铁死亡与肿瘤放疗关系的研究进展*

黄灵潇，徐珍妮，雷旭丹，刘登群

610041 成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学医学院 放射肿瘤学四川省重点实验室

恶性肿瘤严重地威胁着人类的身体健康与生命安全。2018年全球新增1 810万患者，死亡人数960万人，其中我国新发380.4万例，占全球新发病人数的20%以上[1-2]。放射治疗是恶性实体瘤的重要治疗手段，约60%～70%恶性肿瘤患者在治疗过程中需接受放疗，在疗效较好的恶性肿瘤中放疗的贡献占比可达40%，寻找新的放疗靶点有助于提高肿瘤放疗效果[3-5]。铁死亡是一种以谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)表达降低为标志事件的铁依赖性新型细胞程序性死亡，主要由膜脂质过氧化物代谢失调所介导[6]。放射治疗不仅能直接诱导细胞凋亡，同时可诱导肿瘤细胞产生大量脂质活性氧(reactive oxygen species，ROS)和长链脂酰辅酶A合成酶4(Acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)，并通过脂质过氧化物累积而诱发肿瘤细胞铁死亡[7]。随着对铁死亡相关研究的逐步深入，研究人员发现铁死亡与肿瘤、炎症、缺血再灌注损伤等多种疾病的发生及治疗预后存在密切关联。近年来，铁死亡被发现在放疗诱导的肿瘤细胞死亡、放疗与免疫治疗的协同效应以及正常组织的放射性损伤等方面发挥重要作用。本文将对铁死亡的调控机制及其与肿瘤放疗的相关研究进展进行综述。

1 铁死亡的发现

Dolma等[8]于2003年首次观察到新化合物Erastin能杀死Ras突变的肿瘤细胞，然而Erastin所致细胞死亡不同于传统的细胞凋亡。Yang等[9]于2008年发现新化合物RSL3具备与Erastin类似的功能，同时这种新型细胞死亡方式的诱导作用可以被铁螯合剂和维生素E所抑制，提示这种新型细胞死亡形式与铁离子和ROS密切相关。Dixon等[6]对该现象进行了深入研究后于2012年将这种铁依赖性的由脂质过氧化物累积导致的细胞死亡命名为“铁死亡”。不同于传统的坏死、凋亡或者自噬等细胞死亡，铁死亡细胞的核膜相对完整，主要表现为线粒体体积减小、线粒体嵴减少及线粒体膜固缩等以线粒体形态改变为主的超微结构变化，其发生机制主要与细胞铁代谢异常、脂质过氧化物累积以及GPX4活性降低相关。铁死亡在多种疾病的发病过程中发挥重要作用，而在肿瘤治疗过程中诱导铁死亡则有助于进一步杀灭肿瘤细胞。

2 铁死亡的发生机制

细胞发生铁死亡的主要过程包括铁超载、脂质过氧化物累积以及GPX4活性下调等三个重要环节。正常情况下，细胞外的三价铁离子与转铁蛋白结合形成复合物后由转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1，TfR1)介导进入胞内，被铁还原酶转换为亚铁离子，随后经二价金属转运蛋白被储存到胞内不稳定铁池，过多的亚铁离子在铁伴侣蛋白的辅助下经膜铁转运蛋白泵出胞外以维持铁代谢平衡[10-11]。当胞质铁含量过高时，二价铁离子可通过芬顿反应生成羟自由基，羟自由基不能被及时清除将导致过氧化物累积诱发铁死亡[12-13]。

脂质过氧化物的累积是诱导铁死亡的前提条件，花生四烯酸和肾上腺酸可通过ACSL4转化为花生四烯酰CoA和肾上腺酰CoA并通过溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3结合到细胞膜磷脂，被自由基或花生四烯酸15-脂氧合酶氧化为脂氢过氧化物，同时细胞膜磷脂双分子层的重要组分多聚不饱和脂肪酸可通过与二价铁离子的芬顿反应产生大量脂质过氧化物，诱发铁死亡[14-17]。

