膀胱癌中铁死亡的研究进展

李生华，莫飞林，肖楚楠，翟高强，刘加林，黄志广

1.广西医科大学第一附属医院泌尿外科，广西 南宁 530021；

2.广西医科大学第一附属医院病理科，广西 南宁 530021

据全球癌症数据显示，膀胱癌是全球十大常见癌症之一，在泌尿生殖系统恶性肿瘤中排第二[1]。目前晚期的膀胱癌仍以药物化疗为主，但预后仍然不理想。耐药是癌症难以治愈的重要因素，铁死亡的出现为膀胱癌的治疗提供了新方向。

铁死亡是一种与活性氧(ROS)相关的新的细胞死亡调控形式，跟铁蓄积和脂质过氧化的过程关系密切[2]。细胞铁死亡的生化机制与坏死和凋亡不同，它的形态特点有：细胞体积缩小；线粒体膜密度增加，但外膜会破裂，线粒体嵴减少；细胞核形态则是正常的。抑制半胱氨酸的摄取或使谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)失活，或者对胱氨酸/谷氨酸逆转运蛋白的化学或突变抑制可诱导铁死亡，并最终导致积累的ROS以脂质过氧化物的形式存在[3]。

1 铁死亡的由来和机制

1.1 铁死亡的由来铁死亡的诱导剂比铁死亡更早被发现，铁死亡诱导剂能引发肿瘤细胞的非程序性细胞死亡(non-programmedcelldeath，NPCD)[4]。DIXON等[5]在2012年首次提出了Ferroptosis(铁死亡)的概念：即致癌的选择性RAS致死小分子Erastin诱发的一种依赖金属铁的非凋亡细胞死亡被称为铁死亡，该小分子则被称为铁死亡诱导剂。

1.2 铁死亡的生化机制铁死亡依赖于细胞内的铁元素，并且在机制、形态等方面与细胞凋亡、坏死和自噬不同。Dixon的团队认为ROS的积累和铁螯合剂抑制肿瘤细胞凋亡之间是密切相关的，当ROS积累增加，可导致肿瘤细胞死亡，同时，加入铁螯合剂去铁胺后，抑制了ROS积累和肿瘤细胞的凋亡[5]。其他研究也证明了铁死亡能够抑制肿瘤细胞的进程[6]。铁死亡的分子机制主要包括脂质过氧化的产生和消除。脂质过氧化的原料为铁和多聚不饱和脂肪酸，他们推动铁死亡的发生，而GPX4以还原性谷胱甘肽(glutathione，GSH)作为原料，抑制铁死亡的发生[7]。

2 铁死亡与肿瘤

铁元素参与了肿瘤的发生、发展、转移和微环境的调节等方面[8]。铁死亡的研究进展将有利于多种肿瘤的靶向治疗。目前铁死亡主要是用药物诱导产生，药物诱导的机制包括：(1)抑制胱氨酸/谷氨酸逆转运体(Xc-系统)[9-10]；(2)抑制或消耗GPX4的表达[11]；(3)促进高表达p53[12]。近10年来，除了Erastin外，索拉菲尼、柳氮磺胺吡啶、青蒿素、青蒿琥酯和二氢青蒿素等药物已被发现可用于诱导铁死亡[13]。此外，1,2-二氧戊环、西拉美新、拉帕替尼和BAY87-2243等药物也被发现能够调节GPX4从而诱导铁死亡[14]。Fin56是一种铁死亡诱导物，其通过GPX4蛋白降解触发铁死亡。SUN等[15]确定了Fin56诱导膀胱癌细胞的铁死亡和自噬，其机制上依赖于自噬。此外，他们还研究了Fin56与Torin 2(一种用于激活自噬的有效mTOR抑制剂)联合使用对细胞活力的影响，发现Fin56与Torin 2对膀胱癌细胞的细胞毒性有协同作用。这表明铁死亡诱导物和mTOR抑制剂的联合应用是一种有前景的方法来改善膀胱癌的治疗。这些药物为铁死亡治疗膀胱癌提供了新的方向[16]。

3 铁死亡在膀胱肿瘤领域的研究

3.1 铁离子浓度与膀胱肿瘤细胞内铁离子浓度与膀胱肿瘤的进展紧密相关。MARTIN-SANCHEZ等[17]分析1993年科学家研究细胞内铁离子浓度与膀胱肿瘤的增殖关系，发现当转铁蛋白与铁结合后，肿瘤细胞内的游离铁离子浓度下降，有利于膀胱癌细胞增殖，当用金属镓(Ga)作用于转铁蛋白干扰了铁与转铁蛋白的结合，细胞内游离铁增加，从而抑制了膀胱肿瘤细胞的增殖。MAZDAK等[18]研究微量元素在膀胱肿瘤中的作用，发现膀胱肿瘤患者血清铁水平明显低于对照组，提示血清铁水平降低可能是膀胱肿瘤发生的重要原因。TANG等[19]提出了铁蛋白吞噬现象，通过铁蛋白释放细胞内游离铁，细胞内游离铁的含量增加，可能起着抑制膀胱肿瘤的作用，结果提示激活铁死亡可以在膀胱肿瘤的治疗上取得理想的治疗效果。这些研究表明增加细胞内铁离子浓度可能有助于抑制膀胱肿瘤的进展。

