張海燕，王 欣，李錦碩，韓麗炘，李澤昊，閆燕艷

（山西大同大學醫(yī)學院，山西大同 037009）

1 鐵死亡概述

生物在自身的生長發(fā)育過程中會清除自身已經(jīng)破壞或多余的細胞。在此過程中，細胞死亡起著極其重要的作用。不同類型的細胞死亡通常有不同的機制。2008年，Yang[1]等研究發(fā)現(xiàn)并證實了細胞內(nèi)的鐵和脂質活性氧(reactive oxygen,ROS)與一種新的細胞死亡形式有關。2012 年，Dixon[2]等將這種由鐵離子累積及氧化物過多引起細胞死亡的方式稱為“鐵死亡”。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是一種非程序性凋亡的細胞死亡過程，與典型的細胞凋亡和自噬機制不同，它與脂質過氧化和鐵的代謝有密切的關系[2]。在鐵死亡中，線粒體作為細胞中主要累積過氧化物的細胞器，形態(tài)結構將發(fā)生改變，體積減小、線粒體嵴消失但膜密度會增加。鐵死亡與Caspase 家族無關，主要受一些基因調(diào)節(jié)，如鐵反應元件結合蛋白2(iron responsive element binding protein 2,IREB2)等，而鐵螯合劑和抗氧化劑能夠抑制鐵死亡[2]。

2 鐵死亡的調(diào)節(jié)機制

鐵死亡導致的細胞死亡方式與細胞內(nèi)諸多生理過程，如鐵的代謝、脂質過氧化及其他途徑有密切的聯(lián)系。在細胞中，ROS含量過多，細胞內(nèi)ROS的穩(wěn)態(tài)被破壞，就會觸發(fā)鐵死亡。與ROS 的含量密切相關的生化因素如鐵離子的代謝、脂質過氧化以及各種信號及分子等是調(diào)節(jié)鐵死亡的關鍵。

2.1 鐵離子的代謝

鐵死亡與鐵的攝取、轉運和儲存有很大的關系。鐵穩(wěn)態(tài)在生物體內(nèi)有嚴格的調(diào)控機制。鐵離子一般具有Fe2+和Fe3+兩種氧化形式。鐵調(diào)節(jié)蛋白在起始點能夠調(diào)控鐵的代謝，而細胞內(nèi)鐵的濃度是決定鐵調(diào)節(jié)蛋白是否表達的重要因素，鐵與mRNA 結合來控制鐵代謝基因的表達[3]。轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TfR1)在鐵的攝入中將Fe3+轉運至細胞核內(nèi)，使其被金屬還原酶還原成Fe2+[4]；二價金屬離子轉運蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)將Fe2+釋放到胞質的不穩(wěn)定鐵池中[5]；同時，細胞中的Fe2+也能夠被鐵轉運蛋白氧化為Fe3+，最終細胞內(nèi)的鐵離子濃度會形成平衡以達到正?；?。正常條件下，鐵池維持鐵平衡，而病理條件下，細胞中的Fe2+會發(fā)生聚集，發(fā)生Fenton[6]反應與哈伯-韋斯反應，眾多的ROS 會產(chǎn)生，ROS 破壞細胞中的DNA 等基本結構，從而殺死細胞。因此，過量的鐵離子是產(chǎn)生鐵死亡的重要條件，鐵穩(wěn)態(tài)的相關因素就是細胞鐵死亡的潛在靶點。抑癌因子卵巢癌結構域蛋白酶-1(ovarian tumor domain-containing protease-1,OTUD1)能夠調(diào)節(jié)鐵反應元件結合蛋白2 從而導致細胞內(nèi)Fe2+聚集，誘導細胞鐵死亡[7]。血紅素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)促進產(chǎn)生游離的鐵，從而誘導細胞鐵死亡。總之，當細胞內(nèi)鐵相關蛋白及鐵穩(wěn)態(tài)發(fā)生問題時，細胞內(nèi)游離的鐵濃度增加，導致細胞中ROS 升高，誘導鐵死亡[8]。

2.2 脂質過氧化

脂質過氧化作為催化因子促進細胞鐵死亡。脂質過氧化物屬于ROS，將細胞內(nèi)DNA 等結構破壞，執(zhí)行細胞的鐵死亡[9]。脂質過氧化物在細胞中的過量積累是細胞鐵死亡的標志，因此，影響脂質過氧化的因子能影響細胞鐵死亡。具體來說，促進脂質過氧化的因子多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)能促進鐵死亡的進程；抑制脂質過氧化的因子谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)和半胱氨酸能抑制鐵死亡的進程[10]。深入了解不同因子對脂質過氧化的影響對了解細胞鐵死亡具有重要作用。

