基于铁死亡的抗结直肠癌药物的应用*

陈燕华 莫中成 刘艳丽 邱 媛 刘龙飞**

（1）南华大学附属南华医院普外科，衡阳 421002；2）桂林医学院基础医学院组织胚胎教研室，基础医学研究所，桂林 541199）

据悉，2020年癌症死亡的人数近1 000万，而结直肠癌（coloectal cancer，CRC）是其相关死亡的第二大主要原因［1］。全世界每年约有190万CRC新发病例，且患者逐渐趋于年轻化，流行病统计调查显示，50 岁以下即被诊断为CRC 的病人在未来十年会日趋增多［2］，且首次确诊为CRC 的人中，约20%已发生转移，约40%治疗后复发。尽管CRC 的治疗取得了很大进展，但由于其靶点的广谱性和肿瘤细胞的耐受性［3］，CRC 5年生存率不到20%，总体预后仍然较差［4］，因此新的、更敏感有效的药物和药物靶点的研发非常迫切。近期大量研究表明，铁死亡与癌症治疗耐药性有关，诱导铁死亡被证明可以逆转耐药性［3］。

铁死亡是一种以铁依赖的脂质过氧化物积累为特征的细胞程序性死亡方式。它在形态学、生化和遗传水平上区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬［5］。“铁死亡”一词2012年被命名，用来描述由化合物Erastin和RSL3诱导的铁依赖性、非凋亡形式的细胞死亡［6］。目前铁死亡及其机制已成为研究热点，铁死亡包含3 个特征：a.分子特征（图1）。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）对脂质过氧化物修复能力的丧失、氧化还原活性铁的可利用性，以及含多不饱和脂肪酸（PUFA）的磷脂的氧化，其中后者是铁死亡的主要驱动因素，因此调节上述过程的分子可能诱导或抑制铁死亡，如溶质载体家族7 成员11（SLC7A11/XCT）是胱氨酸/谷氨酸反转运体（XC-）系统的一个亚基，它被认为是铁死亡最重要的调节因子之一，通过引入半胱氨酸合成谷胱甘肽（GSH），GSH 是GPX4 在脂质过氧化物转化为脂质醇过程中的酶共底物，核受体共激活因子4（NCoA4）通过降解铁蛋白和增加细胞不稳定铁水平而诱导铁死亡［6］，另一个重要基因是酰基辅酶A 合成酶长链家族成员4（ACSL4），通过使细胞膜富含长的多不饱和脂肪酸而诱导铁死亡［7］。b.与其他程序性死亡相区别的形态学特征，铁死亡导致质膜破裂、线粒体萎缩、线粒体嵴缩小甚至消失［8］。c.独特的生化特征，如铁积累、脂质过氧化、Δψm升高等［6］。

Fig.1 Main characteristic molecules and signal pathways regulating ferroptosis图1 调控铁死亡的主要特征分子及其信号通路

1 铁死亡在结直肠癌中的作用

根据目前的研究发现，铁死亡参与了多种病理过程。它与肝脏、心脏和肾脏的缺血再灌注损伤以及阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等神经退行性疾病有关，其他疾病如肝纤维化、脑卒中、1型糖尿病、动脉粥样硬化和急性肾损伤也与铁死亡有关。它在各种类型的癌症中被观察到，包括乳腺癌、胃癌、肺癌、结直肠癌和胰腺癌等［9］，且它与上皮细胞向间充质细胞的转化（EMT）也有关，这使得癌细胞易于发生转移［10］。在CRC 中：富含丝氨酸/精氨酸剪接因子9（SFRS9）是富含丝氨酸/精氨酸（SR）的前mRNA 剪接因子家族成员基因编码的蛋白质，敲除它可通过靶向降低GPX4的蛋白质水平来诱导CRC 细胞铁死亡从而抑制CRC 的进展［11］；短/支链酰基辅酶a 脱氢酶（ACADSB）是酰基辅酶A 脱氢酶的成员，通过调节CRC 细胞铁死亡而影响CRC 细胞的迁移、侵袭和增殖［12］；菠萝蛋白酶通过诱导铁死亡有效抑制Kras 突变的CRC［13］；具有序列相似度98 个成员的家族A（FAM98A）是一种参与细胞增殖和迁移的微管相关蛋白，它通过激活应激颗粒中SLC7A11 抑制铁死亡促进结直肠癌对5-氟尿嘧啶（5FU）的耐药［14］。可见诱导细胞铁死亡已经成为治疗CRC 的一种新方法和手段。铁死亡作为一种新的细胞死亡调节方式，它在肿瘤抑制中起着关键作用，且铁死亡与癌症治疗耐药性有关。因此，激活铁死亡的药物应用可能是克服传统CRC 治疗耐药机制的潜在策略［3］。

