李 明(綜述), 陳龍菊(審校)

骨肉瘤(osteosarcoma,OS)又稱為成骨肉瘤,是兒童和青少年中最常見的原發(fā)性惡性骨腫瘤,主要好發(fā)于股骨遠端、脛骨近端和肱骨近端的干骺端[1]。目前OS的病因及發(fā)病機制尚不明確,但與其他惡性腫瘤相比,OS具有惡性程度高且易轉(zhuǎn)移的特點,其中肺轉(zhuǎn)移途徑常成為OS患者首要死亡原因[2-3]。OS明確診斷后一般采用多藥化療方法,但經(jīng)上述治療的OS患者存活率不僅無明顯提高,還產(chǎn)生了極強耐藥性,對人們的生命健康造成威脅[4]。鐵死亡是一種新發(fā)現(xiàn)的以脂質(zhì)活性氧(lipid reactive oxygen species,L-ROS)的積累為特征且具有鐵依賴性、非凋亡性的細(xì)胞程序性死亡方式,已被證實在惡性腫瘤的預(yù)防和治療方面發(fā)揮重要作用[5]。近年來的相關(guān)研究已證實鐵死亡不僅在OS的進展、治療及預(yù)后方面發(fā)揮了重要作用,還降低了OS細(xì)胞對化療藥物的耐藥性,可成為一種新的治療靶點。因此,本文對鐵死亡及其在OS中的研究進展進行綜述,旨在為OS的防治提供理論依據(jù)。

1 鐵死亡的概念及主要信號通路

鐵死亡是一種不同于自噬、凋亡及壞死形式的新型細(xì)胞死亡方式,其與腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、炎癥、缺血-再灌注損傷、敗血癥和急性肺損傷等多種疾病的病理過程相關(guān)[6-7]。鐵死亡在形態(tài)學(xué)上主要表現(xiàn)為線粒體顯著收縮,膜密度增加,線粒體嵴減少或消失[8]。激活鐵死亡的關(guān)鍵事件為磷脂中酯化的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)殘基過氧化[9]。鐵死亡可在對傳統(tǒng)療法有抵抗性的惡性腫瘤治療時被激活[10],因此誘導(dǎo)鐵死亡可延緩惡性腫瘤的進展并在其治療方面發(fā)揮積極作用。目前,關(guān)于鐵死亡相關(guān)信號通路研究仍在不斷深入,已證實的鐵死亡信號通路主要有胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體(cystine/glutamate antiporter system Xc-,system Xc-)-谷胱甘肽(glutathione,GSH)-谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)信號通路和還原型輔酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)Ⅱ-鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)-輔酶Q10(CoQ10)信號通路。鐵死亡主要由GSH耗盡或谷胱甘肽過氧化物酶抗氧化作用失活驅(qū)動[11]。GSH是一種含硫醇的三肽,主要通過細(xì)胞表面的半胱氨酸(cysteine,Cys)或system Xc-的輕鏈亞基SLC7A11(又稱xCT)輸入的Cys合成[12]。system Xc-由SLC7A11和溶質(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)組成,其可介導(dǎo)胱氨酸的轉(zhuǎn)入和谷氨酸的轉(zhuǎn)出,進入細(xì)胞的胱氨酸會被system Xc-轉(zhuǎn)換為Cys,然后Cys再進一步合成GSH,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)system XC-活性降低時,Cys的含量、GSH的合成和GPX4活性都會降低,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化,進而誘發(fā)鐵死亡[13]。相關(guān)研究也證實了system Xc-的底物特異性亞基-GSH軸的激活在內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[14]。GPX4是鐵死亡的關(guān)鍵因子,也是維持GSH和谷胱甘肽二硫化物平衡的關(guān)鍵酶,主要位于鐵死亡信號通路的下游,GPX4利用GSH作為其輔助因子可將氫過氧化物(R-OOH)還原為相應(yīng)的醇(R-OH),GSH則被氧化為氧化型谷胱甘肽,可降低脂質(zhì)過氧化,進而抑制鐵死亡,此外GPX4的表達可被4-羥基壬烯醛抑制,引起缺鐵,可驅(qū)動鐵死亡[15]。因此,GSH的合成、GPX4的功能以及system Xc-的活性對于保護細(xì)胞免受鐵死亡發(fā)揮著重要作用。FSP1已被證實是一種有效的抗鐵死亡因子,在肉豆素被酰化的條件下,可作為一種氧化還原酶,通過NADPH將CoQ10催化成一種親脂性自由基清除劑泛素醇,可減少脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物(lipid peroxide,LPO)產(chǎn)生,進而降低脂質(zhì)過氧化,從而抑制鐵死亡。FSP1作為一種典型的鐵死亡抑制劑,最初被描述為p53應(yīng)答基因[16]。p53是重要的腫瘤抑制因子,在腫瘤細(xì)胞生長發(fā)育中的周期調(diào)控、衰老及凋亡等過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[17]。細(xì)胞內(nèi)p53激活和表達量上調(diào)會抑制SLC7A11的表達,使細(xì)胞對胱氨酸的攝取減少,Cys生成量降低,GSH產(chǎn)生也隨之減少,進而導(dǎo)致細(xì)胞對膜PUFA產(chǎn)生的L-ROS敏感性增加,最終誘發(fā)鐵死亡[18],但p53在鐵死亡過程中發(fā)揮的具體作用仍需進一步研究。CoQ10是一種具有抗氧化性且可移動的親脂性電子載體,可參與溶酶體膜的能量生成,已證實在某些情況下,通過抑制CoQ10可以增強細(xì)胞對鐵死亡的敏感性[19]。有研究顯示,通過阻斷CoQ生物合成途徑,可使作為抗鐵死亡因子的FSP1失效[20]。NADPH氧化酶[nicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADPH)oxidases,NOX]作為一組具有氧化活性的蛋白,其生物學(xué)功能主要是產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS),其抑制劑二甲基苯碘已被證實在人體肺癌中可部分抑制愛拉斯汀誘導(dǎo)的鐵死亡[21]。鐵死亡信號通路在抑制鐵死亡發(fā)生方面發(fā)揮了重要作用,但其作用機制仍需進一步探討。

