铁死亡在结直肠疾病中的研究进展

熊寰 朱亿豪 胡志乔 袁子茗 胡汉卿 汤庆超

调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）是指由一个或多个信号转导模块的激活导致的细胞死亡，在生理和病理环境中维持机体内稳态至关重要［1］。铁死亡是一种最新发现的调节性细胞死亡形式，其发生与铁依赖的脂质活性氧（lipid reactive oxygen species，L-ROS）过量累积相关。铁死亡在细胞形态、基因调控、生化代谢方面明显不同于凋亡、坏死及其他形式的细胞死亡。自铁死亡机制被提出以后，人们在多种疾病发生与发展的关键过程中发现了铁死亡的作用。结直肠疾病主要包括炎症性疾病、损伤性疾病、非肿瘤息肉性疾病及肿瘤性疾病。研究显示［2-5］，铁死亡与结直肠疾病密切相关，这为结直肠疾病的治疗提供了新的方向。

一、铁死亡的发生过程

铁死亡具有独特的形态特征和发生机制。在发生铁死亡的细胞中，线粒体比正常状态小，线粒体嵴收缩或消失，伴有线粒体外膜破裂和电子致密特征，而质膜及细胞核结构完整，染色质的形态结构未发生变化［6］。这些形态学改变的发生是基于其内在分子生物学及代谢进程的变化。铁死亡发生的分子机制核心在于脂质ROS的累积，而这一过程受多条分子通路的影响。

（一）氨基酸及谷胱甘肽代谢异常

谷胱甘肽（glutathione，GSH）由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸通过γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶经两步合成，并可由自由基、活性氧/氮物质氧化为谷胱甘肽二硫化物（glutathione disulfide，GSSG）。GSH/GSSG偶联是决定细胞抗氧化能力的重要分子偶联［7］，GSH的合成减少或氧化增加均可导致细胞的氧化还原平衡失调。半胱氨酸是细胞内GSH合成的关键因素，其主要由胱氨酸/谷氨酸反向转运体（System Xc-）摄取的胱氨酸还原而来［8］。System Xc-是由调节亚基溶质载体家族3成员2（SLC3A2）和催化亚基溶质载体族7成员11（SLC7A11）形成的二硫键异二聚体，其中，SLC7A11是其特异性功能结构。在早期的研究中，人们发现，化合物伊拉斯汀、柳氮磺胺吡啶可通过抑制System Xc-的功能，诱导细胞发生铁死亡［9］。

（二）脂质代谢异常

脂质在细胞内膜系统的组成与能量供应中起着至关主要的作用。与饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸相比，多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）更易被过氧化形成脂质过氧化物［10］。在细胞发生铁死亡的过程中，PUFAs的氧化和酯化反应是细胞的直接致死条件。在PUFAs相关的磷脂中，含有花生四烯酸基团或肾上腺素基团的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamines，PEs）被证明是铁死亡发生过氧化的主要底物；PEs通过铁催化酶和芬顿反应（非酶催化）过程发生过氧化反应，生成磷脂过氧化氢，最终导致铁死亡的发生［11］。

（三）铁代谢异常

作为影响活性氧生成的重要因子，铁代谢在组织细胞生理或病理过程中均发挥关键作用。为了支持细胞的快速增殖，癌细胞对铁的需求量要高于非恶性细胞，研究证实在许多癌细胞系中，转铁蛋白受体的表达高于正常细胞系［12］。转铁蛋白介导的铁摄入或铁蛋白的自噬/溶酶体降解可产生氧化还原活性的Fe2＋，形成细胞内不稳定铁池（labile iron pool，LIP）。LIP中过量的Fe2＋可通过芬顿反应增加活性氧生成，促进胞内脂质过氧化的发生，从而诱导细胞铁死亡［13］。已知的唯一的铁外向转运体——铁转运蛋白可将细胞内过量的铁转运出胞。通过促进转铁蛋白受体或铁转运蛋白表达，可以正向或负向调控铁死亡的发生。

