenase 1,CDO1)在該過(guò)程中起重要作用。當(dāng)CDO1低表達(dá)或失活后，胞中GSH含量增加，進(jìn)而ROS含量降低，抑制Erastin 所誘導(dǎo)的鐵死亡[30]。轉(zhuǎn)錄因子IPO7 被脂肪分化相關(guān)蛋白(Perilipin2,PLIN2)刺激后，提供細(xì)胞增殖所需能量，提高胃癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡的抵抗力[31]。濟(jì)源冬凌草素A 衍生物a2 可降低胃癌中GPX4 表達(dá)，促進(jìn)鐵死亡，抑制胃癌的增殖[32]。在胃癌中，Circ-0008035 的表達(dá)上調(diào)將促進(jìn)胃癌的增殖，可通過(guò)敲除Circ-0008035 等基因，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵聚集，ROS 升高，誘導(dǎo)鐵死亡，進(jìn)而治療胃癌[33]。腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)的分泌物促進(jìn)腫瘤的增殖和耐藥。CAFs 分泌miR-522，miR-522能與ROS發(fā)生生化反應(yīng)，減少脂質(zhì)中ROS 的聚集，從而負(fù)性調(diào)節(jié)鐵死亡，導(dǎo)致胃癌細(xì)胞對(duì)順鉑和紫杉醇耐藥，是胃癌細(xì)胞獲得耐藥性的一種途徑[34]。CD44蛋白與System Xc－直接作用而影響ROS 的產(chǎn)生與積累進(jìn)而影響鐵死亡，因此可通過(guò)CD44的靶點(diǎn)藥物治療胃癌[35]。

3.4 鐵死亡與肺癌

在肺癌治療中，順鉑引發(fā)腫瘤細(xì)胞內(nèi)GPX4 失活，促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化，ROS 含量升高，促進(jìn)鐵死亡。柳氮磺胺嘧啶(Sulfasalazine)作為一種免疫抑制藥能明顯降低肺癌中GSH 水平，促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡，抑制細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移[36]。他汀類藥物能夠阻斷甲羥戊酸途徑，間接使GPX4 含量降低，進(jìn)而提高肺癌對(duì)鐵死亡的敏感度[37]。鐵基材料能夠在肺癌內(nèi)釋放Fe2+并引發(fā)Fe2+與ROS 的聚集，促進(jìn)鐵死亡，其毒副作用也較順鉑等更小[38]。氧化鐵納米顆粒Ferumoxytol在臨床上不僅能夠治療缺鐵性貧血，也能夠抑制早期腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移[39]。

4 鐵死亡與腫瘤耐藥

鐵死亡與腫瘤耐藥有密切的聯(lián)系。腫瘤細(xì)胞通過(guò)不同機(jī)制使胞內(nèi)GSH升高，鐵蓄積減少，抑制ROS產(chǎn)生，進(jìn)而發(fā)生耐藥[40]?？寡趸瘧?yīng)激通路Nrf2-ARE中Nrf2 過(guò)度激活與腫瘤耐藥有關(guān)。肝癌患者長(zhǎng)期使用索拉菲尼后，激活Nrf2 通路，促進(jìn)金屬硫蛋白1G(metallo-thionein-1G,MT-1G)表達(dá)，抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，抑制鐵死亡，導(dǎo)致索拉菲尼耐藥[41]。Keap1-Nrf2通路可調(diào)控System Xc－亞基SLC7A11 表達(dá)，胞內(nèi)GSH 含量升高，ROS 減少，抑制鐵死亡[16]。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆?？梢种艷SH 合成，促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化，誘導(dǎo)鐵死亡[39]，所以降低腫瘤細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的耐受能力，將是治療腫瘤耐藥性的新方向。長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,IncRNA)P53RRA 可通過(guò)調(diào)控抑癌因子P53 表達(dá)，介導(dǎo)腫瘤耐藥[42]。位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的熱休克蛋白A5(HSPA5)可與GPX4 結(jié)合并穩(wěn)定，抑制了胞內(nèi)ROS 的增加，進(jìn)而抑制鐵死亡[43]。同時(shí)，鐵死亡的調(diào)控機(jī)制也可通過(guò)生物過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，如鐵、FUDA 和GSH 代謝，進(jìn)而下調(diào)腫瘤細(xì)胞的耐藥性，誘導(dǎo)鐵死亡。

鐵死亡是不受腫瘤細(xì)胞耐藥機(jī)制調(diào)控的致細(xì)胞死亡的途徑，研究與鐵死亡相關(guān)途徑的機(jī)制，有助于臨床抗癌藥物的開(kāi)發(fā)與研制；在臨床上，鐵死亡已成為治療腫瘤的熱門(mén)領(lǐng)域，相關(guān)藥物如Erastin等的認(rèn)可與應(yīng)用，大大提高了治療效果（表1）。在未來(lái)，鐵死亡將在癌癥治療中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

表1 與鐵死亡途徑有關(guān)藥物及其抗癌應(yīng)用

5 展望與小結(jié)

目前，鐵死亡是新的臨床治療方向，在腫瘤治療中受到越來(lái)越多的關(guān)注。盡管鐵死亡的研究日益增加，但還存在一些問(wèn)題：①還需要進(jìn)一步探索與了解鐵死亡未知的發(fā)生和調(diào)節(jié)機(jī)制；②臨床治療上，抗腫瘤藥物的缺點(diǎn)還有很多，研究新型的藥物已迫在眉睫，降低和解決腫瘤細(xì)胞的耐藥性也是一個(gè)重要的問(wèn)題；③不同組織細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性不同，如何將鐵死亡正確應(yīng)用于治療腫瘤中也是重要的研究方向；④不同抗腫瘤藥物在腫瘤治療過(guò)程中常聯(lián)合用藥，但藥物的拮抗或協(xié)同作用尚不明確，仍需大量理論研究支撐。