2 鐵死亡的機制

2.1脂質(zhì)過氧化 鐵死亡是由脂質(zhì)過氧化驅(qū)動,脂質(zhì)過氧化的過程即ROS與生物膜的磷脂、酶和膜受體相關(guān)的PUFA的側(cè)鏈等大分子物質(zhì)產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng),形成LPO,如丙二醛(malondialdehyde,MDA)和4-羥基壬烯醛,導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能改變,從而誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡[15]。其中PUFA對脂質(zhì)過氧化反應(yīng)尤其敏感,其含量及所處位置對細(xì)胞中脂質(zhì)過氧化程度具有決定性,使其在鐵死亡機制中發(fā)揮著不可替代的作用[22]。鐵死亡脂質(zhì)過氧化的主要底物為含PUFA的磷脂,也是生物膜的重要組成部分,磷脂與PUFA結(jié)合主要通過其sn-2位置與一個?；鶜埢B接,該?；鶜埢峙c1個PUFA結(jié)合[23]。此外,酯酰輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)也是脂肪酸代謝的重要組成部分,可通過輔酶A的酯化反應(yīng)激活PUFA,從而參與鐵死亡的執(zhí)行過程中[24]。因此脂質(zhì)過氧化的過程及其產(chǎn)物在鐵死亡發(fā)生的機制中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

