铁死亡与肿瘤及肿瘤耐药的研究进展

张海燕，王 欣，李锦硕，韩丽炘，李泽昊，闫燕艳

（山西大同大学医学院，山西大同 037009）

1 铁死亡概述

生物在自身的生长发育过程中会清除自身已经破坏或多余的细胞。在此过程中，细胞死亡起着极其重要的作用。不同类型的细胞死亡通常有不同的机制。2008年，Yang[1]等研究发现并证实了细胞内的铁和脂质活性氧(reactive oxygen,ROS)与一种新的细胞死亡形式有关。2012 年，Dixon[2]等将这种由铁离子累积及氧化物过多引起细胞死亡的方式称为“铁死亡”。经研究发现，铁死亡是一种非程序性凋亡的细胞死亡过程，与典型的细胞凋亡和自噬机制不同，它与脂质过氧化和铁的代谢有密切的关系[2]。在铁死亡中，线粒体作为细胞中主要累积过氧化物的细胞器，形态结构将发生改变，体积减小、线粒体嵴消失但膜密度会增加。铁死亡与Caspase 家族无关，主要受一些基因调节，如铁反应元件结合蛋白2(iron responsive element binding protein 2,IREB2)等，而铁螯合剂和抗氧化剂能够抑制铁死亡[2]。

2 铁死亡的调节机制

铁死亡导致的细胞死亡方式与细胞内诸多生理过程，如铁的代谢、脂质过氧化及其他途径有密切的联系。在细胞中，ROS含量过多，细胞内ROS的稳态被破坏，就会触发铁死亡。与ROS 的含量密切相关的生化因素如铁离子的代谢、脂质过氧化以及各种信号及分子等是调节铁死亡的关键。

2.1 铁离子的代谢

铁死亡与铁的摄取、转运和储存有很大的关系。铁稳态在生物体内有严格的调控机制。铁离子一般具有Fe2+和Fe3+两种氧化形式。铁调节蛋白在起始点能够调控铁的代谢，而细胞内铁的浓度是决定铁调节蛋白是否表达的重要因素，铁与mRNA 结合来控制铁代谢基因的表达[3]。转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1,TfR1)在铁的摄入中将Fe3+转运至细胞核内，使其被金属还原酶还原成Fe2+[4]；二价金属离子转运蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)将Fe2+释放到胞质的不稳定铁池中[5]；同时，细胞中的Fe2+也能够被铁转运蛋白氧化为Fe3+，最终细胞内的铁离子浓度会形成平衡以达到正常化。正常条件下，铁池维持铁平衡，而病理条件下，细胞中的Fe2+会发生聚集，发生Fenton[6]反应与哈伯-韦斯反应，众多的ROS 会产生，ROS 破坏细胞中的DNA 等基本结构，从而杀死细胞。因此，过量的铁离子是产生铁死亡的重要条件，铁稳态的相关因素就是细胞铁死亡的潜在靶点。抑癌因子卵巢癌结构域蛋白酶-1(ovarian tumor domain-containing protease-1,OTUD1)能够调节铁反应元件结合蛋白2 从而导致细胞内Fe2+聚集，诱导细胞铁死亡[7]。血红素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)促进产生游离的铁，从而诱导细胞铁死亡。总之，当细胞内铁相关蛋白及铁稳态发生问题时，细胞内游离的铁浓度增加，导致细胞中ROS 升高，诱导铁死亡[8]。

2.2 脂质过氧化

脂质过氧化作为催化因子促进细胞铁死亡。脂质过氧化物属于ROS，将细胞内DNA 等结构破坏，执行细胞的铁死亡[9]。脂质过氧化物在细胞中的过量积累是细胞铁死亡的标志，因此，影响脂质过氧化的因子能影响细胞铁死亡。具体来说，促进脂质过氧化的因子多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)能促进铁死亡的进程；抑制脂质过氧化的因子谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)和半胱氨酸能抑制铁死亡的进程[10]。深入了解不同因子对脂质过氧化的影响对了解细胞铁死亡具有重要作用。

