铁死亡在神经系统肿瘤中的作用及其机制研究进展

赵甦，李巧玉，孙而艺

Stockwell实验室在2001—2003年期间，成功地筛选出能够选择性杀死具有致癌性人成纤维瘤BJ细胞的小分子化合物“eaststin”。经过进一步实验，Stockwell等在进行细胞凋亡检测时，始终没有发现其与细胞凋亡相关的证据，没有caspase激活以及caspase底物的裂解，也没有细胞核形态的变形等[5]。直到2008年Stockwell等才在实验室首次证实这种铁依赖形式的非细胞凋亡的死亡形式。在2012年Dixon和Stockwell等[6]首次提出了“ferroptosis”的术语概念。自此，铁死亡的概念逐渐被国内外学者知晓。与细胞凋亡、坏死以及自噬等方式不同，铁死亡有独特的死亡形式及生物学特性；其主要特征性的表现是细胞的脂质活性氧(reactive oxygen species， ROS)不断积累，最后导致线粒体变小，线粒体膜的双侧膜密度改变[7]。但其不导致细胞膜破坏、细胞核的改变以及染色质的浓缩[1]。有研究[5]表明，铁死亡在神经系统疾病中起了重要的作用。现就铁死亡在神经系统肿瘤中的作用及其机制的相关研究进展综述如下。

1 铁死亡的调节剂

1.1 抑铁调节剂 抑铁调节剂主要是通过调节铁死亡相关通路的环节，从而起到抑制细胞铁死亡的发生。常见的抑制剂主要有铁螯合剂、liproxstatin-1以及ferrostatin-1等。Zika等[8]发现lip-1和fer-1可能是通过减少细胞内毒性的脂质ROS积累，从而抑制细胞铁死亡的发生。在既往研究中发现，fer-1是一种强效的铁死亡抑制剂，可以抑制肿瘤细胞的铁死亡，其比酚类抗氧化剂能更有效地抑制铁死亡[9]。Dixon等[6]通过实验成功制成了合成的Fer-1，并证明了其可以特异性地抑制铁死亡，但不会抑制其他氧化性物质和细胞凋亡诱导的死亡方式。后续实验证明了Fer-1可以通过减少脂质ROS的积累而起到抑制铁死亡的效果[7]。另外，Fer-1也可以防止谷氨酸引起的细胞死亡，实验发现过量的谷氨酸会诱导大鼠海马切片培养模型发生铁死亡，但其可以被铁螯合剂CPX以及Fer-1抑制。铁螯合剂也可以抑制细胞的铁死亡[7]。临床上常用的铁螯合剂包括去铁胺、地拉罗司以及去铁酮。研究发现[10]，去铁胺之所以能够抑制铁死亡的发生，可能是通过铁螯合剂阻止铁离子将电子提供给氧形成ROS，具体的机制尚不明确。但不管是亲脂性的铁螯合剂还是膜不透性的铁螯合剂(如去铁胺)都具有抑制铁死亡发生的功效。也有研究[11]发现维生素E等可以抑制脂质的氧化过程，从而帮助细胞抑制铁死亡发生。

1.2 促铁调节剂 铁死亡诱导剂主要包括有Erastin、索拉非尼(sorafenib)、选择性致死化合物(ras-selective-lethal compound 3，RSL3)等。较早研究[6]发现，erastin是胱氨酸-谷氨酸反向转运体(cystine /glutamateantiporter，system Xc-)抑制剂，限制了谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成，最后使得细胞内的脂质ROS增多，从而发生铁死亡。Lu等[12]发现，Peroxiredoxin-6(PRDX6)具有帮助细胞抵抗铁死亡的作用，敲减PRDX6可以增强Erastin诱导铁死亡的效果。RSL3则可以下调GPX4的表达，直接抑制GPX4的活性，从而促进铁死亡发生，但其作用会被铁螯合剂(如去铁胺、CPX)以及亲脂性抗氧化剂(维生素E、fer-1等)抑制[11]。sorafenib在HT-1080、Huh以及ACHN等细胞系中，可能通过抑制xCT的活性来使得细胞内的脂质ROS积累增多，从而促进铁死亡发生，同样其作用也会被铁螯合剂去铁胺以及Fer-1抑制[11]。Kim等发现[13]在头颈癌细胞中，沉默CISD2基因可以使耐药的HNC细胞更易受柳氮磺吡啶的影响，使得HNC细胞发生铁死亡，其作用机制可能是通过抑制xCT的活性，使得细胞内脂质ROS积累进而促进了细胞铁死亡。除此之外，DPI7、DPI10、DPI12、DPI13、DPI17-19以及奥曲胺都可能是通过抑制GPX4活性来促进铁死亡的诱导剂[7]。

