王秀超 李澤坤 郝繼輝

消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)生率約占癌癥的一半，嚴(yán)重威脅人類的健康。通過(guò)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡控制癌癥是放化療、靶向治療以及免疫治療的共同特征，耐藥以及免疫逃逸是傳統(tǒng)治療方式面臨的主要難題。一種不同于凋亡、焦亡和壞死的程序性細(xì)胞死亡形式，因其過(guò)程存在高度的鐵依賴性，故將其定義為鐵死亡（ferroptosis）［1］。新近的研究表明鐵死亡作為一種新型可誘導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡方式，在逆轉(zhuǎn)腫瘤鉑類耐藥中發(fā)揮積極作用，提示其在消化系統(tǒng)腫瘤的治療中具有重要轉(zhuǎn)化研究意義［2］。本文將對(duì)鐵死亡的分子機(jī)制以及近期國(guó)內(nèi)外鐵死亡在消化系統(tǒng)腫瘤中的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 鐵死亡的核心通路

1.1 氧化還原平衡和脂質(zhì)過(guò)氧化

腫瘤細(xì)胞中高濃度的活性自由基（reactive oxygen species，ROS）易與生物脂膜上富含烯丙基的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的脂質(zhì)過(guò)氧化物和其代謝產(chǎn)物如4-羥基-2-烯醛和丙二醛的堆積致使細(xì)胞膜崩解發(fā)生鐵死亡。在脂質(zhì)過(guò)氧化的上游，長(zhǎng)鏈脂酰CoA合成酶4（long-chain acyl-CoA syntheatase 4，ACSL4）和溶血卵磷脂乙酰轉(zhuǎn)移酶3（lysolecithin acetyl transferase 3，LPCAT3）是負(fù)責(zé)膜磷脂合成的關(guān)鍵酶［3-4］。ACSL4 可催化乙酰輔酶A 與PUFAs 中的花生四烯酸和腎上腺酸結(jié)合生成長(zhǎng)鏈多不飽和脂酰輔酶A，后者在LPCAT3 作用下與溶血磷脂酰乙醇胺結(jié)合生成含多不飽和?；牧字CSL4 和LPCAT3 的高表達(dá)被認(rèn)為是鐵死亡發(fā)生的標(biāo)志。脂質(zhì)過(guò)氧化在一定限度下是可逆的，通過(guò)內(nèi)源性抗氧化酶和外源性使用親脂抗氧化劑如生育酚、丁羥基甲苯等可阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)從而逆轉(zhuǎn)鐵死亡過(guò)程。

1.2 細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)和鐵死亡

鐵死亡另一個(gè)核心特征是對(duì)鐵的需求。鐵的作用一方面是與H2O2的芬頓反應(yīng)形成羥基自由基（OH·）和羥基過(guò)氧自由基（OOH·）。另一方面，鐵是脂質(zhì)過(guò)氧化相關(guān)催化蛋白的輔因子。使用脫鐵胺而非其他二價(jià)金屬螯合劑，以及沉默轉(zhuǎn)鐵蛋白受體均可逆轉(zhuǎn)Erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞鐵死亡［1］。

1.3 胱氨酸代謝與鐵死亡

谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）是體內(nèi)水解脂質(zhì)過(guò)氧化物的關(guān)鍵酶。GPX4依賴輔因子谷胱甘肽（glutathione，GSH）將有毒的脂質(zhì)過(guò)氧化物還原為無(wú)毒的脂質(zhì)醇，同時(shí)自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸凸入赘孰模╫xidized glutathione，GSSG）。GSH的合成需要半胱氨酸作為原料，后者在細(xì)胞外由胱氨酸（Gys）/谷氨酸（Glu）反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（Xc-系統(tǒng)）攝入細(xì)胞內(nèi)。當(dāng)細(xì)胞外半胱氨酸不足時(shí)，內(nèi)源性轉(zhuǎn)硫途徑合成的半胱氨酸可補(bǔ)充GSH。Xc-系統(tǒng)由是SLC7A11和SLC3A2兩個(gè)亞基組成，其核心SLC7A11在約70%的人腫瘤組織中過(guò)表達(dá)［1］。小分子化合物如Erastin、柳氮磺胺吡啶、索拉菲尼等是SLC7A11的藥理學(xué)靶點(diǎn)。通過(guò)SLC7A11抑制劑或基因敲除可使細(xì)胞因GSH耗竭發(fā)生顯著的鐵死亡。

