腫瘤微環(huán)境中的靶向鐵死亡研究

韓 旭,謝曜鴻,樸金花

(佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154000)

鐵死亡作為一種新定義的細(xì)胞程序性死亡形式,其特征在于脂質(zhì)過氧化物(lipid peroxides,LPO)以鐵依賴性方式積累到致死水平。近年來鐵死亡已被證明可以有效殺死各種癌細(xì)胞,在影響癌細(xì)胞對鐵死亡的敏感性方面取得了進(jìn)展。抑制System Xc-或谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)是誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生的經(jīng)典途徑,并且在多種研究中發(fā)現(xiàn)可以有效殺死耐藥癌細(xì)胞。同時有研究探索TME中的免疫細(xì)胞是如何適應(yīng)致命的LPO。TME是一個促進(jìn)鐵死亡發(fā)生的環(huán)境,具有脂肪酸、氧化還原應(yīng)激、胱氨酸競爭和其他促鐵死亡發(fā)生因素。闡明免疫細(xì)胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑處理后發(fā)生的不同反應(yīng)以及腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞之間基于鐵死亡的復(fù)雜串?dāng)_,通過利用TME的鐵死亡的發(fā)生可能為癌癥的治療提供新思路。

1 TME的鐵死亡概述

鐵死亡是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡的非凋亡形式,在癌癥和多種退行性疾病中起重要作用[1]。鐵死亡特征是由鐵催化的多不飽和脂肪酸磷脂(PUFA-PL)和細(xì)胞膜中的過氧化物積累到致死水平[2]。鐵死亡主要是由于GPX4的生物活性降低,LPO和活性氧(ROS)水平升高導(dǎo)致的。LPO可以增加細(xì)胞膜的通透性并誘導(dǎo)其發(fā)生破裂,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[3]。GPX4是體內(nèi)環(huán)境中主要的還原酶,使用還原型谷胱甘肽作為底物來減少LPO。在鐵死亡主要過程中,細(xì)胞通過System Xc-系統(tǒng)攝入胞外胱氨酸交換胞內(nèi)谷氨酸,System Xc-是一種由SLC7A11和SLC3A2組成的反轉(zhuǎn)運蛋白。胱氨酸進(jìn)入胞內(nèi)會迅速還原,生成用于谷胱甘肽生物合成的半胱氨酸[4]。攝入的胱氨酸經(jīng)歷一系列反應(yīng),從而用于合成谷胱甘肽,同時維持GPX4活性。此外,鐵死亡抑制蛋白1(FSP1)和GTP環(huán)水解酶1(GCH1)生成一些內(nèi)源性抗氧化劑,包括還原型輔酶Q10(CoQ10)(泛醇)和四氫生物蝶呤(BH4),并且具有減少LPO生成的能力[5]。

TME中包括癌細(xì)胞和免疫細(xì)胞,其中免疫細(xì)胞包括T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、髓源性抑制細(xì)胞(MDSC)、樹突狀細(xì)胞(DC)、B細(xì)胞和自然殺傷(NK)細(xì)胞。研究表明,TME中的免疫細(xì)胞(如DC、T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)具有與癌細(xì)胞相似的生長信號和代謝特性。這種特性重疊使得免疫細(xì)胞難以在不影響抗腫瘤免疫的情況下治療腫瘤[10],因此鐵死亡誘導(dǎo)劑也會引起TME中免疫細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化發(fā)生,影響其功能和活力(見圖1)。腫瘤的免疫治療是臨床研究的潛力方向之一,近年來腫瘤細(xì)胞關(guān)于鐵死亡的研究增多,由于TME是免疫治療發(fā)生的重要場所,因此研究TME中鐵死亡發(fā)生也是一種有潛力的治療方法。

圖1 多種免疫細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中對鐵死亡的敏感性

2 TME中鐵死亡在腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞的串?dāng)_作用

2.1 抗腫瘤T細(xì)胞對鐵死亡敏感T細(xì)胞是抗腫瘤免疫的關(guān)鍵細(xì)胞之一,有研究表明來源于腫瘤的CD8+T細(xì)胞中可以檢測到大量非來源淋巴結(jié)的LPO,共培養(yǎng)T細(xì)胞受體(TCR)轉(zhuǎn)基因CD8+T細(xì)胞和表達(dá)抗原的癌細(xì)胞相比,發(fā)現(xiàn)活化的CD8+T細(xì)胞對GPX4抑制劑更敏感。在沒有影響癌細(xì)胞存活率的前提下,GPX4抑制劑降低了特異性殺傷率和CD8+T細(xì)胞的數(shù)量,且傳統(tǒng)CD4+T細(xì)胞(Tconv)對GPX4抑制劑的敏感性與活化后的CD8+T細(xì)胞相似[16]。

