铁代谢在神经胶质瘤中的研究进展和应用

王子豪，王立一，戴智博，范照鑫，杨世春，王英炜，崔英哲，赵世光，汪立刚

(1.哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科，哈尔滨 150001；2.哈尔滨医科大学，哈尔滨 150000)

铁是人体内含量最丰富的微量元素，参与机体内多种代谢活动，如作为血红蛋白的重要组成部分参与氧气运输，或作为多种酶的组成部分参与三羧酸循环和氧化磷酸化[1]。铁稳态对机体至关重要，铁的缺乏和累积会导致各种疾病，缺铁易导致缺铁性贫血，而铁超载会导致血色素沉着病、囊性纤维化等。胶质瘤是最常见的原发性恶性脑肿瘤，占所有原发脑肿瘤的30%以上[2]。目前，胶质瘤的主要治疗方法包括手术切除、口服烷化剂和放疗[3]，尽管针对胶质瘤的治疗干预措施取得了很大进展，但胶质瘤患者的预后仍很差。线粒体铁蛋白(mitochondrial ferritin，MtFt)也被发现可通过介导小核仁RNA宿主基因1(small nucleolar RNA host gene 1，SNHG1)/微RNA(microRNA，miRNA/miR)-9-5p轴促进神经胶质瘤发生和血管生成。近年来，铁代谢在神经胶质瘤诊断和治疗方面应用的相关研究和药物为胶质瘤的诊断和治疗提供了新靶点，也为后续开展相关药物的研制以及新技术的发展起到推动作用。现就正常人体铁代谢和大脑铁代谢以及铁代谢在神经胶质瘤中的研究进展予以综述。

1 正常铁代谢

1.1体铁代谢 铁是人体必需的微量元素之一，存在于许多酶和氧载体蛋白的活性中心[4]。铁是细胞色素a、b、c以及细胞色素氧化酶和氧化链上的铁硫(Fe-S)复合体的重要组成部分，对ATP的合成非常重要。机体正常生理活动所需要的铁均由外源性物质补充，其中90%是非血红素无机铁，少量为血红蛋白和肌红蛋白分解产生的血红素铁[5]，主要在十二指肠上皮细胞吸收(占90%)[6]。Fe3+被十二指肠细胞色素b还原为亚铁离子(Fe2+)后通过二价金属离子转运体1跨肠上皮细胞顶膜运输，并通过膜铁转运蛋白进入循环，随后Fe2+被铜蓝蛋白氧化成Fe3+，进而与血清脱铁转铁蛋白(transferrin，Tf)结合，形成Tf-Fe3+复合体[7]，将铁运输到其他细胞和组织，见图1。

Heme：血红素；Dcytb：十二指肠细胞色素b；DMT1：二价金属转运蛋白1；HCP1：血红素转运蛋白1；HRG1：血红素敏感基因1；HO1:血红素加氧酶1；LIP：不稳定铁池；5-ALA：5-氨基乙酰丙酸；PpⅨ：荧光原卟啉Ⅸ；FECH：亚铁螯合酶；FPN：膜铁转运蛋白；FLVCR1：猫白血病病毒C亚类受体1；CER：铜蓝蛋白；Tf-Fe3+：铁-转铁蛋白；HPX-heme：血红素-血凝素复合体

Hep是一种由肝细胞分泌的蛋白质，与膜铁转运蛋白结合后可抑制细胞铁的输出。血红素通过血红素载体蛋白1和血红素反应基因1转运到肠细胞内部。血红素铁的吸收有两条途径，①在胞质中被血红素加氧酶1分解成Fe2+。②猫白血病病毒C亚类受体1通过基膜转运血红素铁，继而血红素铁被血浆中的血凝素捕获，形成血红素-血凝素复合体(heme-hemopexin complex,HPX-heme)[8]。然后HPX-heme通过低密度脂蛋白受体相关蛋白1转运到体内的不同部位。

