付 洋，王曉謙，金澤明，楊萬里，張汝月，洪 流

(空軍軍醫(yī)大學： 1基礎醫(yī)學院， 2西京醫(yī)院消化外科，陜西 西安 710032)

鐵作為人體必需的微量元素，維持著機體正常的代謝功能。它通過調節(jié)關鍵酶的活性參與了眾多的氧化還原反應，同時影響著細胞的增殖及死亡。研究表明，細胞內過量的鐵可促進脂質過氧化物的生成，進而引起細胞死亡[1-4]。這一細胞死亡過程無法被經典的凋亡抑制劑抑制，且與細胞內鐵含量密切相關，故將其命名為鐵死亡。近年來研究發(fā)現，鐵死亡與多種疾病的發(fā)生密切相關，包括大腦退行性病變、缺血再灌注損傷以及心力衰竭等[2,4-11]。更為重要的是，研究發(fā)現，鐵死亡與腫瘤細胞增殖密切相關，消化系統(tǒng)腫瘤在新發(fā)腫瘤患者中的比例逐年增加，治療方式依然為以手術切除為核心的全身治療，尚缺乏腫瘤特異的精準治療靶點[1]。隨著鐵死亡誘導劑伊拉斯汀、索拉菲尼等誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡的藥物不斷應用于臨床[1,12]，越來越多的研究認為誘導腫瘤細胞鐵死亡可能成為一種有效的腫瘤治療手段[1,13-15]。本文就鐵死亡的發(fā)生機制及其在消化系統(tǒng)腫瘤中的研究進展作一綜述，以期探索鐵死亡在腫瘤中的研究方向。

1 鐵死亡概況

1.1 鐵死亡的發(fā)現

主要從第一個小分子化合物伊拉斯汀說起，它可以殺死大鼠肉瘤(rat sarcoma，Ras)細胞并且同時上調Ras細胞內亞鐵離子，最終產生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)誘導細胞死亡。接著在2012年，DIXON教授團隊根據其特點，將細胞這種既非凋亡又非壞死的特異性死亡過程稱為Ferroptosis，中文則普遍將伊拉斯汀誘導的細胞死亡形式稱為鐵死亡[5,8,11-17]。

1.2 鐵死亡的特征

鐵死亡是一種表現為鐵依賴性的、細胞內脂質活性氧累積的細胞死亡形式。在自身形態(tài)學上主要表現的特有形態(tài)學特征為質膜起泡、細胞質以及脂質ROS增多、細胞核正常、線粒體嵴減少或消失、線粒體皺縮和線粒體膜密度增加[2,6,9,13-14,16-19]。在生物代謝上，胞內氧化還原穩(wěn)態(tài)被打破，抗氧化能力降低，ROS升高[1]。在其他很多方面也與凋亡、壞死、自噬有較大差別[5-6,12-14,16-17,20]，在整個機體的生長和發(fā)育中起到關鍵性作用[5]。

2 鐵死亡的關鍵調控通路及調節(jié)因子

細胞中鐵死亡的調控通路較多，本文選擇最主要的4條通路來闡述其作用機制。細胞內多余的游離鐵離子通過芬頓反應與過氧化氫相互作用，從而導致組成細胞膜的多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質過氧化，這是目前已知的鐵死亡啟動的基礎機制。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是一種硒蛋白，它可以特異并高效地清除磷脂過氧化氫，從而抑制鐵死亡的發(fā)生。無論是使用RSL3等小分子化合物抑制GPX4的活性，還是直接敲除GPX4基因，都會導致脂質過氧化水平急劇增加和啟動鐵死亡。所以說，GPX4是鐵死亡過程中關鍵的調控因子[11-12]。

2.1 GPX4通路

GPX4是目前發(fā)現的GPX家族中惟一一個降低脂膜中過氧化物的酶，抗氧化效應顯著高于家族中其他成員[5-6,20-21]。特別是GPX4可降解細胞中鐵超載誘導的過氧化氫及其他小分子過氧化物，能防止ROS大量堆積所導致的鐵死亡[13,19]。它的主要抑制劑RSL3、FIN56、DP12等能直接結合GPX4, 導致細胞脂質過氧化、ROS堆積，最終導致細胞發(fā)生鐵死亡[6,9,16,18,20]。而伊拉斯汀可以結合胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體(System Xc-)間接抑制GPX4，導致ROS堆積[12,17]?？傊?，GPX4是鐵死亡的一個關鍵調節(jié)因子[12]。GPX4的失活將導致細胞內過氧化物清除障礙，造成ROS大量積累，最終導致細胞鐵死亡的發(fā)生。

