铁死亡在肿瘤免疫治疗的研究进展*

陈丽华，向阳

100730北京，中国医学科学院/北京协和医学院/北京协和医院 妇产科

铁死亡是一种主要依赖于铁离子的细胞死亡形式,它不同于细胞凋亡、细胞自噬等其它常见的细胞死亡方式[1],主要表现为细胞内铁离子的电流紊乱、活性氧(reactive oxygen species,ROS)的增多以及脂质过氧化,进而打破了细胞内原有的氧化与还原平衡,引起细胞膜损伤,最终导致细胞死亡。已知铁死亡涉及体内多种生物代谢和病变发生的过程,并且广泛参与了各种恶性肿瘤的形成、发展,在癌症免疫微环境中扮演着关键的调节作用。近期的研究已证实铁死亡与癌症免疫治疗的疗效息息相关[2-4]。本文对铁死亡在肿瘤与免疫治疗领域的前沿研究进展进行了综述,旨在给癌症免疫治疗领域带来新的研究方向和思路。

1 概 述

铁死亡是一种为平衡机体新陈代谢、生物氧化还原和机体组织器官正常生长发育而存在的新型的细胞死亡形式。铁死亡主要依赖于铁离子电流,其本质是一种应激反应。2003年，Dolma等[5]的研究指出喜树碱(camptothecin,CPT)和另一种新型化合物erastin能够诱导表达RAS V12蛋白的肿瘤细胞发生细胞死亡,但是两者诱导的细胞死亡形式不同。CPT诱导细胞凋亡,而erastin引起的细胞死亡形式却与之大不相同，它在细胞形态和生物化学特征方面,与凋亡和自噬等细胞死亡形式有明显的差别,主要表现为:细胞线粒体体积缩小,线粒体膜皱缩、密度增强,线粒体嵴变少甚至完全消失。因此，认定erastin所诱导的细胞死亡是一种区别于细胞凋亡的细胞死亡形式。无独有偶,Yang等[6]的研究也报道了另一类复合物RSL3可产生同样的细胞死亡方式,而且这一过程能被铁的螯合物所抑制。直到2012年，Dixon等[1]将这种新型的细胞死亡形式定义为铁死亡。

铁死亡的发生机制主要有两大途径：一是抑制胱氨酸(cystine，Cys)/谷氨酸(glutamine，Glu)反向转运系统(system Xc-)-谷胱甘肽(glutathione，GSH)-谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase，GPX)4轴，促进脂质ROS积聚的经典途径[1，6-7]。在经典途径中，system Xc-由跨膜转运蛋白SLC3A2和SLC7A11组成异二聚体，可通过促进胞膜外Cys和胞膜内Glu交换,将Cys还原为半胱氨酸，并参与GSH的合成，因此，抑制system Xc-可以促进铁死亡的发生[8]；其次，GPX4是一种将H2O2分解成水或相应醇的酶[9],细胞内GPX4活性下降或GPX4直接降解会引发铁依赖性ROS增加，进而诱发铁死亡[10]。目前认为GPX4是多种铁死亡诱导物诱导铁死亡的关键靶点[11]。二是铁代谢异常和线粒体直接或间接诱导铁死亡的非经典途径[12]。除此之外，还有p53介导的细胞铁死亡途径[13],并且p53对铁死亡的调控具有双向性。在骨髓瘤细胞中，p53通过抑制肿瘤细胞中SLC7A11转录表达,进而抑制system Xc-而减少Cys摄取,通过经典途径介导铁死亡的发生[14]；同时，又有研究指出[15],在纤维肉瘤、肾癌中，野生型p53通过维持p21水平,从而增加细胞中GSH的含量和降低脂质ROS的蓄积从而负调控铁死亡。虽然铁死亡的上游调控通路不同，但最终都会影响GPXs的活性，使得细胞抗氧化能力降低，最终引起脂质ROS增多，促进铁死亡的发生(图1)。

图1 铁死亡在肿瘤免疫中的机制Figure 1.Mechanism in Which Ferroptosis Participates in Tumor Immunotherapy

