铁死亡在肺癌中研究进展

谷一婷 李德辉 (河北中医学院 第一附属医院，河北 石家庄 0500；2研究生学院)

细胞死亡是生命现象不可逆的终止，是生命的终结。在健康的人体组织中常有细胞死亡，这是保证组织正常运转和形态所必需的，包括主动细胞死亡(程序性细胞死亡、凋亡)和被动细胞死亡(细胞坏死)。适当的细胞死亡调控机制对于正常的有机体发育和维持成年期的组织稳态具有重要意义。以往的研究认为细胞死亡是由细胞坏死和凋亡导致的，然而，近年来的研究发现了许多新的细胞死亡模式，铁死亡作为新的细胞死亡方式之一引起了广泛的关注。铁死亡是一种新型的非凋亡细胞死亡模式，其特征是铁依赖性的脂质过氧化和脂质活性氧(ROS)堆积〔1〕。其实质表现为细胞中脂质过氧化物代谢异常，在铁离子催化作用下进行非正常代谢，使细胞抗氧化功能显著降低，脂质ROS大量积累，使细胞内氧化还原功能失调，诱发细胞死亡。铁死亡作为一种非常规的细胞死亡方式，其主要表现为线粒体体积和嵴的减小及线粒体密度和胞质中脂质ROS的增加〔2〕。研究证实，铁死亡与脑血管疾病、呼吸系统疾病等多种疾病紧密相连，最新的科学研究表明，铁死亡在肺癌中亦发挥着不可忽视的作用。本文阐述了铁死亡的机制及其在肺癌发生发展中的作用，并简述了肺癌的治疗方法，以期为肺癌的进一步研究提供新思路。

1 概述

1.1铁的吸收与利用 铁是人体必需的微量元素，主要是以Fe2+的形式被机体吸收，其中可以被直接吸收的通常是肉制品中肌红蛋白所包含的铁，而植物中的大多为Fe3+。Fe3+需要借助胃液所分泌的盐酸或由十二指肠细胞色素b将其还原为Fe2+的形式，进而在二价金属离子转运蛋白(DMT)1的帮助下，吸收进入肠上皮黏膜细胞胞质中，最终经铁转运蛋白(FPN)1传输运送至血液循环中，并为人体其他组织使用或存储。膜铁转运辅助蛋白(HP)可以使出胞的铁氧化为Fe3+，其储存在铁蛋白中供细胞正常的生理活动之用。铁摄入量或输出量的变化，都会增强肺癌细胞对铁死亡的敏感性。细胞内Fe2+水平是脂质过氧化和诱导铁死亡的关键要素，转铁蛋白介导的铁摄取或铁自噬可提高其水平。

1.2铁死亡的定义 生命的终结就注定是死亡，而细胞亦无法避免。细胞死亡是维持组织功能和形态所必需的。细胞意外死亡和调节性细胞死亡是国际官方所认定的细胞死亡的两种方式，其中，凋亡和坏死是经典的两种细胞死亡形式〔3〕。随着研究的深入，上述死亡方式已无法适应现代医学发展的需求，各种新的死亡形式接踵而至，其中，铁死亡逐步被人们认识和接受。2003年Dolma等〔4〕发现了一种新型具有细胞渗透性的诱导铁死亡的催化剂——earstin(爱拉斯汀)。2008年Yang等〔5〕选择细胞死亡形式作为研究对象，在研究过程中发现了ras选择性致死化合物(RSL)3和RSL5，实验证实上述物质与earstin作用相似。随后于2012年哥伦比亚大学，Brent Stockwell 教授提出了铁死亡这一新概念，选择将铁作为详细研究方向，研究结果表明，铁死亡可以用于描述一种特殊的细胞死亡模式〔6〕。在这一模式中，其作用机制表现为erastin 和 RSL3 等小分子化合物作用于细胞内特异性靶点，进而抑制了抗氧化剂谷胱甘肽(GSH)的合成，压抑了GSH过氧化物酶(GPX)4的活性，以至于脂质过氧化物水平超过还原系统的能力，刺激芬顿反应，致使过量ROS堆积，细胞发生脂质过氧化，发生铁死亡，即细胞内游离亚铁离子过多导致ROS过度堆积的一种细胞死亡方式。2018年，铁死亡被细胞死亡命名委员会(NCCD)定义为调节性细胞死亡(RCD)模式中的一种〔7〕。