2.2.1 PUFA加快脂質過氧化，促進鐵死亡

細胞膜的流動性對細胞能否適應環(huán)境有極大的作用，PUFA 含量升高能增強細胞膜流動性，對細胞存活有重要作用[11]。PUFA 中存在不穩(wěn)定的雙鍵結構，易與鐵死亡中增加的ROS 觸發(fā)化學反應，導致細胞膜的破裂與細胞死亡。PUFA 含量的不同意味著細胞內(nèi)脂質過氧化的速度不同，鐵死亡的劇烈程度也不同。富含花生四烯酸的磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)是激發(fā)細胞鐵死亡的關鍵物質[12]。細胞中的長鏈脂酰輔酶A 合成酶4 (longchain acyl-CoA synthelase 4,ACSL4)以及溶血卵磷脂?；D移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)是脂質過氧化過程中的必需酶，前者參與PE 的合成，后者參與PE 的重塑。這兩種酶缺少時，PUFA 因PE 的減少而減少，鐵死亡的進程將會減慢[12-13]。因此，在細胞內(nèi)增加這兩種酶、PE 和PUFA含量增多，能使細胞對鐵死亡的敏感性提高。PUFA的過氧化反應也會受脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)的催化，減少細胞內(nèi)LOX 的含量能夠抑制PUFA 的堆積，進而抑制鐵死亡[12]。

2.2.2 半胱氨酸抑制脂質過氧化，抑制鐵死亡

由負責轉運氨基酸的輕鏈亞基(SLC7A11)與負責SLC7A11 胞內(nèi)運輸和胞膜表達的重鏈亞基(SLC3A2)共同構成的胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白體(System Xc－)不僅能有效防止物質氧化，還以1∶1的比例將胞外胱氨酸攝入和細胞內(nèi)谷氨酸排出，使胱氨酸還原成半胱氨酸。半胱氨酸等組成的谷胱甘肽(glutathione,GSH)具有抗氧化作用，抑制了ROS的堆積，抑制鐵死亡進程[14]。當細胞內(nèi)缺失控制System Xc－活性的基因SLC7A11 時，System Xc－受到抑制，GSH 因半胱氨酸的缺少而減少，加快鐵死亡的發(fā)生。鐵死亡促進劑愛拉斯汀(Erastin)能作用于System Xc－，通過抑制半胱氨酸的還原減少GSH 的含量，進而促進鐵死亡[2]。除此之外，胞內(nèi)的β-巰基乙醇能夠將胱氨酸還原為半胱氨酸，不需要依賴System Xc－，因此，β-巰基乙醇對鐵死亡起負性調(diào)節(jié)[14]。在缺失半胱氨酰tRNA 合成酶的細胞中，蛋氨酸能通過轉硫化過程直接轉化為半胱氨酸，同樣抑制鐵死亡。

2.2.3 GPX4抑制脂質過氧化物堆積，抑制鐵死亡

GPX4 有極強的抗氧化作用。在鐵死亡中，還原型GSH 在GPX4 的抗氧化作用下被轉化為氧化型谷胱甘肽，而ROS 被轉化為無毒醇[14]，ROS 在胞內(nèi)的積累和脂質過氧化減少，抑制了鐵死亡進程。抑制GPX4，能夠誘導鐵死亡發(fā)生。GPX4 屬于鐵死亡中的調(diào)節(jié)蛋白，能夠決定鐵死亡的劇烈程度。當GPX4基因缺失后，細胞鐵死亡敏感性會升高，將減弱對鐵死亡的抵抗性[15]。

2.3 其他途徑與鐵死亡

鐵死亡機制還受到核因子E2 相關因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信號通路、熱休克蛋白(heat shock proteins,HSP)、硒、能量應激等的影響。Nrf2 能維持并調(diào)節(jié)胞內(nèi)氧化還原的穩(wěn)態(tài)，通過p62-Keap1-Nrf2途徑能加快System Xc－交換氨基酸，GSH 含量增加并還原胞內(nèi)脂質過氧化物，抑制鐵死亡[16]。HSP是高度保守的分子伴侶，具有抗氧化等功能，HSPB1(Heat Shock 27kDa Protein 1)可降低細胞對鐵的攝入，減少ROS 增加，抑制鐵死亡，前列腺癌細胞等經(jīng)HSPB1 途徑降低Erastin 的藥效[17]。維持GPX4 活性的元素硒能調(diào)節(jié)GPX4 的活性以及豐度，使GPX4 更有效地與ROS 進行反應，間接抑制鐵死亡[18]。細胞處于能量應激狀態(tài)時，蛋白激酶被激活，胞內(nèi)大量的ATP 被消耗，PUFA 的合成受到抑制，對鐵死亡負性調(diào)節(jié)[19]。鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)能抑制脂質過氧化，抑制ROS聚集，抑制鐵死亡[20]。

