铁死亡在消化系统肿瘤中的研究进展*

王秀超 李泽坤 郝继辉

消化系统肿瘤发生率约占癌症的一半，严重威胁人类的健康。通过诱导肿瘤细胞死亡控制癌症是放化疗、靶向治疗以及免疫治疗的共同特征，耐药以及免疫逃逸是传统治疗方式面临的主要难题。一种不同于凋亡、焦亡和坏死的程序性细胞死亡形式，因其过程存在高度的铁依赖性，故将其定义为铁死亡（ferroptosis）［1］。新近的研究表明铁死亡作为一种新型可诱导的细胞程序性死亡方式，在逆转肿瘤铂类耐药中发挥积极作用，提示其在消化系统肿瘤的治疗中具有重要转化研究意义［2］。本文将对铁死亡的分子机制以及近期国内外铁死亡在消化系统肿瘤中的相关研究进展进行综述。

1 铁死亡的核心通路

1.1 氧化还原平衡和脂质过氧化

肿瘤细胞中高浓度的活性自由基（reactive oxygen species，ROS）易与生物脂膜上富含烯丙基的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）发生脂质过氧化反应，产生的脂质过氧化物和其代谢产物如4-羟基-2-烯醛和丙二醛的堆积致使细胞膜崩解发生铁死亡。在脂质过氧化的上游，长链脂酰CoA合成酶4（long-chain acyl-CoA syntheatase 4，ACSL4）和溶血卵磷脂乙酰转移酶3（lysolecithin acetyl transferase 3，LPCAT3）是负责膜磷脂合成的关键酶［3-4］。ACSL4 可催化乙酰辅酶A 与PUFAs 中的花生四烯酸和肾上腺酸结合生成长链多不饱和脂酰辅酶A，后者在LPCAT3 作用下与溶血磷脂酰乙醇胺结合生成含多不饱和酰基的磷脂。ACSL4 和LPCAT3 的高表达被认为是铁死亡发生的标志。脂质过氧化在一定限度下是可逆的，通过内源性抗氧化酶和外源性使用亲脂抗氧化剂如生育酚、丁羟基甲苯等可阻断脂质过氧化反应从而逆转铁死亡过程。

1.2 细胞内铁稳态和铁死亡

铁死亡另一个核心特征是对铁的需求。铁的作用一方面是与H2O2的芬顿反应形成羟基自由基（OH·）和羟基过氧自由基（OOH·）。另一方面，铁是脂质过氧化相关催化蛋白的辅因子。使用脱铁胺而非其他二价金属螯合剂，以及沉默转铁蛋白受体均可逆转Erastin诱导的细胞铁死亡［1］。

1.3 胱氨酸代谢与铁死亡

谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）是体内水解脂质过氧化物的关键酶。GPX4依赖辅因子谷胱甘肽（glutathione，GSH）将有毒的脂质过氧化物还原为无毒的脂质醇，同时自身转变为氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG）。GSH的合成需要半胱氨酸作为原料，后者在细胞外由胱氨酸（Gys）/谷氨酸（Glu）反向转运体（Xc-系统）摄入细胞内。当细胞外半胱氨酸不足时，内源性转硫途径合成的半胱氨酸可补充GSH。Xc-系统由是SLC7A11和SLC3A2两个亚基组成，其核心SLC7A11在约70%的人肿瘤组织中过表达［1］。小分子化合物如Erastin、柳氮磺胺吡啶、索拉菲尼等是SLC7A11的药理学靶点。通过SLC7A11抑制剂或基因敲除可使细胞因GSH耗竭发生显著的铁死亡。

1.4 对抗脂质过氧化的新途径

铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis-suppressor-protein 1，FSP1）是新近发现的铁死亡保护因子［5-6］。FSP1通过N末端肉豆蔻酰化作用被募集到质膜上，并通过NAD（P）H将泛醌（CoQ）还原为泛醌醇（CoQH2），后者是一种亲脂性自由基清除剂，在GPX4缺失的情况下可限制细胞膜内脂质过氧化链式反应。Kraft等［7］发现GTP环水解酶-1及其代谢衍生物四氢生物蝶呤/二氢生物蝶呤在多种肿瘤中高表达并具有铁死亡抗性。机制上，在半胱氨酸酶处理的细胞内激活GTP环水解酶-1/四氢生物蝶呤/二氢生物蝶呤通路轴可通过GPX避免含有两条特定多不饱和脂肪酰基链的磷脂与自由基发生过氧化，并介导了细胞内CoQ丰度的提高。上述研究揭示了平行于GSH/GPX4经典通路以对抗脂质过氧化的全新途径（图1）。

