铁死亡在骨肉瘤防治中的研究进展

李 明(综述), 陈龙菊(审校)

骨肉瘤(osteosarcoma,OS)又称为成骨肉瘤,是儿童和青少年中最常见的原发性恶性骨肿瘤,主要好发于股骨远端、胫骨近端和肱骨近端的干骺端[1]。目前OS的病因及发病机制尚不明确,但与其他恶性肿瘤相比,OS具有恶性程度高且易转移的特点,其中肺转移途径常成为OS患者首要死亡原因[2-3]。OS明确诊断后一般采用多药化疗方法,但经上述治疗的OS患者存活率不仅无明显提高,还产生了极强耐药性,对人们的生命健康造成威胁[4]。铁死亡是一种新发现的以脂质活性氧(lipid reactive oxygen species,L-ROS)的积累为特征且具有铁依赖性、非凋亡性的细胞程序性死亡方式,已被证实在恶性肿瘤的预防和治疗方面发挥重要作用[5]。近年来的相关研究已证实铁死亡不仅在OS的进展、治疗及预后方面发挥了重要作用,还降低了OS细胞对化疗药物的耐药性,可成为一种新的治疗靶点。因此,本文对铁死亡及其在OS中的研究进展进行综述,旨在为OS的防治提供理论依据。

1 铁死亡的概念及主要信号通路

铁死亡是一种不同于自噬、凋亡及坏死形式的新型细胞死亡方式,其与肿瘤、神经系统疾病、炎症、缺血-再灌注损伤、败血症和急性肺损伤等多种疾病的病理过程相关[6-7]。铁死亡在形态学上主要表现为线粒体显著收缩,膜密度增加,线粒体嵴减少或消失[8]。激活铁死亡的关键事件为磷脂中酯化的多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)残基过氧化[9]。铁死亡可在对传统疗法有抵抗性的恶性肿瘤治疗时被激活[10],因此诱导铁死亡可延缓恶性肿瘤的进展并在其治疗方面发挥积极作用。目前,关于铁死亡相关信号通路研究仍在不断深入,已证实的铁死亡信号通路主要有胱氨酸/谷氨酸反向转运体(cystine/glutamate antiporter system Xc-,system Xc-)-谷胱甘肽(glutathione,GSH)-谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)信号通路和还原型辅酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)Ⅱ-铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)-辅酶Q10(CoQ10)信号通路。铁死亡主要由GSH耗尽或谷胱甘肽过氧化物酶抗氧化作用失活驱动[11]。GSH是一种含硫醇的三肽,主要通过细胞表面的半胱氨酸(cysteine,Cys)或system Xc-的轻链亚基SLC7A11(又称xCT)输入的Cys合成[12]。system Xc-由SLC7A11和溶质载体家族3成员2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)组成,其可介导胱氨酸的转入和谷氨酸的转出,进入细胞的胱氨酸会被system Xc-转换为Cys,然后Cys再进一步合成GSH,当细胞内system XC-活性降低时,Cys的含量、GSH的合成和GPX4活性都会降低,导致脂质过氧化,进而诱发铁死亡[13]。相关研究也证实了system Xc-的底物特异性亚基-GSH轴的激活在内皮细胞铁死亡中发挥了关键作用[14]。GPX4是铁死亡的关键因子,也是维持GSH和谷胱甘肽二硫化物平衡的关键酶,主要位于铁死亡信号通路的下游,GPX4利用GSH作为其辅助因子可将氢过氧化物(R-OOH)还原为相应的醇(R-OH),GSH则被氧化为氧化型谷胱甘肽,可降低脂质过氧化,进而抑制铁死亡,此外GPX4的表达可被4-羟基壬烯醛抑制,引起缺铁,可驱动铁死亡[15]。因此,GSH的合成、GPX4的功能以及system Xc-的活性对于保护细胞免受铁死亡发挥着重要作用。FSP1已被证实是一种有效的抗铁死亡因子,在肉豆素被酰化的条件下,可作为一种氧化还原酶,通过NADPH将CoQ10催化成一种亲脂性自由基清除剂泛素醇,可减少脂质过氧化产物(lipid peroxide,LPO)产生,进而降低脂质过氧化,从而抑制铁死亡。FSP1作为一种典型的铁死亡抑制剂,最初被描述为p53应答基因[16]。p53是重要的肿瘤抑制因子,在肿瘤细胞生长发育中的周期调控、衰老及凋亡等过程中发挥着关键作用[17]。细胞内p53激活和表达量上调会抑制SLC7A11的表达,使细胞对胱氨酸的摄取减少,Cys生成量降低,GSH产生也随之减少,进而导致细胞对膜PUFA产生的L-ROS敏感性增加,最终诱发铁死亡[18],但p53在铁死亡过程中发挥的具体作用仍需进一步研究。CoQ10是一种具有抗氧化性且可移动的亲脂性电子载体,可参与溶酶体膜的能量生成,已证实在某些情况下,通过抑制CoQ10可以增强细胞对铁死亡的敏感性[19]。有研究显示,通过阻断CoQ生物合成途径,可使作为抗铁死亡因子的FSP1失效[20]。NADPH氧化酶[nicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADPH)oxidases,NOX]作为一组具有氧化活性的蛋白,其生物学功能主要是产生活性氧(reactive oxygen species,ROS),其抑制剂二甲基苯碘已被证实在人体肺癌中可部分抑制爱拉斯汀诱导的铁死亡[21]。铁死亡信号通路在抑制铁死亡发生方面发挥了重要作用,但其作用机制仍需进一步探讨。