在CRC 中，激活铁死亡的CRC 治疗药物主要涉及铁代谢、脂代谢、谷胱甘肽代谢三条通路，且近期的研究还发现了新的代谢途径——GTP环水解酶1/四氢生物蝶呤（GCH1/BH4）代谢。现将CRC中铁死亡相关代谢途径药物研究的最新进展进行综述。

2 调控铁代谢影响铁死亡的抗CRC药物

虽然铁是细胞增殖所必需的，但铁依赖的细胞程序性死亡是肿瘤生长和转移的重要屏障。铁即可促进癌细胞的增殖，也助其死亡。细胞对铁的摄取是通过铁结合的转铁蛋白（TF）与转铁蛋白受体蛋白1（TFR1）的结合介导的［15］。在CRC 中，高铁可诱导CRC 细胞铁死亡，同时短时间铁暴露也可上调GSH 相关蛋白SLC7A11 和GPX4，从而对抗铁诱导的脂质过氧化，保护CRC 细胞免受铁死亡的影响［16］。CRC 中影响铁代谢的主要分子有：血红素加氧酶1（HO-1/HMOX1）和NCoA4。其中HO-1 是铁卟啉化合物血红素分解代谢过程中的限速酶，它的上调促进血红素的降解和铁蛋白的合成，改变了铁在细胞中的分布，增强的HO-1表达可通过促进铁积累和活性氧（ROS）产生而诱导铁死亡［17-19］；NCoA4 则通过降解铁蛋白和增加细胞不稳定铁水平而诱导铁死亡［6］。

2.1 西妥昔单抗

西妥昔单抗（Cetuximab）作为CRC 靶向治疗药物，它是一种免疫球蛋白G1，靶向并结合癌细胞表达的表皮生长因子受体，可竞争性抑制配体结合下游信号传导［20］。西妥昔单抗被批准用于治疗RAS 野生型转移性结直肠癌（MCRC）。然而，在Kras 突变型MCRC 中，西妥昔单抗的预后仍然很差，因铁死亡与Kras 突变密切相关，研究表明，西妥昔单抗通过激活p38抑制核因子红细胞系2相关因子2（Nrf2）/HO-1轴，来增强RSL3对Kras突变CRC 细胞的铁死亡［21］，表明西妥昔单抗联合RSL3可能成为新的治疗CRC的手段（图2）。

Fig.2 Mechanism of anti-CRC drugs regulating iron metabolism and affecting ferroptosis图2 调控铁代谢影响铁死亡的抗CRC药物作用机制

通过对其他癌症类型的研究发现，靶向药物初步治疗后存活的细胞往往容易受到细胞代谢改变的影响，包括氧化应激。天然产物衍生的抗癌化合物以多靶向的方式发挥其生物活性，从而影响自身抑制癌细胞生长的多个生长调节途径，与常规化疗药物一起作为辅助物来提高其总体治疗效果。β榄香烯是从中药莪术中分离出来的一种生物活性化合物，具有广谱抗癌作用，用于多种癌症［22-23］。β榄香烯与西妥昔单抗联合可诱导Kras 突变的CRC 细胞铁依赖性ROS 积累、GSH 耗竭、脂质过氧化、HO-1 和TRF 上调以及铁死亡负调节蛋白GPX4、SLC7A11 下调，从而对药物敏感并抑制EMT［24］。维生素C（VitC）是一种抗氧化剂，在药理剂量下可以引发氧化应激。研究发现在西妥昔单抗中添加VitC会增加药物的持久性，限制CRC细胞的生长，并显著延缓CRC 异种移植模型的获得性耐药。VitC和西妥昔单抗联合应用，通过破坏铁的稳态，增加ROS 水平，最终导致细胞铁死亡，考虑到大剂量VitC 在癌症患者中是安全的，可能会对接受抗EGFR治疗的CRC患者产生有益地临床效果［25］。可见，西妥昔单抗联合其他铁死亡诱导剂对于抗CRC是比较有前景的治疗手段。

