铁死亡在消化系统肿瘤中的研究进展

2022-11-24刘文天

临床与实验病理学杂志 2022年3期

刘静，刘文天

铁死亡于2012年由Dixon等[1]首次提出，是一种铁依赖和过氧化驱动的细胞死亡形式，与多种代谢紊乱和体内平衡失调有关。既往研究表明，细胞内铁离子与细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸发生芬顿反应，产生过量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)。一旦超过细胞自身抵抗氧能力，ROS将可能发生氧化应激反应，从而损害了细胞内的线粒体、内质网及核酸等，最后导致细胞死亡[2]。铁死亡在形态、生化和分子遗传学上与其他为人熟知的自噬和凋亡不同。细胞凋亡中的染色质固缩和边缘化聚ADP核糖聚合酶1[poly (ADP-ribose) polymerase1, PARP1]裂解、线粒体释放的细胞色素C或Caspase 3裂解、细胞自噬中的双层膜结构的自噬小泡、细胞器的肿胀、核膜和细胞膜的溶解等典型特征在铁死亡中均未出现。此外，由于发生铁死亡时，细胞膜或细胞器膜脂质过氧化和氧化应激，导致质膜选择渗透性丧失，线粒体形态发生特殊而独特的变化，包括线粒体嵴减少或消失、线粒体外膜破裂、线粒体膜浓缩[3]。

近年来大量研究提出：细胞内铁代谢和铁依赖的脂质ROS代谢异常与肿瘤细胞死亡密切相关，虽然铁死亡与肿瘤之间的具体关系目前尚不清楚，但提供了探讨肿瘤发生的新思路。目前，消化系统肿瘤的发病率逐年递增，胃癌、肝细胞性肝癌、胰腺癌以及结直肠癌是消化系统常见肿瘤，严重威胁着患者的生命健康。铁死亡也参与了这些肿瘤的发病过程，可能成为消化系统肿瘤治疗和预后判断的一种新靶点。

1 铁死亡发生的相关调控因子

1.1 谷胱甘肽耗竭在铁死亡中的核心作用伊拉斯汀(Erastin)是在致癌基因RAS突变细胞系中诱导铁死亡的小分子之一。对Erastin靶点的探索将半胱氨酸代谢与铁死亡的发生联系起来。Erastin诱导的铁死亡过程中最重要的靶点是谷氨酸盐-胱氨酸转运体Xc-系统，其是由溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11/xCT)和溶质载体家族3成员2(solute carrier family 3 member 2, SLC3A2)组成，是胱氨酸和谷氨酸盐的非钠依赖的反向转运体，以1 ∶1的比例吸收细胞外胱氨酸来交换细胞内谷氨酸盐[4]。细胞外胱氨酸主要通过Xc-系统转运到细胞中，随后由于细胞内的高度还原条件而迅速转化为半胱氨酸。

细胞内半胱氨酸是谷胱甘肽的重要前体。还原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)一旦合成，可作为活性氧解毒酶，如谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)的辅因子，其作用是以谷胱甘肽为代价减少过氧化物相关产物(如过氧化氢)，从而保护细胞免受活性氧诱导的损伤。研究发现Ras选择性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3, RSL3)是引发铁死亡的另一个小分子[1]。GPX4是RSL3的直接靶向蛋白，RSL3通过与GPX4共价键结合，抑制GPX4活性。GPX4可以通过其酶活性清除有害超氧化物、阻断脂质过氧化物链式反应，并维持膜脂质双层的稳态。研究发现，应用RSL3处理诱导的铁死亡与GPX4失活相似，进一步支持RSL3通过GPX4抑制诱导铁死亡。在小鼠中敲除GPX4会导致胚胎致死和大量脂质过氧化物积累。过表达GPX4细胞表现出对RSL3的抵抗性，抑制其诱导的细胞铁死亡[5]。此外，在敲除GPX4的小鼠中不会发生凋亡，这进一步证实了铁死亡是致死的主要原因。

