復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院，上海 200011

腫瘤耐藥是一個多基因、多信號通路的復(fù)雜過程，與藥物攝入減少、泵出增加、DNA修復(fù)能力增強、凋亡抑制等相關(guān)。此外，細胞內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）失衡介導(dǎo)的氧化應(yīng)激防御也與腫瘤耐藥密切相關(guān)［1］。與正常細胞相比，腫瘤細胞對高水平的細胞內(nèi)ROS更敏感，過量的細胞內(nèi)ROS可誘導(dǎo)癌細胞凋亡。常用的化療如順鉑、卡鉑等和放射治療均可通過誘導(dǎo)細胞內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，進而激活凋亡通路，促使腫瘤細胞死亡［2］。腫瘤細胞有多種死亡方式，而鐵死亡（ferroptosis）是最近發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴的、脂質(zhì)過氧化物累積的新的細胞死亡方式，與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和耐藥密切相關(guān)。

1 鐵死亡及其觸發(fā)機制

Dixon等［3］在2012年發(fā)現(xiàn)并鑒定出一種調(diào)節(jié)性的、鐵依賴的細胞死亡形式，定義為鐵死亡。與其他已知的細胞死亡方式如凋亡、壞死和自噬不同，鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)等方面均表現(xiàn)出獨有的特征，如線粒體變小、膜密度增高、鐵和ROS聚集等［4］。

鐵死亡由兩種不同機制介導(dǎo)。第一種機制是細胞膜上的Xc-系統(tǒng)（即胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運蛋白）被抑制，如小分子物質(zhì)erastin，可減少細胞內(nèi)谷胱甘肽合成前體，間接抑制谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4），最終致死性脂質(zhì)過氧化物積累，發(fā)生鐵死亡。另一種分子機制是直接通過抑制GPX4活性來實現(xiàn)的，如RSL3［5］。目前認為，GPX4是觸發(fā)鐵死亡的中樞調(diào)節(jié)劑，鐵依賴的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)是鐵死亡的關(guān)鍵步驟［6］。任何造成細胞內(nèi)ROS累積和谷胱甘肽耗竭的相關(guān)代謝通路均可調(diào)控鐵死亡，如鐵代謝、谷胱甘肽代謝和脂質(zhì)過氧化反應(yīng)等。

1.1 鐵代謝

氧化還原活性鐵池能夠通過Fenton反應(yīng)直接催化脂質(zhì)過氧化物形成破壞性自由基。一旦脂質(zhì)過氧化物在細胞內(nèi)沒有被及時清除，則不斷累積脂質(zhì)烷氧基自由基最終觸發(fā)鐵死亡。這也是鐵死亡依賴于鐵而不是其他金屬離子的原因之一。

研究發(fā)現(xiàn)，鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2（IREB2）的基因在HT-1080纖維肉瘤細胞和Calu-1肺癌細胞中是erastin誘導(dǎo)鐵死亡的必需基因。IREB2通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機制調(diào)節(jié)鐵代謝基因表達，在系統(tǒng)及細胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用。這些鐵代謝調(diào)控分子包括鐵蛋白［輕肽鐵蛋白（ferritin light polypeptide，F(xiàn)TL）和重肽鐵蛋白（ferritin heavy polypeptide 1，F(xiàn)TH1）］、轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，Tf）、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（transferrin receptor 1，TfR1）、膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白1（ferroportin 1，F(xiàn)pn1）和二價金屬離子轉(zhuǎn)運體蛋白1（divalent metal transporter 1，DMT1）［7］?？傊?，細胞內(nèi)具有一定量的不穩(wěn)定鐵是發(fā)生鐵死亡的基礎(chǔ)。