2 铁死亡的发生机制

目前，国内外对铁死亡研究颇多，其发生机制复杂深奥，尚未完全明确，仍在努力探索中，就现有的研究可以发现铁死亡的发生过程是在铁、脂质、氨基酸和脂质ROS代谢的共同作用下完成的，但其敏感性也受到其他途径的影响。

2.1铁代谢异常(铁过载) 经过研究得出，铁代谢异常是铁死亡的关键环节之一。铁作为维持机体健康必需的微量营养元素，主要以Fe2+或Fe3+的形式存在于各种细胞活动中〔8〕。正常人体中，铁需要在转铁蛋白(TF)和TF受体(TFR)1的帮助下完成运转的过程，即1分子TF在TFR1发挥作用的同时，结合2分子的Fe3+进而形成复合物。当细胞外物质进入细胞内时，还原酶将复合物释放的Fe3+还原为Fe2+，后被DMT1存放在可变铁池中，剩余的Fe2+被氧化出胞后在机体内循环往复，维持铁稳态〔9〕。当机体内铁动态失衡时，细胞内的铁含量减少，而Fe2+增多，供给量超过了人体对铁的需求量，过量活性铁堆积于人体重要器官和组织细胞，即铁过载。其在芬顿反应的作用下产生大量细胞毒性物羟自由基和大量ROS，进而打破基因分子结构，破坏血管内皮细胞膜、脂质和DNA等〔10〕。同时，铁在脂质过氧化或铁死亡过程中亦发挥着不可忽视的作用。因此，铁死亡在铁过载的刺激下更容易发生，铁代谢异常是细胞铁死亡过程的重要表现。

2.2脂质过氧化 通常情况下，游离基反应和脂质过氧化反应相互协调并处于动态平衡，两者对于体内各种生理和免疫反应有着极为重要的作用。当这种相对稳定的状态被破坏，就会导致体内的代谢异常和免疫减低，引发一系列对细胞具有破坏作用的连锁反应。由于氧化应激(即体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态)的加剧，触发ROS氧化生物膜，这一过程便是脂质过氧化。ROS与一些大分子物质发生脂质过氧化反应所产生的化学产物被称为脂质过氧化物(LPO)，它们也是脂质过氧化的最终产物：反应性醛，如丙二醛(MDA)和4-羟基壬烯酸(HNE)。研究显示，这一化学产物通常会以多种形式破坏细胞，如过度分解ROS，加剧脂质过氧化进程，或者干扰细胞膜运动，摧毁其结构，破坏细胞代谢。如前文所描述的，铁死亡是GPX4失活诱发LPO的堆放，所以脂质过氧化与铁死亡也有着必然的联系，是铁死亡的标志性事件。

2.3谷氨酸-胱氨酸转运受阻 作为重要氨基酸转运体的胱氨酸/谷氨酸逆向转运体(systemXc-)在维持谷氨酸动态平衡、胱氨酸转运、GSH合成方面发挥着重要的作用〔11〕。健康机体通过这一转运体可以将细胞外的胱氨酸转运至胞内，促进GSH的合成。GSH通过转变体内的有毒物质，使其变为无毒无害的物质，最终将其排出体外，以达到抗氧化和解毒的作用。身体内大量堆放的ROS便是通过GSH这一作用得以清除的。GSH可以辅助GPX4完成抗氧化的作用〔12〕，当胱氨酸/谷氨酸逆向转运体发生意外被阻挠时，胱氨酸进入细胞受限，GSH的生成量随着半胱氨酸的减少相应降低，GPX4反应性减弱，促使ROS的聚集，提高铁死亡发生的概率。

