劉 靜，劉文天

鐵死亡于2012年由Dixon等[1]首次提出，是一種鐵依賴和過氧化驅(qū)動的細胞死亡形式，與多種代謝紊亂和體內(nèi)平衡失調(diào)有關。既往研究表明，細胞內(nèi)鐵離子與細胞膜上高表達的不飽和脂肪酸發(fā)生芬頓反應，產(chǎn)生過量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)。一旦超過細胞自身抵抗氧能力，ROS將可能發(fā)生氧化應激反應，從而損害了細胞內(nèi)的線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及核酸等，最后導致細胞死亡[2]。鐵死亡在形態(tài)、生化和分子遺傳學上與其他為人熟知的自噬和凋亡不同。細胞凋亡中的染色質(zhì)固縮和邊緣化聚ADP核糖聚合酶1[poly (ADP-ribose) polymerase1, PARP1]裂解、線粒體釋放的細胞色素C或Caspase 3裂解、細胞自噬中的雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小泡、細胞器的腫脹、核膜和細胞膜的溶解等典型特征在鐵死亡中均未出現(xiàn)。此外，由于發(fā)生鐵死亡時，細胞膜或細胞器膜脂質(zhì)過氧化和氧化應激，導致質(zhì)膜選擇滲透性喪失，線粒體形態(tài)發(fā)生特殊而獨特的變化，包括線粒體嵴減少或消失、線粒體外膜破裂、線粒體膜濃縮[3]。

近年來大量研究提出：細胞內(nèi)鐵代謝和鐵依賴的脂質(zhì)ROS代謝異常與腫瘤細胞死亡密切相關，雖然鐵死亡與腫瘤之間的具體關系目前尚不清楚，但提供了探討腫瘤發(fā)生的新思路。目前，消化系統(tǒng)腫瘤的發(fā)病率逐年遞增，胃癌、肝細胞性肝癌、胰腺癌以及結(jié)直腸癌是消化系統(tǒng)常見腫瘤，嚴重威脅著患者的生命健康。鐵死亡也參與了這些腫瘤的發(fā)病過程，可能成為消化系統(tǒng)腫瘤治療和預后判斷的一種新靶點。

1 鐵死亡發(fā)生的相關調(diào)控因子

1.1 谷胱甘肽耗竭在鐵死亡中的核心作用伊拉斯汀(Erastin)是在致癌基因RAS突變細胞系中誘導鐵死亡的小分子之一。對Erastin靶點的探索將半胱氨酸代謝與鐵死亡的發(fā)生聯(lián)系起來。Erastin誘導的鐵死亡過程中最重要的靶點是谷氨酸鹽-胱氨酸轉(zhuǎn)運體Xc-系統(tǒng)，其是由溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11/xCT)和溶質(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2, SLC3A2)組成，是胱氨酸和谷氨酸鹽的非鈉依賴的反向轉(zhuǎn)運體，以1 ∶1的比例吸收細胞外胱氨酸來交換細胞內(nèi)谷氨酸鹽[4]。細胞外胱氨酸主要通過Xc-系統(tǒng)轉(zhuǎn)運到細胞中，隨后由于細胞內(nèi)的高度還原條件而迅速轉(zhuǎn)化為半胱氨酸。

細胞內(nèi)半胱氨酸是谷胱甘肽的重要前體。還原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)一旦合成，可作為活性氧解毒酶，如谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)的輔因子，其作用是以谷胱甘肽為代價減少過氧化物相關產(chǎn)物(如過氧化氫)，從而保護細胞免受活性氧誘導的損傷。研究發(fā)現(xiàn)Ras選擇性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3, RSL3)是引發(fā)鐵死亡的另一個小分子[1]。GPX4是RSL3的直接靶向蛋白，RSL3通過與GPX4共價鍵結(jié)合，抑制GPX4活性。GPX4可以通過其酶活性清除有害超氧化物、阻斷脂質(zhì)過氧化物鏈式反應，并維持膜脂質(zhì)雙層的穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，應用RSL3處理誘導的鐵死亡與GPX4失活相似，進一步支持RSL3通過GPX4抑制誘導鐵死亡。在小鼠中敲除GPX4會導致胚胎致死和大量脂質(zhì)過氧化物積累。過表達GPX4細胞表現(xiàn)出對RSL3的抵抗性，抑制其誘導的細胞鐵死亡[5]。此外，在敲除GPX4的小鼠中不會發(fā)生凋亡，這進一步證實了鐵死亡是致死的主要原因。