2.2 奥沙利铂

奥沙利铂（Oxaliplatin）是第三代铂类药物，用于CRC的一线化疗［26］。奥沙利铂通过抑制癌细胞DNA 合成、引起核糖体应激反应而发挥抗肿瘤作用［27］，但是由于长期使用奥沙利铂引起的肿瘤耐药性和毒性效应，只有不到40%的晚期CRC 患者受益于奥沙利铂［28］，因此改善奥沙利铂对晚期疾病患者生存的影响仍然是CRC 治疗的一个主要挑战。研究发现，奥沙利铂通过抑制Nrf2 信号通路提高Fe2+含量，降低铁蛋白（Fer）的表达水平，促进CRC 细胞铁死亡和氧化应激，抑制CRC 细胞活力，同时增强Erastin对CRC细胞的作用［29］（图2）。可见奥沙利铂与Erastin 联合应用可增强抗CRC效果。

2.3 穿心莲

穿心莲是棘皮科植物，具有免疫调节、抗炎、抗 氧 化 和 抗 癌 等 作 用［30-32］。 穿 心 莲 内 酯（Andrograph olide）作为穿心莲的主要活性成分，它是一种双环二萜内酯，最近的研究表明它可以克服化疗耐药，使癌细胞对多种化疗药物重新敏感，且穿心莲与5FU 联合治疗对HCT116 和SW480 5FUR细胞具有协同作用。通过对全基因组表达分析，发现HMOX1显著上调，可见激活铁死亡是穿心莲抗癌和化疗增敏作用的关键介质［33］（图2）。有研究发现，穿心莲和低聚原花青素（OPCs）这两种植物提取物可协同抑制CRC 细胞生长，增强抗癌活性，且转录组分析发现代谢途径有铁死亡相关基因HMOX1 的参与，这表明OPCs 通过激活代谢途径和铁死亡途径增强穿心莲抗癌活性［34］。穿心莲和OPCs可作为CRC传统治疗的辅助手段，成为一种潜在的治疗选择。可见各种膳食植物药物提供了一种安全、廉价和多靶向的治疗选择。

2.4 塔吉藤素C

塔吉藤素C（Tagitinin C）是菊科植物中广泛存在的倍半萜内酯，因具有抗纤维化的活性，且具有抗肿瘤、抗寄生虫和保护心脏等作用而日益引起药理研究者的关注［35］。HO-1作为Nrf2的下游效应基因，在塔吉素C 的作用下表达显著增加，HO-1的上调导致Fe2+的增加，促进脂质过氧化。塔吉藤素C 作为一种新型的铁死亡诱导剂，通过PERK（蛋白激酶RNA 样ER 激酶）-Nrf2-HO-1 信号通路诱导CRC 细胞铁死亡，可能是一种有效的化疗增敏剂，可以扩大化疗药物的疗效和范围［35］（图2）。

2.5 青蒿素和双氢青蒿素

青蒿素（artemisinin，ART）是一种天然抗疟疾化合物，具有抗癌作用。作为ART的代谢产物，双氢青蒿素（dihydroartemisinin，DHA）具有较强的抗CRC活性［36］。在体外CRC细胞铁死亡的研究中，血液固有成分亚油酸（LA）和TF存在的情况下，ART 和DHA 两种化合物显示出很高的治疗潜力，CRC 细胞生长受到显著抑制。ART 和DHA 可以作为原发性和转移性结肠癌的辅助治疗手段，且对正常细胞没有毒性［37］（图2）。

2.6 黑木耳素

黑木耳素（auriculasin，AC）是从菲律宾弗拉明菌中分离得到的一种多酚类黄酮，目前已有研究表明AC 具有显著的抗癌作用［38-39］，深入研究表明，黑木耳素以浓度依赖性的方式促进ROS生成；当加入ROS清除剂NAC时，黑木耳素促进ROS生成和抑制细胞活力的作用被阻断。黑木耳素诱导CRC 细胞凋亡，导致线粒体收缩，增加细胞内Fe2+、MDA 的积累，黑木耳素通过诱导ROS 产生而激活细胞凋亡和铁死亡。因此，黑木耳素可通过诱导ROS 生成，促进CRC 细胞凋亡、铁死亡和氧化死亡，从而抑制细胞的活力、侵袭力和克隆形成，表明黑木耳素具有显著的抗CRC作用［40］。