3 鐵死亡與腫瘤

鐵死亡在多種腫瘤如肝癌、結直腸癌、胃癌、肺癌中較常見。腫瘤細胞可因鐵死亡機制而死亡，因此，鐵死亡在腫瘤中成為了新的治療方向。

3.1 鐵死亡與肝癌

低密度脂蛋白(low density lipoprotein-docosahexaenoic acid,LDL-DHA)二十二碳六烯酸能引起肝癌細胞內(nèi)脂質過氧化物增加、GSH 被消耗以及GPX4失活，進而誘導鐵死亡在肝癌細胞中發(fā)生，對肝癌的發(fā)生和轉移具有抑制作用[21]。鐵硫結構域蛋白1(CDGSH iron sulfur domain 1,CISD1)在肝癌細胞的線粒體內(nèi)減少Fe2+聚集和ROS積累，抑制了鐵死亡的發(fā)生[22]。作為治療肝癌的蛋白激酶抑制劑索拉菲尼(Sorafenib)能夠在肝癌中抑制System Xc－的轉運功能，降低細胞內(nèi)GSH 含量，加速肝癌細胞鐵死亡；氟哌啶醇(Haloperidol)在肝癌中加劇Fe2+聚集和ROS堆積，增強索拉菲尼和Erastin 的作用，促進了鐵死亡在肝癌中發(fā)生[23]。隱丹參酮(Cryptotanshinone)可下調(diào)GPX4 和System Xc－的表達，增加胞內(nèi)脂質過氧化物的堆積，促進鐵死亡；而鐵螯合劑能夠緩解隱丹參酮的作用[24]。研究表明，相比于Rb野生型，在體內(nèi)外使用索拉菲尼處理Rb缺失的肝癌細胞可觀察到細胞內(nèi)高濃度的線粒體ROS水平，鐵死亡顯著發(fā)生[25]。

3.2 鐵死亡與結直腸癌

腸道細胞內(nèi)鐵離子的積累會導致ROS 過量聚集，誘導腸道上皮細胞鐵死亡[26]。鐵死亡誘導劑順鉑能下調(diào)GPX4 的表達，胞內(nèi)脂質過氧化增加，誘導鐵死亡[27]?；颊咄瑫r使用β-欖香烯與西妥昔單抗可誘導鐵死亡，抑制體內(nèi)結直腸癌細胞的增殖與轉移；維生素C 不僅可以增加結直腸癌細胞內(nèi)ROS 的積累而誘導鐵死亡，也能夠與西妥昔單抗聯(lián)用，降低癌細胞的抗藥性，因此，維生素C 在結直腸癌的臨床治療中被廣泛認可[28]。作為治療結直腸癌的經(jīng)典藥物5-氟尿嘧啶可以通過miRNAs 靶向HSPB1，誘導鐵死亡，提高結直腸癌細胞的敏感性[29]，增強結直腸癌的治療效果。

3.3 鐵死亡與胃癌

在胃癌中，Erastin 能降低System Xc－活性以及胱氨酸的轉化引起ROS 的積累，損壞DNA 或RNA，導致細胞鐵死亡，半胱氨酸雙加氧酶1(cysteine dioxygenase 1,CDO1)在該過程中起重要作用。當CDO1低表達或失活后，胞中GSH含量增加，進而ROS含量降低，抑制Erastin 所誘導的鐵死亡[30]。轉錄因子IPO7 被脂肪分化相關蛋白(Perilipin2,PLIN2)刺激后，提供細胞增殖所需能量，提高胃癌細胞對鐵死亡的抵抗力[31]。濟源冬凌草素A 衍生物a2 可降低胃癌中GPX4 表達，促進鐵死亡，抑制胃癌的增殖[32]。在胃癌中，Circ-0008035 的表達上調(diào)將促進胃癌的增殖，可通過敲除Circ-0008035 等基因，導致細胞內(nèi)鐵聚集，ROS 升高，誘導鐵死亡，進而治療胃癌[33]。腫瘤相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)的分泌物促進腫瘤的增殖和耐藥。CAFs 分泌miR-522，miR-522能與ROS發(fā)生生化反應，減少脂質中ROS 的聚集，從而負性調(diào)節(jié)鐵死亡，導致胃癌細胞對順鉑和紫杉醇耐藥，是胃癌細胞獲得耐藥性的一種途徑[34]。CD44蛋白與System Xc－直接作用而影響ROS 的產(chǎn)生與積累進而影響鐵死亡，因此可通過CD44的靶點藥物治療胃癌[35]。