2 铁死亡的机制

2.1脂质过氧化 铁死亡是由脂质过氧化驱动,脂质过氧化的过程即ROS与生物膜的磷脂、酶和膜受体相关的PUFA的侧链等大分子物质产生脂质过氧化反应,形成LPO,如丙二醛(malondialdehyde,MDA)和4-羟基壬烯醛,导致细胞结构和功能改变,从而诱发细胞铁死亡[15]。其中PUFA对脂质过氧化反应尤其敏感,其含量及所处位置对细胞中脂质过氧化程度具有决定性,使其在铁死亡机制中发挥着不可替代的作用[22]。铁死亡脂质过氧化的主要底物为含PUFA的磷脂,也是生物膜的重要组成部分,磷脂与PUFA结合主要通过其sn-2位置与一个酰基残基连接,该酰基残基又与1个PUFA结合[23]。此外,酯酰辅酶A合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)也是脂肪酸代谢的重要组成部分,可通过辅酶A的酯化反应激活PUFA,从而参与铁死亡的执行过程中[24]。因此脂质过氧化的过程及其产物在铁死亡发生的机制中发挥了关键作用。

2.2铁超载 铁是人体必需的微量元素之一,一定量的铁对正常的细胞和器官功能至关重要,但铁的异常积累会对人体产生一定的伤害[25]。铁超载,即体内过量的铁积聚,过量的铁主要以铁蛋白轻链(ferritin light chain,FTL)和铁蛋白重链1(ferritin heavy polypeptide 1,FTH1)的形式储存在细胞内[26]。在细胞层面,铁超载会导致L-ROS增加,诱导氧化应激反应进而参与细胞的铁死亡过程[27]。在OS疾病中,铁超载也主要通过诱导氧化应激反应来促进OS细胞的凋亡、自噬和铁死亡[28]。铁的代谢功能障碍会导致细胞内亚铁离子水平增加,引起ROS富集,进而促进脂质过氧化,最终导致铁死亡[29]。其主要机制为Fe3+与转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1,TFR1)结合后,通过细胞膜进入细胞核内体,定位于内胚层,在内胚层被铁还原酶还原为Fe2+,然后Fe2+被释放到细胞质中不稳定的铁池中,多余的铁被储存在铁蛋白中,二价金属转运体1也会从细胞核中释放Fe2+到细胞质不稳定的铁池中,就会导致细胞内Fe2+超载,细胞内超载的Fe2+通过芬顿反应催化产生过量的L-ROS,就会诱发铁死亡[26]。Dong等[30]发现亚铁离子在维持缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor,HIF)-脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylase domain,PHD)活性方面发挥着重要作用,铁的减少可以抑制PHD活性,从而诱导HIF的积累并激活下游基因介入到铁死亡的进程中。Yao等[31]发现软骨细胞能在铁超载的条件下发生铁死亡,且在铁死亡的诱导下软骨细胞中基质金属蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13,MMP-13)表达增加,胶原Ⅱ表达减少。因此,铁离子的摄取、转运、储存异常都会对铁死亡产生一定的调节作用,当细胞内Fe2+增多,导致铁超载的状态,进而诱导铁死亡。