3 铁死亡对肺癌的影响

实验室研究，铁的异常代谢使人类患癌的风险显著增大，并且会使肿瘤呈现出异常的增长趋势，诱发肿瘤发生转移。有一临床试验结果显示，肺癌患者与健康人相比较，前者的血清铁和铁蛋白含量要显著大于后者，可见，血清中铁的浓度越大，罹患肺恶性肿瘤的风险越高〔13〕。某地收集近十年的肿瘤患者和非肿瘤患者共30 000余例，其中8 000余例为肿瘤患者，3 000余例因肿瘤死亡，结果与上一试验结果相同，高血清铁增加患癌和死亡风险。当发生铁死亡时，铁在人体中含量升高的同时，也增加了健康人群罹患癌症的风险。综上，可知铁死亡对恶性肿瘤有重要意义，亦对今后肿瘤各方面的研究进展有重要的指导意义。肺癌是当今世界上最常见的恶性肿瘤之一，它的致死率在我国乃至全世界都是非常高的。早期肺癌患者常欠缺显著临床表现，约75%的患者第一次就诊时病变已进入晚期，错失了根治性手术的最佳时机。肺癌病理类型主要分为非小细胞肺癌(NSCLC)和小细胞肺癌(SCLC)，其中NSCLC占比约为85%〔14〕。因此，探索NSCLC的发病机制，探求其潜在诊断与治疗靶点，对肺癌病人意义重大。最近几年，越来越多人发现，肺癌细胞中存在着大量的铁死亡被抑制的现象。肺部组织的氧浓度较高，这一特点使肺部肿瘤细胞承受巨大的氧化压力。因此，肺癌细胞通过某些方法提高铁死亡的阈值以避免出现被简单化或被强化的铁死亡，减少铁死亡发生，进而加速肺癌的发生发展〔15〕。

3.1铁代谢异常 铁死亡是一种依赖于铁的细胞死亡方式，异常的铁代谢在很大程度上会影响铁死亡的发生发展。一项研究〔16〕发现，NSCLC患者的癌细胞组织中的铁蛋白存在高表达现象，血清铁也活跃增加。血清铁蛋白含量越高，肺癌患者的预后越差，尤其当现铁蛋白大于300 mg/L时，患者的存活率远低于血清铁蛋白含量低的患者。还有一动物实验发现，过度表达的TFR1会加速肺癌裸鼠模型癌细胞对铁的吸收，加快癌细胞的生长速度，减少裸鼠生存期〔17〕。此外，当铁蛋白指标异常时，某种程度上会加剧免疫缺陷、改变细胞增殖，加速肺癌的发生发展过程〔18〕。由此可见，铁代谢异常在某程度上会影响肺癌的发生发展。

3.2脂质合成障碍 LPO的堆积是铁死亡的特点之一，因此，脂质合成障碍也会影响肺癌。淋巴特异性解旋酶(LSH)是一种可以准确形成DNA甲基化模式的蛋白质，研究发现〔19〕，LSH通过活跃脂质代谢基因，使其与WDR76蛋白相互发生反应，抑制ROS堆积和减少铁含量，抑制铁死亡，进而对肺癌进展造成影响。

3.3GSH合成通路上调 研究〔20,21〕发现肺癌细胞通过上调胱氨酸谷氨酸转运受体，直接靶向GSH，增加细胞抗氧化能力。SLC7A11和SLC3A2是胱氨酸谷氨酸转运受体的重要组成部分，在肿瘤细胞系集中表达，进而表明其在肿瘤细胞中活性更高。Lai等〔22〕在另一研究中发现，丝氨酸苏氨酸酪氨酸激酶(STYK)1在NSCLC中呈现高表达状态，它可以通过增强GPX4表达增强，抑制铁死亡，加速了肺癌细胞的生长。