近年來,有關(guān)對T細(xì)胞影響腫瘤細(xì)胞鐵死亡敏感性的機(jī)制研究較少,但有研究證實了?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)在誘導(dǎo)活化的CD8+T細(xì)胞對鐵死亡的敏感性中起關(guān)鍵作用。ACSL4的缺失已被證明可潛在預(yù)防GPX4抑制劑在這些細(xì)胞中誘導(dǎo)的鐵死亡。進(jìn)一步說明表達(dá)脂肪酸轉(zhuǎn)位酶CD36的CD8+T細(xì)胞經(jīng)歷了鐵死亡,并在具有豐富脂肪酸或氧化脂質(zhì)的TME中產(chǎn)生較低的干擾素γ (IFNγ)水平。

據(jù)報道,在脂肪酸或氧化脂質(zhì)誘導(dǎo)的鐵死亡中,CD36的表達(dá)是所必需的,并在體內(nèi)外產(chǎn)生細(xì)胞毒性細(xì)胞因子從而發(fā)揮抗腫瘤功能[17]。有文獻(xiàn)證明:(1)由于脂肪酸轉(zhuǎn)位酶CD36的表達(dá),活化的CD8+T細(xì)胞,產(chǎn)生大量的LPO,并且對GPX4抑制劑誘導(dǎo)的鐵死亡敏感。(2)在抑制System Xc-時,TME中的CD8+T細(xì)胞依賴于由丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸偏好(ASC)轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運的外源半胱氨酸存活。(3)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)通過TCR/CD28共刺激,然后激活誘導(dǎo)GPX4的表達(dá),Treg中GPX4的缺失導(dǎo)致鐵死亡,同時促進(jìn)IL-1β的產(chǎn)生從而增強(qiáng)抗腫瘤免疫。(4)由于高水平的誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和一氧化氮自由基(NO·)的產(chǎn)生,M1腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)對GPX4缺失誘導(dǎo)的鐵死亡具有高度抗性。靶向System Xc-可降低TAM的存活率,因為iNOS依賴性NO·產(chǎn)生必需胱氨酸。由于iNOS的表達(dá)受到抑制,M2樣腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞可被鐵死亡誘導(dǎo)劑殺死或復(fù)極化為M1表型。(5)MDSC選擇性地積累花生四烯酸酯(AA)-酯化甘油三酯(AA-TAGs)和前列腺素E2 (PGE2),但不積累含花生四烯酸的LPO,有助于抵抗鐵死亡發(fā)生。MDSC表現(xiàn)出對鐵死亡的抵抗力,表達(dá)出高水平的System Xc-,對胱氨酸具有強(qiáng)攝取能力,但由于缺乏ASC轉(zhuǎn)運蛋白,并不轉(zhuǎn)運半胱氨酸。(6)TME中的NK細(xì)胞表現(xiàn)出參與脂質(zhì)過氧化的蛋白表達(dá)增加,并有與鐵死亡細(xì)胞相似的形態(tài)。氧化應(yīng)激的發(fā)生抑制了NK細(xì)胞的葡萄糖代謝,導(dǎo)致其在TME中的功能缺失。靶向GPX4或System Xc-可通過誘導(dǎo)4-羥基壬烯醛(4-HNE)和脂質(zhì)氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生來減少幼稚樹突狀細(xì)胞的成熟并削弱正常的樹突狀細(xì)胞功能。