2.2.1 PUFA加快脂质过氧化，促进铁死亡

细胞膜的流动性对细胞能否适应环境有极大的作用，PUFA 含量升高能增强细胞膜流动性，对细胞存活有重要作用[11]。PUFA 中存在不稳定的双键结构，易与铁死亡中增加的ROS 触发化学反应，导致细胞膜的破裂与细胞死亡。PUFA 含量的不同意味着细胞内脂质过氧化的速度不同，铁死亡的剧烈程度也不同。富含花生四烯酸的磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)是激发细胞铁死亡的关键物质[12]。细胞中的长链脂酰辅酶A 合成酶4 (longchain acyl-CoA synthelase 4,ACSL4)以及溶血卵磷脂酰基转移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)是脂质过氧化过程中的必需酶，前者参与PE 的合成，后者参与PE 的重塑。这两种酶缺少时，PUFA 因PE 的减少而减少，铁死亡的进程将会减慢[12-13]。因此，在细胞内增加这两种酶、PE 和PUFA含量增多，能使细胞对铁死亡的敏感性提高。PUFA的过氧化反应也会受脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)的催化，减少细胞内LOX 的含量能够抑制PUFA 的堆积，进而抑制铁死亡[12]。

2.2.2 半胱氨酸抑制脂质过氧化，抑制铁死亡

由负责转运氨基酸的轻链亚基(SLC7A11)与负责SLC7A11 胞内运输和胞膜表达的重链亚基(SLC3A2)共同构成的胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白体(System Xc－)不仅能有效防止物质氧化，还以1∶1的比例将胞外胱氨酸摄入和细胞内谷氨酸排出，使胱氨酸还原成半胱氨酸。半胱氨酸等组成的谷胱甘肽(glutathione,GSH)具有抗氧化作用，抑制了ROS的堆积，抑制铁死亡进程[14]。当细胞内缺失控制System Xc－活性的基因SLC7A11 时，System Xc－受到抑制，GSH 因半胱氨酸的缺少而减少，加快铁死亡的发生。铁死亡促进剂爱拉斯汀(Erastin)能作用于System Xc－，通过抑制半胱氨酸的还原减少GSH 的含量，进而促进铁死亡[2]。除此之外，胞内的β-巯基乙醇能够将胱氨酸还原为半胱氨酸，不需要依赖System Xc－，因此，β-巯基乙醇对铁死亡起负性调节[14]。在缺失半胱氨酰tRNA 合成酶的细胞中，蛋氨酸能通过转硫化过程直接转化为半胱氨酸，同样抑制铁死亡。

2.2.3 GPX4抑制脂质过氧化物堆积，抑制铁死亡

GPX4 有极强的抗氧化作用。在铁死亡中，还原型GSH 在GPX4 的抗氧化作用下被转化为氧化型谷胱甘肽，而ROS 被转化为无毒醇[14]，ROS 在胞内的积累和脂质过氧化减少，抑制了铁死亡进程。抑制GPX4，能够诱导铁死亡发生。GPX4 属于铁死亡中的调节蛋白，能够决定铁死亡的剧烈程度。当GPX4基因缺失后，细胞铁死亡敏感性会升高，将减弱对铁死亡的抵抗性[15]。

2.3 其他途径与铁死亡

铁死亡机制还受到核因子E2 相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信号通路、热休克蛋白(heat shock proteins,HSP)、硒、能量应激等的影响。Nrf2 能维持并调节胞内氧化还原的稳态，通过p62-Keap1-Nrf2途径能加快System Xc－交换氨基酸，GSH 含量增加并还原胞内脂质过氧化物，抑制铁死亡[16]。HSP是高度保守的分子伴侣，具有抗氧化等功能，HSPB1(Heat Shock 27kDa Protein 1)可降低细胞对铁的摄入，减少ROS 增加，抑制铁死亡，前列腺癌细胞等经HSPB1 途径降低Erastin 的药效[17]。维持GPX4 活性的元素硒能调节GPX4 的活性以及丰度，使GPX4 更有效地与ROS 进行反应，间接抑制铁死亡[18]。细胞处于能量应激状态时，蛋白激酶被激活，胞内大量的ATP 被消耗，PUFA 的合成受到抑制，对铁死亡负性调节[19]。铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)能抑制脂质过氧化，抑制ROS聚集，抑制铁死亡[20]。