3.2 顺铂与膀胱癌顺铂是一种DNA损伤剂，是晚期膀胱癌的标准化疗方法。然而，由于耐药性的发展，以顺铂为基础的治疗效果有限。顺铂耐药的原因是DNA损伤修复途径活性增强，如核苷酸切除修复、错配修复和范可尼贫血[20]。膀胱癌中最常见的是膀胱尿路上皮癌(BUC)，BUC中高表达MAFG-AS1，其通过铁死亡途径可以调控BUC细胞对顺铂的敏感性。此外，MAFG-AS1的表达受转录因子MAFG的调节，而MAFG-AS1通过招募EP300乙酰化酶促进MAFG基因组位点上的H3K27ac来促进MAFG的表达，从而形成MAFG-AS1/MAFG正反馈环。但进一步研究发现了MAFG-AS1在BUC中具有致癌作用，MAFG-AS1和MAFG通过上调PCBP2在BUC细胞中表达，并与之结合抑制BUC细胞的铁死亡。PCBP2是一种多聚结合蛋白，也叫铁伴侣，其作用是与FPN1(细胞膜转铁蛋白1)结合，将铁离子泵出细胞外，维持胞内的铁平衡，而顺铂和Erastin联合治疗可显著降低PCBP2蛋白表达。在该研究的病例中，MAFG-AS1和MAFG水平高的患者组比低表达MAFG-AS1和MAFG组的预后更差。因此MAFG-AS1、MAFG以及这两者之间的结合可以作为BUC患者独立的预后指标和化疗敏感性预测标志物。抑制MAFG-AS1和MAFG可以促进铁死亡而增加BUC细胞对顺铂的敏感性，这表明了MAFG-AS1/MAFG正反馈环或许可以成为新的化疗敏感性生物学标志物和BUC的治疗靶标[21-23]。

