铁死亡在结直肠癌治疗中的作用

庄志诚，官国先

福建医科大学附属第一医院 结直肠外科, 福建 福州 350005

细胞死亡是生命过程的终点，它在维持正常生理功能方面起着重要作用。凋亡(apoptosis)和坏死(necrosis)是细胞死亡的两种经典形式。近年来，随着对细胞死亡的不断深入研究，人们发现了许多其他死亡方式如自噬(autophagy)、坏死性凋亡(necroptosis)、焦亡(pyrotosis)以及铁死亡(ferroptosis)等。其中，铁死亡是近年来提出的一种新型细胞死亡概念[1]。研究表明，铁死亡在结直肠癌发生发展中发挥了复杂的作用，这为结直肠癌的治疗提供了新的靶点。

1 铁死亡的特征

铁死亡作为一种全新的细胞死亡模式，在形态学、遗传学和生物化学等方面与凋亡、坏死和自噬有较大的区别[2]。铁死亡发生时，细胞内的线粒体会发生特征性的皱缩、嵴减少或消失，并且线粒体膜密度会增高。而细胞内会产生大量活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)，胱氨酸摄入障碍从而引起谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成衰竭，引发谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)的活性降低等一系列氧化还原系统失衡的表现。

2 铁死亡的调控机制

2.1 氧化应激途径

GSH是哺乳动物细胞中的主要抗氧化剂， 也是GPX4的首选底物，因此GSH供应不足将直接影响GPX4的功能，导致细胞铁死亡。位于细胞膜上的胱氨酸谷胺酸转运受体(xCT)可以使胞外的胱氨酸和胞内的谷胺酸进行等量交换，为GSH的合成提供原料，因此对平衡细胞内的氧化还原反应方面起着重要作用[2]。GPX4作为细胞脂膜修复酶之一，通过结合辅因子GSH，催化去除脂膜上多余的活性氧自由基，阻止细胞膜脂质过氧化，从而被认为是铁死亡的核心调控分子。通过消耗细胞内的GSH含量或者使GPX4失活，可以使细胞具有的抗氧化体系的平衡被打破，从而直接或间接的诱导铁死亡。

2.2 铁代谢与脂质代谢途径

铁是人体的微量元素之一，铁的缺乏或过载都会引起人体的损伤[3]。细胞内的二价铁离子主要储存在胞质不稳定铁池中(labile iron pool，LIP)，其中一部分以铁蛋白(ferritin)形式储存，另一部分则参与各种生化过程。当细胞内铁过载时，Fe2+可以通过芬顿(Fenton)反应产生大量活性氧簇[4]，从而为脂质过氧化物的形成提供原料。脂质代谢在铁死亡的发生过程中也是至关重要的，脂质的氧化耐受性会影响铁死亡的程度。其中，多不饱和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acid，PUFA)最受人关注，游离的PUFA是合成细胞膜成分的底物，它们可以经过酯化反应变成膜磷脂从而整合到细胞膜上，而这个过程受到长链脂酰辅酶A合成酶4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)与溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)的调控[5]。

2.3 其他途径诱导的铁死亡

除了上述经典途径，随着研究的深入，近年来还陆续发现其他铁死亡调控途径。之前为人们所知的线粒体相关凋亡诱导因子2(apoptosis inducing factor mitochondrion associated 2，AIFM2)，可以通过利用辅酶Q10阻止脂质过氧化，因此成为了与GPX4平行的独立的铁死亡抑制因子，并被重新命名为铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，FSP1)[6]。由于在细胞缺铁时，铁蛋白可以通过被核受体共同活化子4(nuclear receptor coactivator 4，NCOA4)降解，通过自噬途径运输到溶酶体，从而释放铁离子补充不稳定铁池，因此，自噬依赖的铁死亡途径在近年来报道也的越来越多，但具体的机制还需进一步阐明[7]。