2 铁死亡研究在消化系统肿瘤中的进展

2.1 肝癌

肝细胞癌是世界范围内致死率第2 位的癌症。索拉菲尼作为晚期肝癌的一线用药，被证实可诱导肝癌细胞铁死亡［8-10］。应用脱铁胺或Fer-1处理肝癌细胞可减弱索拉菲尼的抗肿瘤活性。机制上，索拉菲尼能够抑制SLC7A11 表达，以独立于其本身的RAF激酶抑制剂作用激活下游铁死亡通路。Sun等［8］发现置于氧化压力下的肝癌细胞通过激活自身P62-Keap1-NRF2 信号通路，上调NRF2 下游参与铁和ROS代谢的靶基因，如醌氧化还原酶1（quinone oxidoreductase 1，NQO1）、血红素加氧酶1（heme oxygenase 1，HO-1）和铁蛋白重链1（ferritin heavy chain-1，FTH1），从而增强索拉菲尼的铁死亡抗性。NRF2 同样调控一种金属硫蛋白（metallothionein-1G，MT-1G）的显著表达，抑制MT-1G 提高索拉菲尼在体内外的疗效［9］。此外，一种精神类药物氟哌啶醇被报道通过铁死亡途径对索拉菲尼起增敏效果［10］。上述结论为索拉菲尼在肝癌靶向治疗领域方面提供了新的思路。

图1 铁死亡核心通路

肝癌的发生常伴随抑癌基因的失活。Louandre等［11］报道Rb基因的抑癌作用至少部分通过铁死亡途径实现。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水平和显著的铁死亡毒性。Jennis等［12］报道非洲人P53基因第47位丝氨酸（TP53S47）的遗传多态性特点会影响P53抑制SLC7A11转录的能力。与野生型相比，S47突变体细胞在顺铂治疗中表现出铁死亡抗性，并增加了小鼠模型的肝癌风险。Xie等［13］报道P53在结肠癌细胞中可促进二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-4，DPP4）入核形成DPP4-P53复合物，从而抑制质膜相关DPP4依赖的脂质过氧化以拮抗铁死亡。提示不同背景下P53在铁死亡中具有双向调控作用。

2.2 胰腺癌

胰腺导管腺癌是恶性度最高的消化系统肿瘤。广泛的KRAS突变使胰腺癌细胞重编程成为依赖于葡萄糖和谷氨酰胺代谢的状态。Badgley等［14］发现胞外的半胱氨酸浓度对胰腺癌细胞存活至关重要。半胱氨酸剥夺的胰腺癌细胞在透射电镜下可观察到大量脂滴样结构的球状上皮细胞病变，以及线粒体嵴破坏、线粒体膜不完整等肿瘤特异性的铁死亡病理特征。在体内外加入一种用于清除血液内半胱氨酸的药物—半胱氨酸酶，可特异性激活胰腺癌细胞铁死亡。此外，半胱氨酸耗竭可激活细胞内自噬，促进了胰腺癌细胞内核受体共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）降解［15］。NCOA4是一种铁蛋白运载受体，在自噬体上与FTH1结合并将后者递送至溶酶体中降解从而增加细胞内铁的含量。研究发现，溶酶体功能障碍或自噬通量受损影响了铁超载和脂质过氧化物生成［16］，证明自噬和铁死亡之间存在交互作用。基于此，Li等［17］通过乳化技术构建了一种由铁蛋白、Erastin和雷帕霉素组成的新型纳米药物，该药物在体内通过同时诱导自噬和铁死亡展现了良好的治疗效果。

目前已鉴定出可诱导铁死亡的多种化合物见图2。传统抗疟疾药物青蒿素是新近发现的铁死亡特异性诱导剂，但机制尚未明确，一种解释是KRAS突变胰腺癌细胞在接触高浓度的青蒿琥酯可促进KRAS突变胰腺癌细胞溶酶体合成V-ATPase，进而激活溶酶体诱导自噬体NCOA4降解［18］。Chen等［19］发现双氢青蒿素以一种自噬无关的方式诱导铁蛋白的溶酶体降解，并通过与细胞游离铁相互作用刺激铁调节蛋白与含有铁响应元件序列的mRNA结合进一步增加游离铁。总之，青蒿素及其衍生物诱导的铁死亡依赖于细胞铁稳态的调节。此外，表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）被报道通过占据ATP结合位点抑制热休克蛋白家族A成员5（heat shock 70kDa protein 5，HSPA5）与GPX4形成复合体从而促进GPX4降解，并逆转了胰腺癌细胞吉西他滨耐药［20］。有报道β-异硫氰酸苯乙酯和Cotylenin A两药联用或荜拔酰胺、Cotylenin A和柳氮磺胺吡啶三药联用可分别显著诱导耐药和正常胰腺癌细胞生成ROS并诱发随后的铁死亡，证明铁死亡是胰腺癌治疗有希望的靶点［21-22］。