2.2 System Xc-

System Xc-能夠將胱氨酸轉運到細胞內，同時將谷氨酸轉運至細胞外，促進胞內谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成[6,12-13]。GSH是一種含有疏基的小分子活性肽，主要由谷氨酸、半胱氨酸以及甘氨酸構成。GSH含有的疏基結構可被氧化脫氫為氧化型GSH，從而使GSH成為機體內重要的抗氧化劑以及自由基清除劑，保護細胞免受氧化應激損傷[5-6]。伊拉斯汀、索拉菲尼、柳氮磺胺吡啶等化合物能夠抑制GSH的生成。其中小分子誘導劑伊拉斯汀及柳氮磺胺吡啶主要可通過抑制System Xc-來減少細胞內胱氨酸的攝取，導致GSH合成減少，從而誘導脂質過氧化損傷以及大量ROS堆積，最終導致細胞發(fā)生鐵死亡[1,5-6,20]。

2.3 P53通路

研究發(fā)現，鐵死亡誘導劑伊拉斯汀處理過的肺癌細胞內P53基因表達量顯著升高，而SLC7A11(System Xc-的主要組成成分之一)的表達顯著降低，抑制System Xc-導致胱氨酸的攝取減少，GSH合成減少，進一步抑制GPX4的活性，最終誘導細胞發(fā)生鐵死亡[1,4,6,9,12-17,20-21]。研究還發(fā)現，亞精胺/精胺N1-乙酰轉移酶1作為P53的靶基因，能夠直接參與調控細胞鐵死亡[8,13]，主要表現為P53及microRNA等可以激活亞精胺/精胺N1-乙酰轉移酶1，調控花生四烯酸-15脂氧合酶，以此誘導細胞脂質過氧化，繼而導致ROS堆積，最終引起細胞發(fā)生鐵死亡[21]。

2.4 其他通路

抑制性化合物DFO、2,2-BP等通過作用于細胞膜抑制鐵的吸收，而轉鐵蛋白1可以作用于細胞膜上鐵的轉運蛋白，引起細胞內鐵的吸收、攝入、儲存減少，從而減少脂質過氧化損傷，抑制ROS生成，進而減少細胞發(fā)生鐵死亡[4,6,13,20-21]。

3 鐵死亡與消化系統(tǒng)腫瘤的關系

近年來，由于鐵死亡逐漸被人們所認識，關于它在消化系統(tǒng)腫瘤中的研究也不斷深入。

3.1 肝癌

肝臟的鐵含量超標一直被認為是肝臟疾病的誘因之一。最新的一項研究表明，作為新的非典型細胞死亡類型，鐵死亡在肝癌的發(fā)生與發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用[22]，但鐵死亡在肝癌中的確切作用機制尚未完全闡明。研究發(fā)現，索拉菲尼可通過誘導氧化應激和鐵死亡從而在肝癌衍生細胞系中產生細胞毒性，這表明在藥物誘導肝癌細胞死亡機制中，鐵死亡發(fā)揮著重要作用[5,16-17]。研究表明，鐵死亡誘導劑伊拉斯汀可抑制肝癌細胞中鈣結合蛋白轉錄因子的表達，過氧化物酶基因表達受到抑制，導致胞內ROS和丙二醛不斷累積，引發(fā)細胞死亡[23]。此外，在肝癌細胞中發(fā)現長鏈?；o酶A合成酶3和長鏈?；o酶A合成酶4表達顯著上調[23]，長鏈?；o酶A合成酶4可通過5-羥基二十碳四烯酸介導的脂毒性抑制伊拉斯汀誘導的鐵死亡[4,17,24]。最新研究發(fā)現，銅藍蛋白通過調節(jié)肝癌細胞的鐵穩(wěn)態(tài)來抑制鐵死亡，抑制銅藍蛋白可顯著增加細胞內Fe2+和ROS的積累，進而促進伊拉斯汀和RSL3誘導的肝癌細胞鐵死亡[6,25]。同時，納米顆粒藥物如低密度脂蛋白-二十二碳六烯酸，錳-二氧化硅納米顆?？梢赃x擇性地殺死肝癌細胞，其靶向定位的優(yōu)勢也為原位誘導肝癌細胞鐵死亡提供了新的方向[9,19-20]。因此，誘導肝癌細胞發(fā)生鐵死亡可能是未來特異性治療肝癌的新方向。

3.2 胃癌

手術切除、放療和化療一直是治療胃癌的主要策略。HAO等[26]發(fā)現，伊拉斯汀可以誘導胃癌細胞發(fā)生鐵死亡。最近一項研究也發(fā)現，鐵死亡在胃癌中被顯著抑制，導致腫瘤生長和對順鉑與紫杉醇的敏感性降低[27]。間充質型胃癌細胞中超長鏈脂肪酸蛋白5和脂肪酸去飽和酶1的表達上調，導致鐵死亡敏化[28]。此外，鐵死亡抑制劑(F-1和L-1)可以抑制CDO1，從而恢復GPX4的表達和GSH水平，最終減少ROS的生成來逆轉伊拉斯汀誘導的鐵死亡。研究表明，CD44是在腫瘤干細胞中表達的黏附分子，其中CD44突變體可與System Xc-相互作用，調控細胞內GSH的水平，因此，CD44高表達的胃腸道腫瘤細胞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生抵抗[12-14]?？梢哉f，鐵死亡參與了胃癌化療相關的眾多治療過程，通過誘導胃癌細胞鐵死亡，可在一定程度上促進腫瘤治療效果，為臨床醫(yī)生制定診療策略提供依據。

