铁死亡与胃癌治疗的研究进展

李丽斌 许文集

福建医科大学附属第二医院消化内科，福建泉州 362000

胃癌是近年来发病率逐年上升的常见恶性肿瘤之一。国际癌症研究机构2020年最新数据显示，胃癌占总病例的11.7%，占总病死人数的7.7%，发病率和病死率在各种恶性肿瘤中分别居第五位和第四位[1]。目前我国胃癌的主要治疗手段是手术、辅助放化疗、靶向和免疫治疗。但多数晚期胃癌患者已丧失手术机会，预后较差，以化疗为主的治疗方法中位生存期一般不超过1年，而5年生存率在10%以下[2]。治疗失败常见的原因是治疗的耐药性，过去的许多研究致力于通过诱导癌细胞死亡来克服治疗耐药性，然而，由于癌细胞增殖的调控复杂，仍需要研究更多的治疗靶点来提高胃癌患者的治疗效果。

2012年，科学家将亚铁离子（Fe2+）依赖性脂质过氧化物积累诱导的一种新的调节细胞死亡模式命名为铁死亡[3]。铁死亡的形态学和生化特征不同于其他类型的细胞死亡，在生化特性上，发生铁死亡的细胞表现出氧化还原水平的失衡，细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）显著增加，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）显著降低，因此脂质抗氧化剂可以抑制铁死亡。形态学上，透射电镜可观察到铁死亡的超微形态学特征，包括细胞膜破裂和起泡、线粒体收缩、线粒体嵴减少或缺失、线粒体外膜破裂、染色质不完全凝结，而细胞核未观察到明显变化[4]。越来越多研究发现，铁死亡参与了恶性肿瘤、神经系统疾病、急性肾损伤、缺血/再灌注等多种疾病的发生和发展过程，从而为这些疾病提供了新的治疗靶标。有研究表明，铁死亡诱导剂无论是作为单一疗法还是与其他化疗药物联用，都可以诱导癌细胞死亡，特别是耐药癌细胞[5]。此外，铁死亡可以选择性地靶向侵袭癌症干细胞，有望提高免疫治疗的效果并克服耐药性[6]。因此，诱导铁死亡，尤其是在对有耐药性的晚期患者的治疗中，可能是一种很有前景的抗肿瘤策略。本文综述铁死亡的关键分子机制及胃癌中靶向铁死亡途径的可能性，以期为胃癌的诊断和治疗提供新的策略。

1 铁死亡概述

铁死亡是指在Fe2+存在下，ROS对脂膜上的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）进行氧化，产生过氧化脂质，使膜破裂而引起细胞死亡的过程。

2 铁死亡的调控机制

铁死亡是由铁催化导致的过氧化反应，即催化多不饱和脂肪酸的磷脂（phospholipids of Polyunsaturated fatty acid，PUFA-PLs），当超过防御系统对铁死亡的防御能力时，就会产生铁死亡。驱动铁死亡的先决条件是PUFA-PLs的合成和过氧化（即脂质代谢）、铁代谢和线粒体代谢[7]。

2.1 铁代谢

铁的积累是铁死亡的第一步，细胞通过调节铁的摄取、利用、储存和输出等过程来精确调控不稳定铁池的相对平衡[8]。血液中的游离铁离子（Fe3+）会与转铁蛋白结合，然后通过内吞作用被转铁蛋白受体在细胞膜上捕获并进入细胞内[9]。在细胞内Fe3+被还原为其高活性的Fe2+形式，Fe3+从细胞核内体中被转运到细胞质中，并在一个不稳定的铁池储存库中储存起来。铁池中多余的Fe2+储存在铁蛋白中保护细胞和组织免受铁介导的破坏，而剩余的Fe2+则通过细胞膜上的运铁蛋白分子泵出细胞[10]。

增加铁摄取与减少铁清除，都可以通过芬顿反应，提高细胞对氧化破坏与铁死亡的敏感度。细胞内的铁以惰性铁的形式储存在铁蛋白中，当铁蛋白自噬降解发生时，储存在铁蛋白中的铁会释放到不稳定的铁池中。促进脂质过氧化现象的发生，铁的作用有两方面，一种是通过芬顿反应直接氧化脂质，涉及Fe2+或Fe3+和过氧化氢之间的反应[3]；另一种是铁通过作为脂氧化酶的辅助因子，间接促进脂质过氧化。