图2 铁死亡主要的诱导剂和抑制剂

2.3 结肠癌

结肠癌是全球第三大高发癌症。食用富含纤维的食物可有效降低结肠癌患病风险，现有证据表明植物中含有的多酚、萜类、皂苷和类胡萝卜素等有效成分可依赖铁死亡途径发挥抗癌功效。如苯并吡喃衍生物IMCA 通过激活AMPK/mTOR/p70S6k 信号通路抑制SLC7A11 表达，并降低胱氨酸和GSH 含量抑制结肠癌细胞增殖［23］。白桦树提取物Betula etnensis Raf 通过诱导血红素加氧酶-1 表达增加细胞内游离铁浓度提高结肠癌细胞的铁死亡敏感性［24］。Park等［25］发现菠萝茎中的菠萝蛋白酶通过调控ACSL4水平特异性诱导KRAS突变型结肠癌细胞铁死亡，而在KRAS野生型中不明显。

结肠癌细胞存在广泛KRAS突变，导致晚期患者联用化疗和单克隆抗体靶向治疗效果不佳［26］，通过靶向铁死亡手段可增强现有治疗效果。Chen等［27］发现KRAS 突变型的结肠癌细胞在植物提取物β-elemene和西妥昔单抗处理后铁死亡通路被显著激活，同时观察到与上皮间质转化相关的肿瘤生长和淋巴结转移被抑制。药物剂量的维生素C 联合西妥昔单抗可延缓结肠癌的获得性耐药。二者诱导的ATP耗竭和氧化应激在结肠癌类器官中发挥不可逆的代谢性合成致死效应［26］。使用Erastin 与顺铂联合处理结肠癌细胞，也展现了预期的增敏效果［2］。

2.4 胃癌

胃癌是消化系统中最常见的恶性肿瘤，传统观点认为胃癌的发生与脂质异常摄取和代谢有关。Hao 等［28］发现由c-Myb 转录调控的半胱氨酸双加氧酶1将半胱氨酸转化为牛磺酸致使GSH合成受阻，其结果是细胞内以丙二醛为代表的脂质过氧化物增加，同时铁死亡敏感性提高。硬脂酰CoA去饱和酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1）是一种在胃癌中高表达的内质网相关脂肪合酶。Wang 等［29］报道SCD1可通过催化单不饱和脂肪酸生成发挥潜在的铁死亡抗性。此外，脂肪分化相关蛋白PLN2同样在胃癌中显著表达。研究表明PLN2 通过下调ACSL3、ALOX15、LC3A等脂质合成相关基因抑制胃癌细胞铁死亡［30］。Zhang 等［31］使用顺铂和紫杉醇处理细胞后观察到肿瘤相关成纤维细胞（cancer associated fibroblasts，CAFs）激活并分泌miR522，后者通过靶向ALOX15阻断脂质ROS积累并抑制胃癌细胞铁死亡，提示铁死亡在介导胃癌细胞获得性耐药中的重要作用。

2.5 食管癌

食管癌是食管黏膜上皮细胞来源的恶性肿瘤，其中90%的病理类型是鳞状细胞癌。放疗是食管癌的辅助治疗手段之一。Lei等［32］报道放疗除直接损伤DNA 外，可上调细胞内SLC7A11、GPX4、ACSL4 等铁死亡关键基因表达，抑制铁死亡途径可导致食管癌放疗抵抗。萜类化合物被报道可显著诱导食管癌凋亡，Lu 等［33］在异土木香内酯处理的食管癌细胞中观察到ROS 显著生成，通过外源使用乙酰半胱氨酸可逆转因ROS 积累导致的细胞毒性，提示铁死亡途径或部分参与异土木香内酯的抗癌活性。冬凌草甲素则通过抑制谷胱甘肽循环诱导食管癌细胞铁死亡。在冬凌草甲素处理的食管癌TE1细胞中可观察到γ-谷氨酰胺循环关键限速酶谷氨酸半胱氨酸连接酶和γ-谷氨酰转肽酶1 活性的显著降低，以及GSH、GSSG、谷氨酸、半胱氨酸水平下降［34］。Wang 等［35］发现三羧酸循环关键酶异柠檬酸脱氢酶1（isocitrate dehydrogenase 1，IDH1）的热点突变赋予食管癌细胞KYSE-170 对Erastin 诱导的铁死亡敏感性。其催化产物D-2-羟基戊二酸可通过降低GPX4水平以及增加GSH耗竭激活Erastin诱导的铁死亡。

3 结语

铁死亡是一种新近发现的细胞死亡形式。本文概括了铁死亡发生机制并总结了铁死亡在消化道肿瘤中的研究进展。通过将铁死亡疗法与放化疗、靶向治疗等方法联用已在体内外展现出了良好的治疗效果。未来需要进一步探索铁死亡这一分子现象的本质，以及明确铁死亡与不同死亡途径之间的干扰和交互。令人兴奋的是，许多现有药物已被证实可直接或间接诱导铁死亡：如美国食品药品监督管理局（FDA）批准的补铁剂钠米氧化铁、用于卵巢癌治疗的六甲蜜胺、用于二型糖尿病治疗的吡格列酮以及他汀类药物等。综上所述，铁死亡的发现为消化道系统肿瘤治疗提供了新的思路，但能否实现患者生存获益仍需进一步开展临床试验。