铁死亡与胶质瘤的研究进展

张启健 鲁晓杰

【摘要】 胶质瘤是中枢神经系统中最常见的原发性恶性肿瘤，铁死亡是一种新发现的细胞死亡方式，与癌症相关，其中包括胶质母细胞瘤（GBM）。靶向与铁死亡有关的不同分子并刺激这一过程的药物已被描述为潜在的辅助抗癌治疗选择。在胶质母细胞瘤中，铁死亡刺激抑制肿瘤生长，改善患者生存，并增加放疗和化疗的疗效。本文归纳整理了目前关于胶质母细胞瘤中铁死亡调节作用的研究进展。

【关键词】 胶质瘤；铁死亡；铁代谢；脑肿瘤；肿瘤；细胞死亡

【中图分类号】 R651;R739.41 【文献标志码】 A 【文章编号】 1672-7770（2023）02-0230-04

Abstract： Glioma is the most common primary malignant tumor in the central nervous system， and ferroptosis is a newly discovered form of cell death that has been linked to cancer， including glioblastoma（GBM）. Drugs that target different molecules associated with ferroptosis and stimulate this process have been described as a potential adjuvant anti-cancer treatment option. In GBM， ferroptosis stimulates inhibition of tumor growth， improves patient survival， and increases the efficacy of radiation and chemotherapy. This article summarizes the current research progress on the regulation of ferroptosis in glioblastoma.

Key words： glioma； ferroptosis； iron metabolism; brain tumor; tumour; cell death

基金项目：国家自然科学基金资助项目（82072791）

作者单位：214002 无锡，南京医科大学附属无锡第二医院神经外科

通信作者：鲁晓杰

脑胶质瘤是中枢神经系统中最常见的恶性肿瘤，其中胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）在恶性胶质瘤中最具侵袭性，其高度侵袭性和高复发率，导致治疗非常困难［1］。目前对于胶质瘤的标准治疗方法包括手术治疗、放疗和化疗等。由于肿瘤的侵袭性，复发率极高，尽管有外科手术治疗以及术后放化疗等综合治疗方法，患者确诊后的平均生存期仍然只有12～15个月［2］。因此，找到改善患者预后的新疗法成为目前的迫切需要。铁死亡作为一种新的细胞死亡形式，它与其他类型的细胞死亡形式（包括细胞凋亡在内）有很大的不同。它与铁代谢、活性氧（reactive oxygen species，ROS）和脂质代谢等多种代谢途径密切相关［3］，其特征是与铁代谢相关的脂质过氧化物的异常积累。近年来的研究发现，各种类型的癌细胞，包括GBM细胞对铁死亡敏感，因此研究铁死亡的机制在胶质瘤的诊断及预后中具有重大意义，这可能会改变GBM发展和治疗的过程。本文综述了目前关于GBM中铁死亡机制的相关研究进展。

1 铁死亡的发生机制

铁死亡是一种新定义的程序性细胞死亡过程，其特征是铁依赖性脂质过氧化物的过度积累，由Stockwell教授等在2012年提出，该团队发现了一种由小分子Erastin或RSL3诱导的新型细胞死亡方式，随着研究的不断深入发现，铁死亡的启动过程与半胱氨酸、多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）和铁的代谢密切相关。在形态学和发生机制上，铁死亡不同于细胞凋亡和其他类型的调控性细胞死亡，从形态学上来看细胞发生铁死亡时不会表现出典型的细胞凋亡特征，例如染色质的凝结和凋亡小体的形成，而是呈现出线粒体萎缩和线粒体嵴数量减少的特征［4］。从发生机制上来看，细胞发生铁死亡时，脂质过氧化物的致命积累是其主要特征，这也涉及细胞中铁死亡执行系统与铁死亡防御系统之间的拮抗作用；当促进铁死亡的细胞活性显著超过铁死亡防御系统提供的抗氧化缓冲能力时，细胞就会发生铁死亡，并且，发生铁死亡的细胞表现出其独特的氧化磷脂（phospholipid，PL）特征。这与经历其他形式细胞死亡的细胞不同，例如caspase、gasdermin D介导的凋亡以及混合谱系激酶结构域样蛋白（mixed lineage kinase domain like protein，MLKL）介导的坏死，均是以行刑蛋白为中心调控的细胞死亡形式［5］。