2 铁死亡的相关机制

2.1 铁离子途径 铁是肿瘤细胞增殖和发展中必需的元素之一。铁死亡是铁依赖性的非凋亡性细胞死亡方式。众多研究表明，神经系统肿瘤(如胶质瘤、胶质母细胞瘤)中都有铁死亡的参与[14]。三价铁离子通过转铁蛋白、转铁蛋白受体、二价金属转运体1等一系列结合、转运，以及还原过程成为二价铁离子。而Fe2+是铁死亡过程中参与反应的形态，铁超载后会使得大量铁离子参与Fenton反应，从而使得脂质ROS产生，加之细胞内的抗氧化能力不足，便会导致铁死亡发生[14]。

2.2 胱氨酸-谷氨酸反向转运体途径 胱氨酸-谷氨酸反向转运体是铁死亡过程中重要的环节，其由SLC7A11和SLC3A2共同组成[15]。通过胱氨酸-谷氨酸反向转运体系统，能够将谷氨酸转到细胞外，将胞外的胱氨酸转移至细胞内；胱氨酸还原成半胱氨酸，参与GSH的合成，随着GSH合成增加，使得毒性脂质ROS不能蓄积，保护细胞抵抗铁死亡。当细胞外的谷氨酸增多，或是特异性的抑制剂使得胱氨酸-谷氨酸反向转运体系统受到抑制，胱氨酸和谷氨酸的转运不能进行时，便会使细胞内GSH的合成减少。GSH作为细胞内的抗氧化剂，其减少会使得大量的脂质ROS蓄积，进而促进铁死亡的发生，引起细胞死亡[15]。

2.3 GPX4途径 GPX4是GPxs家族的一员。在铁死亡的过程中，作为抗氧化酶的GPX4可以通过降低细胞内的脂质ROS的蓄积，从而抑制细胞铁死亡[16]。研究发现，在人神经系统中膜多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFAs) 含量相对较多，而PUFA作为产生过氧化物的底物之一，在GPX4的活性受到抑制的时候，会迅速导致大量的脂性ROS产生；故相比身体其他部位，抑制神经系统组织的GPX4活性将会更加容易发生铁死亡[17]。目前的研究认为，铁诱导剂Erastin和RSL3均会抑制GPX4的活性，前者可能通过增加GPX4的底物GSH耗尽，从而促进铁死亡发生；后者则能直接抑制GPX4的活性。因此，使得GPX4失活或产生减少均能促进肿瘤细胞死亡，其也是促进肿瘤细胞铁死亡发生的重要条件[7,16]。

2.4 Nrf2 Nrf2是转录因子的一种，正常情况下在神经系统各区域的表达均较低。在神经系统肿瘤中，恶性程度越高的肿瘤患者的Nrf2表达水平就越高，同时也预示着其预后生存情况越差。Roh等[18]研究发现，在耐顺铂的头颈癌细胞中，通过抑制肿瘤细胞中Nrf2的表达，可以增加青蒿琥酯促使肿瘤细胞发生铁死亡的敏感性，提高了青蒿琥酯对耐药肿瘤细胞的治疗效果。脓毒症相关脑病(sepsis associated encephalopathy,SAE)是脓毒症的严重并发症，使脑组织发生广泛的功能障碍。姚鹏等[19]通过建立SAE的大鼠模型评估大鼠认知功能，检测铁含量以及相关蛋白表达，观察细胞形态。实验发现，SAE模型中大鼠海马神经元的受损可能与铁死亡有关，而抑制海马神经元细胞的铁死亡可以有效改善SAE大鼠模型的认知功能；抑制铁死亡过程可能与Nrf2/GPX4信号通路的激活，使铁死亡受到抑制有关。

2.5 其他相关机制 p53基因作为抑癌分子一直以来都受到广泛的关注，p53可以介导细胞发生细胞凋亡，阻滞其细胞周期，从而起到了抗肿瘤的作用。然而最近的研究[20]发现，p53不仅仅通过这两方面起到抗癌作用，还能通过调节细胞代谢起到抗肿瘤的作用。众多研究提示，p53这种通过细胞代谢应激而起到的抗癌作用可能与细胞铁死亡密切相关[20-21]。可能是P53下调胱氨酸-谷氨酸反向转运体系统中xCT的活性，使得胱氨酸不能进入胞内，抑制了GSH的合成，导致细胞内的脂质ROS产生不断增多，最终引起细胞铁死亡[21]。