2.2 脂质代谢（PUFA-PLs的合成和过氧化作用）

PUFA-PLs有两种合成关键成分，分别是酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（acyl-coenzyme A synthetase long chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）[11]。游离性PUFA（如花生四烯酸和肾上腺素酸）在ACSL4的催化下与辅酶A（coenzyme A，CoA）结合生成PUFA-CoA（如花生四烯酸-CoA或肾上腺素酸-CoA）。随后，LPCAT3会将它们重新酯化，再与PLs结合，形成PUFA-PLs。ACSL4或LPCAT3失活可使铁死亡减弱或阻断。

造成细胞铁死亡的一个关键过程是脂质过氧化物在细胞内过多堆积。PUFA-PLs由于PUFAs中有双烯丙基部分，所以易发生过氧化反应[12]。细胞内的脂质过氧化分为非酶促反应和酶促反应两大类。非酶促脂质过氧化是细胞内脂质过氧化的主要形式，又称脂质自氧化，芬顿反应产生的羟基自由基会将脂质氧化为脂质氢过氧化物[13]。已有研究证明细胞色素P450氧化还原酶介导的或花生四烯酸脂氧合酶介导的酶促反应也可以促进脂质过氧化[14-15]。PUFA的持续氧化和消耗，使细胞膜的流体镶嵌结构发生改变，通透性增高，最终引起细胞铁死亡。

2.3 线粒体代谢

线粒体是ROS生成和脂肪酸代谢的重要部位，为细胞内发生铁死亡提供了特定的脂质前体。线粒体富含铁，是产生ROS的细胞器，被认为是铁死亡的重要部位[16]。线粒体中电子传递链复合物Ⅰ和Ⅲ的电子泄漏产生超氧化物，通过超氧化物歧化酶可以将这些超氧阴离子转化为过氧化氢。过氧化氢和不稳定的铁经芬顿反应，生成羟基自由基，再催化PUFA-PLs过氧化[17]。

3 铁死亡的防御通路

3.1 谷胱甘肽（glutathione，GSH）-谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）轴

半胱氨酸/谷氨酸逆向转运体（cystine/glutamate antiporters，也称System Xc-）-GSH-GPX4信号轴是铁死亡最经典的防御途径之一。作为细胞抗氧化防御系统中的关键组分，GSH能阻止ROS的累积[17]，它的缺乏与大量的脂质过氧化、细胞功能失调甚至细胞凋亡有关。System Xc-是由两个亚基，溶质载体蛋白家族7成员11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和溶质载体蛋白家族3成员2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）组成的异二聚体，可以从细胞外环境引入胱氨酸，通过消耗NADPH的还原反应将其转移到细胞质中并转化为半胱氨酸，半胱氨酸随后被用于GSH的生物合成，并参与抗氧化防御机制，被认为是抗氧化剂GSH的限速前体[18]。从培养基中移除胱氨酸或用药物阻断System Xc-介导的胱氨酸转运，可诱发多个癌细胞系发生铁死亡[19-20]。

GPX4是铁死亡的核心调控蛋白，能有效抑制脂质过氧化物的产生。GPX4可以将复杂的脂质过氧化物还原为醇或将游离过氧化氢转化为水，催化GSH氧化为氧化型GSH，过氧化还原多不饱和脂肪酸，从而保护细胞内磷脂双分子层免受氧化损伤，抑制铁死亡[21]。GSH是GPX4的辅助因子，其缺失也可能间接阻断GPX4的功能[22]。目前，GPX4是许多铁死亡诱导剂如伊拉斯汀和（1S，3R）-2-（2-氯乙酰基）-2，3，4，9-四氢-1-[4-（甲氧基羰基）苯基]-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-3-羧酸酸甲酯{（1S，3R）-2-（2-Chloroacetyl）-2，3，4，9-tetrahydro-1-[4-（methoxycarbonyl）phenyl]-1H-pyrido[3，4-b]indole-3-carboxylic acid methyl ester，RSL3}，也称谷胱甘肽过氧化物酶4抑制剂，激活的关键靶点。伊拉斯汀抑制GPX4活性的方法是消耗GSH，而RSL3直接抑制GPX4活性[4]，造成脂质过氧化物积累，引发铁死亡。

