章磊 黎承軍 解瑞 崔恩寧
【關(guān)鍵字】 骨肉瘤;鐵死亡;磷脂氫過氧化物谷胱甘肽過氧化物酶;給藥系統(tǒng);分子靶向治療;綜述
骨肉瘤是一種具有高度侵襲性及轉(zhuǎn)移性的惡性骨腫瘤,在青少年及兒童中發(fā)生率不少于 70%,腫瘤好發(fā)部位常見于長骨的干骺端。15%~20% 的患者在明確診斷時,已存在肉眼可見的轉(zhuǎn)移病灶,其中最常見于肺轉(zhuǎn)移[1]。骨肉瘤治療的標(biāo)準(zhǔn)化方案已在臨床上廣泛應(yīng)用。新輔助化療、手術(shù)、術(shù)后放化療及靶向治療等序貫治療手段改善了骨肉瘤患者的生存質(zhì)量及預(yù)后,非轉(zhuǎn)移骨肉瘤患者5 年生存率約為 60%~75%[2-3]。發(fā)生轉(zhuǎn)移的患者 5 年生存率仍不到 20%[4]。骨肉瘤一線化療藥物主要包括阿霉素 (ADR)、順鉑 (DDP)、甲氨蝶呤 (MTX)、異環(huán)磷酰胺(IFO)、表阿霉素 (EPI) 等[5]。受限于化療藥物的毒副作用及耐藥性,大部分患者被迫中斷治療。作為一種新型非凋亡細(xì)胞程序性死亡方式,鐵死亡已被證實在誘導(dǎo)多種腫瘤細(xì)胞死亡中發(fā)揮的重要作用,如腎癌[6]、肺癌[7]和肝癌[8]等。多數(shù)化療藥物主要通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡發(fā)揮抗腫瘤作用,但腫瘤細(xì)胞易出現(xiàn)藥物耐受。鐵死亡誘導(dǎo)劑能增強(qiáng)化療藥物如順鉑、阿糖胞苷、阿霉素等對耐藥腫瘤細(xì)胞的敏感性[9-10]。這些證據(jù)表明,鐵死亡機(jī)制研究在癌癥治療策略中具有巨大潛力,或許能為骨肉瘤患者的治療帶來新方向 (表 1)。
鐵死亡是鐵依賴性磷脂過氧化作用驅(qū)動的一種獨(dú)特的細(xì)胞死亡方式?!拌F死亡”最早由 Stockwell 等[11]學(xué)者提出。鐵死亡誘導(dǎo)劑 (erastin、RSL3 和 RSL5) 誘導(dǎo)細(xì)胞死亡時并沒有表現(xiàn)出凋亡的特征,而鐵的螯合物 (去鐵胺) 和抗氧化物 (維生素 E) 可以逆轉(zhuǎn)細(xì)胞死亡進(jìn)程[12-13]。區(qū)別于細(xì)胞凋亡、壞死及自噬等傳統(tǒng)細(xì)胞程序性死亡模式,形態(tài)學(xué)上,發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞呈圓形,線粒體體積縮小,線粒體嵴減少或消失,外層線粒體膜破裂,無核濃縮或染色質(zhì)凝集[13]。且鐵死亡具有獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制,目前,細(xì)胞內(nèi)亞鐵離子濃度超載、谷胱甘肽過氧化物酶 4 (glutathione peroxidase,GPX4) 失活和脂質(zhì) ROS 集聚被認(rèn)為是影響鐵死亡的三個重要生物學(xué)特征[11,14]。誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡的脂質(zhì)ROS 來源主要包括細(xì)胞內(nèi) GPX4 途徑中 GPX4 的失活導(dǎo)致脂質(zhì) ROS 清除減少,花生四烯酸及其它來源的多不飽和脂肪酸 (PUFAs) 通過脂代謝途徑生成脂質(zhì) ROS 增多[15],另外,鐵代謝途徑中二價金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體 (DMT-1) 將 Fe3+還原為 Fe2+,參與電化學(xué)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生的羥自由基與細(xì)胞膜、質(zhì)膜中的多不飽和脂肪酸反應(yīng)生成脂質(zhì) ROS[16]。細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì) ROS 的清除主要由 GPX4 參與完成,一旦 GPX4 的合成減少或失活,脂質(zhì) ROS 的產(chǎn)生和清除出現(xiàn)失衡會造成細(xì)胞的損傷或死亡[17](圖 1)。
表1 骨肉瘤中鐵死亡相關(guān)機(jī)制研究Tab.1 Study on the mechanism of ferroptosis in osteosarcoma