1.4 對(duì)抗脂質(zhì)過(guò)氧化的新途徑

鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis-suppressor-protein 1，F(xiàn)SP1）是新近發(fā)現(xiàn)的鐵死亡保護(hù)因子［5-6］。FSP1通過(guò)N末端肉豆蔻?；饔帽荒技劫|(zhì)膜上，并通過(guò)NAD（P）H將泛醌（CoQ）還原為泛醌醇（CoQH2），后者是一種親脂性自由基清除劑，在GPX4缺失的情況下可限制細(xì)胞膜內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。Kraft等［7］發(fā)現(xiàn)GTP環(huán)水解酶-1及其代謝衍生物四氫生物蝶呤/二氫生物蝶呤在多種腫瘤中高表達(dá)并具有鐵死亡抗性。機(jī)制上，在半胱氨酸酶處理的細(xì)胞內(nèi)激活GTP環(huán)水解酶-1/四氫生物蝶呤/二氫生物蝶呤通路軸可通過(guò)GPX避免含有兩條特定多不飽和脂肪?；湹牧字c自由基發(fā)生過(guò)氧化，并介導(dǎo)了細(xì)胞內(nèi)CoQ豐度的提高。上述研究揭示了平行于GSH/GPX4經(jīng)典通路以對(duì)抗脂質(zhì)過(guò)氧化的全新途徑（圖1）。

2 鐵死亡研究在消化系統(tǒng)腫瘤中的進(jìn)展

2.1 肝癌

肝細(xì)胞癌是世界范圍內(nèi)致死率第2 位的癌癥。索拉菲尼作為晚期肝癌的一線用藥，被證實(shí)可誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞鐵死亡［8-10］。應(yīng)用脫鐵胺或Fer-1處理肝癌細(xì)胞可減弱索拉菲尼的抗腫瘤活性。機(jī)制上，索拉菲尼能夠抑制SLC7A11 表達(dá)，以獨(dú)立于其本身的RAF激酶抑制劑作用激活下游鐵死亡通路。Sun等［8］發(fā)現(xiàn)置于氧化壓力下的肝癌細(xì)胞通過(guò)激活自身P62-Keap1-NRF2 信號(hào)通路，上調(diào)NRF2 下游參與鐵和ROS代謝的靶基因，如醌氧化還原酶1（quinone oxidoreductase 1，NQO1）、血紅素加氧酶1（heme oxygenase 1，HO-1）和鐵蛋白重鏈1（ferritin heavy chain-1，F(xiàn)TH1），從而增強(qiáng)索拉菲尼的鐵死亡抗性。NRF2 同樣調(diào)控一種金屬硫蛋白（metallothionein-1G，MT-1G）的顯著表達(dá)，抑制MT-1G 提高索拉菲尼在體內(nèi)外的療效［9］。此外，一種精神類藥物氟哌啶醇被報(bào)道通過(guò)鐵死亡途徑對(duì)索拉菲尼起增敏效果［10］。上述結(jié)論為索拉菲尼在肝癌靶向治療領(lǐng)域方面提供了新的思路。