1.2脑铁代谢 在中枢神经系统中，铁主要通过Tf受体1和膜铁转运蛋白穿过血脑屏障进入大脑[1,9]。首先，循环中的铁-Tf复合体与表达于血脑屏障内皮表面的Tf受体1结合形成Fe3+-Tf-Tf受体1复合物，然后在内体内化和酸化后，铁以Fe2+的形式释放，Fe2+被二价金属离子转运体1转运到溶酶体内膜上。如果细胞内的铁不能立即用于细胞过程，通常被铁蛋白以Fe3+的形式储存，机体根据需要从铁蛋白或在溶酶体降解过程中释放。此外，铁可通过有丝分裂铁蛋白MFRN进入线粒体基质。只有一小部分铁可作为可变铁池用于正在进行的生化过程[10]，见图1。

铁在脑内的分布主要集中在黑质致密部、室周器官、苍白球和少突胶质细胞，且其在不同部位及不同脑细胞中的分布不均。神经胶质细胞的铁含量最高，其中几乎所有的脑内Tf和不同类型的铁代谢相关蛋白均有表达[11]。因此，神经胶质细胞是维持脑内铁稳态和正常生理功能不可缺少的细胞。

2 铁代谢与神经胶质瘤

铁在许多生物过程中起着重要作用，胶质瘤细胞具有强大的增殖能力，其各种酶功能均需铁的参与；游离铁还通过Fenton反应产生活性氧类，导致氧化应激反应。因此，铁的安全运输和储存对于限制细胞的氧化应激是必要的。研究表明，当生理铁代谢被扰乱时，氧化应激可以驱动突变并加速肿瘤进展[12]。在高级别胶质瘤(Ⅳ级胶质母细胞瘤)中，编码关键铁摄取介质血色素沉着病蛋白HFE基因的变异频率增加，而HFE基因的多态性与胶质母细胞瘤的存活率降低相关[13]。通过对275个低级别胶质瘤样本的基因表达数据进行分析，使用Coxnet模型从61个铁代谢相关基因中筛选出8个基因(前列腺跨膜上皮抗原3基因、HFE基因、跨膜丝氨酸蛋白酶6基因、线粒体铁离子转运蛋白Sideroflexin1基因、Tf受体基因、尿卟啉原Ⅲ合酶基因、溶质载体家族11成员2基因和前列腺跨膜上皮抗原4基因)，随后应用Kaplan-Meier生存曲线进行分析，结果表明，上述铁代谢相关基因与低级别胶质瘤的较短生存期密切相关，并根据其表达差异化较准确地预测胶质瘤的生存期[12]，其中前列腺跨膜上皮抗原3作为一种金属还原酶的作用最大，可将Fe3+、Cu3+分别还原为Fe2+、Cu2+。对小鼠模型的研究发现，前列腺跨膜上皮抗原3可能增强肿瘤细胞对低铁水平的抵抗力，从而导致较差的预后[14]。

MtFt是线粒体中铁蛋白的特殊积累，与重链铁蛋白具有70%的同源性。MtFt在肾脏以及心脏浦肯野细胞和其他一些神经元中高表达[15]。研究发现，在人脑胶质瘤细胞系中，MtFt水平升高，提示MtFt过度表达与预后不良有关[16]。Mi等[17]的研究显示，MtFt在胶质瘤组织和细胞以及裸鼠组织中均高表达，他们将具有MtFt过表达/基因敲除的神经胶质瘤细胞与人脐静脉内皮细胞共培养发现，与正常胶质瘤细胞组相比，敲除MtFt组的血管内皮生长因子水平和细胞增殖活性明显下降，而MtFt过表达组明显升高，表明MtFt过表达可以促进胶质瘤细胞的细胞增殖和血管生长。利用在线软件Starbase和TargetScan预测MtFt和SNHG1与miR-9-5p结合的竞争关系发现，SNHG1在胶质瘤组织和细胞中高表达，miR-9-5p在裸鼠肿瘤组织中低表达；利用RNA诱导的沉默复合体的核心成分Argonaute 2的抗体进行RNA结合蛋白免疫沉淀实验和定量反转录聚合酶链反应证实，MtFt通过竞争性结合miR-9-5p调节SNHG1的表达；经检测发现，神经胶质瘤细胞和胶质母细胞瘤裸鼠的SNHG1表达上调，而miR-9-5p表达下调[17]。另有研究证实，SNHG1促进了神经胶质瘤的肿瘤发生、发展[18]，而miR-9-5p阻碍了肿瘤的进展[19]。由此可见，MtFt通过介导SNHG1/miR-9-5p轴促进神经胶质瘤发生和血管生成。