2.2 GPX4防止鐵死亡以維持活化的調(diào)節(jié)T細(xì)胞存活Treg對于維持免疫細(xì)胞的自我耐受和穩(wěn)態(tài)非常重要,腫瘤免疫治療的主要阻礙之一是Treg介導(dǎo)的免疫抑制。同時Treg是CD4+T細(xì)胞的一部分,可抑制抗腫瘤免疫。與腫瘤特異性CD8+T細(xì)胞相比,腫瘤衍生的Treg顯示少量的LPO,表明TME中很少有Treg發(fā)生鐵死亡。這可能是因為Treg在TCR/CD28共刺激激活,然后迅速誘導(dǎo)GPX4表達(dá)。GPX4可以保護(hù)活化的Treg,避免異常脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的影響。Treg中GPX4基因缺失導(dǎo)致鐵死亡,而不是導(dǎo)致Treg中發(fā)生其他細(xì)胞死亡類型。在這個過程中,同時促進(jìn)IL-1β的產(chǎn)生,從而促進(jìn)T輔助17 (Th17)細(xì)胞反應(yīng),抑制腫瘤生長和增強(qiáng)抗腫瘤免疫作用。鐵死亡抑制劑促進(jìn)了活化的GPX4缺陷型Treg的鐵死亡,并在腫瘤細(xì)胞中恢復(fù)其免疫抑制功能。這些表明,通過靶向GPX4誘導(dǎo)Treg中的鐵死亡可能是一種癌癥治療策略,然而這項研究未調(diào)查GPX4抑制劑對全身給藥的腫瘤免疫和腫瘤生長的影響。

2.3 M1巨噬細(xì)胞對鐵死亡的抵抗力高于M2表型TME中的巨噬細(xì)胞被稱為TAM。靜止的巨噬細(xì)胞可以極化成兩種不同的激活態(tài),分別為M1和M2表型。TAM主要表現(xiàn)出M2樣表型抑制抗腫瘤免疫,M1和M2巨噬細(xì)胞中LPO和ACSL4、LPCAT3和GPX4的表達(dá)水平相似,然而M1亞型對GPX4缺失誘導(dǎo)的鐵死亡表現(xiàn)出高度抗性[19]。從機(jī)制上講,可以通過M1細(xì)胞中高水平的誘導(dǎo)型一氧化氮(NO)合酶(iNOS)和NO自由基(NO·)產(chǎn)生,而在M2樣和靜息巨噬細(xì)胞的機(jī)制中iNOS表達(dá)和NO·產(chǎn)生受到抑制。NO·可以容易地與脂質(zhì)自由基和源自脂質(zhì)過氧化的反應(yīng)性中間體反應(yīng),取代GPX4作為抗鐵死亡因素[20]。因此研究鐵死亡誘導(dǎo)劑對TME中巨噬細(xì)胞活力和功能的影響是比較重要的。

3 應(yīng)用靶向鐵死亡的討論

3.1 免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞鐵死亡癌細(xì)胞可以通過分泌各種細(xì)胞因子、趨化因子等來構(gòu)成TME,導(dǎo)致周圍細(xì)胞的重新適應(yīng),使其能在腫瘤生存和進(jìn)展中發(fā)揮作用。免疫細(xì)胞是腫瘤間質(zhì)的重要組成部分,在重新適應(yīng)的過程中發(fā)揮重要作用。研究表明,先天性的免疫細(xì)胞(巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、DC、先天淋巴細(xì)胞、MDSC和NK細(xì)胞)以及適應(yīng)性免疫細(xì)胞(T細(xì)胞和B細(xì)胞)在TME中有助于腫瘤發(fā)生發(fā)展。癌細(xì)胞和近端免疫細(xì)胞之間的串?dāng)_最終導(dǎo)致了一個促腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的環(huán)境,更好地了解該環(huán)境將有助于改進(jìn)癌癥治療方法。例如,活化的CD8+T細(xì)胞可在腫瘤細(xì)胞中引發(fā)升高脂質(zhì)過氧化水平并誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生,有助于抗腫瘤作用[21]。從機(jī)制上講,活化的CD8+T細(xì)胞釋放的IFNγ通過激活腫瘤細(xì)胞中的JAK-STAT1通路來抑制System Xc-的表達(dá),使腫瘤細(xì)胞對促凋亡刺激敏感。這表明CD8+T細(xì)胞介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞的鐵死亡是一種未定義的重要機(jī)制,有助于T細(xì)胞和ICI免疫療法的抗腫瘤功效[22]。然而在IFNγ的促凋亡刺激下,腫瘤細(xì)胞也可能增加免疫抑制信號的釋放,抑制T細(xì)胞存活并促進(jìn)免疫抑制和免疫細(xì)胞浸潤,起到反饋保護(hù)機(jī)制的作用。因此,評估IFNγ誘導(dǎo)的鐵死亡的利弊非常重要。我們推測在不同的情況下,免疫逃避和免疫消除之間基于鐵死亡介導(dǎo)的的平衡可能會發(fā)生變化,并直接影響ICI免疫療法的療效。當(dāng)平衡轉(zhuǎn)向由鐵死亡介導(dǎo)的免疫抑制時,IFNγ誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞鐵死亡可能會削弱抗腫瘤免疫能力,甚至導(dǎo)致對免疫治療獲得性耐受。