1.2 細胞鐵是誘導鐵死亡發(fā)生的關鍵鐵是生命體不可缺少的重要元素，在DNA合成、能量代謝、細胞呼吸等過程中發(fā)揮著重要作用。對游離鐵需求是鐵死亡的基本特性，幾乎所有的脂質(zhì)過氧化物都可以被鐵螯合劑結(jié)合而減少。已經(jīng)證實，轉(zhuǎn)鐵蛋白是鐵的轉(zhuǎn)運體，其通過識別轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1將鐵從細胞外環(huán)境導入細胞內(nèi)。轉(zhuǎn)鐵蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1都是誘導細胞發(fā)生鐵死亡所必需的。轉(zhuǎn)鐵蛋白與游離鐵結(jié)合，使其不可利用，從而起到防止鐵死亡的作用。鐵轉(zhuǎn)運蛋白負責從細胞中輸出鐵，是鐵死亡的負調(diào)節(jié)因子[6]。鐵螯合劑長期以來被用于開發(fā)抗腫瘤策略。然而，鐵死亡誘導中的鐵需求重新定義了鐵螯合劑在癌癥治療中的作用。未來的研究仍然需要驗證不同條件下癌癥治療中的鐵螯合策略。

1.3 ROS過量是鐵死亡的最后通路從機制上講，鐵死亡是通過鐵介導的脂質(zhì)活性氧的積累導致細胞死亡。脂質(zhì)活性氧的積累會干擾細胞的完整性和膜的流動性、滲透性，這種影響可能是致命的[7]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵離子通過芬頓反應參與了ROS的產(chǎn)生[8]。鐵催化產(chǎn)生的ROS可能是鐵死亡的主要原因。熱休克蛋白β-1(heat shock protein beta-1, HSPB1)通過減少細胞內(nèi)鐵和脂質(zhì)ROS來保護癌細胞免于鐵死亡[9]。在體內(nèi)，敲除HSPB1增強了鐵死亡誘導劑Erastin的抗腫瘤活性[10]。上述研究結(jié)果均支持過量的ROS直接導致了細胞鐵死亡。

2 鐵死亡在不同消化系統(tǒng)腫瘤治療中的調(diào)控機制

2.1 肝細胞癌肝細胞癌的治療主要有手術和化療，均無法達到令人滿意的效果，尤其是對于晚期肝細胞癌。索拉非尼是第一個被批準用于晚期肝癌患者的全身療法。索拉非尼誘導肝癌細胞中GSH水平的雙重降低，這種效應與Erastin的作用相當[11]。眾所周知，視網(wǎng)膜母細胞瘤(Rb)蛋白調(diào)節(jié)細胞增殖，Rb蛋白功能的喪失是肝癌發(fā)生過程中的一個重要事件。研究表明索拉非尼通過在肝癌細胞中的雙重作用模式促進鐵死亡。第一種作用模式獨立于Rb蛋白，與索拉菲尼消耗肝癌細胞內(nèi)GSH的能力有關。人們將這種效應歸因于Xc轉(zhuǎn)運蛋白的抑制。Xc轉(zhuǎn)運蛋白是一種胱氨酸谷氨酰胺反向轉(zhuǎn)運體，最近有報道稱索拉菲尼和Erastin以其為靶點[12]。第二種作用模式取決于肝癌細胞的Rb蛋白狀態(tài)，并與線粒體產(chǎn)生的活性氧增加有關。既往研究報告指出線粒體呼吸鏈是暴露于索拉非尼的肝癌細胞的潛在弱點。

