铁死亡在结直肠肿瘤治疗中的应用*

杨世发，张楠，，孙维义，郅强

1.河南中医药大学，河南 郑州 450046； 2.河南中医药大学第一附属医院，河南 郑州 450000

结直肠癌是全球最常见的恶性消化道肿瘤之一，其总发病率在所有恶性肿瘤中占10%，居全球第三位，死亡率为9.4%，居全球第二位，我国结直肠癌的发病率和死亡率均呈上升趋势。该病治疗周期长且易复发，严重危及患者生命健康及生活质量[1]。结直肠肿瘤的临床治疗策略主要有放化疗、免疫治疗及靶向治疗，但肿瘤细胞的耐药性以及免疫逃逸是目前临床治疗面临的难题。面对临床上结直肠癌治疗的难点，进一步探究其发生发展机制，发现新的治疗靶点，将中药与常规化疗药物联合应用，是结直肠癌研究领域的发展趋势。

近年来，相关临床研究表明，铁死亡在多种恶性肿瘤的发生发展机制及临床治疗运用中具有重要的转化研究意义[2-5]，因此，诱导肿瘤细胞的铁死亡可作为临床治疗恶性肿瘤的新策略。但目前铁死亡机制在结直肠肿瘤中的研究尚不足，以中药调控铁死亡来抑制结直肠癌发生发展的研究更是寥寥可数。本文就铁死亡的发生机制及国内外对铁死亡在结直肠肿瘤中的应用研究及相关问题进行综述，并结合中药及其活性成分调节铁死亡探索新的治疗策略。

1 铁死亡概念

2012年，Dixon团队发现了一种新型的调节性细胞死亡形式——铁死亡。作为一种依赖铁和活性氧(reactive oxygenspecies，ROS)的细胞死亡方式，铁死亡在形态学生理特征、生物学生理特征、免疫学特征及基因水平等方面不同于凋亡、坏死、自噬等其他传统形式的细胞死亡[6]。自铁死亡的概念及其发生发展机制被提出，相关研究已证实铁死亡与多种疾病的发生发展密切相关。

2 铁死亡的分子机制

铁死亡具有完全区别于其他各种程序性死亡特有的形态学变化特征和分子学变化机制。当细胞发生铁死亡时，电镜下观察到线粒体形态皱缩变小，线粒体嵴收缩或消失，线粒体膜密度明显增加，伴有线粒体外膜破裂，但细胞质膜及细胞核形态完整[7]。这些形态学特征的改变是基于其内在基因分子生物学及细胞代谢进程而不断变化的。在利用基因调控细胞死亡方面，与传统的细胞凋亡不同的是，铁死亡并不完全依赖于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate-specific proteases，caspase)等家族基因的参与，其发生过程主要还是受到核糖体蛋白L8(ribosomalprotein L8，RPL8) 、ACSF、铁反应元件结合蛋白2(iron response element binding protein 2，IREB2)、ATP合成酶F0复合体亚基C3(ATP synthase F0 complex subunit C3，ATP5G3)、柠檬酸合酶(citrate synthase，CS)和三四肽重复结构域35(tetratricopeptide repeat domain 35，TTC35)等基因的调控[6，8-10]。谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性失效、细胞内脂质过氧化物代谢功能障碍、铁依赖的脂质活性氧自由基大量累积均为诱导细胞发生铁死亡的重要分子调控机制，而这一分子调控机制受多条分子通路的调控。

2.1 通过抑制胱氨酸/谷氨酸逆转运体(the cystine/glutamate antiporter system，System Xc-)诱导细胞铁死亡System Xc-是一种广泛分布于人体细胞膜上的以胱氨酸谷氨酸作为转运酶的受体。它是细胞中重要抗氧化系统的组成部分，是由两个亚单位SLC7A11和SLC3A2组成的异二聚体。通过systemXc-，胱氨酸和谷氨酸以11的比例在细胞膜上进行交换[6]，交换进入的胱氨酸在胞内被还原成半胱氨酸，半胱氨酸参与谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成。GSH在GPX的作用下可以降低细胞内的活性氧以抑制铁死亡的发生。当System Xc-受到抑制时，胱氨酸的交换也受到抑制，从而影响GSH的合成，导致GPX活性降低，细胞抗氧化能力下降，脂质及ROS积累，最终发生氧化损伤和铁死亡。铁死亡相关激活剂 Erastin及柳氮磺胺吡啶也可以通过抑制 System Xc-的活性、减少细胞对胱氨酸的摄取来降低GSH合成，从而诱导细胞发生铁死亡[11-12]。此外，P53也可以直接或间接下调System Xc-中的亚单位SLC7A11的表达来抑制System Xc-对胱氨酸的摄取，从而严重影响GPX4的活性，导致细胞抗氧化能力明显降低、脂质ROS积累和铁死亡的发生[13-15]。