3.2 在癌癥免疫治療中靶向鐵死亡的觀點TME是一個促鐵死亡發(fā)生的環(huán)境,具有脂肪酸、氧化還原應(yīng)激、胱氨酸競爭和其他促鐵死亡因素,可誘導(dǎo)CD8+T細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[24]。在某些情況下,鐵死亡抑制劑可用于保護(hù)T細(xì)胞免于鐵死亡,阻斷來自促鐵死亡腫瘤細(xì)胞的免疫抑制信號的釋放,從而增強(qiáng)ICI免疫療法的療效。這一推測得到以下支持:鐵死亡抑制劑ferrostatin-1促進(jìn)腫瘤中的IFNγ生成和CD8+T細(xì)胞的增殖,并通過靶向CD36預(yù)防CD8+T細(xì)胞鐵死亡,從而增強(qiáng)ICI免疫療法的療效。然而并未研究ferrostatin-1和ICI免疫療法的聯(lián)合作用,需要進(jìn)一步的探索在TME中關(guān)于CD8+T細(xì)胞鐵死亡的因素,并確定腫瘤和免疫抑制細(xì)胞如何影響CD8+T細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生,還應(yīng)闡明ICI免疫療法是否使CD8+T細(xì)胞在其重激活期間對促鐵死亡TME的敏感。

3.3 在TME中靶向鐵死亡的展望TME是免疫逃逸和癌癥進(jìn)展中發(fā)揮重要作用,惡性癌細(xì)胞和TME內(nèi)異質(zhì)細(xì)胞的相互作用對癌變過程至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn),在腫瘤細(xì)胞中積累了高水平的鐵,鐵和硫醇氧化還原信號共同維持平衡、決定細(xì)胞能否逃逸鐵死亡。還需更多的研究來闡明鐵死亡和腫瘤發(fā)展間的關(guān)系?？傊?腫瘤由TME相關(guān)的非惡性細(xì)胞組成,與純克隆性癌性細(xì)胞組成數(shù)量幾乎同等。無論是促進(jìn)治療耐藥性的免疫抑制細(xì)胞還是ECM的結(jié)構(gòu)成分,TME都是腫瘤進(jìn)展和治療耐藥的主要介質(zhì)。這些細(xì)胞在腫瘤組織內(nèi)的存在和滲透與預(yù)后不良有關(guān)。然而,TME也為小分子抑制提供了合理的靶點,通過這些靶點可以進(jìn)行免疫調(diào)節(jié),小分子免疫調(diào)節(jié)抑制劑與免疫療法相結(jié)合,使免疫系統(tǒng)恢復(fù)到抗腫瘤更好的狀態(tài)水平。

細(xì)胞毒性化療、手術(shù)、放療和靶向治療都是癌癥治療的支柱。免疫療法現(xiàn)已成為腫瘤治療的第五大支柱。高ROS水平是腫瘤的固有特征,癌細(xì)胞須提高其抗氧化防御能力,以克服這種氧化應(yīng)激水平的提高。因此,針對癌細(xì)胞的抗氧化防御機(jī)制,靶向鐵死亡可能是一種有效的潛在治療策略。5-FU、奧沙利鉑和紫杉醇等化療藥物誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性與ROS升高有關(guān),鐵死亡被認(rèn)為是克服癌癥細(xì)胞治療耐藥性的一種好方法[25]。

盡管現(xiàn)有研究有限,但表明免疫細(xì)胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑的不同反應(yīng)以及腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞之間基于鐵死亡的復(fù)雜串?dāng)_,闡明通過促鐵死亡療法(包括System Xc-/GPX4抑制劑、免疫療法和放化療)以及TME中的促凋亡因素(包括胱氨酸競爭、某些代謝物和氧化還原應(yīng)激)對癌癥免疫的調(diào)節(jié)很重要。雖然研究強(qiáng)調(diào)了鐵死亡誘導(dǎo)劑在加強(qiáng)ICI免疫治療效果方面的有希望作用,但還需要進(jìn)一步研究確定何時應(yīng)用鐵死亡誘導(dǎo)劑來增加腫瘤細(xì)胞的免疫原性或殺死免疫抑制細(xì)胞,以及如何應(yīng)用鐵死亡抑制劑來保護(hù)細(xì)胞免受鐵死亡,理清這些問題,將有助于開發(fā)針對某些腫瘤的基于鐵死亡的聯(lián)合免疫療法。