2 铁死亡与肿瘤免疫的关系

铁死亡是一种新型的细胞死亡类型,在许多恶性肿瘤如乳腺癌、肝癌、胃癌、直肠癌、前列腺癌、胶质细胞瘤和胰腺癌中均有报道[16-18]。免疫治疗在整个抗肿瘤医疗领域中是一颗冉冉升起的新星,它通过激活机体受抑制的免疫系统和提高其固有的抗癌能力,展现出了令人鼓舞的临床效果[19]。以抗程序性细胞死亡受体1(programmed death-1,PD-1)/程序性死亡配体1 (programmed death ligand-1,PD-L1)为代表的免疫治疗,开启了现代癌症防治的崭新时期[20]。虽然靶向PD-1/PD-L1的免疫治疗是当前临床上最有效的癌症免疫治疗方式,但它在实体肿瘤中的有效率仅有20%～30%[21]。当前免疫治疗的有效性远没有达到我们的理想水平,表明在肿瘤微环境中可能存在其他未知的免疫抑制途径。因此亟需寻找新的免疫治疗靶标或者联合其他有效的治疗措施来进一步提高肿瘤免疫治疗的效果。科技的发展,使人们在研究铁死亡产生机制的深度与广度上都更进一步,大量新研究已证实铁死亡与肿瘤的免疫调节有关[22-24]。

近期，Sun等[24]通过建立一种负载有铁死亡诱导剂(ferroptosis-inducingagents,FINs)的仿生磁小体,在乳腺癌种植瘤模型中发现FINs诱导强烈的T细胞依赖的局部和全身抗肿瘤免疫反应，引起肿瘤免疫微环境重编程，并抑制细胞毒性CD8+T细胞和免疫抑制细胞之间的相互作用，从而抑制肿瘤生长。同时，铁死亡诱导剂在癌症治疗中的实际价值也是日渐凸显,目前FINs主要包括4类：Ⅰ类以索拉非尼(sorafenib) 为代表，通过消耗 GSH，打破细胞内的氧化-还原平衡[25]；Ⅱ类以六甲蜜胺(altretamine)为代表，直接靶向作用于GPX4并使其失活性[26]；Ⅲ类以 FIN56为代表，通过非经典途径消耗 GPX4[27]，Ⅱ类和Ⅲ类FINs可通过作用于 GSH的下游靶标 GPX4，灭活或降解 GPX4，从而导致脂质过氧化物积累，诱发铁死亡；Ⅳ类以 1，2-二氧戊环化合物 (FINO2)为代表，通过增加不稳定铁池或氧化铁诱导脂质过氧化，灭活 GPX4和促进铁氧化引起癌细胞的铁死亡[27]。将FINs搭配新型的纳米药物、免疫治疗等方法,以期提供更为可靠、更为高效的治疗方法。Tsoi等[28]指出,对于蛋白激酶和免疫治疗不响应的黑色素瘤细胞，表现为对 FINs的敏感性增加,FINs能够进一步提升靶向药物和免疫治疗药物的效果。发生铁死亡的肿瘤细胞产生大量脂质代谢产物直接影响免疫细胞的活性和功能,同时免疫细胞向肿瘤细胞的动员也受到许多趋化因子、细胞因子,以及可溶性代谢物(如脂类和核酸)的调控。Friedmann等[29]的研究指出在GPX4缺失诱导的铁死亡过程中，细胞可释放氧化性脂质介质，花生四烯酸可能是招募免疫细胞寻找铁死亡肿瘤细胞潜在的“找到我”信号。其次,铁死亡的发生会直接影响免疫细胞的表型与作用。例如,发生铁死亡的肿瘤细胞能产生致癌的KRAS蛋白,它能够被肿瘤有关的巨噬细胞吞噬而使其发生极化[30]。巨噬细胞也能引起铁死亡,但巨噬细胞对铁死亡的抗性远比肿瘤细胞更强,表现为仅在高铁离子浓度的环境下,erastin和SLC7A11表达缺失可以诱发巨噬细胞产生铁死亡[31]。最后,免疫细胞也能调节肿瘤细胞的铁死亡。在癌细胞侵袭转移的过程中,初始的CD8+T细胞可以进一步分化为效应性CD8+T细胞,并逐步活化为细胞毒性CD8+T细胞和记忆性CD8+T细胞,从而发挥其在癌症局部的靶向功能,而癌症免疫治疗则是通过提高CD8+T细胞的免疫功能来实现[32]。肿瘤免疫微环境中被激活的T 细胞能产生多种细胞因子,包括干扰素-γ(interferon gamma,IFN-γ),进而促进肿瘤细胞发生铁死亡[33]。IFN-γ 是一类具有抗癌效应的细胞因子,但在某些情形下,其也能促进肿瘤细胞发生免疫逃逸,例如在卵巢癌细胞中，活化的CD8+T细胞所产生的IFN-γ 能够上调PD-L1的表达,从而促进肿瘤细胞发生免疫逃逸,进而导致了癌症的产生与发展[34]。