总之，当System Xc-的活性受到抑制时，会诱导细胞发生铁死亡。

2.2 通过降低GPX4活性诱导细胞铁死亡在众多GPX家族成员中，GPX4是细胞内发生铁死亡最重要的调控因子之一，在铁死亡的发生发展中起着关键作用。GPX4能够直接降解小分子的过氧化物和大多数脂质过氧化物，抑制细胞过氧化体系。有研究表明，GPX4能够将还原型谷胱甘肽(glutathione，GSH)直接转化为氧化型谷胱甘肽(glutathione oxidized，GSSG)，同时能够把细胞毒性脂质过氧化物还原为无细胞毒性的醇类物质[16]。细胞中GPX4活性受到抑制时会对铁死亡更敏感；反之，当上调GPX4的表达，则细胞对铁死亡的发生会产生过度耐受。随着蛋白组学的进展，发现RSL3作为铁死亡诱导剂，可直接作用于细胞内的GPX4，同时抑制其活性，从而间接降低细胞的抗氧化能力并积累大量ROS，最终导致铁死亡的发生[17]。研究发现，某些化合物如ML162、withaferinA、DPI7、DPI10及化疗药物altretamine，也能够直接或间接地抑制GPX4活性的表达，最终诱导细胞发生铁死亡[18-22]。

上述研究表明，GPX4是细胞发生的重要调节因子，当GPX4的活性受到抑制时，细胞会更容易发生铁死亡。

2.3 脂质氧化物和ROS的蓄积是铁死亡的必要条件脂质过氧化是铁死亡发生的必要条件。脂质过氧化物是铁死亡发生的重要调节因子，能够对细胞膜上的磷脂双分子层造成损伤，最终导致细胞发生铁死亡[23]。脂质过氧化主要是由芬顿反应引起的，其发生过程是细胞内抑癌基因ROX与多聚不饱和脂肪酸(polyyunsaturated fatty acids，PUFAs)上的丙烯基结合，发生脂质过氧化反应，将细胞内过量的PUFAs 转化成脂氧化物和过氧化物，最终导致细胞膜结构被破坏[24-25]。因此，对胞内PUFAs的检测可能间接反映了脂质过氧化的程度和铁死亡的发生。有研究发现，PUFAs花生四烯酸(arachidonic，AA)及其衍生物肾上腺素的磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine，PEs)是诱导细胞铁死亡的关键磷脂，经erastin诱导后，细胞内AA和PEs的含量明显降低[26]。乙酰辅酶A合成酶长链家族4(acyl-CoA synthetase long-chain family 4，ACSL4)能够将AA及肾上腺酸(adrenic acid，AdA)酯化为花生四烯酸CoA(AA-CoA及AdA-CoA)，在溶血卵磷脂酰基转3(lysophosphatidylcholine acyltransferase3，LPCAT3)的作用下将AA-CoA和AdA-CoA结合于胞膜的磷脂双分子层上。脂质过氧化反应形成具有毒性的脂质过氧化产物，如4-羟基-2-丙烯酸及丙二醛等，能够对细胞膜上的脂质造成不可逆的破坏，细胞膜结构功能发生改变，细胞裂解，最终导致铁死亡的发生[27]。研究发现，当 ACSL4 和LPCAT-3在受到抑制剂的抑制时，细胞铁死亡的敏感性明显下降[28-30]。总之，脂氧化物和活性氧的聚集是细胞发生铁死亡的必要条件，脂氧化物和活性氧浓度的提高能够增强细胞对铁死亡的敏感性。

铁死亡发生机制的相关研究提示，铁死亡的发生受多种信号通路及调节因子的调节，可针对这些靶点及调节因子进行药物的研发，指导相关疾病的治疗。近年来，基于铁死亡机制探讨肿瘤防治的相关研究是学术界的热门话题，但铁死亡调节肿瘤细胞发生发展的相关机制尚不明确，且铁死亡检测的相关标志物也值得进一步研究和探讨。