2.2鐵超載 鐵是人體必需的微量元素之一,一定量的鐵對正常的細(xì)胞和器官功能至關(guān)重要,但鐵的異常積累會對人體產(chǎn)生一定的傷害[25]。鐵超載,即體內(nèi)過量的鐵積聚,過量的鐵主要以鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain,FTL)和鐵蛋白重鏈1(ferritin heavy polypeptide 1,FTH1)的形式儲存在細(xì)胞內(nèi)[26]。在細(xì)胞層面,鐵超載會導(dǎo)致L-ROS增加,誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)進而參與細(xì)胞的鐵死亡過程[27]。在OS疾病中,鐵超載也主要通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)來促進OS細(xì)胞的凋亡、自噬和鐵死亡[28]。鐵的代謝功能障礙會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)亞鐵離子水平增加,引起ROS富集,進而促進脂質(zhì)過氧化,最終導(dǎo)致鐵死亡[29]。其主要機制為Fe3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TFR1)結(jié)合后,通過細(xì)胞膜進入細(xì)胞核內(nèi)體,定位于內(nèi)胚層,在內(nèi)胚層被鐵還原酶還原為Fe2+,然后Fe2+被釋放到細(xì)胞質(zhì)中不穩(wěn)定的鐵池中,多余的鐵被儲存在鐵蛋白中,二價金屬轉(zhuǎn)運體1也會從細(xì)胞核中釋放Fe2+到細(xì)胞質(zhì)不穩(wěn)定的鐵池中,就會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Fe2+超載,細(xì)胞內(nèi)超載的Fe2+通過芬頓反應(yīng)催化產(chǎn)生過量的L-ROS,就會誘發(fā)鐵死亡[26]。Dong等[30]發(fā)現(xiàn)亞鐵離子在維持缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor,HIF)-脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase domain,PHD)活性方面發(fā)揮著重要作用,鐵的減少可以抑制PHD活性,從而誘導(dǎo)HIF的積累并激活下游基因介入到鐵死亡的進程中。Yao等[31]發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞能在鐵超載的條件下發(fā)生鐵死亡,且在鐵死亡的誘導(dǎo)下軟骨細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13,MMP-13)表達增加,膠原Ⅱ表達減少。因此,鐵離子的攝取、轉(zhuǎn)運、儲存異常都會對鐵死亡產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)作用,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Fe2+增多,導(dǎo)致鐵超載的狀態(tài),進而誘導(dǎo)鐵死亡。

2.3線粒體功能障礙 線粒體的代謝是細(xì)胞ROS的主要來源,當(dāng)Cys不足時,線粒體代謝可促進GSH的快速消耗,進而產(chǎn)生L-ROS以驅(qū)動鐵死亡,且谷氨酰胺的分解調(diào)節(jié)鐵死亡主要是通過在線粒體三羧酸循環(huán)中提供的α-酮戊二酸酯來實現(xiàn)的,還有研究表明,通過抑制線粒體三羧酸循環(huán)、敲除線粒體電壓依賴性陰離子通道2/3或抑制電子傳遞鏈可使LPO減少,使鐵死亡受到抑制,且線粒體被阻斷會使鐵死亡受抑制的程度進一步加強。當(dāng)GPX4被抑制時,鐵死亡還可以獨立于線粒體進行,這表明線粒體在鐵死亡中的作用可能與上下游分子都有關(guān)[32]。鐵死亡的易感性、起始和實施與線粒體呼吸異常有關(guān),但線粒體在鐵死亡中的具體作用有待進一步研究[33]。