圖1 鐵死亡核心通路

肝癌的發(fā)生常伴隨抑癌基因的失活。Louandre等［11］報(bào)道Rb基因的抑癌作用至少部分通過(guò)鐵死亡途徑實(shí)現(xiàn)。相比于Rb野生型，在體內(nèi)外使用索拉菲尼處理Rb缺失的肝癌細(xì)胞可觀察到細(xì)胞內(nèi)高濃度的線粒體ROS水平和顯著的鐵死亡毒性。Jennis等［12］報(bào)道非洲人P53基因第47位絲氨酸（TP53S47）的遺傳多態(tài)性特點(diǎn)會(huì)影響P53抑制SLC7A11轉(zhuǎn)錄的能力。與野生型相比，S47突變體細(xì)胞在順鉑治療中表現(xiàn)出鐵死亡抗性，并增加了小鼠模型的肝癌風(fēng)險(xiǎn)。Xie等［13］報(bào)道P53在結(jié)腸癌細(xì)胞中可促進(jìn)二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-4，DPP4）入核形成DPP4-P53復(fù)合物，從而抑制質(zhì)膜相關(guān)DPP4依賴的脂質(zhì)過(guò)氧化以拮抗鐵死亡。提示不同背景下P53在鐵死亡中具有雙向調(diào)控作用。

2.2 胰腺癌

胰腺導(dǎo)管腺癌是惡性度最高的消化系統(tǒng)腫瘤。廣泛的KRAS突變使胰腺癌細(xì)胞重編程成為依賴于葡萄糖和谷氨酰胺代謝的狀態(tài)。Badgley等［14］發(fā)現(xiàn)胞外的半胱氨酸濃度對(duì)胰腺癌細(xì)胞存活至關(guān)重要。半胱氨酸剝奪的胰腺癌細(xì)胞在透射電鏡下可觀察到大量脂滴樣結(jié)構(gòu)的球狀上皮細(xì)胞病變，以及線粒體嵴破壞、線粒體膜不完整等腫瘤特異性的鐵死亡病理特征。在體內(nèi)外加入一種用于清除血液內(nèi)半胱氨酸的藥物—半胱氨酸酶，可特異性激活胰腺癌細(xì)胞鐵死亡。此外，半胱氨酸耗竭可激活細(xì)胞內(nèi)自噬，促進(jìn)了胰腺癌細(xì)胞內(nèi)核受體共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）降解［15］。NCOA4是一種鐵蛋白運(yùn)載受體，在自噬體上與FTH1結(jié)合并將后者遞送至溶酶體中降解從而增加細(xì)胞內(nèi)鐵的含量。研究發(fā)現(xiàn)，溶酶體功能障礙或自噬通量受損影響了鐵超載和脂質(zhì)過(guò)氧化物生成［16］，證明自噬和鐵死亡之間存在交互作用?；诖?，Li等［17］通過(guò)乳化技術(shù)構(gòu)建了一種由鐵蛋白、Erastin和雷帕霉素組成的新型納米藥物，該藥物在體內(nèi)通過(guò)同時(shí)誘導(dǎo)自噬和鐵死亡展現(xiàn)了良好的治療效果。