3 铁代谢在胶质瘤诊断和治疗方面的应用

3.1铁螯合剂 铁过载所致疾病通常可以用铁螯合剂治疗。目前用于治疗铁超负荷疾病的主要铁螯合剂有去铁胺、地拉罗司和去铁酮。此外，铁螯合剂可能是协助胶质瘤治疗的有效策略[20]。铁螯合剂可使细胞周期停滞在G0/G1期，进而诱导细胞凋亡[20]，对分裂活跃的癌细胞有巨大的杀伤力。Blatt等[21]的体外实验发现，去铁胺可以抑制细胞DNA合成，并促进Tf受体表达增加，进而导致神经母细胞瘤细胞凋亡。随后在人类神经母细胞瘤的啮齿动物异种移植模型的研究中学者发现，去铁胺未能减少肿瘤的生长[22]。在体外实验中，正常氧浓度(21%)条件下，地拉罗司可明显抑制胶质母细胞瘤的细胞增殖，但与放疗联合应用时并无协同作用；在轻度缺氧(3%)条件下，地拉罗司的抗增殖和细胞毒作用消失，其消耗铁的能力也受到损害[23]。但另有体外实验显示，与单独使用替莫唑胺或去铁酮相比，其与替莫唑胺联合应用可显著降低胶质母细胞瘤细胞的活性[24]。

综上所述，尽管铁螯合剂的有益作用有效，但其使用仍然有限，其局限性来源于非特异性作用和缺氧诱导因子1途径的潜在激活。因此，需通过药物载体系统对其进行矢量化和靶向递送，或合成新的针对特定位点的铁螯合剂。

3.2维替泊芬 维替泊芬是一种苯并卟啉类药物，被认为是Yes相关蛋白抑制剂，通常用来治疗黄斑变性。在其他类型的肿瘤中，Yes相关蛋白的表达和转录活性增加可以促进恶性细胞的存活[25]。最新研究发现，维替泊芬可以明显抑制胶质瘤干细胞的生长增殖，且使用剂量不足临床治疗黄斑变性用量的1/10；维替泊芬的细胞毒作用仅针对胶质瘤干细胞，对正常细胞没有任何毒性[26]。但是维替泊芬的抗胶质瘤细胞机制并非通过抑制Yes相关蛋白，而可能涉及与游离铁结合导致的Fenton反应，并通过氧化还原循环促进活性氧类产生，从而导致内质网应激和DNA损伤[25]，或通过降低胶质瘤细胞高度依赖的线粒体氧化磷酸化活性抑制细胞生长[26]。

3.3超顺磁性氧化铁纳米颗粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION) 由于神经组织的脆弱性以及血脑屏障的保护作用，中枢神经系统肿瘤的药物治疗明显受限。随着近年材料技术的发展，纳米药物输送系统可能是最有潜力改善中枢神经系统药物治疗效果的方式[27-28]，其中最具有代表性的是SPION。SPION是一种生物相容的磁性纳米载体，具有高细胞摄取率和低毒性，表面涂有亲水性聚合物和Tf，可通过血脑屏障转运并靶向癌细胞[29]。由于SPION具有铁的磁性，通过在目标器官施加外部磁场，可将静脉注射的SPION直接驱动至目标部位[29]，并可用于正电子发射计算机断层显像和磁共振成像。Meng等[30]研究发现，将SPION与异硫氰酸荧光素和氯毒素偶联合成荧光-磁共振双功能纳米探针后培养人胶质瘤细胞发现，荧光-磁共振双功能纳米探针处理后的胶质瘤细胞在共聚焦显微镜下呈绿色荧光，且细胞铁含量明显高于用SPION-异硫氰酸荧光素培养的胶质瘤细胞，磁共振成像中的T2信号强度明显降低，表明荧光-磁共振双功能纳米探针对胶质瘤细胞有很好的特异性和高效靶向作用。同时，SPION也可以通过热磁疗法发挥作用，具体方法为通过施加交变磁场在肿瘤区域产生热量。临床试验证明，利用SPION将热磁疗法和减量放疗结合，治疗安全性大大提高，且总存活期较Stupp方案更长[31]。