熱休克蛋白B1（heat shock protein B1，HSPB1）也是erastin誘導(dǎo)鐵死亡的負調(diào)節(jié)因子［8］。它可以通過穩(wěn)定肌動蛋白細胞骨架，下調(diào)TfR1介導(dǎo)的鐵攝取，減少鐵死亡。血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）在調(diào)節(jié)鐵死亡方面則起雙重作用。在HT-1080纖維肉瘤細胞中HO-1過表達，可能通過提供過量的鐵促進erastin誘導(dǎo)鐵死亡［9］。然而另一項研究表明，在肝癌細胞中，HO-1可抑制由erastin或索拉非尼誘導(dǎo)的鐵死亡［10］。這些研究結(jié)果提示，HO-1在鐵死亡中的作用可能取決于不同的病理情況，但這種現(xiàn)象的確切機制需要進一步研究。

1.2 谷胱甘肽代謝

抑制細胞內(nèi)谷胱甘肽的合成或阻斷谷胱甘肽依賴的GPX4的功能可誘導(dǎo)鐵死亡。

細胞中谷胱甘肽的生物合成主要通過兩步依賴ATP的酶促反應(yīng)完成，即谷氨酸和半胱氨酸在谷氨酸半胱氨酸連接酶（glutamate cysteine ligase，GCL）的催化下生成γ-谷氨酰半胱氨酸，后者和一分子甘氨酸在谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSS）的催化下生成谷胱甘肽［11］。此外，谷胱甘肽可以在還原型和氧化型（oxidized glutathione，GSSG）之間相互轉(zhuǎn)化，GSSG經(jīng)谷胱甘肽還原酶消耗一分子NADPH生成谷胱甘肽，而后者在谷胱甘肽氧化酶（glutathione peroxidase，GPX）的作用下生成GSSG，這一過程可還原細胞內(nèi)的脂質(zhì)過氧化物，使細胞免受氧化損傷。因此，一旦這些過程受損，將觸發(fā)細胞發(fā)生鐵死亡［12］。

鐵死亡特異性誘導(dǎo)劑erasin可抑制細胞膜上的Xc-系統(tǒng)，減少細胞內(nèi)胱氨酸攝入進而減少谷胱甘肽的合成，誘發(fā)鐵死亡；而丁硫氨酸-（S，R）-磺胺肟（BSO）可通過抑制谷胱甘肽合成限速酶GCL誘導(dǎo)細胞死亡［13］。

1.3 脂質(zhì)過氧化反應(yīng)

脂質(zhì)ROS的大量積累直接觸發(fā)鐵死亡，這個過程可以通過親脂性抗氧化劑和鐵螯合劑來預(yù)防。NOXs（NADPH氧化酶類）在erastin誘導(dǎo)的鐵死亡中提供大量ROS。除了NOXs之外，細胞膜脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物是ROS產(chǎn)生的另一個來源，推動鐵死亡的發(fā)生。

在膜脂環(huán)境中，脂氧合酶通過催化多不飽和脂肪酸（PUFA）特異性發(fā)生雙氧化，產(chǎn)生脂肪酸氫過氧化物。正常條件下，脂肪酸氫過氧化物在GPX4介導(dǎo)下可轉(zhuǎn)化為脂肪酸醇。一旦GPX4失活，累積的脂肪酸氫過氧化物通過鐵介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)進一步催化成脂質(zhì)過氧自由基，可直接驅(qū)動由Xc-系統(tǒng)抑制介導(dǎo)的鐵死亡發(fā)生［14］。

2 腫瘤化療耐藥

化療作為目前腫瘤治療的主要方式之一，通過作用于腫瘤細胞生長繁殖的不同階段對細胞中染色質(zhì)的基本成分DNA、RNA及蛋白質(zhì)合成過程的阻礙，繼而抑制增生旺盛的腫瘤細胞的增殖，從而達到治療目的。常用的化療藥物包括環(huán)磷酰胺、甲氨蝶呤、長春新堿等。