3 铁死亡与肿瘤

铁死亡在多种肿瘤如肝癌、结直肠癌、胃癌、肺癌中较常见。肿瘤细胞可因铁死亡机制而死亡，因此，铁死亡在肿瘤中成为了新的治疗方向。

3.1 铁死亡与肝癌

低密度脂蛋白(low density lipoprotein-docosahexaenoic acid,LDL-DHA)二十二碳六烯酸能引起肝癌细胞内脂质过氧化物增加、GSH 被消耗以及GPX4失活，进而诱导铁死亡在肝癌细胞中发生，对肝癌的发生和转移具有抑制作用[21]。铁硫结构域蛋白1(CDGSH iron sulfur domain 1,CISD1)在肝癌细胞的线粒体内减少Fe2+聚集和ROS积累，抑制了铁死亡的发生[22]。作为治疗肝癌的蛋白激酶抑制剂索拉菲尼(Sorafenib)能够在肝癌中抑制System Xc－的转运功能，降低细胞内GSH 含量，加速肝癌细胞铁死亡；氟哌啶醇(Haloperidol)在肝癌中加剧Fe2+聚集和ROS堆积，增强索拉菲尼和Erastin 的作用，促进了铁死亡在肝癌中发生[23]。隐丹参酮(Cryptotanshinone)可下调GPX4 和System Xc－的表达，增加胞内脂质过氧化物的堆积，促进铁死亡；而铁螯合剂能够缓解隐丹参酮的作用[24]。研究表明，相比于Rb野生型，在体内外使用索拉菲尼处理Rb缺失的肝癌细胞可观察到细胞内高浓度的线粒体ROS水平，铁死亡显著发生[25]。

3.2 铁死亡与结直肠癌

肠道细胞内铁离子的积累会导致ROS 过量聚集，诱导肠道上皮细胞铁死亡[26]。铁死亡诱导剂顺铂能下调GPX4 的表达，胞内脂质过氧化增加，诱导铁死亡[27]。患者同时使用β-榄香烯与西妥昔单抗可诱导铁死亡，抑制体内结直肠癌细胞的增殖与转移；维生素C 不仅可以增加结直肠癌细胞内ROS 的积累而诱导铁死亡，也能够与西妥昔单抗联用，降低癌细胞的抗药性，因此，维生素C 在结直肠癌的临床治疗中被广泛认可[28]。作为治疗结直肠癌的经典药物5-氟尿嘧啶可以通过miRNAs 靶向HSPB1，诱导铁死亡，提高结直肠癌细胞的敏感性[29]，增强结直肠癌的治疗效果。

3.3 铁死亡与胃癌

在胃癌中，Erastin 能降低System Xc－活性以及胱氨酸的转化引起ROS 的积累，损坏DNA 或RNA，导致细胞铁死亡，半胱氨酸双加氧酶1(cysteine dioxygenase 1,CDO1)在该过程中起重要作用。当CDO1低表达或失活后，胞中GSH含量增加，进而ROS含量降低，抑制Erastin 所诱导的铁死亡[30]。转录因子IPO7 被脂肪分化相关蛋白(Perilipin2,PLIN2)刺激后，提供细胞增殖所需能量，提高胃癌细胞对铁死亡的抵抗力[31]。济源冬凌草素A 衍生物a2 可降低胃癌中GPX4 表达，促进铁死亡，抑制胃癌的增殖[32]。在胃癌中，Circ-0008035 的表达上调将促进胃癌的增殖，可通过敲除Circ-0008035 等基因，导致细胞内铁聚集，ROS 升高，诱导铁死亡，进而治疗胃癌[33]。肿瘤相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)的分泌物促进肿瘤的增殖和耐药。CAFs 分泌miR-522，miR-522能与ROS发生生化反应，减少脂质中ROS 的聚集，从而负性调节铁死亡，导致胃癌细胞对顺铂和紫杉醇耐药，是胃癌细胞获得耐药性的一种途径[34]。CD44蛋白与System Xc－直接作用而影响ROS 的产生与积累进而影响铁死亡，因此可通过CD44的靶点药物治疗胃癌[35]。