研究證實索拉菲尼是鐵死亡的強效誘導劑，而不是凋亡的誘導劑。肝癌細胞暴露于索拉非尼時發(fā)生鐵死亡，并且Sigma-1 receptor(S1R)是人類肝癌細胞中鐵死亡的負調(diào)節(jié)因子，其調(diào)節(jié)許多參與活性氧和鐵代謝的靶位，其中最關鍵的是鐵死亡靶位GPX4。在體外和體內(nèi)，抑制S1R顯著加速了Erastin和索拉非尼在肝癌細胞中誘導的脂質(zhì)產(chǎn)生和隨后的鐵死亡。并且，敲除S1R在體外和體內(nèi)阻斷了GPX4的表達[13]。因此，S1R在調(diào)節(jié)肝癌細胞發(fā)生鐵死亡時具有重要作用。在另一項研究中[14]，p62-Keap1-NRF2抗氧化信號通路是參與ROS和鐵代謝基因轉(zhuǎn)錄激活肝癌細胞鐵死亡的關鍵負調(diào)節(jié)因子；抑制p62-Keap1-NRF2途徑可顯著增強Erastin和索拉非尼在體外和體內(nèi)對肝癌細胞中的抗癌活性。綜上所述，鐵死亡為肝癌的治療提供了新靶點，為治療方向提供了新思路。

2.2 胰腺導管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)PDAC是一種不可治愈的癌癥，其標準療法使存活率提高了不到6個月[1]，且PDAC的發(fā)病率預計還會增加。既往研究發(fā)現(xiàn)，致癌性KRas將PDAC細胞重編程至高度抗凋亡狀態(tài)。青蒿琥酯(Artesunate, ART)是一種抗瘧藥，以引發(fā)ROS產(chǎn)生的方式在不同的癌細胞類型中特異性誘導程序性細胞死亡。目前研究證明，抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法在PDAC細胞系中誘導細胞發(fā)生鐵死亡，而不影響非腫瘤性人胰腺導管上皮細胞。與鐵代謝抑制劑鐵抑制素-1聯(lián)合治療可阻斷ART誘導的脂質(zhì)過氧化和細胞死亡，并增加細胞長期存活和增殖[15]。

除此之外，研究人員發(fā)現(xiàn)核受體輔激活因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)介導的鐵蛋白吞噬是一種自噬過程，該過程在胰腺癌中通過鐵蛋白的降解導致鐵死亡。鐵蛋白降解導致細胞內(nèi)的游離鐵增加，這觸發(fā)了活性氧的產(chǎn)生和隨后的胰腺癌中鐵死亡。胰腺癌中特異性shRNAs敲除NCOA4抑制了鐵蛋白吞噬并抑制了Erastin誘導的鐵死亡。相比之下，NCOA4過表達增加了鐵蛋白的降解，并促進了鐵死亡[16]。這進一步證明了體內(nèi)誘導鐵死亡可用于靶向殺死PDAC細胞，為PDAC治療提供了新思路。

2.3 胃癌Hao等[17]研究顯示：Erastin可以誘導胃癌細胞發(fā)生鐵死亡。CD44最近被確定為幾種腫瘤中與腫瘤干細胞相關的細胞表面標志之一，標準CD44亞型(CD44s)主要在造血細胞和正常上皮細胞亞群中表達，而膜近端細胞外區(qū)插入的變異亞型(CD44v)在上皮型癌中大量存在[18]。研究發(fā)現(xiàn)CD44v在小鼠胃癌中不均勻表達，在增殖細胞和慢循環(huán)干細胞樣細胞中高表達，但在含有粘蛋白5AC(MUC5AC)基因(胃分化的標志)的細胞中表達不豐富。CD44v可與Xc-系統(tǒng)相互作用，調(diào)控細胞內(nèi)GSH水平。因此，CD44高表達人胃腸道腫瘤細胞中GSH合成能力高，進而可以阻斷ROS誘導的應激信號傳導，使胃癌細胞對鐵死亡產(chǎn)生抵抗[19]。相反，降低胃癌細胞中CD44v表達，可使細胞內(nèi)GSH合成減少，促進胃癌細胞發(fā)生鐵死亡，起到抗腫瘤作用。