3 铁死亡与结直肠肿瘤

目前，结直肠癌的临床治疗方法主要有手术、化疗、靶向治疗及免疫治疗等。尽管结直肠肿瘤的治疗方式逐渐增多，但由于肿瘤细胞对化疗药物的耐药性、肿瘤复发及转移等，结直肠肿瘤的生存率仍较低[31-33]，如何解决癌细胞化疗的耐药性成为癌症治疗的首要问题。细胞死亡的无效诱导是大多数化疗药物的共性[34]，而铁死亡是一种完全不同于细胞凋亡的新型死亡过程，因此铁死亡相关诱导剂作为一种新型药物协同化疗、免疫治疗、靶向治疗成为临床治疗结直肠肿瘤的新策略。此外，中药具有不良反应小、耐药性低的优势，中药及其活性成分联合现有的治疗手段诱导肿瘤细胞的铁死亡从而抑制肿瘤进展也成为了未来的研究趋势。

3.1 铁死亡在结直肠肿瘤化疗中的运用铁死亡是近年来发现的经典化疗药物诱导癌细胞死亡的一种新机制。治疗结直肠癌的经典药物顺铂能够诱导铁死亡的发生，主要通过直接消耗肿瘤细胞内的GSH从而降低GPXs水平，最终诱导细胞发生铁死亡[35]。此外，当铁蛋白吞噬增加游离水平时，顺铂也可诱导细胞铁死亡[36]。研究表明，在结直肠癌的治疗中，erastin和RSL3等铁死亡诱导剂能够通过抑制System Xc-、GPX4增强顺铂的抗肿瘤作用，减轻肿瘤的耐药性[37-38]。亚甲基苯胺羟肟酸是一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂，也可以通过诱导ROS聚集来增加肿瘤细胞对顺铂的敏感性[39]。铁死亡诱导剂 sulfasalazine在结直肠癌的治疗中主要通过抑制System Xc-来协同增强顺铂的抗癌作用[40]。在广泛KRAS突变的结肠肿瘤细胞中，常因化疗药物的耐药性而导致疗效欠佳，而通过诱导肿瘤细胞铁死亡则可增加化疗药物的疗效[41]。有研究表明，在联合运用β-elemene和西妥昔单抗后结直肠癌细胞发生铁死亡，并且结直肠癌细胞的上皮间质化转移(epithelial-mesenchymal transition，EMT)明显受到抑制[42]。此外，中草药松根皮提取的活性成分土荆皮乙酸能够上调肿瘤细胞内铁含量，抑制SystemXc-活性，诱导脂质过氧化物的产生，从而促进肿瘤细胞发生铁死亡。因此，在临床治疗结直肠癌的过程中，是否可以通过常规抗肿瘤药物联用中药及铁死亡诱导剂降低肿瘤患者对化疗药物的耐药性，以增强化疗药物抗肿瘤的效果，有待证实。

3.2 铁死亡在结直肠肿瘤免疫治疗中的作用免疫治疗是近年来肿瘤治疗领域研究的热点，对肿瘤的治疗具有重要作用。研究发现，细胞毒性CD8+T细胞分泌的干扰素(interferon，IFN)能够抑制SLC7A11基因从而下调System Xc-的表达，使肿瘤细胞发生脂质过氧化，诱导肿瘤细胞发生铁死亡，从而延缓肿瘤的进展[43]。但在一定情况下，INF-γ能够诱导肿瘤细胞发生免疫逃逸。卵巢癌细胞中的CD8+T细胞分泌的INF-γ能够促进细胞程序性死亡-配体1(programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1)的高表达，帮助肿瘤细胞发生免疫，促进肿瘤的进展[44]。铁死亡通过调节免疫治疗肿瘤具有双向性[45]，一方面，CD8+T细胞释放的IFN-γ能够使肿瘤细胞发生铁死亡，抑制肿瘤的侵袭与进展；另一方面，发生铁死亡的肿瘤细胞会产生某些免疫抑制因子如前列腺素E2，帮助邻近的肿瘤细胞发生免疫逃逸以促进肿瘤的发生与发展。综上，我们可以通过铁死亡诱导剂联合相关免疫治疗抑制结直肠肿瘤的发生与发展。

