铁死亡在肿瘤治疗中的研究进展

余钱 ，尹晓玲 ，张献全 (通讯作者★)

（1. 重庆医科大学附属第二医院肿瘤科，重庆；2. 重庆市第九人民医院，重庆）

0 引言

尽管医疗水平提高，肿瘤是依旧是世界上仅次于心血管疾病的第二大死亡原因。大多数肿瘤发现时已失去手术机会，只能采取化疗、靶向治疗、免疫治疗、放疗等治疗手段，这些治疗手段目前主要以触发凋亡性细胞死亡发挥抗癌作用。肿瘤治疗过程中常常会出现耐药，前述治疗效果十分有限。因此利用其他形式的非细胞死亡来杀死肿瘤细胞为肿瘤治疗耐药患者提供了新的机会。铁死亡是近年来发现的一种细胞死亡形式，它是一种铁依赖的脂质活性氧(ROS)累积所致的细胞死亡过程，通过调节肿瘤生长、增殖在肿瘤的发生和发展中起着不可忽视的作用。本文综述了铁死亡的发现和定义，然后重点阐述了铁死亡及其机制在克服肿瘤耐药相关研究和最新进展，为肿瘤治疗提供了新思路。

1 铁死亡的发现及定义

铁死亡是一种新定义的程序性细胞死亡过程，2012年Stockwell 实验室首次提出了这个术语[1]。铁在形态学、生物学及基因水平上均明显不同于凋亡、坏死、自噬等其他形式的调节性细胞坏死，使用小分子物质（Fer-1）可以抑制细胞铁死亡，而坏死抑制剂却不能抑制细胞调节性细胞死亡。其本质是细胞内脂质氧化物的代谢障碍，进而在铁离子的催化下异常代谢，产生大量脂质，破坏细胞内氧化还原平衡，攻击生物大分子，触发细胞的死亡。

2 铁死亡机制

2.1 谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）

关于经典的铁死亡目前为止已知的信号调控通路是由谷胱甘肽过氧化物酶GPX4[2,3]以及自由基捕获抗氧化物（RTAs）[4,5]介导的。因此，通过抑制GPX4来诱导铁死亡的方式目前有望成为诱导癌症细胞死亡达到治疗某些癌症的治疗策略[6]。在GPX4通路上存在两类铁死亡诱导剂，一类是胱氨酸谷氨酸转运受体(System Xc-）抑制剂，另一类是GPX4抑制剂，除了这些小分子物质外，还有许多药物（如索拉非尼，青蒿素及其衍生物）可诱导铁死亡。第一类铁死亡诱导剂，如erastin、索拉菲尼和柳氮磺胺吡啶抑制System Xc-中SLC7A11并且阻碍细胞对胱氨酸的摄取，导致细胞内半胱氨酸的下降，使谷胱甘肽(GSH)合成减少，这最终导致细胞抗氧化能力的下降[3,7]。通过硫转移途径，细胞蛋氨酸可用于补充半胱氨酸水平。作为铁死亡的关键成分，GPX4可与GSH结合，抑制细胞脂质过氧化物（ROS），抑制细胞铁死亡。Ras选择性致死小分子(RSL3）等第二类类铁死亡诱导剂可直接抑制GPX4诱导铁死亡[3]。

甲戊酸（MVA）通路是促进硒蛋白合成的重要因素，而GPX4是以硒代半胱氨酸为活性中心的硒蛋白，因此通路在调节GPX4成熟中起重要作用[8]。且由研究指出铁死亡发生过程中的关键蛋白ACSL4通过参与合成易被氧化的膜磷脂而成为引发铁死亡的必需组分之一，使得细胞对RSL3等诱导因素敏感，同时这一结果在三阴性乳腺癌细胞系MDA-MB-157中得到进一步证实[9]。

转铁蛋白将铁从胞外转运至细胞内部，铁螯合剂可以阻止铁死亡。线粒体是参与铁亡的最重要的细胞器，含有6个铁亡相关基因，并且通过电子传递链释放铁死亡诱导产生脂质过氧化物。此外，许多细胞内分子或者蛋白质可调节铁死亡，例如，P53抑制SLC7A11并促进脂质过氧化物的生成[8,10]。大鼠27kDa热休克蛋白(HSPB1)可通过阻碍细胞内铁的增加而抑制铁死亡[11]。