順鉑和紫杉醇是針對晚期胃癌治療的一線化療藥物，但是在胃癌治療中對順鉑和紫杉醇的耐藥性變得越來越嚴重?；熌退幮酝ǔＥcDNA損傷修復、調(diào)節(jié)細胞凋亡和谷胱甘肽水平增加的分子突變有關。研究表明，鐵死亡相關信號通路的改變可能為逆轉(zhuǎn)化療耐藥性提供了一種新思路。外泌體屬于細胞外小泡(EVs)家族，直徑為30～100 nm，由多種細胞分泌。花生四烯酸脂氧合酶15(arachidonate lipoxygenase 15, ALOX15)是細胞中產(chǎn)生ROS的主要介質(zhì)，其在胃癌細胞中明顯下調(diào)，并發(fā)現(xiàn)與鐵死亡的抑制密切相關。此外，腫瘤相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)分泌的外泌體miR-522在調(diào)控胃癌細胞ALOX15的表達中起主導作用。有研究證明，阻斷CAF-外泌體介導的脂質(zhì)-活性氧抑制導致癌細胞中鐵死亡水平增加，從而提高了化療的敏感性[20]。因此，探究由外泌體介導的調(diào)節(jié)癌細胞鐵死亡作用的機制，可為提高胃癌化療的敏感性提供新方法。

2.4 結(jié)直腸癌結(jié)直腸癌的發(fā)生是因為遺傳和表觀遺傳學改變的逐漸積累，這些改變導致正常結(jié)直腸黏膜向腺瘤并最終向癌轉(zhuǎn)化和發(fā)展。除此之外，在結(jié)直腸癌中發(fā)現(xiàn)了30%～50%的K-ras突變，其在腫瘤發(fā)生過程中起重要作用，與不突變患者相比，K-ras突變患者的預后較差。Doll等[21]提出長鏈脂肪酸輔酶a連接酶家族的同工酶(ACSL-4)在誘導鐵死亡中起關鍵作用，并且可以通過調(diào)節(jié)磷脂(特別是磷脂酰乙醇胺)來預測對鐵死亡的敏感性。研究證明了菠蘿蛋白酶通過調(diào)節(jié)ACSL-4水平有效地導致K-ras突變細胞系中發(fā)生鐵死亡，有效地抑制結(jié)直腸癌細胞的生長及轉(zhuǎn)移[22]。

此外，亞氨基-6-甲氧基-2H-苯并吡喃-3-碳硫酰胺(2-imino-6-methoxy-2H-chromene-3-carbothioamide, IMCA)是一種苯并吡喃衍生物，具有多種生物活性。最新研究表明，IMCA誘導了DLD-1和HCT116細胞中腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)磷酸化激活、雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)去磷酸化失活，并最終導致致死性ROS積累，誘發(fā)鐵死亡[23]。因此，IMCA可以通過AMPK/mTOR途徑誘導SLC7A11下調(diào)，進而發(fā)生鐵死亡。這些結(jié)果為結(jié)直腸癌提供了一種新的潛在治療化合物，并為誘發(fā)鐵死亡提供了新的見解。

3 討論

目前消化系統(tǒng)腫瘤有多種治療方式，早期以手術治療為主，晚期以靶向藥物治療為主，其中靶向藥物治療的病理機制中，細胞死亡是關鍵過程。綜合目前的研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡參與了腫瘤的靶向治療過程，可能是發(fā)揮作用的關鍵。因此，隨著鐵死亡調(diào)控機制的深入研究，消化系統(tǒng)腫瘤會有新的干預方法和新的治療策略。