3 调控脂代谢影响铁死亡的抗CRC药物

脂质过氧化反应增加是铁死亡的特征，因此脂质过氧化物的代谢被认为是铁死亡过程中的关键。二肽基肽酶4（DPP4）是CRC 中脂代谢的关键协调者，肿瘤抑制因子p53（TP53）的缺失可阻止DPP4 的核积聚，从而促进DPP4 依赖的脂质过氧化，最终导致CRC细胞铁死亡［41］。脂代谢途径的关键基因ACSL4，它通过使细胞膜富含长的多不饱和脂肪酸而诱导铁死亡［7］；细胞珠蛋白（CYGB）可通过调节P53-YAP1-ACSL4-Lipid ROS信号通路促进结肠癌细胞铁死亡［42］。细胞脂质过氧化物的水平还可以通过脂氧合酶家族诱导，它由6 个同工酶组成（ALOXE3、ALOX5、ALOX12、ALOX12B、ALOX15和ALOX15B）［43］。其中CRC中调控脂代谢影响铁死亡的抗癌药物如下。

3.1 菠萝蛋白酶

菠萝蛋白酶（bromelain）是从菠萝茎中提取的蛋白水解酶的混合物，大量临床研究表明，菠萝蛋白酶提取物可用于食品和制药等领域。菠萝蛋白酶已被用于治疗类风湿性关节炎、口腔炎症、糖尿病溃疡、直肠和直肠周围炎症、支气管炎和鼻窦炎等疾病。研究表明，菠萝蛋白酶在Kras 突变的人结直肠癌细胞系和小鼠模型中有抗癌特性，与Kras 野生型CRC 细胞株相比，Kras 突变型CRC 细胞株的ACSL-4 表达明显上调，可诱导铁死亡［13］。表明菠萝蛋白酶可成为抗CRC的候选药物之一。

3.2 阿帕替尼

阿帕替尼（Apatinib）又称YN968D1，是一种新型的口服小分子药物，具有抗血管生成作用，用于治疗多发性实体肿瘤，包括胃癌、结直肠癌和肝癌［44］。阿帕替尼作为转移性CRC的可选治疗方法已有大量报道，阿帕替尼作为三线治疗，可有效改善重度转移性CRC患者的预后［45］。它通过靶向超长链脂肪酸家族成员6（ELOVL6）/ACSL4信号转导促进结直肠癌细胞铁死亡，为阿帕替尼在CRC临床治疗中的应用提供了新的机制支持［46］。

3.3 塔拉旋卷积素A

塔拉旋卷积素A（TalaroconvolutinA，talaA）是从三七内生真菌Talaromyces中分离出来的，具有抑癌活性的天然小分子化合物，发现talaA 并不诱导细胞凋亡，但强烈诱发铁死亡。值得注意的是，talaA 在诱导结直肠癌细胞铁死亡方面明显优于Erastin。一方面，talaA 使ROS 水平显著升高到一定的阈值，超过该阈值就会引起铁死亡。另一方面，该化合物下调SLC7A11 的表达，上调花生四烯酸脂氧合酶3（ALOXE3）的表达，促进铁死亡。此外，小鼠体内实验证明，talaA 能有效抑制异种CRC 细胞的生长的能力，且无明显的肝肾毒性。研究表明，talaA 作为新型铁死亡诱导剂，可能是一种新的潜在的、强有力的治疗CRC 的候选药物［47］。

4 调控谷胱甘肽代谢影响铁死亡的抗CRC药物

SLC7A11和GPX4是铁死亡中谷胱甘肽代谢的主要调控因子。SLC7A11 通过引入半胱氨酸合成谷胱甘肽，同时GSH 是GPX4 在脂质过氧化物转化为脂质醇过程中的酶共底物［6］。在CRC 中，调控谷胱甘肽代谢影响铁死亡的药物基本参与调控SLC7A11和GPX4。