3 铁死亡与结直肠癌治疗

肿瘤研究中的一个具有挑战性的关键问题是如何在保持健康细胞完整性的同时有效杀伤肿瘤细胞。肿瘤细胞往往在死亡机制方面有缺陷，这是治疗失败原因之一。为了满足增殖需要，与正常细胞相比，肿瘤细胞对铁离子的需求更高。这种对铁的依赖使得肿瘤细胞可能更容易发生铁死亡。经膳食途径摄入的铁在胃肠道中被吸收，通过氧化应激诱导结肠损伤并放大致癌信号，从而增加了结直肠癌发展的风险[8]。相反，缺铁却在结直肠癌患者中很常见[9]，这会限制造血功能并出现贫血的症状。铁是免疫细胞功能所必需的，因此缺铁会导致免疫反应减弱和免疫微环境的改变，从而使结直肠癌细胞逃避免疫监视[10]。因而人们推测结直肠癌细胞铁死亡的水平也会随着肿瘤细胞铁含量的减少而降低，从而导致其过量增殖。此外，活性氧也与结直肠癌的发生发展和治疗息息相关，活性氧是一把“双刃剑”,高水平的ROS会导致一系列细胞毒事件如铁死亡，凋亡，周期阻滞，增殖抑制等，而低水平的ROS则会引起DNA损伤和遗传不稳定性，刺激肿瘤细胞增殖，血管生成，转移以及激活肿瘤细胞的耐药性。但肿瘤细胞往往具有强大的抗氧化系统，这也使得肿瘤细胞中的ROS可以处于有利于肿瘤细胞生存的水平，从而维持致癌信号[11]。而化疗药或是放射治疗常常会诱导肿瘤细胞产生过量活性氧，这可能会直接或间接导致细胞铁死亡。

3.1 结直肠癌放疗与铁死亡

对于局部晚期直肠癌(local advanced rectal cancer，LARC),术前放疗能够有效缩小肿瘤体积，提高保肛率，减少复发，延长生存期并提高生活质量[12]。电离辐射可以引起DNA损伤，激活DNA损伤反应(DNA damage response，DDR)进行修复，当损伤修复不当时，DDR就会引发细胞凋亡程序，以消除未修复的细胞。毛细血管扩张性共济失调突变基因(ataxia telangiec-tasia-mutated gene，ATM)属于PI3K家族，是DNA双链断裂(double-strand breakage，DSB)主要的感应因子和传导因子，也是DNA损伤检查点的主要成员，负责协调细胞对DSB的应答。ATM基因的敲除和化学抑制能通过增强细胞内铁离子的螯合作用和铁输出，调控细胞内铁池，从而降低细胞对铁死亡的敏感性[13]。除了DNA损伤外，电离辐射还可以通过细胞水的辐射分解和氧化酶的刺激产生诸如氧自由基和过氧化氢的活性氧，损坏蛋白质和脂质并引起细胞损伤乃至死亡[14]。电离辐射能导致GPX4的表达水平降低，而铁死亡抑制剂Ferrostatin-1能促进其恢复[15]。此外，电离辐射还可以诱导ACSL4的表达增加,进一步PUFAs的合成，为细胞膜脂质过氧化提供底物，促进铁死亡的发生[16]。TP53是肿瘤中最常见的突变基因，也是放射治疗的主要效应因子之一。电离辐射介导的p53激活可以拮抗SLC7A11的表达，抑制谷胱甘肽的合成，从而促进癌细胞脂质过氧化和铁死亡,故TP53的突变缺失的癌细胞可以通过抑制铁死亡提高自身的辐射抗性,这是以前从未被认识到的作用[17]。上述研究的结果表明铁死亡参与了放疗诱导的细胞死亡过程中，可见铁死亡在肿瘤放射增敏效果中具有巨大的潜力，但考虑到不同癌种对放疗效果以及铁死亡的敏感性方面具有较大差异，铁死亡在结直肠癌放疗中的作用尚缺乏详细的报道，需要进一步的实验支持。