1.GPX4 的失活或耗竭:GPX4 是谷胱甘肽過氧化物酶家族成員之一,具有特異性降解細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化物的能力。它可催化還原型谷胱甘肽 (glutathione,GSH) 轉(zhuǎn)化為氧化型谷胱甘肽 (glutathione oxidized,GSSG),并將有毒的脂質(zhì)過氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的類脂醇,避免細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物蓄積造成細(xì)胞過氧化性損傷[18]。作為鐵死亡機(jī)制中重要的調(diào)控靶點(diǎn),GPX4 低表達(dá)能增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對鐵死亡敏感性,GPX4 高表達(dá)則表現(xiàn)出鐵死亡的抑制效應(yīng)[19]。鐵死亡誘導(dǎo)劑 RSL3 及 FIN56 等能直接作用于 GPX4,GPX4 的失活或耗竭引發(fā)脂質(zhì) ROS 集聚從而促使細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[20-21]。相關(guān)研究已證實通過抑制 GPX4 的活性或合成可以抑制骨肉瘤細(xì)胞增殖。Lv 的研究報道了異硫氰酸苯乙酯 (phenethyl isothiocyanate,PEITC) 可誘導(dǎo) K7M2 骨肉瘤細(xì)胞發(fā)生多種形式的細(xì)胞死亡,包括鐵死亡、自噬和細(xì)胞凋亡,其機(jī)制與 GSH 耗竭、鐵代謝改變、ROS 產(chǎn)生和 MAPK 信號通路激活有關(guān)[22]。Lin 的研究發(fā)現(xiàn)姜黃素類似物 (EF24) 可顯著增加骨肉瘤細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物水平、鐵濃度和 ROS 水平。EF24 通過調(diào)節(jié) HMOX1 抑制GPX4 的表達(dá)誘導(dǎo)骨肉瘤細(xì)胞的死亡,這一過程可被鐵死亡抑制劑 Ferrostatin-1 所阻斷[23]。此外,Wen 等[24]的研究發(fā)現(xiàn)黃芩苷 (Baicalin) 通過 Nrf2/ SLC7A11/ GPX4 軸調(diào)控骨肉瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡從而發(fā)揮抗腫瘤活性。
2.SLC7A11 的調(diào)控:細(xì)胞膜上存在胱氨酸/ 谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 System Xc-,由輕鏈亞基 SLC7A11 和重鏈亞基 SLC3A2 組成并通過共價二硫鍵連接,是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化系統(tǒng)。其輕鏈亞基 SLC7A11 具有轉(zhuǎn)運(yùn)活性,主要維持細(xì)胞胱氨酸攝入和谷氨酸排出的平衡,胱氨酸在細(xì)胞內(nèi)被還原為半胱氨酸,在 GSH 合成酶參與下合成GSH[25]。作為 GPX4 的還原底物,GSH 是 GPX4 發(fā)揮抗氧化所必需的輔助因子。Erastin、p53 及索拉非尼通過抑制System Xc-后引起細(xì)胞內(nèi)胱氨酸缺乏及 GSH 合成減少,間接失活 GPX4 從而促使腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[26-28]。SLC7A11高表達(dá)增加胱氨酸的攝取,GSH 合成增多后抑制腫瘤細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激超載和鐵死亡。因此,SLC7A11 被認(rèn)為是調(diào)節(jié)鐵死亡的關(guān)鍵蛋白[29]。有研究發(fā)現(xiàn) LncRNA SNHG14在 nutlin3a 耐藥的骨肉瘤細(xì)胞系 NR-SJSA1 中顯著上調(diào),敲除 LncRNA SNHG14 后出現(xiàn)耐藥性的逆轉(zhuǎn)和鐵死亡的激活。機(jī)制上,LncRNA SNHG14 能靶向調(diào)控 miR-206/SLC7A11 軸抑制 NR-SJSA1 細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。LncRNA SNHG14 或許能作為降低骨肉瘤化療耐藥的理想靶點(diǎn)[30]。組蛋白去甲基化酶 (KDM4A) 的表達(dá)與骨肉瘤患者預(yù)后有關(guān)。實驗發(fā)現(xiàn) KDM4A 通過控制 SLC7A11 啟動子區(qū)H3K9me3 去甲基化調(diào)節(jié) SLC7A11 轉(zhuǎn)錄,靶向抑制 KDM4A的表達(dá)顯著促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞鐵死亡,增強(qiáng)順鉑應(yīng)答并降低體外遷移能力[31]。Luo 等[32]的研究指出補(bǔ)骨脂二氫黃酮(Bavachin) 具有抑制 MG63 和 HOS 骨肉瘤細(xì)胞系的活性。Bavachin 通過 STAT3/ p53/ SLC7A11 軸調(diào)控骨肉瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,鐵螯合劑、抗氧化劑和鐵死亡抑制劑可逆轉(zhuǎn)Bavachin 誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。同樣,Shi 等[33]的研究證實替拉扎明 (Tirapazamine) 能夠抑制骨肉瘤細(xì)胞的增殖與遷移及下調(diào) SLC7A11 和 GPX4 的表達(dá)有關(guān)。
