铁死亡在肿瘤治疗作用中的研究进展

王冯宇，李 亘，林晓伊，姚欣悦，陈 毓

(杭州医学院， 浙江 杭州 310051)

常见的细胞死亡形式有：凋亡、自噬、焦亡和坏死等。在铁死亡(ferroptosis)这一概念被提出前，就有报道某些经化学筛选出小分子物质可以使细胞发生一种不同于常见细胞死亡形式的的细胞死亡。后者在细胞形态上和遗传上均区别于一般的细胞死亡。这种细胞死亡形式被命名为铁死亡[1]。本文综述了铁死亡在肿瘤治疗中的研究进展。

1 铁死亡

铁死亡在发生时没有细胞凋亡的标志，如细胞体积缩小、染色质凝集及线粒体肿胀等，且在细胞凋亡核心机制受到抑制的细胞中依然能发生，说明铁死亡是一种新的、非凋亡的细胞死亡形式[1]。在机制上，铁死亡是铁依赖性的，并且铁死亡过程中伴随着活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平的上升和脂质过氧化物的积累。这一过程最终会导致膜结构被破坏，细胞膜的渗透性增加，最终致使细胞死亡[1]。

在铁死亡复杂的调控机制中，谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)/谷胱甘肽(glutathione，GSH)通路最为关键。GPX4是细胞中唯一负责清除脂质过氧化物的酶，对维持细胞膜的脂质双分子层稳态起重要作用，抑制GPX4可以直接诱导细胞铁死亡[2]。GSH是GPX4催化过氧化物的辅助因子，对GPX4的活性有很大的影响。胱氨酸/谷氨酸反向转运体(System Xc-)由SLC7A11和SLC3A2组成，负责将GSH合成原料转运入细胞内，是许多铁死亡诱导剂的作用靶点[2]。GPX4/GSH通路将许多不同的肿瘤治疗方法与铁死亡联系起来。

2 铁死亡与肿瘤治疗

2.1 铁死亡与肿瘤化学治疗

化学治疗(简称化疗)是肿瘤治疗的常见手段。但许多恶性肿瘤存在着耐药性，这大大降低了许多传统化疗药物对肿瘤的治疗效果，铁死亡作为一种与细胞凋亡具有不同机制的调节性细胞死亡，为某些难以治疗的癌症提供了治愈可能性。

铁死亡诱导剂能够有效杀伤多种肿瘤细胞。Erastin能诱导细胞内ROS产生，引起A549人非小细胞肺癌细胞死亡[3]。Ruscogenin是一种皂苷，能够提高细胞中铁离子(Fe2+)的浓度，增加细胞中ROS的水平，诱导胰腺癌细胞发生铁死亡[4]。丹参酮IIA通过p53介导的SLC7A11下调诱导胃癌细胞铁死亡[5]。双氢青蒿素通过抑制PRIM2/SLC7A11轴，可以抑制肺癌细胞增殖并诱导肺癌细胞铁死亡[6]。索拉菲尼(sorafenib)是一种新型多靶向性的治疗肿瘤的口服药物，其能通过ATP-AMPK-mTOR-SREBP1 信号通路，抑制硬脂酰辅酶A去饱和酶1，阻止单不饱和脂肪酸合成，以杀死肝癌细胞[7]。

铁死亡诱导剂与传统化疗药物联用，能够提高这些药物对肿瘤的化疗效果。Erastin和sorafenib 能够改变非小细胞肺癌细胞对顺铂(cisplatin，DDP) 的敏感性，促使DDP抵抗的非小细胞肺癌细胞死亡[8]。柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine，SAS)能改善肿瘤微环境，并提升化疗药物替莫唑胺对胶质瘤的化疗效果[9]。RSL3能够阻碍肿瘤进行糖酵解，增强DDP对前列腺癌的治疗作用。低剂量的RSL3和DDP共同作用可显著地抑制前列腺癌的生长[10]。

这些研究证明铁死亡诱导剂有作为化疗药物和化疗增敏剂的潜力。

2.2 铁死亡与肿瘤免疫治疗

肿瘤免疫治疗是一种通过激活并强化机体的固有免疫系统，以杀伤肿瘤细胞或抑制肿瘤生长的肿瘤疗法。以程序性死亡受体1(programmed cell death protein 1,PD-1) /细胞程序性死亡-配体1(programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1)免疫检查点途径为靶点的免疫治疗，可以恢复或者增强效应性CD8+T细胞的增殖及其功能，增强机体的细胞免疫，以清除肿瘤细胞。然而，许多肿瘤对PD-1/PD-L1免疫检查点疗法存在着抵抗性，这大大降低了单一的免疫检查点疗法带来的疗效[11]。因此，寻找一种能够提高免疫检查点疗法的方法是十分重要的。