目前，多种与肿瘤相关的信号通路已被证实参与控制肿瘤细胞中的铁死亡过程。一方面铁死亡对几种肿瘤抑制因子例如P53和BRCA1相关蛋白1 （BAP1）的活性有影响，而肿瘤基因介导或肿瘤基因信号介导的铁死亡规避，有助于肿瘤的起始、进展、转移和耐药，这导致铁死亡成为癌症发展的天然屏障［6］。另一方面，肿瘤细胞有着独特的新陈代谢、ROS的高负荷和特定的突变，这些特点使其中一部分肿瘤细胞在本质上更容易受到铁死亡的影响，从而暴露出可以进行靶向性治疗的弱点［7］。除此之外，铁死亡防御系统的代谢和氧化應激是部分肿瘤细胞赖以生存的条件。因此，破坏这些防御系统对这些肿瘤细胞来说是致命的，而对正常细胞则是无害的。最近的研究表明，在某些情况下，铁死亡对于癌症而言是一种靶向易感性疾病。铁死亡也被认为是由于多种癌症治疗方法，包括放射治疗（radiation therapy，RT）、免疫治疗、化疗和靶向治疗而引起的一种细胞死亡反应［8］。因此，铁死亡诱导剂（ferroptosis inducers，FINs）在癌症治疗过程中有着极高的应用价值［9-10］。

2 铁死亡在胶质瘤中的调节作用

胶质瘤作为脑部最常见的原发性恶性肿瘤，目前的治疗方法主要包括手术治疗、化疗、放疗、免疫治疗和纳米治疗。尽管存在多种治疗方法，但胶质瘤的预后并没有明显改善。研究发现，铁死亡在神经系统肿瘤中发挥着重要作用，它显著影响胶质瘤的预后。铁死亡是一种以铁依赖性脂质过氧化物积累为特征的调节细胞死亡的新形式，主要是氧化还原失衡引起的，涉及细胞内多种生物过程，如铁代谢、脂质代谢、抗氧化剂合成等。主要诱因是铁代谢、脂质过氧化和抗氧化系统三者之间的不平衡［11-13］。

首先细胞内存在一个复杂的铁代谢调节网络，游离铁的丰富度通过ROS的积累和含铁酶的激活促进脂质过氧化［14］。同时细胞中存在着对抗铁死亡的抗氧化系统，这个系统主要由半胱氨酸（cysteine，Cys）、谷胱甘肽（glutathione，GSH）和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）组成［15］。接着便是细胞内的铁代谢过程，铁在细胞内有着严格的控制程序，其中大部分铁与血红素连接，储存在铁蛋白（一种铁储存蛋白）中，或以Fe-S团簇的形式存在。然而，细胞中存在少量的不稳定铁，它倾向于催化ROS的形成，同时铁通过Fenton反应介导脂质的非酶促过氧化［16］，并且细胞在含铁酶如ALOXs，NOXs和CYP的参与下，进行铁依赖性的酶促过氧化过程［17-18］。

细胞外的铁经历一系列转运过程进入细胞内，首先铁与细胞外转铁蛋白相结合，而转铁蛋白在铁死亡过程中有着重要作用，当铁通过受体介导的内吞作用被运送到酸性核内体时，铁从转铁蛋白中释放出来［17］。转铁蛋白通过与转铁蛋白受体（transferrin receptor，TfR）结合将铁运输到细胞内，其中TfR RNAi显著抑制细胞死亡。内体铁可通过DMT1、ZIP8、ZIP13和ZIP14传递到细胞质中［19］。然后PCBP1将胞质中的铁传递给铁蛋白、非血红素铁酶和其他一些蛋白质［19］。同时细胞内的PCBP2是一种dmt1结合蛋白，可将亚铁转运到适当的细胞内位点或溶质载体家族40成员1（SLC40A1）。另外细胞中存在着一种由核受体辅激活剂4（nuclear-receptor coactivator 4，NCOA4）介导的铁蛋白吞噬的选择性自噬形式，它能够促进铁蛋白降解，从而释放Fe2+。综上所述，转铁蛋白和受体通过增加细胞内铁含量促进铁死亡，而SLC40A1介导的铁输出抑制铁死亡［20］。