3.鐵代謝:腫瘤微環(huán)境中過量的 Fe2+會與過氧化氫 (H2O2) 發(fā)生 Fenton 反應(yīng),生成毒性極強(qiáng)的羥基自由基誘發(fā)鐵死亡[34]。循環(huán)中的鐵離子 (Fe3+) 與轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin,Tf) 形成 Tf-Fe3+復(fù)合物。轉(zhuǎn)鐵蛋白與細(xì)胞膜表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體 1 ((transferrin receptor1,TFR1) 結(jié)合并介導(dǎo) Tf-Fe3+復(fù)合物的內(nèi)吞[35]。在內(nèi)涵體中利用鐵氧還原酶 Steap3 將 Fe3+還原為 Fe2+,內(nèi)涵體膜上的二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體 1 (DMT1) 將 Fe2+釋放到胞質(zhì)中不穩(wěn)定的鐵池(LIP) 參與代謝,過量的 Fe2+以鐵蛋白的形式儲存[36]。鐵代謝導(dǎo)致不穩(wěn)定鐵池容量的變化影響鐵死亡進(jìn)程并受相關(guān)蛋白及基因的調(diào)控,研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白 2(IREB2)、核因子紅細(xì)胞 2 相關(guān)因子 2 (Nrf2) 及膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin,F(xiàn)PN) 的表達(dá)在腫瘤細(xì)胞鐵死亡機(jī)制中發(fā)揮重要作用[37-39]。轉(zhuǎn)鐵蛋白受體基因沉默和鐵螯合劑可以消除由 erastin 或半胱氨酸減少引起的鐵死亡。而補(bǔ)充鐵結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白或檸檬酸鐵銨能增強(qiáng) erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡[40-41]。Isani 等[42]發(fā)現(xiàn)青蒿素處理骨肉瘤細(xì)胞組與對照組相比,細(xì)胞內(nèi)鐵濃度顯著降低,骨肉瘤細(xì)胞出現(xiàn)鐵死亡的形態(tài)學(xué)變化,并推測這可能與刺激細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵池的釋放引發(fā)鐵死亡有關(guān)。Tang 等[43]發(fā)現(xiàn)熊果酸 (ursolic acid,UA) 通過激活鐵蛋白降解,誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)亞鐵離子超載和脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)骨肉瘤細(xì)胞鐵死亡。此外,UA 還增強(qiáng)順鉑對骨肉瘤細(xì)胞的 DNA 損傷作用。
得益于現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)及分子靶向技術(shù)的快速發(fā)展,抗腫瘤藥物傳遞的納米給藥系統(tǒng) (nanoparticle drug delivery system,NDDS) 具有實現(xiàn)藥物的腫瘤靶向遞送與釋放、改善藥物的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)性能以及協(xié)助藥物克服腫瘤細(xì)胞耐藥機(jī)制等顯著優(yōu)勢[44-45]。運(yùn)用鐵死亡機(jī)制與生物納米技術(shù)相結(jié)合表現(xiàn)出高效的抗腫瘤活性受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[46-47]。目前,NDDS 結(jié)合鐵死亡機(jī)制在骨肉瘤中研究方向主要包括如何增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞內(nèi) Fenton 反應(yīng)以及抑制GPX4 在腫瘤細(xì)胞中的合成及活性表達(dá),旨在靶向調(diào)控細(xì)胞內(nèi) ROS 和脂質(zhì)過氧化水平誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。