1.2 细胞铁是诱导铁死亡发生的关键铁是生命体不可缺少的重要元素，在DNA合成、能量代谢、细胞呼吸等过程中发挥着重要作用。对游离铁需求是铁死亡的基本特性，几乎所有的脂质过氧化物都可以被铁螯合剂结合而减少。已经证实，转铁蛋白是铁的转运体，其通过识别转铁蛋白受体1将铁从细胞外环境导入细胞内。转铁蛋白和转铁蛋白受体1都是诱导细胞发生铁死亡所必需的。转铁蛋白与游离铁结合，使其不可利用，从而起到防止铁死亡的作用。铁转运蛋白负责从细胞中输出铁，是铁死亡的负调节因子[6]。铁螯合剂长期以来被用于开发抗肿瘤策略。然而，铁死亡诱导中的铁需求重新定义了铁螯合剂在癌症治疗中的作用。未来的研究仍然需要验证不同条件下癌症治疗中的铁螯合策略。

1.3 ROS过量是铁死亡的最后通路从机制上讲，铁死亡是通过铁介导的脂质活性氧的积累导致细胞死亡。脂质活性氧的积累会干扰细胞的完整性和膜的流动性、渗透性，这种影响可能是致命的[7]。研究发现，铁离子通过芬顿反应参与了ROS的产生[8]。铁催化产生的ROS可能是铁死亡的主要原因。热休克蛋白β-1(heat shock protein beta-1, HSPB1)通过减少细胞内铁和脂质ROS来保护癌细胞免于铁死亡[9]。在体内，敲除HSPB1增强了铁死亡诱导剂Erastin的抗肿瘤活性[10]。上述研究结果均支持过量的ROS直接导致了细胞铁死亡。

2 铁死亡在不同消化系统肿瘤治疗中的调控机制

2.1 肝细胞癌肝细胞癌的治疗主要有手术和化疗，均无法达到令人满意的效果，尤其是对于晚期肝细胞癌。索拉非尼是第一个被批准用于晚期肝癌患者的全身疗法。索拉非尼诱导肝癌细胞中GSH水平的双重降低，这种效应与Erastin的作用相当[11]。众所周知，视网膜母细胞瘤(Rb)蛋白调节细胞增殖，Rb蛋白功能的丧失是肝癌发生过程中的一个重要事件。研究表明索拉非尼通过在肝癌细胞中的双重作用模式促进铁死亡。第一种作用模式独立于Rb蛋白，与索拉菲尼消耗肝癌细胞内GSH的能力有关。人们将这种效应归因于Xc转运蛋白的抑制。Xc转运蛋白是一种胱氨酸谷氨酰胺反向转运体，最近有报道称索拉菲尼和Erastin以其为靶点[12]。第二种作用模式取决于肝癌细胞的Rb蛋白状态，并与线粒体产生的活性氧增加有关。既往研究报告指出线粒体呼吸链是暴露于索拉非尼的肝癌细胞的潜在弱点。

研究证实索拉菲尼是铁死亡的强效诱导剂，而不是凋亡的诱导剂。肝癌细胞暴露于索拉非尼时发生铁死亡，并且Sigma-1 receptor(S1R)是人类肝癌细胞中铁死亡的负调节因子，其调节许多参与活性氧和铁代谢的靶位，其中最关键的是铁死亡靶位GPX4。在体外和体内，抑制S1R显著加速了Erastin和索拉非尼在肝癌细胞中诱导的脂质产生和随后的铁死亡。并且，敲除S1R在体外和体内阻断了GPX4的表达[13]。因此，S1R在调节肝癌细胞发生铁死亡时具有重要作用。在另一项研究中[14]，p62-Keap1-NRF2抗氧化信号通路是参与ROS和铁代谢基因转录激活肝癌细胞铁死亡的关键负调节因子；抑制p62-Keap1-NRF2途径可显著增强Erastin和索拉非尼在体外和体内对肝癌细胞中的抗癌活性。综上所述，铁死亡为肝癌的治疗提供了新靶点，为治疗方向提供了新思路。

2.2 胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)PDAC是一种不可治愈的癌症，其标准疗法使存活率提高了不到6个月[1]，且PDAC的发病率预计还会增加。既往研究发现，致癌性KRas将PDAC细胞重编程至高度抗凋亡状态。青蒿琥酯(Artesunate, ART)是一种抗疟药，以引发ROS产生的方式在不同的癌细胞类型中特异性诱导程序性细胞死亡。目前研究证明，抗逆转录病毒疗法在PDAC细胞系中诱导细胞发生铁死亡，而不影响非肿瘤性人胰腺导管上皮细胞。与铁代谢抑制剂铁抑制素-1联合治疗可阻断ART诱导的脂质过氧化和细胞死亡，并增加细胞长期存活和增殖[15]。