3.4 鐵死亡與肺癌

在肺癌治療中，順鉑引發(fā)腫瘤細胞內(nèi)GPX4 失活，促進脂質過氧化，ROS 含量升高，促進鐵死亡。柳氮磺胺嘧啶(Sulfasalazine)作為一種免疫抑制藥能明顯降低肺癌中GSH 水平，促進細胞鐵死亡，抑制細胞的增殖和轉移[36]。他汀類藥物能夠阻斷甲羥戊酸途徑，間接使GPX4 含量降低，進而提高肺癌對鐵死亡的敏感度[37]。鐵基材料能夠在肺癌內(nèi)釋放Fe2+并引發(fā)Fe2+與ROS 的聚集，促進鐵死亡，其毒副作用也較順鉑等更小[38]。氧化鐵納米顆粒Ferumoxytol在臨床上不僅能夠治療缺鐵性貧血，也能夠抑制早期腫瘤的增殖和轉移[39]。

4 鐵死亡與腫瘤耐藥

鐵死亡與腫瘤耐藥有密切的聯(lián)系。腫瘤細胞通過不同機制使胞內(nèi)GSH升高，鐵蓄積減少，抑制ROS產(chǎn)生，進而發(fā)生耐藥[40]。抗氧化應激通路Nrf2-ARE中Nrf2 過度激活與腫瘤耐藥有關。肝癌患者長期使用索拉菲尼后，激活Nrf2 通路，促進金屬硫蛋白1G(metallo-thionein-1G,MT-1G)表達，抑制脂質過氧化，抑制鐵死亡，導致索拉菲尼耐藥[41]。Keap1-Nrf2通路可調(diào)控System Xc－亞基SLC7A11 表達，胞內(nèi)GSH 含量升高，ROS 減少，抑制鐵死亡[16]。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆?？梢种艷SH 合成，促進脂質過氧化，誘導鐵死亡[39]，所以降低腫瘤細胞對氧化應激的耐受能力，將是治療腫瘤耐藥性的新方向。長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,IncRNA)P53RRA 可通過調(diào)控抑癌因子P53 表達，介導腫瘤耐藥[42]。位于內(nèi)質網(wǎng)上的熱休克蛋白A5(HSPA5)可與GPX4 結合并穩(wěn)定，抑制了胞內(nèi)ROS 的增加，進而抑制鐵死亡[43]。同時，鐵死亡的調(diào)控機制也可通過生物過程進行調(diào)控，如鐵、FUDA 和GSH 代謝，進而下調(diào)腫瘤細胞的耐藥性，誘導鐵死亡。

鐵死亡是不受腫瘤細胞耐藥機制調(diào)控的致細胞死亡的途徑，研究與鐵死亡相關途徑的機制，有助于臨床抗癌藥物的開發(fā)與研制；在臨床上，鐵死亡已成為治療腫瘤的熱門領域，相關藥物如Erastin等的認可與應用，大大提高了治療效果（表1）。在未來，鐵死亡將在癌癥治療中將發(fā)揮越來越重要的作用。

表1 與鐵死亡途徑有關藥物及其抗癌應用

5 展望與小結

目前，鐵死亡是新的臨床治療方向，在腫瘤治療中受到越來越多的關注。盡管鐵死亡的研究日益增加，但還存在一些問題：①還需要進一步探索與了解鐵死亡未知的發(fā)生和調(diào)節(jié)機制；②臨床治療上，抗腫瘤藥物的缺點還有很多，研究新型的藥物已迫在眉睫，降低和解決腫瘤細胞的耐藥性也是一個重要的問題；③不同組織細胞對鐵死亡的敏感性不同，如何將鐵死亡正確應用于治療腫瘤中也是重要的研究方向；④不同抗腫瘤藥物在腫瘤治療過程中常聯(lián)合用藥，但藥物的拮抗或協(xié)同作用尚不明確，仍需大量理論研究支撐。