谷胱甘肽(glutathione，GSH)依赖的GPX4功能异常是铁死亡发生机制中的重要一环，GSH的合成首先需要细胞通过胱氨酸/谷氨酸转运蛋白系统(System Xc-)从胞外摄入胱氨酸转化为半胱氨酸，经ATP依赖的半胱氨酸-谷氨酸连接酶作用产生γ-谷氨酰半胱氨酸，随后进一步经谷胱甘肽合成酶催化生成GSH[18-19]。GSH在GPX4作用下生成氧化型谷胱甘肽，该过程同时还原细胞内脂质过氧化物，使细胞免受铁死亡损伤[20]。

3 铁死亡的调控机制

3.1 铁代谢相关影响因素

细胞铁的摄取、储存及外排过程是调控铁死亡的关键因素。核受体辅激活因子4(nuclear receptor coactivator 4，NCOA4)介导的铁自噬可将铁蛋白中储存的铁释放入胞质，若将纤维肉瘤细胞和胰腺癌细胞的NCOA4基因敲除可抑制这些细胞发生铁死亡[21-22]。铁螯合剂去铁胺可抑制Erastin诱导的铁死亡，反之外源性补充铁可促进这种铁死亡[9]。Miller等[23]发现由于转铁蛋白受铁调素的负性调节，部分肿瘤患者体内铁调素的水平增高可抑制铁的外排过程进而诱导铁死亡。Sun等[24]发现热休克蛋白B1(heat shock protein B1,HSPB1)可通过稳定肌动蛋白细胞骨架下调TfR1介导的铁摄取过程以减少细胞死亡，同时蛋白激酶C可通过调节HSPB1磷酸化抑制ROS产生而对Erastin诱导的铁死亡产生负性调节效应。此外，p62-Keap 1-NRF 2通路在肝癌细胞中可通过调控ROS和铁代谢相关基因的表达，抑制铁死亡[25]。此外，血红素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)对铁死亡的调节作用是双向的，Kwon等[26]发现HO-1在HT-1080纤维肉瘤细胞中过表达可通过提供过量铁促进Erastin诱导的铁死亡，但在Sun等[25]的研究报道中HO-1可抑制Erastin或索拉菲尼诱导的肝癌细胞铁死亡。

3.2 脂质过氧化相关影响因素

亲脂性抗氧化剂和铁螯合剂可预防由脂质ROS累积导致的铁死亡。例如，Dixon等[6]和Angeli等[27]发现自由基清除剂他汀类药物Ferrostatin和脂质过氧化酶抑制剂/脂溶性抗氧化剂维生素E等药物可通过抑制脂质过氧化过程调控细胞铁死亡的发生。Bersuker等[17]和Doll等[28]因线粒体凋亡诱导因子2(apoptosis inducing factor mitochondria associated 2，AIFM2)可与脂质过氧化自由基清除剂辅酶Q10(coenzyme Q10，CoQ10)协同作用对细胞铁死亡产生抑制效应，故AIFM2又称为铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，FSP1)，进一步研究发现抑制FSP1活性可通过促进脂质过氧化反应导致细胞损伤。Tesfay等[29]发现单不饱和脂肪酸合成过程的限速酶硬脂酰CoA去饱和酶1可通过增加内源性抗氧化剂CoQ10抑制卵巢癌细胞的铁死亡。此外，Zou等[30]发现细胞色素P450氧化还原酶可通过正向调控肿瘤细胞的磷脂过氧化过程促进铁死亡的发生。

3.3 GSH相关影响因素

GSH是细胞内清除ROS的重要非酶类抗氧化体系，其代谢平衡与铁死亡调控密切相关。System Xc-是由轻链亚基溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)和重链亚基溶质载体家族3成员2(solute carrier family 3 member 2，SLC3A2)通过二硫键连接组成的二聚体[31]。GSH是GPX4发挥功能的重要辅助因子，抑制System Xc-功能可导致GSH耗竭而间接影响GPX4催化脂质过氧化物还原反应的能力，造成ROS累积，触发铁死亡[32-33]。例如，Kang等[34]发现自噬调节剂BECN1经蛋白激酶AMPK激活后可形成BECN1-SLC7A11复合物抑制System Xc-活性，导致细胞铁死亡。Dolma等[8]和Gao等[35]发现Erastin、柳氮磺胺吡啶、索拉非尼等药物可通过抑制System Xc-间接影响GPX4的活性，最终诱导铁死亡。反之，Nrf2可通过上调下游靶基因SLC7A11的表达进一步限制ROS生成，对铁死亡产生抑制效应[25]。Cao等[36]发现丁硫氨酸-S, R-磺胺肟可通过抑制GSH合成限速酶谷氨酸半胱氨酸连接酶诱导细胞铁死亡。此外，Yang等[33]发现GPX4抑制剂RSL3、DPI7和DPI10等可直接抑制细胞抗氧化能力，导致脂质ROS累积，诱导铁死亡。