多种药物与SPION结合在治疗胶质瘤方面发挥作用。长春新碱是一种有效的抗肿瘤药物，但其神经毒性强、半衰期短和新陈代谢快，故临床应用受限。利用SPION装载长春新碱，用人血白蛋白封装，与细胞膜CD133具有特异性亲和力的CD133mAb偶联，形成CD133mAb修饰的治疗性免疫磁性白蛋白微球，其通过CD133mAb的生物偶联特异性识别CD133表面抗原，具有良好的靶向性和抗肿瘤增殖能力[32]。因此，SPION作为药物载体在未来有更多的可能性。

3.4其他 青蒿素及其类似物双氢青蒿素和青蒿琥酯只有在铁过量时才会对细胞产生毒性[10,33]，具有抗肿瘤作用(抗血管生成和促凋亡作用)。低浓度的双氢青蒿素通过产生活性氧类增强替莫唑胺在大鼠胶质瘤细胞中的细胞毒性作用，表明双氢青蒿素对神经胶质瘤的化疗有益，且该机制可抑制谷胱甘肽巯基转移酶的活性，起到对神经胶质瘤细胞的放射增敏作用[34]。研究发现，青蒿琥酯可以通过负调控神经胶质瘤中糖酵解和胆固醇合成的酶抑制胶质瘤细胞的锚定非依赖性生长，主要减少甲羟戊酸途径中的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的表达[33]，揭示了青蒿素抗癌的机制。

5-氨基乙酰丙酸是血红素的天然代谢前体，可使荧光原卟啉Ⅸ(protoporphyrin Ⅸ，PpⅨ)在各种上皮组织，尤其是癌性组织中合成和积累，以易于区分正常大脑和肿瘤组织。研究显示，与传统神经导航引导手术相比，5-氨基乙酰丙酸引导手术在提高诊断准确性、提高患者生活质量及延长高危患者生存期方面更有效[35]。铁螯合剂(去铁胺)可以增强PpⅨ在胶质瘤干细胞中的荧光作用，其机制是PpⅨ和Fe2+被亚铁螯合酶代谢生成血红素，铁的去除可能抑制PpⅨ代谢过程，导致胶质瘤干细胞中PpⅨ的再次积聚。此外，血红素加氧酶1基因编码一种限制血红素降解的限速酶，其作为一种诱导保护基因来抵御细胞应激和氧化损伤。

4 小 结

神经胶质瘤的有效诊断和治疗一直是临床难点，关于铁代谢相关基因与低级别胶质瘤预后的密切联系以及MtFt促进胶质瘤发生发展的研究将为胶质瘤的相关治疗提供明确的思路和方向。铁螯合剂已经在神经退行性疾病中应用并取得良好效果，青蒿素、维替泊芬和5-氨基乙酰丙酸的相关研究仍在进行中。随着个体化、精细化、微创化治疗的发展，氧化铁纳米输送系统可能是当前神经胶质瘤化疗的最理想选择，但还需要稳定抗癌治疗的耐药性、铁代谢治疗后相关酶的调节，以避免影响治疗的有效性。因此，深入研究相关代谢通路、探索合适的药物及治疗方式、平衡治疗的特异性和敏感性，有助于进一步优化治疗体验，延长患者高质量生存期。