郭凱 宋麗娜 王中秋

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院(江蘇省中醫(yī)院)放射科，南京 210000

【提要】 鐵死亡是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴性細(xì)胞內(nèi)程序性死亡，主要通過(guò)活性氧水平升高，影響鐵代謝及脂質(zhì)氧化物代謝穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)。研究證實(shí)誘導(dǎo)鐵死亡可有效抑制胰腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖，并增加其對(duì)化療藥物及免疫藥物的敏感性。本文主要圍繞鐵死亡的機(jī)制及其在胰腺癌中的調(diào)節(jié)效應(yīng)等問題進(jìn)行綜述，探討其在胰腺癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用，為胰腺癌的防治提供新視角。

鐵死亡(ferroptosis)是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一種程序性細(xì)胞死亡[1]，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)鐵離子的不斷累積，引起脂質(zhì)活性氧含量上升，破壞細(xì)胞氧化還原反應(yīng)代謝，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。已有研究表明鐵死亡存在于缺血再灌注損傷、帕金森病、胰腺癌及肝細(xì)胞癌等多種疾病中[2-4]。近年來(lái)不少體內(nèi)外研究證實(shí)，鐵死亡在胰腺癌發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色。本文就鐵死亡在胰腺癌中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為胰腺癌的防治提供新思路和新策略。

一、鐵死亡的發(fā)生及其調(diào)控機(jī)制

2012年Dixon等[1]首次發(fā)現(xiàn)并命名了一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式——鐵死亡，這種死亡在許多方面與其他細(xì)胞死亡如壞死、凋亡、自噬等類型不同。在形態(tài)學(xué)上，它的特點(diǎn)是線粒體體積縮小，線粒體膜厚度和密度增加，線粒體嵴數(shù)目減少或消失，而細(xì)胞核體積正常且染色質(zhì)無(wú)明顯濃聚改變[1,5]；在生理學(xué)上，表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽耗減，脂質(zhì)活性氧不能通過(guò)谷胱甘肽介導(dǎo)的還原反應(yīng)代謝，導(dǎo)致大量活性氧在細(xì)胞內(nèi)積聚，其后果是與過(guò)量鐵離子發(fā)生芬頓反應(yīng)，從而啟動(dòng)核內(nèi)DNA損傷，促使細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生[6]。由此可見，鐵死亡過(guò)程中最重要的特征是細(xì)胞內(nèi)鐵離子濃度升高(主要為Fe2+)和脂質(zhì)活性氧的異常積累[6-7]，其調(diào)控機(jī)制主要包括以下兩個(gè)方面。

1．鐵代謝途徑與鐵死亡：細(xì)胞內(nèi)鐵的代謝平衡取決于鐵離子的吸收、存儲(chǔ)和輸出，體內(nèi)鐵含量增加與鐵死亡的發(fā)生密切相關(guān)[8]。血液中的Fe3+通過(guò)與轉(zhuǎn)鐵蛋白緊密結(jié)合和釋放以維持鐵代謝的穩(wěn)態(tài)。這一過(guò)程高度依賴環(huán)境pH的變化，當(dāng)pH為7.4時(shí)，鐵離子能有效地與細(xì)胞外的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合；而在細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境中(pH為5.5)，鐵離子將從轉(zhuǎn)鐵蛋白中釋放[9]。Fe3+-轉(zhuǎn)鐵蛋白在細(xì)胞膜上被轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor-1,TFR1)識(shí)別并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)體(酸性環(huán)境)釋放，F(xiàn)e3+被鐵還原酶STEAP3還原成Fe2+，隨后二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)將Fe2+釋放入細(xì)胞質(zhì)的不穩(wěn)定鐵池中。除此之外，SLC39/ZIP跨膜蛋白家族亦可直接介導(dǎo)細(xì)胞外的非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的鐵離子穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)[10]。

游離鐵在細(xì)胞內(nèi)具有毒性，過(guò)量的Fe2+通過(guò)芬頓反應(yīng)可直接催化脂質(zhì)過(guò)氧化物產(chǎn)生活性氧，觸發(fā)鐵死亡。過(guò)量的鐵離子一方面通過(guò)形成鐵蛋白聚合物儲(chǔ)存起來(lái)，另一方面通過(guò)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin ，F(xiàn)PN)輸出胞外，以此維持鐵代謝的穩(wěn)態(tài)。鐵蛋白是一種胞內(nèi)儲(chǔ)鐵蛋白，由鐵蛋白重鏈1(ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1)和鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain，F(xiàn)TL)兩個(gè)亞基組成，可以螯合大約4 500個(gè)鐵原子。FTH1可將Fe2+迅速氧化成Fe3+，而FTL參與鐵離子的核化，維持鐵蛋白的穩(wěn)定性[11]。SLC40A1編碼的FPN是哺乳動(dòng)物中唯一已知的鐵輸出蛋白，參與鐵外排機(jī)制，在巨噬細(xì)胞、肝細(xì)胞、腸細(xì)胞的基底外側(cè)膜高度表達(dá)，在調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)方面起著重要作用[12]。肝細(xì)胞分泌的鐵調(diào)素是一種多肽，在細(xì)胞表面與FPN結(jié)合，誘導(dǎo)FPN內(nèi)化和降解，從而抑制鐵的輸出[13]。