2.2 铁死亡抑制蛋白FSP1

GPX4抑制剂在不同的癌症细胞系中的响应不一致[12]，说明可能存在其他因子调控铁死亡。最近的研究[13,14]发现了平行于GPX4的信号调控方式铁死亡抑制蛋白FSP1，其在细胞中过表达能够显著保护细胞免受铁死亡诱导因子引发铁死亡的影响这是迄今为止首次发现能够补足GPX4引起铁死亡的其他因子。机制上，FSP1只有被豆蔻酰化修饰后才能够起到抗铁死亡的功能，肉豆蔻酰化将FSP1募集到质膜，在其中它作为氧化还原酶起作用，从而降低辅酶Q10（CoQ），生成亲脂性自由基捕获抗氧化剂（RTA），从而阻止脂质过氧化物的传播。FSP1可以作为多种癌症细胞中铁死亡抵抗能力的生物标记物[14]，因此FSP1的抑制剂可能会成为癌症治疗药物靶标之一。而通过在GPX4KO/WT的细胞中过表达FSP1来进行药物筛选，在筛选了约为10000种药物混合物后，找到了FSP1的抑制剂iFSP1[13]。在多种癌细胞中，FSP1都能够表达，而iFSP1处理后能够显著影响这些细胞系对于铁死亡的敏感性[13]。上述研究鉴定出了独立于经典的GPX4信号通路的铁死亡抑制因子FSP1，其通过还原CoQ10来阻止脂质氧化，进而抑制铁死亡。这一发现对于癌症中铁死亡相关的药物的开发等方面提供了重要的策略参考。

3 铁死亡与肿瘤耐药

3.1 铁死亡克服肿瘤化疗耐药

细胞死亡的无效诱导是大多数化疗药物共有的特征之一。上皮癌细胞通过上皮间质转化(EMT)转变为间充质细胞状态这个过程产生了许多细胞死亡抵抗机制，研究[15,16]显示铁死亡促进耐药的间充质状态癌细胞死亡。从机制上看，在上皮-间质转化和脂肪生成过程中发挥作用的锌指结构转录因子中的E盒结合锌指蛋白(ZEB)，是间质状态与过氧化脂质脆弱性的中间关联因子[15,16]。这些结果可以在不同类型的癌细胞中得到验证，已知高间质状态的HCC4006非小细胞肺癌细胞对吉非替尼耐药，然而与亲代细胞相比这些细胞对GPX4抑制更敏感。同时间质来源的癌细胞对铁死亡化合物也表现出极大的敏感性[15]。

多药耐药(MDR)在肿瘤化疗中普遍存在，MDR涉及多种复杂的机制，其中耐药细胞(PCCs)的存在被认为是导致肿瘤复发的重要原因[17]，因此靶向耐药癌细胞也是克服癌细胞耐药性的重要策略。干细胞标记物和间质细胞标记物在耐药细胞中的上调显示了这些癌细胞的间质状[18]，对这些耐药细胞癌细胞脆弱性的探索发现铁死亡主要抑制因子Nrf2被下调，同时耐药细胞可使谷胱甘肽和NADPH的水平显著下降，并且其对脂质过氧化具有特异性敏感性。有证据表明GPX4抑制剂通过铁死亡特异性致死耐药细胞[15,18]。鉴于细胞铁死亡是一种与凋亡完全不同的细胞死亡过程，基于上述结果，铁死亡诱导剂可能是克服凋亡诱导化疗药物耐药的潜在策略。

3.2 铁死亡与肿瘤靶向治疗

p53肿瘤抑制因子在许多肿瘤中发生突变或功能性失活，根据p53的突变状态和所处的细胞，蛋白分子p53就像变阻器一样在基础的或低水平的氧自由基压力下，具有抑制铁死亡的作用，而在高氧化压力状态下则促进铁死亡[19]。肿瘤抑制分子BAP1编码一种核去泛素化酶，BAP1突变见于多种散发的人类肿瘤中，其胚系突变被认为是遗传性肿瘤的重要易感因素[20]。BAP1的肿瘤抑制活性部分是通过SLC7A11启动子处H2A的去泛素化，使SLC7A11表达受到抑制，发生了铁死亡。体内实验发现，在BAP1缺陷的细胞中恢复BAP1的表达可以抑制异种移植的肿瘤的生长[21]。

人肿瘤相关BAP1突变不能抑制SLC7A11的表达，不能通过促进铁死亡抑制肿瘤6。Poursaitidis 等人的研究表明 EGFR 和BRAF 突变细胞对铁铁死亡敏，其敏感性与 MAPK 信号通路的激活及过氧化氢的产生和释放有关，提示利用EGFR/MAPK驱动的肿瘤对胱氨酸缺乏的敏感性引起肿瘤细胞的铁死亡的潜在可能性[22]。