在人脑中枢神经系统中，铁是许多代谢过程的必要辅助因子，包括神经元中的DNA合成、氧化磷酸化、神经递质的产生以及氧的运输。然而，大脑作为人体最重要的器官之一，它隐藏在血脑屏障（blood brain barrier，BBB）后面，BBB通透性极低，这就限制了大脑与许多物质（如铁）的接触。而铁的转运依赖于血脑屏障中血管内皮细胞TfR的表达，转铁蛋白与内皮细胞管膜上表达的TfR相结合，导致转铁蛋白受体复合体被内化，然后运输到内皮的内膜侧。在那里，它将暴露在所处的微环境中，从而导致了铁的释放。而大部分通过铁氧化后穿过血脑屏障的铁会与由少突胶质细胞合成的转铁蛋白相结合，仅剩下少量铁与大脑直接接触。

与正常细胞相比，胶质瘤细胞更依赖铁。在胶质瘤中，重新规划铁代谢被认为是肿瘤发生、进展和肿瘤微环境的主要因素［21-23］。TfR1通过调节向细胞内输送铁的量来满足代谢需求，从而控制胶质瘤细胞对铁的吸收速率，同时TfR2已被证实在GBM中频繁且高表达。研究发现，一些带有TfR单克隆抗体的GBM组织样本的免疫组化显示出较高的阳性率。TfR2在正常组织中的表达受到限制，但在不同起源的癌症谱系中可以观察到TfR2的频繁表达。这表明肿瘤细胞表达TfR2，同时增加TfR1的表达，这可能是肿瘤细胞获得最佳铁输入的一种策略。同时转铁蛋白和受体的改变可以影响细胞铁含量，并可能导致铁死亡的发生。铁蛋白作为细胞中的铁存储蛋白由铁蛋白重链（ferritin heavy-chain 1，FTH1）和铁蛋白轻链（ferritin light-chain，FTL）两部分组成。近期的研究结果有力地支持了神经胶质肿瘤合成并分泌铁蛋白的假说［24］。胶质母细胞瘤干细胞对铁的需求量增加，所以高水平的细胞质铁蛋白可能通过增强铁螯合来保护细胞免受铁死亡。这就说明调节铁死亡与铁代谢从而控制胶质瘤的发生、进展，在胶质瘤的治疗中具有重大意义。

3 铁死亡在胶质瘤治疗中的应用

胶质瘤作为一种恶性肿瘤，化疗、放疗以及靶向治疗是其治疗的重要方法。其中在化疗方面替莫唑胺（temozolomide，TMZ）仍然是主流，然而胶质瘤细胞的耐药性成了目前的一个主要挑战。越来越多的研究表明，这种耐药可能与铁死亡有关，许多药物的疗效也可能与诱导铁死亡有关。一些作为铁螯合剂抑制铁死亡的药物，已被证实与TMZ耐药逆转有关。去铁酮（也称为奥贝安可）是一种口服活性，具有脑通透性的药物。TMZ和去铁酮联合治疗显著降低胶质瘤细胞的活性。另外有报道称，联合使用铁死亡诱导剂Erastin和TMZ可通过多种途径增强TMZ的敏感性；体外使用羟氯喹（hydroxychloroquine，HCQ）及其衍生物阿那平（quinacrine，QN）可穿越血脑屏障，损害TMZ诱导的自噬，可诱导铁死亡，从而增加TMZ的敏感性。