3.3 結腸癌

盡管如今已經開發(fā)了許多用于結腸癌的化療藥物(如奧沙利鉑、氟尿嘧啶等)，但結腸癌的病死率依然非常高。近期研究顯示，鐵死亡誘導劑RSL3可引發(fā)結腸癌細胞死亡和ROS累積[29]，表明鐵死亡與結腸癌疾病密切相關，這為結腸疾病的治療提供了新的方向。鐵死亡誘導劑RSL3在處理結直腸癌細胞系HCT116、LOVO和HT29后引起轉鐵蛋白表達升高,同時GPX4表達降低,進而導致細胞中的ROS水平升高,引起細胞鐵死亡[16]。在現有的研究中，已經發(fā)現多種分子如順鉑、RSL3可抑制結直腸癌細胞中GPX4，誘導細胞鐵死亡的發(fā)生，進而抑制結腸癌的進展[29-30]。故在臨床上可以用順鉑、RSL3等來誘導結腸癌細胞發(fā)生鐵死亡，從而達到治療的目的。而抑癌基因P53在結腸癌細胞中主要通過非轉錄機制誘導細胞發(fā)生鐵死亡，P53基因可介導抑制System Xc-中SLC7A11的表達，并且P53基因缺失提高了伊拉斯汀在體內的抗癌活性[30]。在未來的結腸癌治療方案中，P53可能是一個潛在治療靶點。多項結腸腫瘤性疾病的研究指出，代謝紊亂導致的鐵死亡抵抗是結腸癌進展的重要原因，激活癌細胞發(fā)生鐵死亡可作為傳統(tǒng)抗癌治療耐藥或無效患者的新思路[29-30]。

3.4 胰腺癌

胰腺癌被認為是最具侵襲性的惡性腫瘤之一，其中鐵死亡誘導劑伊拉斯汀可以通過干擾GPX4的催化循環(huán)，抑制胱氨酸、谷氨酸的逆向轉運系統(tǒng)，在致癌的Ras突變細胞系中選擇性地誘導鐵死亡[31]，故促進鐵死亡可成為治療胰腺癌的一種潛在治療手段，同時實驗也證明伊拉斯汀在致癌Ras突變胰腺導管腺癌細胞中的細胞毒性是由鐵死亡引起的。一項研究結果表明，(1β,3β,25R)-螺環(huán)-5-烯-1,3-二醇通過誘導鐵死亡在胰腺癌細胞中表現出抗癌作用，其以劑量和時間依賴的方式抑制胰腺癌細胞死亡，且無明顯的毒性，故該化合物有可能進一步發(fā)展成為治療胰腺癌有前途的抗癌候選藥物[32]。這些研究表明鐵死亡和胰腺癌有著密切關系，也為開發(fā)新的藥物和治療胰腺癌的新策略提供了有價值的信息[33]。

4 結語

鐵死亡通過鐵依賴的方式促進ROS的生成并誘導細胞進入程序性死亡。近年來，鐵死亡影響消化道腫瘤機制的研究不斷涌現，通路中的關鍵分子及相互作用也逐漸清晰。但是，鐵死亡與自噬、凋亡等關鍵通路的相互作用及全景圖畫尚未闡明。鐵死亡的臨床檢測與應用尚屬空白階段，基于鐵死亡的抗腫瘤藥物研發(fā)也相對不足。基礎研究與臨床應用的巨大鴻溝使鐵死亡在消化道腫瘤中的意義尚未被足夠重視。如何通過誘導消化道腫瘤鐵死亡，從而使患者得到更好的臨床治療依舊是研究人員需要努力的方向。

雖然研究人員在肝癌、胃癌、結腸癌、胰腺癌等消化道腫瘤上找到一些能誘發(fā)鐵死亡[13]的相應作用靶點，但是對鐵死亡的研究仍面臨許多困難?，F階段只能通過檢測ROS水平、GPX4酶活性、Fe2+指示劑以及一些鐵死亡抑制劑來間接證明鐵死亡的發(fā)生[5,12]，鐵死亡直觀特異的檢測指標尚亟待研究和建立。關于鐵蛋白介導的癌癥治療以及鐵死亡是否與免疫過程有關也是以后研究的方向。這些目標可以作為未來研究工作的重點，以便盡快應用于臨床，給予一些腫瘤患者更多的治療機會和生存希望。