3 铁死亡与神经系统肿瘤

研究发现，在神经系统疾病中，铁死亡扮演着极其重要的角色。近期的研究也使得铁死亡在神经系统肿瘤中的重要性逐渐地被揭晓。关于铁死亡在神经系统肿瘤中的作用机制已经取得一定的研究进展。通过对铁死亡的研究发现，部分的转录因子在神经系统肿瘤的增殖、迁移以及恶变中都起了重要作用，其作用机制与铁死亡密切相关。如ATF4，其表达升高会促进原发性脑肿瘤的恶性程度，且会增加肿瘤血管生成风险。Chen等[22]研究发现，当ATF4的表达增高时，激活的ATF4会使得xCT表达上调。而通过抑制xCT的活性，可以促进肿瘤细胞铁死亡的发生；从而缓解ATF4表达增高所引起的正常神经细胞的死亡。在神经胶质瘤细胞中，ATF4的表达水平增高会增加肿瘤血管的生成，可能是ATF4通过xCT活性依赖性方式增加了肿瘤血管的生成和血管结构的塑造；且研究表明通过下调ATF4的表达可以抑制xCT的活性，进而增强神经肿瘤细胞对铁死亡的敏感性，使得肿瘤和其脉管系统的增殖与生成得到控制。故ATF4可能是抑制肿瘤细胞增殖、肿瘤血管生长的有效靶点。同样作为转录因子家族的Nrf2在神经系统肿瘤中表达与肿瘤的恶性程度往往呈正相关，也影响着患者的预后生存情况。Fan等[23]通过研究Nrf2和Keap1的表达对神经胶质母细胞瘤中铁死亡敏感性的影响发现，Nrf2的过表达和Keap1的敲除可以促进肿瘤细胞的增殖和迁移；其机制可能是通过上调xCT的活性，改变了肿瘤的微环境，使肿瘤细胞铁死亡受到抑制而实现的。而下调胶质瘤细胞中Nrf2的表达可以促进肿瘤细胞铁死亡，其机制可能是通过抑制了xCT的活性，减少了谷氨酸的分泌，使细胞内脂质ROS产生增多，促进了铁死亡发生。同时下调Nrf2的表达，可以使得胶质瘤细胞对铁死亡的诱导剂(如erastin、RSL3)的敏感性增加。

恶性神经系统肿瘤的治疗方法往往是采用手术治疗，并辅以相应的化疗及放疗；敏感性高的化疗药物可以有效地改善患者的预后生存情况。替莫唑胺(Temozolomide，TMZ)作为治疗高级别胶质瘤的有效药物，可以延缓患者的生存期；但是效果却并不理想。Sehm等[24]研究发现，当TMZ联合铁死亡诱导剂时可以增强治疗效果。抑制xCT活性，干扰了肿瘤细胞的微环境可能是TMZ与铁死亡诱导剂联合使用增加疗效的原因。实验发现，当TMZ与erastin联合使用时，可以增加其抗癌作用的效果；但联合sorafenib则不能达到较好的效果。上调xCT表达后会使得肿瘤细胞对TMZ联合erastin的治疗效果更加敏感。总之，TMZ与铁死亡诱导剂联合使用，可以提高对胶质瘤细胞的治疗效果。布洛芬作为一种非甾体类抗炎药，已被证实在许多癌症中与肿瘤发生相关，但其对神经胶质瘤细胞的作用机制及效果尚不明确。Gao等研究[25]发现，布洛芬可以下调胶质母细胞瘤中GPX4和xCT的表达，且GPX4和xCT的表达降低与Nrf2表达下调相关，Nrf2可以调节胶质母细胞瘤中GPX4和xCT的表达；表明布洛芬可能通过下调Nrf2的表达，抑制了GPX4和xCT的活性，使得肿瘤细胞中的脂质ROS产生增多，进而促进胶质母细胞瘤的铁死亡发生；这使布洛芬有可能成为治疗神经胶质瘤的潜在药物。Wang等研究[26]发现，土槿皮乙酸(Pseudolaric acid B，PAB)可以抑制神经胶质瘤的活力；其机制可能是PAB上调运铁蛋白受体，改变了细胞内的铁含量，铁活化的Nox4增加，导致H2O2和脂质过氧化物的过量产生。此外，PAB也可能通过p53下调xCT的活性，使细胞内GSH产生减少、脂质ROS积累过多，促进了肿瘤细胞铁死亡的发生。PAB可以促进神经胶质瘤细胞的铁死亡发生，使其可能成为治疗神经胶质瘤细胞的潜在药物。但目前p53在神经系统肿瘤铁死亡过程中的作用研究尚少，且p53基因容易发生突变，突变后的基因是否能够保留调节细胞铁死亡的能力还尚未可知。

4 总结与展望

铁死亡是近年来新提出的细胞死亡方式，其不同于传统的细胞死亡方式，有自己的独特性。目前的研究报道已经证明铁死亡在神经系统疾病中同样起到了重要的作用，不仅仅是在PD及AD中，其在神经系统肿瘤和脑卒中的作用均有极其重要的研究价值。但目前对其作用机制的研究尚不足，在脑肿瘤方面，如何能够将铁死亡应用在治疗中是值得探究的。但对于铁死亡在神经系统中的很多未知作用及其机制，如在神经系统中，铁死亡与其他凋亡方式之间有着何种联系？如何将铁死亡应用到耐药肿瘤的药物治疗中？铁死亡涉及的基因表达和调控，以及在脑肿瘤中的作用机制相关研究还不够深入。深入对铁死亡的作用及其机制的研究不仅是对脑肿瘤，也对其他神经系统疾病的治疗有重大意义。