RT作为胶质瘤标准治疗的重要组成部分，它的原理在于利用X射线破坏肿瘤组织，直接引发多种DNA损伤，如碱基损伤、单链断裂、双链断裂，从而诱导高增殖肿瘤细胞的周期阻滞、衰老和多种形式的死亡，并具有一定的治疗作用。然而，由于胶质瘤的异质性，放疗的效果并不理想［25］。研究表明，鐵死亡诱导性药物索拉非尼联合放疗在杀伤胶质瘤细胞方面发挥协同作用［26］。另外，铁死亡诱导剂2-硝基咪唑、doranidazole和misonidazole可介导胶质瘤干细胞氧化应激代谢改变，如doranidazole使金属还原酶steap3和NADH水平升高，可作为敏化剂抵消胶质瘤细胞对放疗的耐药性，产生细胞毒性，限制胶质瘤生长，显著延长生存期。所以通过铁死亡途径使胶质瘤细胞对辐射敏感是一种有希望改善放疗效果的新方法［27］。

另外，許多药物通过影响胶质瘤细胞的铁死亡过程来治疗胶质瘤。例如已被证明具有抗癌活性的双氢青蒿素（dihydroartemisinin，DHA），它通过产生ROS和抑制GPX4轴启动增强铁死亡［28］。柏树中广泛存在的一种多酚穗花双黄酮（amentoflavone，AF），具有抗炎和抗肿瘤作用。研究发现，AF可通过自噬依赖的方式触发胶质瘤铁死亡，发挥抗肿瘤作用［29］。胶质瘤细胞经过姜黄素类似物ALZ003处理后，可观察到ROS和脂质过氧化物的积累。研究表明，ALZ003可以通过作用于GPX4轴来抑制抗TMZ胶质瘤的生长，而对正常星形胶质细胞没有细胞毒性作用［30］。并且由于铁死亡与脂质代谢密切相关，许多胶质瘤治疗药物可以通过脂质过氧化介导细胞铁死亡发挥治疗作用。例如马钱子碱，一种从马钱子碱种子中提取的吲哚类生物碱，促进脂质过氧化，导致胶质瘤细胞的铁死亡，最终抑制胶质瘤细胞在体内外的生长［31］。非甾体抗炎药（Non steroidal anti-inflammatory drug，NSAID）布洛芬诱导胶质瘤细胞的铁死亡，其作用与细胞内脂质过氧化的异常增加相结合［32］。因此诱导铁死亡对于胶质瘤治疗具有重大意义。

4 展 望

本综述讨论了与胶质瘤中铁死亡相关的机制和铁代谢特征，并提供了在不同治疗模式下应用铁死亡的观点。然而，铁死亡作为一种新的细胞死亡形式，在胶质瘤中尚未得到广泛的研究。胶质瘤作为中枢神经系统中最常见的原发性脑肿瘤，目前标准的治疗方法略有提高患者的生存期，但是所有的治疗方法都表现出一定的局限性和耐药性，而铁死亡作为一种新定义的细胞死亡形式，在胶质瘤的发展过程中影响胶质瘤细胞增殖、侵袭、肿瘤坏死、血管生成，并参与胶质瘤免疫抑制微环境的构建。因此，神经胶质瘤中诱导铁死亡有可能成为标准治疗之外的一种新选择。已有的临床报道和药物研究表明，铁死亡诱导剂联合放疗或TMZ化疗可改善胶质瘤的治疗耐药性，许多基于铁死亡的药物可在胶质瘤治疗中发挥积极作用，靶向铁死亡有助于胶质瘤治疗效果的提高。为了将铁死亡进一步应用于胶质瘤的治疗，需要对铁死亡的相关机制进行更深入的研究，以确定适合治疗的人群。诱导铁死亡的药物的毒性，药物的给药问题，如何有效地穿过BBB，同时避免脱靶效应，都急需解决。在未来，许多问题需要在更多的表观遗传分子和详细的机制洞察中澄清，以设计出基于铁死亡的有效癌症治疗策略。

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（收稿2022-12-04 修回2022-12-27）