4 铁死亡与肿瘤放疗相关性

放疗是一种通过利用高能电离辐射促使肿瘤细胞DNA双链发生断裂进而诱导细胞周期阻滞和细胞死亡的局部治疗方法。Lei等[7]发现放射线可使肿瘤细胞产生大量脂质ROS导致脂质过氧化物累积诱导细胞铁死亡，使用铁死亡诱导剂抑制SLC7A11活性或GPX4活性可增强肿瘤细胞的放疗敏感性。同时，铁死亡也参与了放射性肺损伤和放射性肠损伤的发病过程。

4.1 铁死亡与放疗敏感性

Ivanov等[37]发现使用富铁水预处理诱导铁死亡，可提高放疗对胶质瘤细胞的治疗效果，且该效应能被铁螯合剂抑制。共济失调毛细血管扩张突变基因(ataxia telangiectasia-mutated gene，ATM)对放疗敏感性具有双向调节作用，ATM可修复放疗后肿瘤细胞的DNA损伤情况，但Lang等[38]发现ATM可通过抑制SLC7A11表达限制肿瘤细胞的胱氨酸摄入，GSH合成减少将导致脂质过氧化物累积，进而诱导肿瘤细胞发生铁死亡。SLC7A11、GPX4或ACSL4等铁死亡相关基因在放疗抵抗性的非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)细胞中出现表达升高，可通过削弱放疗诱导的脂质过氧化反应抑制铁死亡，从而增强NSCLC细胞对放疗的抵抗性，反之使用Erastin激活铁死亡可增强肺癌细胞株的放疗敏感性[7, 39]。根据现有研究成果，通过铁死亡诱导剂或其他方式诱导肿瘤细胞铁死亡有助于提高放疗的敏感性及其治疗效果。

此外，放疗时常与免疫检查点抑制剂为代表的免疫疗法联合使用。一方面，放疗可通过重塑肿瘤微环境促进效应T细胞的募集与杀伤功能，增强其对肿瘤细胞的攻击能力[4]。另一方面，免疫治疗可通过调节CD8阳性T细胞分泌γ干扰素与放疗协同抑制SLC7A11的表达等机制抑制肿瘤细胞摄取胱氨酸，进而增强脂质过氧化诱导肿瘤细胞铁死亡，反之抑制铁死亡将减弱放疗与免疫治疗的协同治疗效果[40]。因此，考虑将铁死亡诱导剂与放疗联合免疫疗法的治疗方案相结合或能在抗铁死亡基因如SLC7A11低表达或促铁死亡基因如ACSL4高表达的铁死亡敏感型肿瘤中发挥更大的作用[41]。

4.2 铁死亡与放疗并发症

放疗是肿瘤治疗的主要方法之一，但射线在杀伤肿瘤细胞的同时也会对周围正常组织产生明显损害，导致一系列放疗相关并发症，例如放射性肺炎、放射性肠炎、放射性口腔炎、放射性皮炎等。因此，深入理解放疗并发症发生发展的分子机制将有助于进一步探索放疗相关并发症的有效防治方法。铁死亡与放疗并发症的发生发展密切相关。