（四）影响铁死亡发生的其他通路

上述三条代谢通路均围绕于以谷胱甘肽过氧化酶4/谷胱甘肽（GPX4/GSH）为中心的铁死亡调节系统。Bersuker等［14］的研究发现，在经典的GPX4/GSH系统以外，铁死亡抑制蛋白1/辅酶Q10/还原性辅酶（FSP1/CoQ10/NAD（P）H）作为一个独立的并行系统存在；其中，FSP1降解CoQ10，生成还原性CoQ10，抑制过氧化物的累积，最终阻止铁死亡的发生。但是，FSP1/CoQ10/NAD（P）H系统作为铁死亡调节的另一中心系统还需要进一步完善。

二、铁死亡与结直肠疾病的发生与发展

在肿瘤性和非肿瘤性结直肠疾病的发生机制中，普遍存在L-ROS过量累积导致的铁死亡，而它们对疾病的病程影响却不尽相同。

（一）铁死亡抑制结直肠癌的进展

1. GXP4的抑制促进铁死亡：作为铁死亡的中心调控分子，GPX4利用GSH作为辅助底物，催化脂质过氧化氢转化为相应的脂质醇，限制L-ROS的过量累积，阻止铁死亡的发生［15］。在现有的研究中，已经发现多种分子如顺铂［16］、RAS选择性致死分子3（Ras selective lethal 3，RSL3）［17］可抑制结直肠癌细胞中GPX4，诱导细胞铁死亡的发生，进而抑制结直肠癌的进展。

2. ACSL4促进铁死亡：酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）是磷脂酰乙醇胺合成过程的关键辅助因子。铁死亡敏感的细胞中ACSL4的表达量更高［18］。在Kras突变的人结直肠癌细胞中，ACSL4的表达量更高，并且菠萝酶可刺激细胞ACSL4表达，诱导细胞发生铁死亡而抑制肿瘤进展［19］。这提示Kras基因可能是铁死亡上游调控基因，并且促进其效应分子ACSL4表达而导致铁死亡的发生。

3. HO-1促进铁死亡：血红素氧合酶（heme oxygenase，HO）可将血红素降解为胆绿素、CO和铁，此过程是机体内铁的主要来源途径。HO-1是血红素氧合酶家族的主要成员。HO-1过表达可促进细胞内铁含量增加，过量的铁将打破细胞内氧化还原的平衡，最终导致铁死亡的发生［20］。实验观察发现将桦木树皮甲醇提取物作用于结直肠癌细胞后，细胞内HO-1表达升高、脂质ROS过量累积，并出现细胞活性降低甚至死亡［21］。HO-1在体内对结直肠癌细胞铁死亡的诱导及抑癌作用还需要进一步实验证明。

4. P53调控铁死亡：P53基因是一种重要的抑癌基因，其通常是通过转录或非转录机制启动细胞周期阻滞、细胞衰老或凋亡而发挥肿瘤抑制作用。而最近研究发现，诱导肿瘤细胞铁死亡可能是P53发挥抑癌作用的另一重要通路［22］。与其他肿瘤细胞不同的是，P53在结直肠癌细胞中主要通过非转录机制诱导细胞发生铁死亡，P53基因可介导铁死亡抑制分子SCL7A11C的表达，并且P53基因缺失提高了伊拉斯汀在体内的抗癌活性［3］。在未来的结直肠癌治疗方案中，P53是一个潜在靶点。

（二）铁死亡促进溃疡性结肠炎的进展

溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）是一种结直肠的慢性复发性炎性疾病，既往人们通常认为其主要由肠道微生物或免疫机制发生紊乱引起。为寻找其他的致病机制，研究者们对UC患者的肠上皮组织或动物模型的肠上皮组织进行分析，两种组织细胞中均发现铁死亡相关信号分子的上调或下调，并存在内质网应激反应，而NF-κBp65（核因子κBp65）抑制了这一系列过程发生［4］。多种形式的细胞死亡过程均可发现内质网应激反应。在铁死亡和其他形式的细胞死亡之间的相互作用中，铁死亡相关因子引起的内质网应激反应起着重要作用［23］。这为UC的联合治疗提供了新的方向。