3.3 铁死亡与肿瘤免疫治疗

以免疫检查点抑制剂为主的肿瘤免疫治疗能够恢复或者增强效应性CD8+T细胞的增殖及其功能，活化的CD8+T细胞可以特异性地识别肿瘤细胞，并通过释放穿孔素和颗粒酶以及Fas配体来诱导肿瘤细胞发生凋亡，从而清除肿瘤细胞[23]。尽管近年其在肿瘤临床治疗中取得巨大成功，只有约20%患者在接受治疗后获得了长期疗效, 且多数患者后期耐药复发。虽然此前已研究发现铁死亡与肿瘤等多种疾病相关，但在肿瘤免疫治疗过程中是否有铁死亡的参与还未可知。近期Wang等人的研究[24]发现免疫治疗过程中活化的CD8+T细胞能够增强肿瘤细胞内铁死亡特异的脂质过氧化水平，铁死亡的增强有助于免疫治疗的抗肿瘤疗效。通过进一步研究发现在机制上，CD8+T细胞释放的干扰素γ（IFNγ）下调了System Xc-的两个亚单位SALC3A2和SLCA11的表达，损害了肿瘤细胞对胱氨酸的吸收，从而促进了肿瘤细胞脂质过氧化和铁死亡。通过分析临床肿瘤样本，在癌症患者中System Xc-表达与CD8+T细胞数量、IFNγ的表达、以及患者预后均呈负相关。对纳武单抗（Nivolumab）治疗受益的患者转录组的分析显示，在接受治疗后SLC3A2表达下降，而IFNγ和CD8表达升高。

上述研究结果提示T细胞促进肿瘤铁死亡作为免疫细胞杀伤肿瘤的全新机制,靶向铁死亡通路并联合免疫检查点抑制剂是未来极具潜力的肿瘤治疗策略。此外Llabani等人[25]开发出新的铁死亡诱导剂ferroptocide，这是一种合成改造于天然产物的活性小分子，作用于新靶点硫氧还蛋白(TXN)-细胞中抗氧化系统的关键蛋白之一。研究人员发现在免疫完全的Balb/c小鼠上铁死亡诱导剂ferroptocide才能发挥肿瘤抑制作用，而在免疫功能严重缺失的SCID小鼠上却完全没有效果，表明ferroptocide具有免疫刺激功能，尤其T细胞和B细胞在铁死亡诱导剂ferroptocide发挥药效过程中也有不可忽视的作用，表明其在治疗癌症与研究免疫系统协同作用中具有一定的潜力。

3.4 铁死亡与肿瘤放疗

肿瘤学面临的一大挑战是如何合理有效地将免疫检查点与包括放疗在内的传统肿瘤治疗方式进行整合。免疫治疗和放疗的疗效都需要CD8 T细胞，临床前数据表明免疫检查点阻断可通过DNA损伤激活的先天性免疫感应通路的激动作用与放疗产生协同作用[26,27]。有研究认为，辐射诱导的脂质氧化导致细胞凋亡[28]，但放疗与铁死亡的关系仍未明确。前言已述CD8 T细胞通过IFNγ调节肿瘤细胞铁死亡[24]。最近Langd等人进一步展开研究[29]表明，CD8 T细胞可以通过促进铁死亡改变肿瘤细胞对放疗的敏感性，CD8 T细胞来源的IFNγ和辐射协同抑制肿瘤SLC7A11的表达诱导肿瘤细胞凋亡，而放疗激活ATM以抑制SLC7A11的表达，限制肿瘤胱氨酸的摄取，减少谷胱甘肽，增加脂质氧化损伤来介导肿瘤细胞的铁视性。生物化学和基因抑制共济失调毛细血管扩张突变基因（ATM）可以防止SLC7A11表达缺失，减少脂质氧化，挽救放疗引起的肿瘤细胞铁死亡。同样，ATM促进辐射后的DNA损伤修复和细胞存活，但也是辐射诱导铁死亡所必需的。不排除辐射可能影响其他铁死亡相关基因，这些基因可能在不同情况下共同导致放疗介导的铁死亡。但这项研究表明铁死亡是一种以前未知的体内外放疗后肿瘤细胞死亡机制，且放疗在体外和体内均能使肿瘤细胞对铁死亡激动剂敏感，凸显了放射增敏肿瘤的新策略。

4 总结与展望

作为一种新的程序性细胞死亡过程，铁死亡具有独特的特征，在耐药后肿瘤治疗中显示出巨大的潜力。但目前仍有许多问题有待解答，如铁死亡抑制因子除了经典的GPX4及独立于GPX4信号通路的FSP1，是否还存在清楚能力更强大的酶。此外，仍需进一步鉴定出对铁死亡敏感的肿瘤类型，以及对不同病理状态下细胞凋亡与其他细胞死亡过程之间的关系进行明确的分类，从而为靶向铁死亡治疗耐药肿瘤提供更多策略。