3.3 铁死亡在结直肠肿瘤靶向治疗中的作用铁死亡在肿瘤的靶向治疗中也扮演着不可或缺的角色，可以通过干扰参与癌症发展的靶分子在癌症的靶向治疗中发挥作用。有研究表明，索拉非尼(Sorafenib)作为一种多激酶抑制剂，既可以直接抑制System Xc-功能，也可以清除细胞内Keap1蛋白，激活Nrf2-SLC7A11信号的表达，诱导铁死亡的发生[46-47]。纳米技术因其独特的物理化学性质在肿瘤的治疗中受到广泛关注，最新研究发现，纳米材料硅酸锰纳米气泡可以清除细胞内的GSH，导致铁死亡的发生，且可以抑制肿瘤的转移[48]，这为治疗结直肠肿瘤向远端转移提供了新的治疗思路。铁死亡诱导剂和传统抗肿瘤药物的联用可以使对化疗、免疫治疗和其他治疗不太敏感的肿瘤患者获得不错的疗效，为临床治疗结直肠肿瘤提供了新的治疗方向。

4 中药及其活性成分调节铁死亡

中药具有不良反应少、耐药性低等优势，中西医结合治疗结直肠癌显著提高了患者的生存质量和存活率，为中西结合治疗相关疾病作出了很好的典范。但中药及其活性成分调节疾病相关靶点的研究还处于前期阶段，其治疗恶性肿瘤的相关机制尚不明确，而铁死亡相关机制的提出为中医药治疗肿瘤的作用机制研究提供了合理论证，也为中医药治疗肿瘤提供了新的理论指导和方向。有研究发现，青蒿素衍生物双氢青蒿素能够诱导肿瘤细胞内芬顿反应的发生，从而使细胞内ROS、脂质聚集，诱导肿瘤细胞铁死亡的发生，抑制肿瘤的发生发展[49]。在结直肠肿瘤的治疗中，中草药荜茇能够通过铁代谢途径提高肿瘤细胞中ROS的水平，从而诱导肿瘤细胞发生铁死亡，治疗肿瘤[50]。中药芥兰具有利水化痰、解毒祛风等功效，其化学成分中的有机硫化复合物异硫氰酸盐，能够通过增加肿瘤细胞ROS水平及脂质代谢，诱导肿瘤细胞发生铁死亡，为结直肠肿瘤的临床治疗提供新的思路和策略[51]。近年来，通过对中医药作用机制的研究发现，葛根素、淫羊藿、黄芩素、槐耳等也可以通过调节铁死亡辅助肿瘤治疗，为临床治疗结直肠癌提供新的研究方向[52-55]。

通过对铁死亡相关分子机制及其在结直肠癌中应用的了解，可以明确，铁死亡的发生发展在结直肠癌的治疗中扮演着关键角色，广泛调控着肿瘤的发生、发展、转移、治疗、抵抗及肿瘤免疫，为临床治疗结直肠癌提供了新的思路。除临床常规西药放化疗外，中医药及其活性成分也能够调节肿瘤细胞内ROS水平，调节胞内脂质代谢，诱导肿瘤细胞发生铁死亡，抑制结直肠癌的发生和发展。中西医联合治疗不仅可以防治癌前病变，降低结直肠癌患者的发病率，还能提高疗效，减少不良反应，降低患者的耐药性，为临床治疗肿瘤提供了新的策略。

5 结语与展望

铁死亡作为近年来发现的一种新型细胞死亡方式，其在形态学、药理学及遗传学表现均与传统的细胞死亡方式具有明显的特征性区别。本文总结了近年来铁死亡发生机制的研究进展并阐述了铁死亡在结直肠肿瘤治疗中的研究进展。自铁死亡的概念被提出以来，越来越多的数据证明了诱导铁死亡治疗肿瘤的潜力，各种铁死亡诱导剂在治疗恶性肿瘤方面已经取得了巨大的进展。尽管铁死亡联合化疗、靶向治疗、中医治疗等在结直肠肿瘤中的应用研究发展迅速，但仍有一些挑战有待克服。铁死亡的出现，为结直肠肿瘤的中西医结合临床治疗提供了新思路，且为临床治疗其他恶性肿瘤提供了更多的参考。但中药调控铁死亡的机制目前还处于探索阶段，仍有很多难题亟待解决，如何以中药及其活性成分调节铁死亡来抑制疾病的发生发展，如何基于铁死亡理论以中医药防治结直肠癌的发生发展，明确中药及其复方的活性成分及其抗肿瘤机制，突破中医药发展瓶颈，实现中西医联合治疗结直肠癌的现代化、科学化、国际化等，均可作为今后的研究方向。