4.1 纳米药物

甘草次酸（GA）是甘草的主要生物活性物质之一，研究证实具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤等作用［48］。为了提高靶向性和肿瘤归巢能力，降低体内毒性，研制了一种包覆聚乳酸-羟基乙酸的GA白细胞膜（GCMNPs），它可通过下调GSH依赖的GPX4导致脂质过氧化水平升高，诱导CRC细胞的铁死亡。甘草次酸基纳米材料与铁死亡疗法的结合将为研究PD-1/PD-L1 阻滞对CRC 的抗癌免疫反应提供进一步的见解［49］。Vzno 作为一种H2S 纳米系统，具有清除H2S 的能力，能有效降低CRC 组织中H2S 的含量，导致CRC 细胞内GSH 水平显著降低，最终诱导CRC 细胞铁死亡。生物安全相关的毒理及病理分析证实了VZnO 在CRC 治疗中的低毒性和高安全性，且VZnO对其他非H2S丰富的癌症没有治疗作用，如4T1乳腺癌模型。利用氧化锌基纳米材料的H2S耗尽诱导铁死亡策略将为设计用于CRC 的纳米药物提供靶向治疗的见解，并可能提供临床前景［50］。

4.2 人参皂苷

人参皂苷（Rh4）是人参的主要药理活性成分，具有免疫调节、抗炎、抗氧化、神经保护、抗糖尿病、抗肥胖、抗白血病等多种生物学活性，此外还可用于治疗心血管疾病和抗肿瘤［51-52］。在以往的研究中，一些人参皂苷如Rg1、Rg2、Rg3、Rh2、Rh3 和Rh4 通过诱导细胞凋亡和自噬抑制迁移或抑制增殖而显示出抗肿瘤活性。它是一种罕见的三醇人参皂苷，其特点是比其他多糖人参皂苷更易溶于水。良好的溶解度可提高其临床应用前景。人参皂苷Rh4 通过激活ROS/p53 信号通路激活自噬，降低SLC7A11和GPX4的表达水平诱导铁死亡抑制CRC 细胞增殖，为Rh4 巨大的抗癌潜力提供了必要的科学证据［51］。

4.3 没食子酸

没食子酸（又称3,4,5-三羟基苯甲酸），广泛存在于茶叶、橡树皮、五倍子和其他植物中，并出现在丁香、醋和水果（草莓、葡萄、香蕉等）等食物或香料中［53］。没食子酸在食品、生物、医药、化工等领域有着广泛的应用。没食子酸具有广泛的生物活性，且对人体几乎无毒，因此被用作具有临床意义的膳食补充剂或添加剂。直接食用含有没食子酸的蔬菜水果也可能对健康有益。越来越多的证据表明，没食子酸具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤等作用［53］。实验表明，在没食子酸的作用下，GSH 被大量消耗，它通过调节铁死亡从而改善CRC［54］。

4.4 其他

脂蟾毒原素（RB）是从亚洲蟾蜍的干燥皮肤分泌物中提取的，通过灭活GPX4介导的铁死亡来抑制结直肠癌细胞的生长和肿瘤发生，它已作为卵巢癌、胃癌和CRC的抗癌药物，提示RB可以作为临床治疗CRC 的新药物［55］。2-亚氨基-6-甲氧基-2H-铬烯-3-碳硫酰胺（ⅠMCA）是一种苯并吡喃衍生物，具有广泛的生物活性，用于治疗癌症、2型糖尿病、炎症、皮肤病、阿尔茨海默病、多囊肾病以及病毒和细菌感染，ⅠMCA通过AMPK/mTOR途径诱导SLC7A11 介导的结直肠癌铁死亡，提示ⅠMCA 可能是一种有前途的治疗CRC 的药物［56］。异丙酚是一种常用的静脉麻醉剂。它可通过下调STAT3表达，提高细胞铁和ROS水平，抑制GPX4诱导结直肠癌细胞铁死亡［57］。 阿维醌B（avicequinone B）是一种天然萘醌，从红树白骨树中分离得到具有抗增殖作用的合成前体，它对HT-29细胞G2/M阻滞，使CRC细胞SLC7A11具有低丰度mRNA 的基因表达，从而推测其诱导铁死亡［58］，其可能成为治疗CRC的有效药物。