但是，腫瘤化療耐藥性的產(chǎn)生是導(dǎo)致抗腫瘤治療失敗的重要原因之一?；熌退幨且粋€多基因、多信號通路參與的復(fù)雜過程。逃避藥物的能力是腫瘤細胞固有的，它可以通過減少藥物攝入、增加藥物泵出、抑制細胞凋亡、增加DNA修復(fù)能力、抑制細胞凋亡等一系列機制產(chǎn)生耐藥性［15］。此外，研究表明，腫瘤細胞暴露于化療藥物時，化療藥可誘導(dǎo)ROS大量產(chǎn)生，過度蓄積的ROS為腫瘤細胞的生存帶來巨大挑戰(zhàn)。但腫瘤細胞一旦啟動某種機制改變其代謝微環(huán)境，抑制ROS形成，增強氧化應(yīng)激防御或耐受能力，則誘導(dǎo)耐藥形成［16］。氧化還原穩(wěn)態(tài)的破壞是產(chǎn)生耐藥性的關(guān)鍵。化療藥物治療后，某些腫瘤細胞可以經(jīng)過“氧化還原重塑”過程，使細胞內(nèi)ROS和抗氧化系統(tǒng)處于一種高水平的平衡狀態(tài)，進而介導(dǎo)腫瘤細胞產(chǎn)生耐藥性。作為ROS依賴性細胞死亡機制的鐵死亡可能與腫瘤耐藥密切相關(guān)，但具體機制不明。

鉑類藥物作為經(jīng)典的化療藥物，包括順鉑、卡鉑和奧沙利鉑在內(nèi)的鉑類化合物一直作為多種腫瘤的一線臨床治療藥物，是頭頸部腫瘤、睪丸腫瘤、卵巢癌、子宮頸癌、肺癌、結(jié)直腸癌和復(fù)發(fā)性淋巴瘤等多種腫瘤治療方案的重要組成部分。但是近年來，腫瘤細胞對鉑類藥物耐藥成為制約其臨床應(yīng)用、影響患者預(yù)后的重要因素，如在卵巢癌治療中，鉑類化療藥的初始反應(yīng)率近70%，但多次用藥后有效率降低至30%［17］。鉑類藥物的主要作用機制是與細胞核內(nèi)DNA交聯(lián)，激活凋亡途徑，導(dǎo)致細胞死亡。此外，鉑類藥物還可以通過與細胞的有機組分如蛋白質(zhì)等的化學(xué)相互作用，產(chǎn)生過量ROS，破壞細胞內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)，進而導(dǎo)致細胞死亡。而耐藥性腫瘤細胞相應(yīng)啟動多種抗氧化機制，尤其增加谷胱甘肽水平，降低ROS損害，獲得耐藥性生存［18］。作為與ROS密切相關(guān)的細胞死亡方式之一，任何對腫瘤細胞中抗氧化機制的破壞都將抑制解毒過程，并觸發(fā)鐵死亡。

3 鐵死亡與腫瘤化療耐藥

3.1 鐵死亡相關(guān)氧化應(yīng)激與化療耐藥

許多研究提出鐵代謝異常，尤其鐵過載，與腫瘤耐藥密切相關(guān)。一方面，腫瘤細胞內(nèi)鐵過載，催化ROS產(chǎn)生，在一定程度上可滿足其增殖的需要；另一方面，當(dāng)腫瘤細胞暴露于化療藥物時，誘導(dǎo)ROS大量產(chǎn)生，過度蓄積的ROS為腫瘤細胞的生存帶來巨大挑戰(zhàn)。腫瘤細胞一旦啟動某種機制改變其代謝微環(huán)境，抑制ROS形成，則誘導(dǎo)耐藥［19］。臨床上應(yīng)用鐵螯合劑去鐵胺（deferoxamine，DFO）處理白血病細胞K562抑制其鐵過載狀態(tài)，可提高其對多柔比星的敏感性［20］；DFO處理宮頸癌細胞可增強其對奧沙利鉑的敏感性，為鐵過載參與腫瘤耐藥提供了直接證據(jù)［21］。而DFO處理不同類型卵巢癌細胞后，細胞內(nèi)鐵離子及ROS均明顯增多。已知ROS對化療敏感性具有重要調(diào)控作用，ROS產(chǎn)生以及由鐵觸發(fā)的氧化損傷引起的鐵死亡與腫瘤耐藥密切相關(guān)［22］。