3 鐵死亡相關(guān)基因及信號通路參與OS的研究進展及治療

童也等[34]研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡的相關(guān)基因FANCD2、HSPB1、ATF4和TMBIM4,在轉(zhuǎn)移性O(shè)S組織中的表達異?？赡軙p少鐵死亡相關(guān)的細(xì)胞凋亡,最終加快OS的發(fā)展進程。Lv等[35]的研究證實β-異硫氰酸苯乙酯可抑制GPX4表達,導(dǎo)致ROS積累,造成脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激,還可激活ROS依賴的絲裂原活化蛋白激酶信號通路,誘導(dǎo)人OS細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,抑制人OS細(xì)胞增殖,進而延緩腫瘤進展。Shi等[36]驗證了替拉扎明可通過抑制SLC7A11和GPX4轉(zhuǎn)導(dǎo),誘導(dǎo)鐵死亡,從而抑制缺氧條件下OS細(xì)胞的增殖和遷移。有研究顯示,長期使用順鉑會抑制鐵死亡發(fā)生,產(chǎn)生耐藥OS細(xì)胞,而使用鐵死亡誘導(dǎo)劑和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activation of transcription 3,STAT3)抑制劑可重新激活細(xì)胞中的鐵死亡,削弱STAT3/Nrf2/GPX4的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),進而誘導(dǎo)鐵死亡,增加對順鉑的敏感性,可成為克服OS細(xì)胞順鉑耐藥的潛在治療靶點[37]。Xu等[38]的研究發(fā)現(xiàn),GPX4是MicroRNA-1287-5P調(diào)控人OS細(xì)胞鐵死亡的直接作用靶點,因此MiR-1287-5P通過抑制GPX4可促進OS細(xì)胞鐵死亡。過表達MiR-1287-5P可增強OS細(xì)胞對順鉑化療敏感性,且MiR-1287-5P模擬物與順鉑聯(lián)合使用可進一步降低OS細(xì)胞的存活率,因此MiR-1287-5P可成為OS治療的佐劑或替代療法。Chen等[39]發(fā)現(xiàn)下調(diào)組蛋白賴氨酸去甲基化酶4A(recombinant lysine specific demethylase 4A,KDM4A)的表達可降低SLAC7A11的表達,促進OS細(xì)胞的鐵死亡,并抑制OS進展及肺轉(zhuǎn)移途徑,且敲低KDM4A可增加順鉑處理OS細(xì)胞的敏感性。Lin等[40]研究發(fā)現(xiàn),新型姜黃素類似物聯(lián)苯二氟銅可誘導(dǎo)鐵死亡,其機制可能是上調(diào)HO-1抑制GPX4的表達,增加MDA、ROS和細(xì)胞內(nèi)鐵離子水平,使其可成為一種治療HMOX1陽性O(shè)S患者的潛在藥物。Zhan等[41]發(fā)現(xiàn)鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin和Yes相關(guān)蛋白敲低可增強OS細(xì)胞對焦脫鎂葉綠酸-a甲酯介導(dǎo)的光動力療法(methy ester pyropheophorbide-a mediated photodynamic therapy,MPPa-PDT)治療的敏感性,證實了Erastin聯(lián)合MPPa-PDT可顯著改善OS預(yù)后,因此鐵死亡誘導(dǎo)劑有可能成為治療OS的一大類新興藥物。Luo等[42]發(fā)現(xiàn),補骨脂二氫黃酮可增加亞鐵水平和下調(diào)磷酸化的STAT3來上調(diào)p53表達,從而降低SLC7A11和GPX4的表達,促進ROS和MDA的積累,進而誘導(dǎo)鐵死亡,且在鐵死亡抑制劑處理下,補骨脂二氫黃酮誘導(dǎo)的細(xì)胞鐵死亡可被逆轉(zhuǎn),因此,補骨脂二氫黃酮有望成為OS治療的藥物。

4 結(jié)語

目前已發(fā)現(xiàn)鐵死亡可通過脂質(zhì)過氧化、鐵超載、線粒體功能障礙機制參與OS的進展、治療及預(yù)后,且能降低OS耐藥性,但鐵死亡的調(diào)控機制仍未被充分了解,仍需進一步探討。此外,鐵死亡誘導(dǎo)劑可驅(qū)動鐵死亡參與抑制OS細(xì)胞的過程,因此其可成為一種新的OS治療藥物。目前除經(jīng)典鐵死亡誘導(dǎo)劑外,許多中藥及其成分已被發(fā)現(xiàn)對鐵死亡具有調(diào)節(jié)作用,如青蒿素、益母草堿、甘草、仙茅苷等[43]。未來可在此基礎(chǔ)上開展中藥及其有效成分參與鐵死亡的調(diào)控途徑以及聯(lián)合OS傳統(tǒng)療法的相關(guān)研究,拓展OS的治療前景。