3 铁死亡调节肿瘤免疫治疗的机制研究

随着铁死亡研究的日益深入,大量研究表明铁死亡在抗肿瘤中做出突出的贡献。但是铁死亡在肿瘤免疫治疗中扮演何种角色以及具体的机制仍然是目前研究的热点和难点。高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)是铁死亡的重要生物学标志物,同时也是肿瘤免疫的关键因子。发生铁死亡的癌细胞会以自噬依赖性的方式释放HMGB1,使之产生免疫原性,进一步激活机体的免疫系统[35]。除此之外,发生铁死亡的癌细胞通过释放HMGB1,经由HMGB1-AGE信号通路促使巨噬细胞发生M1型极化，并且在敲除了HMGB1基因之后,可以通过Ras-JNK/p38途径降低由erastin所诱发的铁死亡[36]。所以,脂质代谢与铁死亡的共同作用可能会影响HMGB1的释放,以达到对肿瘤免疫调节的效果。不过,脂质代谢与铁死亡在肿瘤免疫中的具体作用机制目前仍未明确。

最新的相关研究也证实,在巨噬细胞中铁死亡的发生会被一氧化氮通路所抑制,并为铁死亡调节的固有免疫反应提供理论基础[37]。同时,Kapralov 等[38]的研究表明胰腺导管腺癌细胞会以自噬依赖性铁死亡的方式释出KARS G12D外泌体,接着巨噬细胞通过吞噬外泌体引导巨噬细胞发生M2极化过程,最终抑制它的吞噬功能。Matsushita等[39]的研究也表明,在脾脏的T细胞中,GPX4缺乏的效应性T细胞的增殖，明显受到抑制，是因为GPX4缺乏的T细胞膜上的脂过氧化物迅速堆积,而诱导了T细胞出现铁死亡所引起的。被免疫治疗所激活的 CD8+T 细胞能产生多种细胞因子,比如IFN-γ 通过下调SLC3A2和 SLC7A11蛋白的表达水平[34],使得细胞中GSH的浓度减少,从而导致了ROS的过量积聚并引起了细胞的铁死亡[33]。另外,有关研究[29]也指出铁死亡的肿瘤细胞中高表达Cox-2基因,能进一步促进负性免疫调控因子前列腺素E2的高表达,进而抑制了包含I型树突状细胞、自然杀伤细胞和细胞毒性T细胞的癌症免疫系统,从而介导肿瘤细胞产生免疫逃逸[40]。

Sun等[24]研究了FINs的纳米材料,可以通过诱导强烈的T细胞依赖的局部和系统抗肿瘤免疫反应,重建肿瘤患者的免疫微环境,从而影响细胞毒性T细胞与抑制性免疫细胞间的作用,进而有效控制癌症发展。并且,根据Lang等[41]的研究成果发现，癌症的免疫治疗可以促进肿瘤细胞发生铁死亡,从而增加肿瘤患者对放疗、化疗的敏感性。最新的研究指出,铁死亡能够显著减少肿瘤微环境中与癌症相关的M2样巨噬细胞的数量,表明铁死亡可以通过逆转免疫抑制微环境来促进抗肿瘤免疫反应[42]。上述的研究更进一步阐述了铁死亡和免疫疗法之间的相关性,为恶性肿瘤治疗方案中，FINs联合免疫治疗奠定了理论基石。同时,也为进一步深入探讨细胞铁死亡分子机制以及提高免疫治疗的效果提供了新的方向。

4 总结与展望

综上所述,由于铁死亡很可能是调节癌症免疫治疗的重要枢纽,因此控制铁死亡对合理高效的整合免疫治疗有着关键意义。虽然目前对肿瘤细胞发生铁死亡的机制研究已取得一些进展,但仍处在初级阶段,亟需借助更多高通量技术手段，比如单细胞测序技术从代谢途径、表观修饰、基因突变谱等多种视角,解析铁死亡在癌症免疫治疗中产生功能的调节机理。同时，相应的基础研究也可关注肿瘤细胞发生铁死亡的生理功能,从而深入剖析铁死亡与癌症免疫调节的相互作用,从而定义对铁死亡治疗敏感的肿瘤特征,并积极控制该治疗方法潜在的毒副作用,最终推动癌症诊断治疗整体水平的提高。铁死亡在癌症治疗领域潜力很大,但怎样扬长避短充分发挥它在癌症免疫中的最大作用仍需深入的探讨。总之,进一步明确铁死亡在肿瘤免疫治疗中的分子调控机制有助于推动肿瘤免疫治疗领域的不断突破,为癌症的攻克作出重要贡献。

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doi：10.1111/odi.14077.