1.增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞內(nèi) Fenton 反應(yīng):近年來,基于納米載體靶向觸發(fā)腫瘤細(xì)胞發(fā)生 Fenton 反應(yīng)的相關(guān)研究取得了長足的發(fā)展,調(diào)控腫瘤細(xì)胞鐵死亡可能成為腫瘤治療的新手段。Fu 的研究小組將阿霉素與高鐵酸鹽以二氧化硅納米平臺進(jìn)行整合,然后摻入正二十一烷 (HE) 和聚乙二醇 (PEG) 鏈,合成了一種低劑量超聲響應(yīng)性納米藥物[DOX-Fe (VI) @ HMS-HE-PEG]。旨在克服實體腫瘤因缺氧出現(xiàn)的化療抗性,并通過致敏腫瘤細(xì)胞的凋亡和鐵死亡來抑制腫瘤生長。體內(nèi)外實驗結(jié)果表明高鐵酸鹽與水以及腫瘤細(xì)胞中過表達(dá)的過氧化氫和谷胱甘肽反應(yīng),實現(xiàn)了不依賴于腫瘤微環(huán)境的復(fù)氧和 GSH 耗竭,增強(qiáng)了阿霉素誘導(dǎo)凋亡化療的敏感性。GSH 耗竭使 GPX4 失活及外源性鐵代謝啟動了腫瘤細(xì)胞內(nèi) Fenton 反應(yīng),導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。增敏化療與誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡對骨肉瘤的生長抑制起協(xié)同作用[48]。Liu 的團(tuán)隊設(shè)計了一種鐵供給再生的納米顆粒能干預(yù)腫瘤鐵代謝以調(diào)控鐵死亡的發(fā)生,F(xiàn)e3+離子和天然單寧酸 (TA) 在索拉非尼 (SRF) 納米核上自發(fā)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所形成的 SRF @ FeIIITA 納米顆粒在溶酶體中發(fā)生電暈解離,SRF 的釋放可以抑制 GPX4 的活性,TA 能將 Fe3+還原為 Fe2+,持續(xù)供應(yīng) Fe2+維持 Fenton 反應(yīng)誘發(fā)鐵死亡從而抑制腫瘤生長[49]。SRF 具有強(qiáng)效的鐵死亡誘導(dǎo)作用與其激酶抑制作用無關(guān)。SRF 也是首個作為抗血管生成藥物在骨肉瘤使用的靶向藥物。設(shè)計運(yùn)載含 SRF 的納米顆粒在骨肉瘤中誘導(dǎo)鐵死亡及抑制酪氨酸激酶發(fā)揮協(xié)同作用機(jī)制及改善耐藥等問題需作進(jìn)一步研究。
2.調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞中 GPX4 的活性:目前,各種 GPX4失活策略包括基因轉(zhuǎn)染、基因敲除及納米靶向藥物用于促進(jìn)腫瘤鐵死亡的研究。有研究發(fā)現(xiàn) miR-1287-5p 能直接結(jié)合到 GPX4 基因的 3’-非翻譯區(qū)域,抑制其蛋白水平和活性,過表達(dá) miR-1287-5p 可顯著誘導(dǎo)骨肉瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[50]。Yang 等[51]用 erastin 處理人纖維肉瘤HT-1080 細(xì)胞及人 U-2 OS 骨肉瘤細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中 GSH顯著降低,利用 RNA 干擾介導(dǎo) GPX4 敲除能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。Wang 等[52]的研究合成了一種基于富含精氨酸的硅酸錳納米氣泡 (AMSNs) 的鐵死亡誘導(dǎo)劑,以精氨酸作為 AMSNs 的表面配體用于腫瘤靶向給藥,利用硅酸錳與谷胱甘肽的氧化還原反應(yīng)使其具備高效的 GSH 耗竭能力,失活 GPX4 并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡以達(dá)到抑制腫瘤的作用。此外,在 GSH 耗竭過程中,AMSNs 的降解加強(qiáng)了 MRI T1加權(quán)像的成像效果并與抗腫瘤化療藥物按需釋放具有協(xié)同作用。He 等[53]設(shè)計了負(fù)載順鉑的砷納米片 (Her2-ANs @ CDDP),它能夠被腫瘤細(xì)胞選擇性攝取。Her2-ANs @ CDDP 能有效耗盡骨肉瘤細(xì)胞內(nèi)的 GSH,通過抑制 GPX4 來誘導(dǎo)鐵死亡并恢復(fù)耐藥細(xì)胞對順鉑的敏感性。