目前已鑒定出可誘導(dǎo)鐵死亡的多種化合物見(jiàn)圖2。傳統(tǒng)抗瘧疾藥物青蒿素是新近發(fā)現(xiàn)的鐵死亡特異性誘導(dǎo)劑，但機(jī)制尚未明確，一種解釋是KRAS突變胰腺癌細(xì)胞在接觸高濃度的青蒿琥酯可促進(jìn)KRAS突變胰腺癌細(xì)胞溶酶體合成V-ATPase，進(jìn)而激活溶酶體誘導(dǎo)自噬體NCOA4降解［18］。Chen等［19］發(fā)現(xiàn)雙氫青蒿素以一種自噬無(wú)關(guān)的方式誘導(dǎo)鐵蛋白的溶酶體降解，并通過(guò)與細(xì)胞游離鐵相互作用刺激鐵調(diào)節(jié)蛋白與含有鐵響應(yīng)元件序列的mRNA結(jié)合進(jìn)一步增加游離鐵?？傊噍锼丶捌溲苌镎T導(dǎo)的鐵死亡依賴于細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。此外，表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）被報(bào)道通過(guò)占據(jù)ATP結(jié)合位點(diǎn)抑制熱休克蛋白家族A成員5（heat shock 70kDa protein 5，HSPA5）與GPX4形成復(fù)合體從而促進(jìn)GPX4降解，并逆轉(zhuǎn)了胰腺癌細(xì)胞吉西他濱耐藥［20］。有報(bào)道β-異硫氰酸苯乙酯和Cotylenin A兩藥聯(lián)用或蓽拔酰胺、Cotylenin A和柳氮磺胺吡啶三藥聯(lián)用可分別顯著誘導(dǎo)耐藥和正常胰腺癌細(xì)胞生成ROS并誘發(fā)隨后的鐵死亡，證明鐵死亡是胰腺癌治療有希望的靶點(diǎn)［21-22］。

圖2 鐵死亡主要的誘導(dǎo)劑和抑制劑

2.3 結(jié)腸癌

結(jié)腸癌是全球第三大高發(fā)癌癥。食用富含纖維的食物可有效降低結(jié)腸癌患病風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有證據(jù)表明植物中含有的多酚、萜類、皂苷和類胡蘿卜素等有效成分可依賴鐵死亡途徑發(fā)揮抗癌功效。如苯并吡喃衍生物IMCA 通過(guò)激活A(yù)MPK/mTOR/p70S6k 信號(hào)通路抑制SLC7A11 表達(dá)，并降低胱氨酸和GSH 含量抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖［23］。白樺樹(shù)提取物Betula etnensis Raf 通過(guò)誘導(dǎo)血紅素加氧酶-1 表達(dá)增加細(xì)胞內(nèi)游離鐵濃度提高結(jié)腸癌細(xì)胞的鐵死亡敏感性［24］。Park等［25］發(fā)現(xiàn)菠蘿莖中的菠蘿蛋白酶通過(guò)調(diào)控ACSL4水平特異性誘導(dǎo)KRAS突變型結(jié)腸癌細(xì)胞鐵死亡，而在KRAS野生型中不明顯。

結(jié)腸癌細(xì)胞存在廣泛KRAS突變，導(dǎo)致晚期患者聯(lián)用化療和單克隆抗體靶向治療效果不佳［26］，通過(guò)靶向鐵死亡手段可增強(qiáng)現(xiàn)有治療效果。Chen等［27］發(fā)現(xiàn)KRAS 突變型的結(jié)腸癌細(xì)胞在植物提取物β-elemene和西妥昔單抗處理后鐵死亡通路被顯著激活，同時(shí)觀察到與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)的腫瘤生長(zhǎng)和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移被抑制。藥物劑量的維生素C 聯(lián)合西妥昔單抗可延緩結(jié)腸癌的獲得性耐藥。二者誘導(dǎo)的ATP耗竭和氧化應(yīng)激在結(jié)腸癌類器官中發(fā)揮不可逆的代謝性合成致死效應(yīng)［26］。使用Erastin 與順鉑聯(lián)合處理結(jié)腸癌細(xì)胞，也展現(xiàn)了預(yù)期的增敏效果［2］。