研究表明，熱休克蛋白B1(heat shock protein B1，HSPB1)通過(guò)穩(wěn)定肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，抑制TFR1介導(dǎo)的鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)，是細(xì)胞鐵死亡的負(fù)性調(diào)節(jié)因子[14]。核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)可介導(dǎo)鐵蛋白自噬降解，導(dǎo)致Fe2+釋放，誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[15]；鐵調(diào)節(jié)蛋白ACO1和IREB2是鐵代謝蛋白主要轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)鐵代謝基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，進(jìn)而控制鐵死亡[9]；p62-kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Keap1)-核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)通過(guò)下調(diào)抗氧化蛋白HO-1及FTL的表達(dá)促進(jìn)鐵死亡[16]。鐵螯合劑去鐵胺亦可抑制鐵死亡發(fā)生[1]。以上研究證實(shí)鐵代謝在調(diào)節(jié)鐵死亡中具有重要作用。

2．脂質(zhì)過(guò)氧化與鐵死亡：脂質(zhì)過(guò)氧化在細(xì)胞內(nèi)的異常積聚與鐵死亡亦密切相關(guān)[1]。研究表明，脂質(zhì)過(guò)氧化物可破壞細(xì)胞膜磷脂雙分子層的穩(wěn)定，導(dǎo)致細(xì)胞膜解體[17]。通過(guò)脂質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在過(guò)量Fe2+存在的情況下，過(guò)氧化物H2O2可以通過(guò)芬頓反應(yīng)特異性地氧化不飽和脂肪酸花生四烯酸(arachidonic acid, AA)和腎上腺素酸(adrenaline acid, ADA)等，最終導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化[18]。?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4, ACSL4)-溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3(lysophosphatidylcho-line acyltransferase 3, LPCATs)途徑是鐵死亡過(guò)程中產(chǎn)生多不飽和脂肪酸(polyunstatured fatty acids, PUFAs)的重要途徑。PUFAs通常由ACSL4和LPCATs等酶激活，ACSL4催化游離的AA或ADA與輔酶A結(jié)合為AA-CoA或ADA-CoA；然后LPCATs催化它們酯化反應(yīng)形成AA-PE或ADA-PE，產(chǎn)生脂質(zhì)過(guò)氧化物，傳遞鐵死亡信號(hào)，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[19]。另外，ALOX家族(ALOXE3、ALOX5、 ALOX12、 ALOX12B、ALOX15和ALOX15B)通過(guò)介導(dǎo)PUFAs過(guò)氧化作用產(chǎn)生AA/AdA-PE-OOHs，從而導(dǎo)致鐵死亡。例如在H1299細(xì)胞中，通過(guò)p53-絲氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶1(SAT1)-花生四烯酸-15-脂加氧酶(ALOX15)途徑引起細(xì)胞鐵死亡[20]。正常情況下，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)可通過(guò)谷胱甘肽將脂質(zhì)過(guò)氧化物降解為無(wú)毒的脂肪醇，是鐵死亡重要的負(fù)性調(diào)節(jié)因子。一旦GPX4失活或谷胱甘肽合成受阻，脂質(zhì)過(guò)氧化物便會(huì)在細(xì)胞內(nèi)逐漸累積，并被鐵離子催化為有毒的自由基，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡發(fā)生[21]。使用GPX4小分子拮抗劑RSL3可有效誘導(dǎo)人肺癌細(xì)胞和人纖維肉瘤細(xì)胞鐵死亡[1]。另外谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸構(gòu)成，通過(guò)抑制胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)(system xc-)可耗竭胞內(nèi)的胱氨酸，影響GPX4抗氧化功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[22]。