3.2 结直肠癌化疗与铁死亡

作为目前肿瘤治疗的主要手段方式之一，化学治疗(化疗)药物通过作用于肿瘤细胞增殖的不同阶段,对细胞DNA、RNA及蛋白质合成过程进行阻碍，从而达到治疗目的。产生耐药性是肿瘤化疗的一大难题，肿瘤耐药是一个复杂的生物学过程，涉及多个基因与信号通路的活化以及药物的代谢异常。此外，细胞内活性氧ROS失衡介导的氧化应激防御也与肿瘤耐药密切相关[18]。当化疗药物作用于肿瘤细胞时时，细胞内可以产生大量的ROS，ROS的过度蓄积为肿瘤细胞的生存带来巨大压力。但部分肿瘤细胞可以通过调控氧化还原过程从而获得更强的抗氧化系统与ROS耐受能力，导致耐药形成[19]。KIF20A在奥沙利铂耐药的结直肠癌细胞模型中高度表达，敲减KIF20A可以通过抑制NRF2通路的活化从而逆转癌细胞的耐药性，并且其耐药性可以在铁死亡抑制剂的作用下恢复，这说明了奥沙利铂耐药可能是通过抑制癌细胞铁死亡所实现的[20]。此外，铁死亡的诱导剂Erastin也被发现对结直肠癌干细胞(cancer stem cells，CSCs)有着明显的细胞毒作用，并且可以降低结直肠癌细胞的耐药性[21]。而经典化疗药顺铂也被证实可以通过耗竭GSH诱导HCT116大肠癌细胞铁死亡，并且其与Erastin联合应用对杀伤肿瘤具有显著的协同效应[22]。上述结论表明，铁死亡在化疗药物的细胞毒作用中可能扮演着重要角色，靶向铁死亡途径，进一步放大或者恢复铁死亡的作用对于逆转结直肠癌细胞的耐药性具有重大意义。

3.3 结直肠癌靶向治疗与铁死亡

靶向治疗主要应用在晚期转移性结直肠癌(mCRC)的患者中，使mCRC 患者的总生存期由6～12个月延长至将近30个月。西妥昔单抗是FDA批准的表皮生长因子受体(epithelial growth factor receptor,EGFR)单克隆抗体靶向药，能够抑制表皮生长因子受体及其下游信号通路，发挥抗癌作用。但西妥昔单抗只在10%～20%的结直肠癌患者中起作用，原因在于鼠类肉瘤病毒癌基因(kirsten rat sarcoma viral oncogene,KRAS)蛋白处于EGFR的下游，当RAS发生突变时，KRAS蛋白将持续激活信号通路而不受EGFR单抗抑制效果的影响，使得西妥昔单抗只适用于KRAS野生型转移性结直肠癌患者[23]。可喜的是，已有报道称，铁死亡诱导剂β-elemene联合西妥昔单抗可以有效诱导KRAS突变型结直肠癌细胞铁死亡，提高细胞毒敏感性[24]。阿帕替尼被报道可以通过靶向ELOVL6/ACSL4信号通路促进大肠癌细胞铁死亡的全新机制，为其进一步运用于晚期结肠癌的临床治疗提供了理论支持[25]。相信随着研究的不断进展，铁死亡在分子靶向药物治疗mCRC的研发中会发挥更大的作用。

4 问题与展望

近年来，作为肿瘤领域的研究热点之一，铁死亡因为在杀死多种肿瘤细胞中发挥着重要的作用而被越来越多的研究者所关注。基于铁死亡的肿瘤治疗靶点，对设计新型抗肿瘤药具有重要意义。癌细胞通常在执行细胞死亡机制方面有所缺陷，这与肿瘤本身的免疫微环境重塑、代谢重编程以及内在的凋亡抗性密切相关。随着研究的深入，越来越多的基因与铁死亡调控之间的关系也在渐渐明了，这都提示研究者可以从癌细胞特有的代谢途径出发，寻找合适的诱导剂靶向肿瘤铁死亡，对肿瘤治疗过程进行方案改进，为联合用药提供理论依据。但是，虽然目前已经发现了一些抑制铁死亡的机制参与了结直肠癌的治疗抵抗，但还需要更多的实验来进一步明确两者间的关系。此外，作为一种细胞共有的死亡模式，如何精准放大铁死亡对肿瘤细胞的杀伤作用同时保护正常细胞，这仍是一个具有挑战性的难题。况且，铁死亡是否已经在结直肠癌临床治疗中发挥作用仍然是不清楚的，而对其调节是否会改变局部肿瘤免疫微环境，以及是否会使患者临床获益更是充满未知，因此需要更多的基础研究与临床研究作为支撑。但从目前的研究结果来看，这是个富有前景的领域。综上所述，进一步研究铁死亡与结直肠癌的关系，有望突破治疗瓶颈，为结直肠癌提供新的治疗方法。