最近的研究揭示了CD8+T细胞杀伤肿瘤细胞的另一种机制，提高免疫检查点疗法的疗效提供了可能。在免疫治疗的过程中，CD8+T细胞会向肿瘤细胞释放γ干扰素，γ干扰素能下调system xc-中SLC3A2和SLC7A11的表达，从而限制细胞获取胱氨酸，促进肿瘤细胞中的脂质过氧化和铁死亡发生[12]。另一项研究提示铁死亡与肿瘤的耐药机制相关。该团队研究了TYRO3在肿瘤免疫疗法中扮演的角色。结果发现，TYRO3能抑制肿瘤细胞发生铁死亡，提供促进肿瘤进展的肿瘤微环境，最终增加肿瘤细胞对PD-1/PD-L1免疫检查点疗法的抵抗性[11]。

铁死亡相关的纳米材料为上述增敏策略的执行提供了可能的载体。有团队利用一种血小板膜伪装的磁性纳米粒子，搭载SAS构成仿生磁性纳米材料Fe3O4-SAS@PLT。这种纳米材料可以逃避免疫清除并识别循环肿瘤细胞，最大限度地将铁死亡诱导剂传递给肿瘤细胞，并通过抑制System Xc-诱导肿瘤细胞发生铁死亡，并显著提高PD-1免疫检查点封锁疗法的疗效[13]。

2.3 铁死亡与肿瘤放射治疗

放射治疗使用电离辐射辐射癌细胞，以杀死癌细胞或抑制其分裂。然而，许多局部晚期肿瘤是耐放射的。肿瘤抗辐射的机制通常涉及到激活DNA修复途径和抑制细胞凋亡。如果能激活其他的细胞死亡途径，或将提高放疗对这些肿瘤的治疗效果。辐射除了会造成DNA损伤之外，还会引起细胞中ROS水平上升。这使得激活铁死亡并提高放疗疗效成为可能[14]。此外，协同治疗是提高肿瘤的治疗效果另一种可能方法。在机制上，电离辐射诱导铁死亡发生是通过下调System Xc-中的SLC7A11的表达实现的。而肿瘤免疫疗法中CD8+T释放的干扰素γ也作用于SLC7A11[15]。SLC7A11是两种疗法间的一个可能的协同点。这为免疫疗法和放射疗法协同治疗肿瘤提供思路。

目前，有报道已经证实了通过铁死亡进行放疗增敏的可行性。铁死亡诱导剂IKE和 RSL3与放射治疗协同，可增强SK-LMS-1、U87、A549和PC9肿瘤细胞株的放射治疗效果，这项研究表明铁死亡诱导剂是有效的放射治疗增敏剂[16]。另一项关于erastin的研究中，在NCI-H1975细胞移植小鼠模型中，erastin显著的放射增敏作用伴随着肿瘤GSH浓度的降低，提示铁死亡相关的放射增敏机制或与GSH的消耗有关[17]。

此外，铁死亡有助于减轻放疗的副作用。放射诱发的肺损伤是胸部放疗最常见和致命的并发症之一，铁死亡在急性放射诱发的肺损伤中可能起着关键作用，用铁死亡抑制剂治疗能够显著减轻辐射诱导的小鼠肺组织病理改变[18]。

2.4 铁死亡与靶向治疗

虽然，铁死亡诱导剂可以有效地杀伤肿瘤细胞，但还存在着一些潜在的问题。首先，如果细胞中药物浓度不够高，则无法有效杀伤靶细胞。其次，铁死亡诱导剂在治疗过程中可能会导致机体正常组织的损伤[19]。因此，寻找一种高靶向的治疗方法是十分重要的。

铁死亡相关的纳米材料为基于铁死亡的靶向治疗指明了方向。用含铁量为5%的Na4Si4为原料，制备了掺铁硅纳米颗粒。该纳米颗粒在人乳腺癌细胞中会选择性定植在细胞的线粒体膜上，被X线照射时，细胞中超氧化物的水平会上升，使细胞中ROS水平上升，最终导致铁死亡发生[20]。另有一种肿瘤细胞膜伪装的有机金属框架(metal-organic frameworks,MOF)和葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)纳米反应器被报道，这种纳米反应器不但有靶向肿瘤和免疫逃逸的能力。当纳米反应器到达肿瘤部位时，高浓度的GSH会使MOF的结构崩溃并释放 Fe2+。同时，GOD能够葡萄糖氧化生成 H2O2。Fe2+与H2O2会发生芬顿(Fenton)反应，产生大量的自由基，促进铁死亡发生。这项研究中，GOD的加入，解决了一些肿瘤组织中H2O2不足导致的杀伤效果差的问题，为铁死亡治疗增敏提供了新的方法[21]。

上述研究表明某些铁死亡纳米材料具有不错的靶向能力和免疫逃逸能力，这些纳米材料能为铁死亡靶向药物的开发提供借鉴。

4 问题与展望

综上所述，铁死亡不但能有效杀伤肿瘤细胞，而且能有效提高不同肿瘤治疗方法的疗效，还能为肿瘤协同治疗提供协同点。这些都说明铁死亡在肿瘤治疗方面有较大的研究价值。此外，铁死亡相关的纳米材料的研究能为未来的药物研发提供借鉴。但是，铁死亡是一把双刃剑，许多研究发现铁死亡可引起正常细胞损伤，导致某些疾病发生。因此，铁死亡治疗肿瘤时，药物种类、剂量和副作用等都有待进一步探讨。