除此之外，研究人员发现核受体辅激活因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)介导的铁蛋白吞噬是一种自噬过程，该过程在胰腺癌中通过铁蛋白的降解导致铁死亡。铁蛋白降解导致细胞内的游离铁增加，这触发了活性氧的产生和随后的胰腺癌中铁死亡。胰腺癌中特异性shRNAs敲除NCOA4抑制了铁蛋白吞噬并抑制了Erastin诱导的铁死亡。相比之下，NCOA4过表达增加了铁蛋白的降解，并促进了铁死亡[16]。这进一步证明了体内诱导铁死亡可用于靶向杀死PDAC细胞，为PDAC治疗提供了新思路。

2.3 胃癌Hao等[17]研究显示：Erastin可以诱导胃癌细胞发生铁死亡。CD44最近被确定为几种肿瘤中与肿瘤干细胞相关的细胞表面标志之一，标准CD44亚型(CD44s)主要在造血细胞和正常上皮细胞亚群中表达，而膜近端细胞外区插入的变异亚型(CD44v)在上皮型癌中大量存在[18]。研究发现CD44v在小鼠胃癌中不均匀表达，在增殖细胞和慢循环干细胞样细胞中高表达，但在含有粘蛋白5AC(MUC5AC)基因(胃分化的标志)的细胞中表达不丰富。CD44v可与Xc-系统相互作用，调控细胞内GSH水平。因此，CD44高表达人胃肠道肿瘤细胞中GSH合成能力高，进而可以阻断ROS诱导的应激信号传导，使胃癌细胞对铁死亡产生抵抗[19]。相反，降低胃癌细胞中CD44v表达，可使细胞内GSH合成减少，促进胃癌细胞发生铁死亡，起到抗肿瘤作用。

顺铂和紫杉醇是针对晚期胃癌治疗的一线化疗药物，但是在胃癌治疗中对顺铂和紫杉醇的耐药性变得越来越严重。化疗耐药性通常与DNA损伤修复、调节细胞凋亡和谷胱甘肽水平增加的分子突变有关。研究表明，铁死亡相关信号通路的改变可能为逆转化疗耐药性提供了一种新思路。外泌体属于细胞外小泡(EVs)家族，直径为30～100 nm，由多种细胞分泌。花生四烯酸脂氧合酶15(arachidonate lipoxygenase 15, ALOX15)是细胞中产生ROS的主要介质，其在胃癌细胞中明显下调，并发现与铁死亡的抑制密切相关。此外，肿瘤相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)分泌的外泌体miR-522在调控胃癌细胞ALOX15的表达中起主导作用。有研究证明，阻断CAF-外泌体介导的脂质-活性氧抑制导致癌细胞中铁死亡水平增加，从而提高了化疗的敏感性[20]。因此，探究由外泌体介导的调节癌细胞铁死亡作用的机制，可为提高胃癌化疗的敏感性提供新方法。

2.4 结直肠癌结直肠癌的发生是因为遗传和表观遗传学改变的逐渐积累，这些改变导致正常结直肠黏膜向腺瘤并最终向癌转化和发展。除此之外，在结直肠癌中发现了30%～50%的K-ras突变，其在肿瘤发生过程中起重要作用，与不突变患者相比，K-ras突变患者的预后较差。Doll等[21]提出长链脂肪酸辅酶a连接酶家族的同工酶(ACSL-4)在诱导铁死亡中起关键作用，并且可以通过调节磷脂(特别是磷脂酰乙醇胺)来预测对铁死亡的敏感性。研究证明了菠萝蛋白酶通过调节ACSL-4水平有效地导致K-ras突变细胞系中发生铁死亡，有效地抑制结直肠癌细胞的生长及转移[22]。

此外，亚氨基-6-甲氧基-2H-苯并吡喃-3-碳硫酰胺(2-imino-6-methoxy-2H-chromene-3-carbothioamide, IMCA)是一种苯并吡喃衍生物，具有多种生物活性。最新研究表明，IMCA诱导了DLD-1和HCT116细胞中腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)磷酸化激活、雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)去磷酸化失活，并最终导致致死性ROS积累，诱发铁死亡[23]。因此，IMCA可以通过AMPK/mTOR途径诱导SLC7A11下调，进而发生铁死亡。这些结果为结直肠癌提供了一种新的潜在治疗化合物，并为诱发铁死亡提供了新的见解。