3.2 铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1，FSP1）-泛醇（ubiquinol）轴

铁死亡抑制蛋白FSP1能够将细胞膜上的泛醌，也称为辅酶Q（coenzyme Q，CoQ），还原为泛醇，也称还原型辅酶Q（reduced coenzyme Q，CoQH2），是一种NADPH依赖的氧化还原酶[23]。CoQH2除了具有线粒体电子传输功能外，还具有捕获脂质过氧自由基的能力，因此能发挥抑制过氧化脂质的作用，抑制铁死亡。FSP1-CoQH2-NADPH通路作为一个独立的平行系统存在，与GPX4兼容，并与GSH一起抑制磷脂过氧化和铁死亡。

3.3 二氢氢脱氢酶（dihydroorotate dehydrogenase，DHODH）-CoQH2轴

最近的一项研究发现了一种可以补偿GPX4灭活从而解毒线粒体脂质过氧化性的DHODH，该酶定位于线粒体防御系统。当GPX4发生急性失活时，通过DHODH的CoQ显著增加，CoQH2的生成增多，因而能中和脂质过氧化，豁免线粒体中的铁死亡[24]。DHODH/CoQH2轴是一种独立于经典GPX4信号通路且基于线粒体脂质的铁死亡抑制通路。

3.4 GTP环水解酶1（GTP cyclohydrolyse-1，GCH1）-四氢生物蝶呤[the 6 （R）-L-erythro-5，6，7，8-tetrahydrobiopterin，BH4]轴

BH4是一种活性辅助因子，参与氧化还原的过程。BH4具有抗氧化功效，最近的研究[25]发现另一个关键的铁死亡调控因素是GCH1。Kraft等[25]发现GCH1的表达引发了强效抗氧化剂BH4的产生，从而防止脂质过氧化，抑制铁死亡。这表明GCH1可以作为铁死亡的选择性靶点。

4 铁死亡与胃癌

一般来说，癌细胞比正常细胞有更活跃的铁代谢和更高水平的ROS[26]。对常规化疗药物具有高侵袭性和耐药性的癌细胞更容易发生铁死亡[27]。因此，铁死亡可能成为消灭癌细胞的新靶点。胃癌是常见的消化道恶性肿瘤，研究发现，铁死亡对胃癌的癌变和癌变进展具有关键作用。

4.1 铁死亡相关基因蛋白与胃癌

最近研究发现，多个直接参与调控铁死亡的功能蛋白参与了胃癌的发生发展。人半胱氨酸双加氧酶1（cysteine dioxygenase 1，CDO1）是一种非血红素铁金属酶，在胃癌细胞铁死亡过程中扮演着重要角色。沉默CDO1可上调胃癌细胞中GSH和GPX4的表达，最终抑制伊拉斯汀诱导的铁死亡，进而促进肿瘤生长[28]。越来越多的肿瘤与肥胖及其他脂肪代谢异常有关。脂滴包被蛋白2（perilipin 2，PLIN2），是一种与细胞内脂滴代谢相关的蛋白，能促进细胞内脂肪的分化，提供细胞生长所需的能量。PLIN2作为一种促癌基因，在促进胃癌细胞的增殖和抑制癌细胞凋亡方面的功效是非常显著的。目前的观点认为PLIN2通过相关基因参与了胃癌细胞铁死亡途径的调控，其过度表达导致细胞内相对缺氧的环境，进而抑制铁死亡并促进胃癌的进展[29]。硬脂酰辅酶A去饱和酶1（stearoyl CoA Desaturase 1，SCD1）是一种胃癌组织中高表达的内质网相关酶，通过提高铁死亡抑制因子GPX4的表达，抑制铁死亡，促进胃癌生长，是胃癌潜在预后标志物[30]。以上研究表明，铁死亡在胃癌的发生和发展中起着关键作用，在未来治疗胃癌的过程中，靶向铁死亡可能是一个非常值得期待的研究方向。