3.3 铁死亡相关基因与膀胱癌SLC7A11是胱氨酸-谷氨酸反转运蛋白的关键组成成分。SHARMA等[24]报道，SLC7A11在癌细胞中广泛表达。研究表明SLC7A11在多种癌症细胞中高表达[25-32]，包括肺癌、肝癌、胰腺癌、大肠癌、卵巢癌和乳腺癌等，且SLC7A11高表达患者预后比低表达患者差，这些结果提示SLC7A11能促进癌症的进程[33]。既往研究表明，SLC7A11能通过摄取胱氨酸来促进GSH合成，抑制ROS积累，从而抑制铁死亡[34]。p53基因可抑制SLC7A11的表达让细胞出现铁死亡的概率提高[35-36]。核因子红细胞2相关因子2(NRF2)是抗氧化反应过程的重要转录因子，过表达的NRF2可上调SLC7A11表达，从而抑制铁死亡[37]。BRCA1相关蛋白1(BAP1)可抑制癌症的进展，SLC7A11是BAP1的关键靶基因，BAP1通过减少SLC7A11启动子上的组蛋白2A泛素化而抑制SLC7A11的表达，使细胞更易发生铁死亡，从而抑制癌症的进展[33]。OTUB1是卵巢肿瘤(OTU)家族成员去泛素化酶，也是通过调节Mdm2和Mdmx的活 性 而牵 涉p53途径的调节剂[33，38]。OTUB1可 调 节SLC7A11的稳定性，在膀胱癌中也起到重要作用。OTUB1和SLC7A11结合会使其更加的稳定，OTUB1低表达则会抑制癌细胞中SLC7A11的活性，这可能与抑制铁死亡有关[38-39]。有趣的是，CD44高表达可以增加SLC7A11与OTUB1之间的结合从而促进SLC7A11的稳定性[39]。这些结果说明通过各种途径抑制SLC7A11可以促进铁死亡，或有利于膀胱癌的治疗与预后。近30年来，临床医生为患者提供相同且有限的治疗方法，患者5年生存率基本没有变化[40]。因此，提高这种危险疾病存活率的关键可能在于基因组学研究，危险因素预防和免疫治疗。大多数铁死亡相关基因在膀胱癌样品中均表现出明显的低表达。这些差异表达的基因或许可用作膀胱癌的诊断和预后的标志物。CRYAB基因是热激蛋白家族的成员，可作为分子伴侣保护蛋白质免于聚集，并使细胞减少氧化应激的损害[41]。CRYAB基因在抑制膀胱癌的发展中也发挥作用[42]。此外，PTGS2基因在许多炎症或癌细胞中是高表达的，该基因表达的前列腺素具有多种生物学功能，比如抑制细胞凋亡、促进细胞增殖等[43]。不过，PTGS2基因在膀胱癌细胞中却是低表达的[44]。在TCGA数据集的肿瘤样本中，铁死亡相关基因中TP53的突变频率最高。基于TCGA数据集中55个基因表达水平的两个簇也发现p53分组存在显著差异。据研究表明，p53在两个方向上均有调节铁死亡的作用，在低氧自由基的时候抑制铁死亡，而在高氧化压力下则会促进铁死亡[45]。进一步研究发现p53可以抑制SLC7A11的表达，从而促进癌细胞发生铁死亡[46]。YANG等[47]首次构建和外部验证了一种新的结合9个铁死亡相关差异基因的预后模型，包括ALB、BID、FADS 2、FANCD 2、INF-γ、MIOX、PLIN 4、SCD和SLC2A3。据报道，ALB(白蛋白)在膀胱癌细胞中高表达，ALB与转铁蛋白有协同作用，限制了铁的转运，从而促进了铁死亡[48]。线粒体反式激活BID，将铁死亡与线粒体损伤联系起来，过表达的BID能抑制细胞的铁死亡，使其预后更差[47，49]。FADS2在许多癌症中异常表达，其表达与癌细胞生长、侵袭和铁死亡密切相关，激活的FADS2参与Warburg效应抑制铁死亡。FADS2上 调 与 膀 胱 癌 预 后 不 良 有 关[47，50]。SCD与FADS2一样参与了Warburg效应。研究证实了SCD是一种催化卵巢癌细胞合成单不饱和脂肪酸的限速步骤的酶，SCD1既能诱导细胞铁死亡，又能诱导细胞凋亡。SCD在卵巢癌组织中高表达，SCD的表达水平在膀胱癌中也很高[47，51-52]。FANCD2是一种介导DNA修复的蛋白质，可以抑制铁死亡，与癌症的发生和进展关系密切。高表达的FANCD 2与膀胱癌预后良好相关，这意味着FANCD 2在膀胱癌中与其他研究相一致[47，53-54]。CD8+T细胞释放的INF-γ(γ干扰素)下调了SLC3A2和SLC7A11表达，抑制癌症细胞对胱氨酸的摄取，从而促进铁死亡。表达INFγ的膀胱癌患者与其预后呈负相关[47，55]。MIOX(肌醇加氧酶)的过表达能加速铁死亡，因此MIOX可能通过促进膀胱癌细胞铁死亡而发挥抗癌作用[47，56]。PLIN4(脂滴相关蛋白)是参与脂质代谢调控的脂滴相关蛋白家族之一，与相应的正常组织相比，PLIN 4在膀胱癌细胞中下调，高表达PLIN4的膀胱癌患者预后较好，PLIN4或许可以作为膀胱癌的预后的指标之一[47，57]。SLC2A3在许多癌症中上调，编码葡萄糖转运蛋白的基因与预后不良有关[58]。9个铁死亡相关基因与铁死亡呈正相关或负相关，这些基因在膀胱癌中的特殊作用有待进一步研究[47]。LUAN等[59]的研究确定了28个不同表达的铁死亡相关基因(DEFAGS)，并成功地构建了一个个性化的膀胱癌风险分数。其他更多铁死亡与膀胱癌相关的基因需要进一步深入的研究与挖掘。

3.4 纳米粒子与膀胱癌纳米粒子在膀胱癌的治疗方面效果显著。JASIM等[60]最新研究报告了新型靶向肿瘤的共轭聚合物纳米粒子(CPNPs)携带铁的化学动力学治疗(CDT)，其通过铁死亡来杀伤癌细胞。CPNPs的大小约为62 nm，以癌细胞为靶点，并将三价铁离子传递到癌细胞内，诱发基于铁死亡的CDT，随后癌细胞死亡。铁死亡是一种活性氧机制，与CDT一样，但它不依赖于光的外部激活，具体过程为携带铁的CPNP通过内皮素3表面部分(EDN3-CPNP)靶向内皮素B受体(EDNRB)。结果表明，针对过表达EDNRB的癌细胞具有精准的靶向性，特别是针对膀胱癌细胞，在这些情况下，发现在较高剂量下有效杀死细胞的比例超过80%，相反，没有被EDN3-CPNP靶向的癌细胞几乎没有反应[60]。这也为膀胱癌的治疗提供了新的途径。

4 结语

铁死亡的出现具有重大意义，在膀胱癌精准靶向疗法和耐药方面提供了新的思路。研究者可以研发针对某种癌症的铁死亡诱导剂，成为治疗癌症新药的新途径。虽然目前对铁死亡的研究不断深入，但是铁死亡相关的复杂的生化机制、恶性肿瘤的铁死亡诱导剂的研发等相关问题仍是攻克治疗癌症难题的重要环节之一。因此，需要通过大量研究探索铁死亡调控信号通路的分子机制，同时也对研发治疗癌症新药具有重要意义。也许在不久的将来基于铁死亡治疗膀胱癌的药物将会实现，希望本综述对铁死亡与膀胱癌的研究有所帮助。