3.4 铁死亡与肺癌

在肺癌治疗中，顺铂引发肿瘤细胞内GPX4 失活，促进脂质过氧化，ROS 含量升高，促进铁死亡。柳氮磺胺嘧啶(Sulfasalazine)作为一种免疫抑制药能明显降低肺癌中GSH 水平，促进细胞铁死亡，抑制细胞的增殖和转移[36]。他汀类药物能够阻断甲羟戊酸途径，间接使GPX4 含量降低，进而提高肺癌对铁死亡的敏感度[37]。铁基材料能够在肺癌内释放Fe2+并引发Fe2+与ROS 的聚集，促进铁死亡，其毒副作用也较顺铂等更小[38]。氧化铁纳米颗粒Ferumoxytol在临床上不仅能够治疗缺铁性贫血，也能够抑制早期肿瘤的增殖和转移[39]。

4 铁死亡与肿瘤耐药

铁死亡与肿瘤耐药有密切的联系。肿瘤细胞通过不同机制使胞内GSH升高，铁蓄积减少，抑制ROS产生，进而发生耐药[40]。抗氧化应激通路Nrf2-ARE中Nrf2 过度激活与肿瘤耐药有关。肝癌患者长期使用索拉菲尼后，激活Nrf2 通路，促进金属硫蛋白1G(metallo-thionein-1G,MT-1G)表达，抑制脂质过氧化，抑制铁死亡，导致索拉菲尼耐药[41]。Keap1-Nrf2通路可调控System Xc－亚基SLC7A11 表达，胞内GSH 含量升高，ROS 减少，抑制铁死亡[16]。研究发现，纳米颗粒可抑制GSH 合成，促进脂质过氧化，诱导铁死亡[39]，所以降低肿瘤细胞对氧化应激的耐受能力，将是治疗肿瘤耐药性的新方向。长链非编码RNA(long non-coding RNA,IncRNA)P53RRA 可通过调控抑癌因子P53 表达，介导肿瘤耐药[42]。位于内质网上的热休克蛋白A5(HSPA5)可与GPX4 结合并稳定，抑制了胞内ROS 的增加，进而抑制铁死亡[43]。同时，铁死亡的调控机制也可通过生物过程进行调控，如铁、FUDA 和GSH 代谢，进而下调肿瘤细胞的耐药性，诱导铁死亡。

铁死亡是不受肿瘤细胞耐药机制调控的致细胞死亡的途径，研究与铁死亡相关途径的机制，有助于临床抗癌药物的开发与研制；在临床上，铁死亡已成为治疗肿瘤的热门领域，相关药物如Erastin等的认可与应用，大大提高了治疗效果（表1）。在未来，铁死亡将在癌症治疗中将发挥越来越重要的作用。

表1 与铁死亡途径有关药物及其抗癌应用

5 展望与小结

目前，铁死亡是新的临床治疗方向，在肿瘤治疗中受到越来越多的关注。尽管铁死亡的研究日益增加，但还存在一些问题：①还需要进一步探索与了解铁死亡未知的发生和调节机制；②临床治疗上，抗肿瘤药物的缺点还有很多，研究新型的药物已迫在眉睫，降低和解决肿瘤细胞的耐药性也是一个重要的问题；③不同组织细胞对铁死亡的敏感性不同，如何将铁死亡正确应用于治疗肿瘤中也是重要的研究方向；④不同抗肿瘤药物在肿瘤治疗过程中常联合用药，但药物的拮抗或协同作用尚不明确，仍需大量理论研究支撑。