4.2 铁死亡相关非编码RNA与胃癌

除编码基因外，临床前研究提供的更多证据表明，铁死亡相关的微小RNA（microRNAs，miRNA）、长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNAs）和环状RNA（circular RNA，circRNAs）的异常调控与胃癌的发生、发展和预后密切关联。miRNA是一种在肿瘤领域发挥重要调控能力的单链非编码RNA，研究显示，miRNA对胃癌铁死亡起重要调节作用。胃癌转移和耐药的主要原因是胃癌干细胞，研究发现[31]，miR-375通过靶向作用于SLC7A11触发铁死亡，从而达到抑制胃癌干细胞的作用。左旋布比卡因一种局部麻醉剂，最近的研究[32]发现其具有潜在的抗癌特性，可通过miR-489-3p/SLC7A11轴诱导胃癌细胞发生铁死亡，抑制胃癌细胞的增殖。Zhang等[33]认为胃癌细胞来源的外泌体lnc-ENDOG-1∶1（lncFERO）通过抑制铁死亡来控制胃癌干细胞的致瘤性，提示靶向外泌体lncFERO联合化疗可能是一种基于胃癌干细胞的治疗策略。Circ0000190在胃癌组织和细胞系中表达下调，提示胃癌患者预后不良，过表达Circ0000190可通过诱导铁死亡抑制胃癌细胞的增殖和迁移[34]。

铁死亡相关RNA不同程度地参与胃癌细胞的表达，影响胃癌的发生发展，提示这些RNA可在胃癌诊断、治疗和预后中发挥作用。

4.3 铁死亡与胃癌治疗

胃癌患者对顺铂和紫杉醇的耐药性愈发严重，是临床肿瘤治疗的难点，导致预后不良。研究发现，肿瘤细胞可通过负向调节Fe3+，显著增强氧化应激防御能力，从而实现耐药生存。通过诱导肿瘤细胞铁死亡，有可能逆转化疗或靶向治疗耐药性[35]。目前临床上用于肿瘤治疗的铁死亡诱导剂主要抑制System XC-和GPX4的活性。多项研究表明，铁死亡可提高胃癌细胞对化疗药物的敏感性。Zhang等[36]的研究发现，癌症相关成纤维细胞分泌的外泌体miR-522通过靶向脂氧合酶15，阻断脂质ROS的积累，抑制癌细胞中的铁死亡，促进化疗耐药性。Zhao等[37]发现阿帕替尼可以通过抑制转录因子，固醇调节元件结合蛋白-1a（sterol regulated element binding protein 1a，SREBP-1a）来下调GPX4的表达，诱导胃癌细胞铁死亡，同时还发现多重耐药胃癌细胞易受阿帕替尼诱导的GPX4抑制。调节ROS水平可能是另一种新的治疗策略，因为ROS可以干扰细胞氧化环境并诱导细胞铁死亡[38]。由于慢性和过高的ROS水平引发耐药性，调节铁死亡可能是靶向耐药肿瘤细胞的有效策略。

铁死亡是介导抗肿瘤活性的主要机制，近年来一些研究发现，中草药的一些成分可能通过诱导铁死亡发挥抗胃癌作用。研究[39]发现，荜茇酰胺通过诱导ROS产生而导致胃癌细胞铁死亡，是其发挥抗肿瘤作用的机制之一。黄芩苷能够有效抑制胃癌细胞SGC-7901的增殖，其机制可能与其调控p53/SLC7A11介导的细胞铁死亡有关[40]。丹参酮ⅡA是一种从中草药中分离出来的药理活性成分，通过影响p53介导的SLC7A11的表达，诱导胃癌细胞铁死亡[41]。

5 小结与展望

抗肿瘤治疗中铁死亡的应用价值较大。本文总结了已知胃癌相关生物分子介导铁死亡过程，探讨了铁死亡中某些途径不同药物的作用，可供今后研究铁死亡机理和胃癌治疗提供参考。需要继续深入探究铁死亡对肿瘤转移、细胞自噬以及对药物耐药性的作用。靶向铁死亡可能是未来治疗胃癌的一种很有前途的方法，如何将靶向铁死亡治疗消化道肿瘤的理论转变为临床应用是未来的研究方向。