放射性肺损伤(radiation-induced lung injury,RILI)是胸部放疗后的常见并发症之一，早期是以渗出性炎性反应为主要表现的放射性肺炎(radiation pneumonitis,RP)，晚期发展为以广泛肺组织纤维化、呼吸功能损害为主的放射性肺纤维化[42]。ROS可与细胞内的DNA、蛋白和脂类等大分子反应干扰其功能的正常发挥，在早期通过炎性反应引起RILI，ROS在RILI的病理进程中造成的损伤作用达到70%以上，使用ROS清除剂可在一定程度上减缓RP的进展[43-45]。Li等[46-47]和Gong等[48]发现铁死亡抑制剂铁抑素-1可通过抑制脂质过氧化水平并增强GPX4表达阻碍放射性肺纤维化的进程，反之铁死亡诱导剂Erastin可通过增加脂质过氧化与下调GPX4表达促进成纤维细胞的分化，从而加重放射性肺损伤的症状。Nrf2可通过调控HO-1和超氧化物歧化酶、SLC7A11、GPX4等下游靶基因表达参与铁死亡中铁代谢、脂质过氧化及GSH代谢等重要环节的调节。Tian等[49]发现敲除Nrf2可加重放射导致的肺组织炎症反应和氧化损伤情况，促进肺组织纤维化的进展，反之Nrf2过表达对RP具有一定保护作用。此外，放射线可使局部组织中转录生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)表达增加，激活的TGF-β1可抑制上皮细胞增殖、趋化巨噬细胞和成纤维细胞聚集，并促进炎症因子的释放和胶原产生与沉积，进而导致组织纤维化[50]。Xuan等[46]发现铁死亡抑制剂liproxstatin-1可通过激活Nrf2通路下调TGF-β1的表达，进而减缓放射性肺纤维化的进程。许多临床研究尝试探索TGF-β1作为RILI风险预测与预后评估新标志物的巨大潜力和可行性，TGF-β1水平的升高被认为NSCLC与RILI进程乃至放射性肺纤维化的发生密切相关，但TGF-β1是否能作为RILI的独立风险因素依然需要进一步验证[51-55]。

放射性肠炎多为盆腹部恶性肿瘤放疗引起的肠道放射性损伤，肠炎以腹泻、腹痛、黏液血样便等为主要症状，久治不愈者可出现肠梗阻、肠穿孔甚至引起脓毒血症及多器官功能衰竭，严重威胁患者生命安全[56-57]。Kose等[58]发现绿茶中的重要活性成分表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate,EGCG)可通过阻碍铁累积、脂质过氧化及GSH耗竭等过程抑制Erastin诱导的铁死亡，Xie等[59]深入研究发现EGCG可通过激活Nrf2通路调控下游SCL7A11、GPX4及HO-1等靶基因的表达水平抑制铁死亡的发生，EGCG在动物模型上可延长放射性肠损伤小鼠的存活时间、减缓辐照后的体重减轻、减轻肠干细胞结构损伤并有助于维持其再生修复功能，同时减轻放射诱导的细胞死亡和DNA损伤情况。因此，铁死亡参与调控了放射性肠炎的发生发展过程，通过药物抑制铁死亡的发生将对肠道放射性损伤进程产生保护性作用。

为了尽量减少放疗对正常组织的损害，通常通过多次低剂量放疗代替高剂量的放疗即进行剂量分割，同时不同的放疗剂量和分割方案也会导致不同程度的铁死亡，单次大剂量放疗可能引起脂质过氧化水平增高。探索和应用更精细的分割放疗方案将有助于维持在放疗疗效的前提条件下减轻对正常组织的损伤[38]。

5 总结与展望

铁死亡在肿瘤的发生发展进程中具有重要意义。放疗是目前临床上广泛应用的肿瘤治疗手段之一，放射线可诱导细胞铁死亡，是放疗发挥抗肿瘤作用的重要机制。铁死亡是放疗杀伤肿瘤细胞的有效作用途径，放疗抵抗的肿瘤细胞往往伴有铁死亡水平的降低，因此通过铁死亡诱导剂联合放疗以提高肿瘤的放射敏感性进而增强放疗效果。此外，铁死亡也参与放疗并发症的发生发展过程，诱导肿瘤细胞铁死亡可增强放疗疗效的同时也加重放疗对正常组织的损伤情况。因此，铁死亡在放疗过程中具有双面性，如何在两者间取得平衡仍是需要深入考量与进一步探索的问题。例如，铁死亡诱导剂结合放疗或放疗联合免疫治疗的方法是否能做到对正常组织的毒性低于肿瘤组织即是否存在最佳治疗窗口，或者我们能否运用特殊材料通过药物化学的方法构建新型载体运载铁死亡诱导剂使其作用范围更特异地限制在接受放疗的肿瘤组织中，这些思考与尝试都是非常必要和迫切的。

综上，深入和全面地理解铁死亡作用机制以及其与放疗的关系，有助于我们更有效地建立针对放疗诱导的铁死亡的防治策略，为开发用于放疗增敏的关键靶点与有效药物提供理论基础及实验支持。

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