（三）铁死亡导致肠缺血再灌注损伤

肠缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury，IRI）常由于肠道发生缺血性损伤后血液再灌注引起，往往是严重感染、创伤性休克等致死性疾病的主要致死原因。在IRI过程中，大量自由基灌注造成的毒理损害可直接导致细胞的凋亡、坏死或铁死亡［22］。在肠IRI小鼠模型中，抑制ACSL4可阻止缺血期肠上皮细胞发生铁死亡，减轻原位或远隔脏器损伤［23］。在肠缺血性疾病的治疗中，我们可以通过抑制铁死亡以减轻组织的再灌注损伤。

三、铁死亡与结直肠疾病的治疗

在结直肠疾病的相关临床治疗中，抑制或促进活性氧的产生通常对疗效产生重要影响，铁死亡可能在其中发挥一定的作用。

（一）铁死亡在肿瘤性疾病治疗的应用

结直肠癌的临床治疗主张多学科综合治疗，包括外科治疗、内科治疗和放疗等治疗手段。在不具备外科治疗条件的患者中，放疗、化疗和靶向治疗通常是他们的选择。电离辐射可促进肺癌细胞中的L-ROS的累积，并导致细胞的铁死亡［25］，但其对结直肠癌细胞的作用有待进一步探究。而经典化疗药物顺铂已经被证实可诱导结直肠癌细胞发生铁死亡，其与铁死亡诱导剂具有显著的协同作用［16］。作为结直肠癌靶向治疗药物之一，西妥昔单抗常作为Kras野生型的转移性结直肠癌患者的一线用药，而对Kras突变型患者疗效不佳［26］。前文已述ACSL4分子在Kras突变型结直肠癌细胞中表达增加，故对于Kras突变型结直肠患者，通过药物诱导肿瘤细胞发生ACSL4途径介导的铁死亡可作为西妥昔单抗不敏感患者的补充治疗方式。

（二）铁死亡在非肿瘤性疾病治疗的发现

在轻度到中度的溃疡性结肠炎患者治疗中，氨基水杨酸类药物是指南推荐的一线药物，包括柳氮磺胺吡啶和其他各种不同类型5-氨基水杨酸制剂［27］。在临床实践中，柳氮磺胺吡啶和其他5-氨基水杨酸制剂的疗效相似，但前者的不良反应更多见，如白细胞减少、皮疹和肝损伤［28］。柳氮磺胺吡啶经口服后部分经胃肠吸收，并经肠肝循环入血。柳氮磺胺吡啶是铁死亡的诱导剂，笔者认为其相关副作用可能与促进正常白细胞或肝细胞发生铁死亡有关，但这要需要进一步临床实验进行验证。

四、小结和展望

铁死亡主要由氨基酸、脂质或铁代谢异常导致的L-ROS过量累积引起，而这一过程可存在于正常细胞或肿瘤细胞内。多项结直肠肿瘤性疾病的研究指出，代谢紊乱导致的铁死亡抵制是结直肠癌进展的重要原因，激活癌细胞发生铁死亡可作为传统抗癌治疗耐药或无效患者的治疗新思路。而非肿瘤性疾病研究仅在溃疡性结肠炎及肠缺血再灌注损伤中发现铁死亡的相关作用，其他非肿瘤性疾病与铁死亡的关系还有待发现；抑制正常细胞发生铁死亡可能对非肿瘤性疾病的预后具有很好的改善作用。铁死亡相关的结直肠疾病发生机制尚需进一步探索，但其可能带来的临床获益却是巨大的。