5 调控GCH1/BH4代谢影响铁死亡的抗CRC药物——GCH1抑制剂

众所周知，许多癌细胞在持续氧化应激下可以获得大量内源性抗氧化能力，以抵御细胞死亡。最近的研究表明，癌细胞中存在另一种有效的GPX4无关的抗氧化机制。GCH1/BH4在铁死亡诱导过程中防止细胞脂质过氧化损伤，它与GPX4氧化还原系统平行［59］。BH4 是一种必需的辅助因子，在许多生理和病理过程中发挥多重作用，包括氧化应激和炎症的调节。研究发现，BH4 决定了CRC 细胞对Erastin诱导的铁死亡的敏感性。GCH1是BH4的第一个限速酶，GCH1的抑制降低了BH4，并协同Erastin 诱导细胞死亡、增强脂质过氧化和亚铁积累。GCH1 抑制剂和Erastin 在CRC 模型动物体内联合治疗可协同抑制CRC 的肿瘤生长。研究证实GCH1/BH4 代谢是CRC 中一种新兴的铁死亡防御机制。抑制GCH1/BH4代谢通过激活噬铁蛋白促进Erastin 诱导的铁死亡，表明GCH1 抑制剂联合Erastin治疗CRC是一种新的治疗策略［60］。

6 展 望

CRC 作为胃肠道恶性肿瘤之一，常见的治疗手段包括手术切除、放化疗、靶向治疗、免疫治疗等，但由于一系列表观遗传和代谢变化赋予CRC细胞较高的迁移和侵袭能力，导致CRC 患者易发生转移。虽然在转移患者的局部治疗方面取得了进展，如外科转移切除、癌细胞减灭术、CRC 的早期筛查等，然而目前大多数转移性CRC 患者的治疗仍然是以5-氟尿嘧啶或卡培他滨的细胞毒性药物为基础［61-62］，且耐药也是CRC 治疗的主要障碍［63］，因此寻找延缓或克服耐药的策略，对于改善CRC 患者的预后是必要的。铁死亡作为铁依赖性使癌细胞更容易发生铁催化的脂质过氧化，为克服肿瘤中的凋亡抵抗和多药耐药提供了一个新的治疗靶点作为凋亡替代策略。考虑到这些优点，无论是单独或与其他治疗结合，铁死亡是一个非常有前途的抗CRC 策略。更有研究言明，对铁死亡的调节可能是克服传统化疗、靶向治疗和免疫治疗耐药性的有效手段，这些发现为通过诱导铁死亡克服癌症耐药性开发新的治疗方法提供了希望［64］。

本文综述了在CRC 中针对铁死亡的药物研究现状和调控机制分析，以期找到治疗CRC 的新途径。除了传统的治疗手段，聚焦新的研究热点揭示了铁死亡与化学材料，特别是纳米生物技术之间的密切关系，并认为纳米技术诱发的铁死亡是一种非常有效的抗肿瘤策略，为凋亡抵抗性肿瘤的治疗提供了新的方法。该新兴领域存在的挑战和未来的发展方向，旨在促进铁死亡治疗在材料科学和纳米科学领域的进展，丰富抗肿瘤策略［65］。然而，像中草药提取的活性药物、小分子药物离实际应用还有很长的路要走：首先，很难确定铁死亡诱导剂的逆转耐药性作用是否仅对CRC 有特异性效果，还是对大多数其他癌症普遍有效，鉴于不同癌细胞系对铁死亡诱导剂的敏感性差异之大，需要定义一个最有可能受益于该策略的适当目标人群，深入了解铁死亡和耐药性的机制将有助于这一目标的实现；其次，铁死亡与除癌症以外的多种疾病如退行性疾病和缺血性疾病相关的病理性细胞死亡有关，在避免全身不良反应的同时，开发诱导CRC 铁死亡的特异性治疗方法将变得尤为重要。

总之，机遇与挑战并存。以铁死亡为靶点设计的药物在人体内是否具有明显的抗CRC 的作用，还应进一步得到临床实验的证实。铁死亡作为抗CRC 治疗的一个有前途的靶点，其临床应用必将给肿瘤患者带来福音。