二、鐵死亡機(jī)制在胰腺癌治療中的作用

目前，鐵死亡已在多種類型腫瘤細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，如胰腺癌[23]、腎細(xì)胞癌[24]、肝細(xì)胞癌[25]、大B細(xì)胞淋巴瘤[26]等。據(jù)報(bào)道，90%的胰腺癌病例中存在K-ras基因突變，這些突變既促進(jìn)腫瘤細(xì)胞惡性增殖，又改變細(xì)胞代謝[27]。突變的K-ras基因造成胰腺癌細(xì)胞內(nèi)活性氧增加，為緩解其對(duì)細(xì)胞的毒性作用，胰腺癌細(xì)胞通過(guò)大量合成具有抗氧化作用的谷胱甘肽以達(dá)到自我保護(hù)的目的[28]。谷胱甘肽由半胱氨酸衍生而來(lái)，因此為獲得更多的胞內(nèi)半胱氨酸，胰腺癌細(xì)胞內(nèi)system xc-高速運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，多數(shù)正常細(xì)胞僅需要較低的半胱氨酸水平即可維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，有學(xué)者利用正常細(xì)胞與癌細(xì)胞的半胱氨酸需求差異，通過(guò)靶向system xc-減少半胱氨酸輸入癌細(xì)胞內(nèi)，降低胞內(nèi)谷胱甘肽的合成量，致使活性氧大量累積，促使鐵死亡的發(fā)生，結(jié)果顯示胰腺癌荷瘤小鼠的生存時(shí)間可延長(zhǎng)1倍[29]。研究人員發(fā)現(xiàn)NCOA4因子過(guò)表達(dá)可引起鐵蛋白降解，導(dǎo)致胞內(nèi)游離鐵增加，從而觸發(fā)胰腺癌細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生[30]。鐵死亡的發(fā)生往往伴隨線粒體形態(tài)的變化，使用靶向線粒體的氮氧化物可增加胞內(nèi)活性氧積累和保護(hù)線粒體，阻止線粒體的脂質(zhì)氧化可抑制胰腺癌細(xì)胞的鐵死亡[31]；除此之外，線粒體多種功能酶之一的線粒體離子肽酶1可以調(diào)節(jié)Nrf2/Keap1通路，其激活亦可誘導(dǎo)胰腺癌PANC1細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生[32]。

三、鐵死亡誘導(dǎo)劑在胰腺癌治療中的作用

近年來(lái)胰腺癌治療手段進(jìn)步緩慢，吉西他濱依然是PDAC晚期患者的臨床一線化療藥物。鐵死亡這一鐵依賴性程序性細(xì)胞死亡方式，其原理近年來(lái)被多次用于胰腺癌的治療。誘導(dǎo)鐵死亡的抑制劑主要分為2類，GPX4抑制劑和system xc-抑制劑，其中以GPX4抑制劑-RSL3(鼠肉瘤病毒癌基因同源物合成致死化合物3)和xc-抑制劑愛拉斯汀(erastin)最為經(jīng)典[33]。研究顯示，RLS3通過(guò)靶向GPX4的活性位點(diǎn)硒半胱氨酸形成共晶結(jié)構(gòu)，發(fā)揮干擾GPX4的活性作用[34]。近期研究發(fā)現(xiàn)小分子藥物QD394可以通過(guò)破壞胰腺癌細(xì)胞的GPX4蛋白穩(wěn)定性，引發(fā)細(xì)胞鐵死亡[35]；另外使用siRNA干擾GPX4的表達(dá)亦可誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生[21]。派嗪類藥物是愛拉斯汀的類似物，具有更好的水溶性和代謝穩(wěn)定性，可有效抑制小鼠胰腺癌種植瘤的生長(zhǎng)增殖[21]。天然化合物青蒿琥酯作為抗瘧疾藥青蒿素的衍生物具有較強(qiáng)的抗腫瘤作用[36]，可特異性地誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞株大量產(chǎn)生活性氧及溶酶體，引起胞內(nèi)活性氧和游離鐵離子水平的升高，尤其在K-ras突變型胰腺癌細(xì)胞中表現(xiàn)出更強(qiáng)的細(xì)胞毒性作用，使胰腺癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，且對(duì)胰腺正常導(dǎo)管上皮細(xì)胞無(wú)毒性作用[23]。近期研究發(fā)現(xiàn)鳶尾素可同時(shí)調(diào)節(jié)胰腺癌細(xì)胞GPX4和system xc-活性，增加胞內(nèi)游離鐵離子濃度、脂質(zhì)過(guò)氧化物水平，誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞鐵死亡[37]。

四、小結(jié)與展望

綜上所述，鐵死亡是一種不同于自噬、凋亡、壞死的程序性死亡方式，其特點(diǎn)是胞內(nèi)鐵依賴性脂質(zhì)氧化物的過(guò)度積累，通過(guò)抑制GPX4、system xc-活性或增加胞內(nèi)鐵離子濃度誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞鐵死亡，為胰腺癌患者的治療提供了新視角。但由于GPX4在正常細(xì)胞內(nèi)具有重要生理功能，過(guò)度抑制是否會(huì)造成機(jī)體不良反應(yīng)是未來(lái)研究需要思考的要點(diǎn)。另外，胰腺癌鐵死亡對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)增殖和血管神經(jīng)侵犯等詳細(xì)調(diào)控機(jī)制還不清楚，同時(shí)胰腺癌鐵死亡相關(guān)調(diào)控基因和因子是否具有早期診斷和預(yù)后判斷的臨床價(jià)值還有待進(jìn)一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突