2.3线粒体功能障碍 线粒体的代谢是细胞ROS的主要来源,当Cys不足时,线粒体代谢可促进GSH的快速消耗,进而产生L-ROS以驱动铁死亡,且谷氨酰胺的分解调节铁死亡主要是通过在线粒体三羧酸循环中提供的α-酮戊二酸酯来实现的,还有研究表明,通过抑制线粒体三羧酸循环、敲除线粒体电压依赖性阴离子通道2/3或抑制电子传递链可使LPO减少,使铁死亡受到抑制,且线粒体被阻断会使铁死亡受抑制的程度进一步加强。当GPX4被抑制时,铁死亡还可以独立于线粒体进行,这表明线粒体在铁死亡中的作用可能与上下游分子都有关[32]。铁死亡的易感性、起始和实施与线粒体呼吸异常有关,但线粒体在铁死亡中的具体作用有待进一步研究[33]。

3 铁死亡相关基因及信号通路参与OS的研究进展及治疗

童也等[34]研究发现,铁死亡的相关基因FANCD2、HSPB1、ATF4和TMBIM4,在转移性OS组织中的表达异常可能会减少铁死亡相关的细胞凋亡,最终加快OS的发展进程。Lv等[35]的研究证实β-异硫氰酸苯乙酯可抑制GPX4表达,导致ROS积累,造成脂质过氧化和氧化应激,还可激活ROS依赖的丝裂原活化蛋白激酶信号通路,诱导人OS细胞发生铁死亡,抑制人OS细胞增殖,进而延缓肿瘤进展。Shi等[36]验证了替拉扎明可通过抑制SLC7A11和GPX4转导,诱导铁死亡,从而抑制缺氧条件下OS细胞的增殖和迁移。有研究显示,长期使用顺铂会抑制铁死亡发生,产生耐药OS细胞,而使用铁死亡诱导剂和信号转导转录激活因子3(signal transducer and activation of transcription 3,STAT3)抑制剂可重新激活细胞中的铁死亡,削弱STAT3/Nrf2/GPX4的信号转导,进而诱导铁死亡,增加对顺铂的敏感性,可成为克服OS细胞顺铂耐药的潜在治疗靶点[37]。Xu等[38]的研究发现,GPX4是MicroRNA-1287-5P调控人OS细胞铁死亡的直接作用靶点,因此MiR-1287-5P通过抑制GPX4可促进OS细胞铁死亡。过表达MiR-1287-5P可增强OS细胞对顺铂化疗敏感性,且MiR-1287-5P模拟物与顺铂联合使用可进一步降低OS细胞的存活率,因此MiR-1287-5P可成为OS治疗的佐剂或替代疗法。Chen等[39]发现下调组蛋白赖氨酸去甲基化酶4A(recombinant lysine specific demethylase 4A,KDM4A)的表达可降低SLAC7A11的表达,促进OS细胞的铁死亡,并抑制OS进展及肺转移途径,且敲低KDM4A可增加顺铂处理OS细胞的敏感性。Lin等[40]研究发现,新型姜黄素类似物联苯二氟铜可诱导铁死亡,其机制可能是上调HO-1抑制GPX4的表达,增加MDA、ROS和细胞内铁离子水平,使其可成为一种治疗HMOX1阳性OS患者的潜在药物。Zhan等[41]发现铁死亡诱导剂Erastin和Yes相关蛋白敲低可增强OS细胞对焦脱镁叶绿酸-a甲酯介导的光动力疗法(methy ester pyropheophorbide-a mediated photodynamic therapy,MPPa-PDT)治疗的敏感性,证实了Erastin联合MPPa-PDT可显著改善OS预后,因此铁死亡诱导剂有可能成为治疗OS的一大类新兴药物。Luo等[42]发现,补骨脂二氢黄酮可增加亚铁水平和下调磷酸化的STAT3来上调p53表达,从而降低SLC7A11和GPX4的表达,促进ROS和MDA的积累,进而诱导铁死亡,且在铁死亡抑制剂处理下,补骨脂二氢黄酮诱导的细胞铁死亡可被逆转,因此,补骨脂二氢黄酮有望成为OS治疗的药物。

4 结语

目前已发现铁死亡可通过脂质过氧化、铁超载、线粒体功能障碍机制参与OS的进展、治疗及预后,且能降低OS耐药性,但铁死亡的调控机制仍未被充分了解,仍需进一步探讨。此外,铁死亡诱导剂可驱动铁死亡参与抑制OS细胞的过程,因此其可成为一种新的OS治疗药物。目前除经典铁死亡诱导剂外,许多中药及其成分已被发现对铁死亡具有调节作用,如青蒿素、益母草碱、甘草、仙茅苷等[43]。未来可在此基础上开展中药及其有效成分参与铁死亡的调控途径以及联合OS传统疗法的相关研究,拓展OS的治疗前景。