化療仍是骨肉瘤非手術(shù)治療的主要手段,但化療藥物的毒副反應(yīng)及易產(chǎn)生耐藥性限制了其臨床長期使用。多項研究表明,增強(qiáng)鐵死亡機(jī)制可以作為降低腫瘤細(xì)胞耐藥的方法[54-55]。mir-1287-5p 能促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,此外,mir-1287-5p mimic 還能改善耐藥人骨肉瘤細(xì)胞對順鉑的敏感性[50]。腫瘤細(xì)胞經(jīng)鉑類藥物處理后,細(xì)胞內(nèi)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADPH) 氧化酶被激活,催化 NADPH 為 NADP+并釋放電子與氧分子結(jié)合產(chǎn)生 O2-,O2-在超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase,SOD) 作用下生成 H2O2可作為 Fenton 反應(yīng)的試劑,這也使得鉑類藥物與鐵死亡機(jī)制能夠發(fā)揮協(xié)同作用[56-57]。Liu 的研究發(fā)現(xiàn)STAT3/ Nrf2 信號通路的激活是導(dǎo)致骨肉瘤細(xì)胞出現(xiàn)順鉑耐藥性的原因,其通過增加 GPX4 活性抑制鐵死亡,鐵死亡激動劑和 STAT3 抑制劑能顯著增加耐順鉑骨肉瘤細(xì)胞對順鉑的敏感性[58]。
聲動力學(xué)治療 (soundodynamic therapy,SDT)、光動力學(xué)療法 (photodynamic therapy,PDT) 等新型非侵入性治療手段的研究或許在將來能成為骨肉瘤傳統(tǒng)治療方式的有效補(bǔ)充。Geng 等[59]的團(tuán)隊報道了一種超聲增敏劑 W-TiO2納米棒,在腫瘤細(xì)胞中發(fā)揮類 Fenton 反應(yīng)活性及 GSH 耗竭的能力。單次超聲照射下 W-TiO2納米棒具有增強(qiáng)骨肉瘤模型中腫瘤的清除能力且沒有顯著的毒性反應(yīng)。由于缺乏有效的靶向光敏劑,使得 PDT 在臨床上的應(yīng)用受到限制,Wang 等[60]的團(tuán)隊合成了以 HOS 細(xì)胞系人骨肉瘤細(xì)胞膜包被具有同源靶向性的納米顆粒 (MH-PLGA-IR780),能促進(jìn)細(xì)胞的內(nèi)吞和腫瘤內(nèi)的聚集。在近紅外照射下誘導(dǎo)HOS 細(xì)胞發(fā)生凋亡及鐵死亡。Zhan 等[61]的研究指出 YAP相關(guān)蛋白敲除聯(lián)合鐵死亡可以顯著提高焦脫鎂葉綠酸-α 甲酯介導(dǎo)的光動力療法 (MPPa-PDT) 治療骨肉瘤的療效,為骨肉瘤的治療提供了一種新的方法。
本綜述介紹了近年來鐵死亡在骨肉瘤中的相關(guān)機(jī)制研究,通過調(diào)控相關(guān)基因及蛋白誘導(dǎo) GPX4 的失活,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)亞鐵離子濃度啟動 Fenton 反應(yīng)等手段以期促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。多種藥物成分和生物活性分子可以通過誘導(dǎo)鐵死亡有效抑制骨肉瘤的進(jìn)展,其中一些天然植物或中藥的提取物表現(xiàn)出抗腫瘤效果好、毒性低、副作用少等優(yōu)點(diǎn)?;熌退幮允前ü侨饬鲈趦?nèi)的許多癌癥預(yù)后不良的主要原因。ROS 介導(dǎo)的氧化還原穩(wěn)態(tài)的破壞作為關(guān)鍵因素之一,鐵死亡能導(dǎo)致 ROS 超載,破壞氧化還原穩(wěn)態(tài)從而提高腫瘤細(xì)胞對特定化療藥物的敏感性。作為一種新的治療靶點(diǎn),納米運(yùn)載系統(tǒng)的制備為運(yùn)輸抗腫瘤藥物靶向誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡提供了可能。因此,通過促進(jìn)鐵死亡能夠作為抑制骨肉瘤進(jìn)展、降低化療耐藥的有效方法,在腫瘤生物學(xué)和抗腫瘤治療領(lǐng)域表現(xiàn)出重要研究價值。然而現(xiàn)有的研究還存在一些不足,如鐵死亡的分子機(jī)制研究主要集中在 System Xc-/ GSH/ GPX4 軸上,鐵代謝及脂質(zhì)代謝途徑的研究較少。鐵死亡在骨肉瘤復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移及預(yù)后等機(jī)制還不明確。中藥提取物或納米運(yùn)載藥物的研制暫局限于細(xì)胞或?qū)嶒瀯游铮浒踩栽u價及臨床應(yīng)用還需作進(jìn)一步探索。未來,隨著鐵死亡的研究更加深入,聯(lián)合化療、中藥治療、免疫治療及納米藥物靶向治療等多途徑療法或許能成為治療骨肉瘤的有效策略。