作為與氧化應(yīng)激密切相關(guān)的信號通路，最新研究發(fā)現(xiàn)，核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2與鐵死亡調(diào)控密切相關(guān)，抑制KEAP1-Nrf2信號通路活化可促進對順鉑耐藥的頭頸部腫瘤的腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡，逆轉(zhuǎn)耐藥［23］。除了KEAP1，Chen等［24］還發(fā)現(xiàn)ARF為Nrf2的另一關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，抑制Nrf2轉(zhuǎn)錄可激活其下游靶基因SLC7A11，后者是調(diào)節(jié)ROS誘導(dǎo)鐵死亡的Xc-的亞基，進而調(diào)控ROS的產(chǎn)生和鐵死亡［25］。此外，研究發(fā)現(xiàn)，核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2的表達狀態(tài)是決定肝癌細胞對鐵死亡靶向療法反應(yīng)性的關(guān)鍵因素［26］，肝癌的靶向治療藥物索拉非尼是鐵死亡的強烈誘導(dǎo)劑，肝癌細胞中Nrf2通路激活可上調(diào)金屬硫蛋白1G（metallothionein-1G，MT-1G）表達，通過抑制鐵死亡促進索拉非尼耐藥［27］。在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)納米顆粒可以抑制谷胱甘肽的合成，同時促進生物膜的脂質(zhì)過氧化而引發(fā)氧化應(yīng)激，觸發(fā)鐵死亡，有望克服傳統(tǒng)化療藥物耐藥，為提高傳統(tǒng)腫瘤治療提供了一種新視角［28］。

但是，由鐵觸發(fā)的致死性脂質(zhì)反應(yīng)物累積的最終驅(qū)動因素尚未完全明確，有相當(dāng)多的證據(jù)表明在鐵死亡過程中，細胞內(nèi)鐵代謝和胱氨酸代謝失衡。降低腫瘤細胞對氧化應(yīng)激的耐受能力，如觸發(fā)鐵死亡，有望成為腫瘤耐藥治療的靶點，深入解析鐵死亡參與耐藥的機制，可能為臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

3.2 鐵死亡與腫瘤對順鉑的耐藥

Guo等［29］發(fā)現(xiàn)，順鉑處理多種腫瘤細胞后可以同時發(fā)生凋亡和鐵死亡，目前已知的化療耐藥機制對順鉑誘導(dǎo)的細胞凋亡均有影響，但對順鉑誘導(dǎo)的鐵死亡并無影響。因此，鐵死亡作為一種完全獨立于細胞凋亡的調(diào)控細胞死亡的新模式，為解決順鉑耐藥問題開辟了一條新的途徑。順鉑聯(lián)合鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin對其抗腫瘤活性有顯著的加強效應(yīng)。Sato等［30］用erastin預(yù)處理順鉑耐藥的卵巢癌細胞后，其對順鉑敏感性增加，兩者顯示出良好的協(xié)同作用。此外，Roh等［31］研究發(fā)現(xiàn)，erastin可以逆轉(zhuǎn)頭頸部腫瘤對順鉑的耐藥。

但是，順鉑并不是在所有的腫瘤細胞中對鐵死亡誘導(dǎo)劑都很敏感，Yang等［32］發(fā)現(xiàn)RAS基因突變導(dǎo)致細胞鐵超載，使細胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑更敏感。在臨床上，目前已知20%的人類腫瘤存在RAS癌基因的激活突變，并且總是與耐藥性相關(guān)，為指導(dǎo)臨床預(yù)后及治療選擇提供了重要依據(jù)［33-34］。但是，鐵死亡敏感的腫瘤亞型仍不確定。根據(jù)對117個癌細胞株的erasin敏感性分析顯示，具有RAS突變的細胞株對鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性并不高于野生型細胞［35］，RAS突變不足以作為其確定的標(biāo)志，尚需進一步探究發(fā)現(xiàn)更確切的標(biāo)志物。

總之，目前研究發(fā)現(xiàn)，在一些腫瘤細胞中，順鉑與鐵死亡誘導(dǎo)劑聯(lián)合應(yīng)用對其抗腫瘤活性有顯著的協(xié)同作用。因此，鐵死亡在抗腫瘤治療中具有很大的潛力，為經(jīng)典藥物的應(yīng)用開辟了一條新的途徑。