2.4 胃癌

胃癌是消化系統(tǒng)中最常見(jiàn)的惡性腫瘤，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為胃癌的發(fā)生與脂質(zhì)異常攝取和代謝有關(guān)。Hao 等［28］發(fā)現(xiàn)由c-Myb 轉(zhuǎn)錄調(diào)控的半胱氨酸雙加氧酶1將半胱氨酸轉(zhuǎn)化為牛磺酸致使GSH合成受阻，其結(jié)果是細(xì)胞內(nèi)以丙二醛為代表的脂質(zhì)過(guò)氧化物增加，同時(shí)鐵死亡敏感性提高。硬脂酰CoA去飽和酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1）是一種在胃癌中高表達(dá)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)脂肪合酶。Wang 等［29］報(bào)道SCD1可通過(guò)催化單不飽和脂肪酸生成發(fā)揮潛在的鐵死亡抗性。此外，脂肪分化相關(guān)蛋白PLN2同樣在胃癌中顯著表達(dá)。研究表明PLN2 通過(guò)下調(diào)ACSL3、ALOX15、LC3A等脂質(zhì)合成相關(guān)基因抑制胃癌細(xì)胞鐵死亡［30］。Zhang 等［31］使用順鉑和紫杉醇處理細(xì)胞后觀察到腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞（cancer associated fibroblasts，CAFs）激活并分泌miR522，后者通過(guò)靶向ALOX15阻斷脂質(zhì)ROS積累并抑制胃癌細(xì)胞鐵死亡，提示鐵死亡在介導(dǎo)胃癌細(xì)胞獲得性耐藥中的重要作用。

2.5 食管癌

食管癌是食管黏膜上皮細(xì)胞來(lái)源的惡性腫瘤，其中90%的病理類型是鱗狀細(xì)胞癌。放療是食管癌的輔助治療手段之一。Lei等［32］報(bào)道放療除直接損傷DNA 外，可上調(diào)細(xì)胞內(nèi)SLC7A11、GPX4、ACSL4 等鐵死亡關(guān)鍵基因表達(dá)，抑制鐵死亡途徑可導(dǎo)致食管癌放療抵抗。萜類化合物被報(bào)道可顯著誘導(dǎo)食管癌凋亡，Lu 等［33］在異土木香內(nèi)酯處理的食管癌細(xì)胞中觀察到ROS 顯著生成，通過(guò)外源使用乙酰半胱氨酸可逆轉(zhuǎn)因ROS 積累導(dǎo)致的細(xì)胞毒性，提示鐵死亡途徑或部分參與異土木香內(nèi)酯的抗癌活性。冬凌草甲素則通過(guò)抑制谷胱甘肽循環(huán)誘導(dǎo)食管癌細(xì)胞鐵死亡。在冬凌草甲素處理的食管癌TE1細(xì)胞中可觀察到γ-谷氨酰胺循環(huán)關(guān)鍵限速酶谷氨酸半胱氨酸連接酶和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶1 活性的顯著降低，以及GSH、GSSG、谷氨酸、半胱氨酸水平下降［34］。Wang 等［35］發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase 1，IDH1）的熱點(diǎn)突變賦予食管癌細(xì)胞KYSE-170 對(duì)Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡敏感性。其催化產(chǎn)物D-2-羥基戊二酸可通過(guò)降低GPX4水平以及增加GSH耗竭激活Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵死亡是一種新近發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡形式。本文概括了鐵死亡發(fā)生機(jī)制并總結(jié)了鐵死亡在消化道腫瘤中的研究進(jìn)展。通過(guò)將鐵死亡療法與放化療、靶向治療等方法聯(lián)用已在體內(nèi)外展現(xiàn)出了良好的治療效果。未來(lái)需要進(jìn)一步探索鐵死亡這一分子現(xiàn)象的本質(zhì)，以及明確鐵死亡與不同死亡途徑之間的干擾和交互。令人興奮的是，許多現(xiàn)有藥物已被證實(shí)可直接或間接誘導(dǎo)鐵死亡：如美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的補(bǔ)鐵劑鈉米氧化鐵、用于卵巢癌治療的六甲蜜胺、用于二型糖尿病治療的吡格列酮以及他汀類藥物等。綜上所述，鐵死亡的發(fā)現(xiàn)為消化道系統(tǒng)腫瘤治療提供了新的思路，但能否實(shí)現(xiàn)患者生存獲益仍需進(jìn)一步開(kāi)展臨床試驗(yàn)。