4 铁死亡与肺癌治疗

4.1铁死亡与化疗 化疗即化学药物治疗，借助化学治疗药物杀灭癌细胞，缓解病痛。化疗是一种全身治疗的手段，化疗药物会随着体液循环遍布周身。因此，对一些有全身扩散倾向的肺部肿瘤及已经转移的中晚期肺癌，化疗都是需要重点考虑的手段。化疗可以阻止肺癌细胞增殖扩散并可以诱导“细胞死亡”。有研究表明，顺铂是肺癌人类肺泡基底上皮细胞和结肠癌细胞中铁死亡及细胞凋亡的诱导剂，其机制可能与GSH的减少和GPX4的活跃性降低有关，进一步发现顺铂与Ⅰ类FIN Erastin联合治疗有1+1>2的优异效果。但其他肺癌治疗药物，如替尼类药物、紫杉醇类药物、单抗类药物等，暂时没有与铁死亡相关的研究。因此，相关研究仍需更多临床与实验工作者的持续跟进。

4.2铁死亡与放疗 肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。约70%的患者在治疗过程中需要用放射治疗，但部分肿瘤患者对放疗有抵抗。对于NSCLC早期患者，应首先考虑手术，但是有些高龄患者或合并一些内科疾病的患者无法耐受手术，这时，放疗便成为极其重要的治疗手段之一。Lei等〔23〕发现放疗可以使肿瘤细胞产生过多的ROS，导致LPO堆积，诱发铁死亡。实验人员进一步证实铁死亡诱导剂可以抑制SLCA7A11或GPX4活性，使肿瘤细胞增加对放疗的敏感。但是，其机制尚未明确，仍需要更多研究去深入发现。

4.3铁死亡与其他治疗 分子靶向治疗又被称为“生物导弹”，是在细胞分子水平上，针对已经明确的致癌蛋白分子或基因片段，设计相应的诊疗药物，药物进入人体内会特异性地选择致癌位点，发挥药物作用，使肿瘤细胞特异性死亡且不损伤身体其他健康组织，是目前恶性肿瘤常用的治疗方法之一。Villalpando-Rodriguez等〔24〕在针对靶向药物治疗肺癌的研究中发现西拉美辛和拉帕替尼联合使用会促使脂质ROS增加，并减弱血红素加氧酶-1表达，诱发肺癌细胞发生铁死亡。

免疫治疗是新型的肿瘤治疗方式，主要针对具有虚弱或亢进的免疫系统的患者，通过提高或抑制人体免疫功能，中断肿瘤细胞与免疫细胞结合，使人体依靠自身免疫杀灭肿瘤细胞。通过临床观察发现，细胞程序性死亡——配体(PD-L)1高度表达与恶性肿瘤的发生密切相关〔25〕。程序性死亡受体(PD)-1及PD-1抑制剂在免疫治疗中最常见，其主要机制是PD-1/PD-L1抑制剂与肿瘤细胞上的PD-L1结合，恢复T细胞对肿瘤细胞的识别杀伤功。Wang等〔26〕在研究铁死亡与肿瘤免疫治疗时，得出结论为：铁死亡的兴奋有利于免疫治疗的抗肿瘤效果。其机制可概括为被免疫治疗激活的CD8+T细胞可以通过释放γ-干扰素(IFN-γ)促进脂质过氧化，提高肿瘤对铁死亡的敏感性，进而提高治疗疗效。但是引发肿瘤铁死亡的内源性机制仍不够明确，需要更多研究。

综上，铁死亡作为近年来发现的新型细胞死亡形式，与细胞凋亡、坏死、自噬有着很大区别，依靠其独特发生和抵抗机制吸引了众多临床和科研人员的研究。近年来，肺癌的发病率逐年上升，受肺癌折磨与死亡的人数越来越多，而铁死亡为肺癌指出了新的治疗方向。但是，仍有许多问题有待解决，如铁死亡发生过程中哪些物质被氧化？GPX4是不是致癌基因？总之，机遇与挑战并存，铁死亡是一个有前景的研究方向，深入研究其作用机制并应用于临床必将为肺癌患者带来福音。