3.3 通過調(diào)控鐵死亡敏感性調(diào)控腫瘤耐藥

已發(fā)現(xiàn)鐵死亡的敏感性與許多生物過程密切相關(guān)，如氨基酸、鐵、多不飽和脂肪酸以及谷胱甘肽代謝等。在這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行干預(yù)，可能調(diào)控腫瘤細胞對鐵死亡的敏感性。而越來越多的證據(jù)表明，鐵死亡的激活有助于多種腫瘤的治療。鐵死亡特異性誘導(dǎo)劑erastin顯著增強HL60細胞中一線化療藥物阿糖胞苷和多柔比星的抗癌活性［36］。誘導(dǎo)鐵死亡可以克服急性髓細胞樣白血病（acute myeloid leukemia，AML）細胞的耐藥性［37］。此外，在部分腫瘤細胞中，erastin可以增強化療藥物（如替莫唑胺、順鉑、阿糖胞苷和多柔比星）的療效［23］。其中，腎癌、B細胞淋巴瘤和三陰性乳腺癌的某些亞型對GPX4和Xc-具有強烈依賴性［38］。經(jīng)典的腫瘤抑制因子p53在大多數(shù)癌細胞中是突變體。有研究亦發(fā)現(xiàn)，p53的抑癌作用與其抑制細胞膜上Xc-系統(tǒng)、誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡相關(guān)［39］；因此，鐵死亡可能在腫瘤發(fā)生中起了關(guān)鍵作用。此外，一些臨床藥物，如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶和青蒿琥酯均可以誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生，可在臨床前和臨床中使用誘導(dǎo)鐵死亡的藥物作為化療輔助藥物對腫瘤進行治療。

其他幾種代謝途徑也能調(diào)節(jié)細胞對鐵死亡的敏感性［40-43］。如甲羥戊酸途徑可產(chǎn)生輔酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10），它在膜中起到抗氧化功能而成為鐵死亡內(nèi)源性抑制劑?；衔颋IN56通過調(diào)節(jié)角鯊烯合酶活性（squalene synthase，SQS）來耗盡CoQ10，部分驅(qū)動致死性脂質(zhì)過氧化的積累［40］。NADPH是消除脂質(zhì)氫過氧化物所必需的細胞內(nèi)還原劑，也是鐵死亡敏感性的主要生物標(biāo)志物［42］，而硒是GPX4生物合成所必需的［43］。因此，NADPH和硒的豐度也會影響鐵死亡的敏感性，進而調(diào)控抗腫瘤藥物的敏感性。

4 展望

鐵死亡是鐵依賴性的、非凋亡的一種細胞死亡形式。ROS誘導(dǎo)的鐵死亡有助于抑制腫瘤生長和增加化療敏感性。由于鐵死亡的激活被廣泛認為是藥物發(fā)現(xiàn)的新靶點，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和鑒定出越來越多的小分子化合物通過靶向鐵代謝和脂質(zhì)過氧化，直接或間接誘導(dǎo)鐵死亡。雖然體外的許多實驗已經(jīng)表明，可以通過多種測量方法檢測鐵死亡，例如細胞活力、鐵含量和ROS水平，但是在體內(nèi)證實存在鐵死亡較困難。目前，編碼環(huán)氧合酶-2（cyclooxgenase-2，COX-2）的基因PTGS2是腫瘤中erastin或RSL3誘導(dǎo)鐵死亡中獨特且廣泛使用的標(biāo)志物［35］。同時，靶向鐵死亡調(diào)節(jié)劑的化合物在臨床前和臨床環(huán)境中是否具有高特異性和引起最小的不良反應(yīng)，以及哪種腫瘤更傾向于被誘發(fā)鐵死亡仍有待闡明?？傊?，對腫瘤發(fā)生機制和鐵死亡在腫瘤中作用的深入理解將為腫瘤的診斷和治療干預(yù)創(chuàng)造新的機會。