孫倚天,李國熊

孫倚天,李國熊,杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科 浙江省杭州市310015

0 引言

鐵死亡(Ferroptosis)是一種調(diào)節(jié)性細胞死亡(regulated cell death,RCD)形式,受到細胞內(nèi)多種誘導(dǎo)因子和抑制因子的調(diào)控,其特征是細胞磷脂質(zhì)成分通過鐵依賴機制的過氧化.目前的研究揭示了鐵死亡在部分腫瘤中的抗癌機制,了解鐵死亡的發(fā)生發(fā)展并探索其在慢性胃炎和胃癌疾病中的作用有助于臨床上開發(fā)新的疾病治療手段.

1 鐵死亡背景回顧

1.1 鐵死亡的發(fā)生與調(diào)節(jié) 傳統(tǒng)的細胞死亡形式有凋亡、自噬、焦亡等,鐵死亡最早于2012年由Dixon等發(fā)現(xiàn),它被定義為一種鐵依賴的調(diào)節(jié)性細胞死亡形式;形態(tài)學(xué)上,發(fā)生鐵死亡的細胞具有一些壞死特征,伴隨線粒體萎縮、膜密度增高、外膜破裂等,而不顯示染色質(zhì)濃縮等凋亡跡象.鐵死亡發(fā)生在氧化還原背景下,其本質(zhì)是細胞內(nèi)的磷脂質(zhì)過氧化,細胞內(nèi)的氧化還原水平可以通過NADP/NADPH、GSH/GSSG等電子傳遞鏈影響鐵死亡.鐵死亡發(fā)生途徑分為酶依賴的酶促脂質(zhì)過氧化和非酶依賴的芬頓反應(yīng)(Fenton reactions).酶促脂質(zhì)過氧化途徑由花生四烯酸脂氧合酶(arachidonate lipoxygenase,ALOX)介導(dǎo),ALOX是一個含鐵酶家族,包括ALOX5、ALOX12、ALOX12B、ALOX15、ALOX15B和ALOXE3六種成員;其中,ALOX15是鐵死亡通路的關(guān)鍵調(diào)控因子,它可以促進游離多不飽和脂肪酸的氧化.芬頓反應(yīng)由亞鐵離子(Fe)和過氧化氫催化產(chǎn)生,并繼續(xù)通過其下游的一系列反應(yīng)誘導(dǎo)磷脂質(zhì)成分過氧化.兩種途徑最終產(chǎn)生的磷脂氫過氧化物(phospholipid hydroperoxides,PLOOH)對細胞具有致命性損傷,導(dǎo)致細胞死亡.與此同時,細胞內(nèi)也存在多種抵抗PLOOH損傷的機制.谷胱甘肽(glutathione,GSH)依賴的脂質(zhì)過氧化修復(fù)系統(tǒng)是機體抗氧化的重要防線之一,谷胱甘肽過氧化物酶4(gluthione peroxidase 4,GPX4)以GSH為底物,直接催化內(nèi)源性PLOOH轉(zhuǎn)化為無害的脂質(zhì)醇,因而成為鐵死亡的負調(diào)控因子之一.細胞內(nèi)GSH的積累依賴于溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)的調(diào)節(jié),它是胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運體xCT的重要組成成分,因此,SLC7A11同樣具有抑制鐵死亡的作用.在此,筆者總結(jié)了部分鐵死亡的誘導(dǎo)因子和抑制因子(圖1).

圖1 鐵死亡通路調(diào)節(jié)因子.A: 誘導(dǎo)因子;B: 抑制因子.

1.2 潛在的腫瘤治療靶點 鐵死亡自被發(fā)現(xiàn)以來,就因其潛在的抗腫瘤作用而引起人們的廣泛關(guān)注.健康的機體必須保持氧化還原穩(wěn)態(tài),這對于防止DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等生物分子的過氧化損傷至關(guān)重要.一方面,與正常細胞相比,癌細胞表現(xiàn)出復(fù)雜的代謝適應(yīng)策略,包括阻斷凋亡和非凋亡等細胞死亡途徑,使其即使在氧化應(yīng)激條件下也能存活;另一方面,為滿足自身生長需要,癌細胞內(nèi)具有較高的游離鐵水平,使其對鐵死亡具有一定的敏感性.迄今為止,已有相當(dāng)數(shù)量的研究表明,肝癌、胰腺癌、卵巢癌、前列腺癌和彌漫性大B細胞淋巴瘤等惡性腫瘤對鐵死亡誘導(dǎo)劑具有敏感性;一些經(jīng)典的抗腫瘤藥物(如索拉非尼、阿帕替尼)和天然活性藥物(如青蒿素類化合物)也被證實能夠通過誘導(dǎo)鐵死亡而發(fā)揮抗癌作用.作為一種消除抗凋亡癌細胞的新途徑,鐵死亡有望被應(yīng)用于更多的腫瘤治療領(lǐng)域.

2 鐵死亡與慢性胃炎

慢性炎癥參與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展,是一個復(fù)雜的病理過程,其涉及到ALOX調(diào)節(jié)的花生四烯酸代謝途徑,在此過程中,氧化應(yīng)激對炎癥的形成至關(guān)重要.例如,幽門螺桿菌(,)的部分致病機制是其造成了機體活性氧的增加,Rahmani等證實了將抗氧化劑輔酶Q10(coenzyme Q10,CoQ10)與三聯(lián)療法聯(lián)合應(yīng)用有助于改善感染相關(guān)的胃粘膜炎癥.事實上,氧化應(yīng)激是胃炎的特征性病理改變之一.與消化道其他區(qū)域相比,抗氧化成分GSH在胃粘膜中具有更高的表達水平,從而保護黏膜抵御胃酸損傷.Amanda等發(fā)現(xiàn),胃炎組織中缺乏GPX家族的表達,而NADPH氧化酶、白介素等過氧化損傷標(biāo)記物則表達顯著.我們先前的總結(jié)揭示了鐵死亡與炎癥之間可能存在的聯(lián)系,即鐵死亡能夠通過釋放炎性因子、損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)等免疫原性促進炎癥反應(yīng),部分鐵死亡抑制劑有助于控制炎癥性疾病.因此,有理由推測當(dāng)細胞內(nèi)氧化應(yīng)激達到一定水平并誘導(dǎo)鐵死亡時,可能在一定程度上促進慢性胃炎的病理過程.此外,慢性炎癥是癌變和腫瘤進展的重要環(huán)境因素,炎癥微環(huán)境(包括氧化應(yīng)激、高水平炎性介質(zhì)、免疫因子浸潤、屏障完整性降低等)能夠推動上皮細胞轉(zhuǎn)化并加速腫瘤進展,炎-癌轉(zhuǎn)化這一概念已被普遍接受.臨床和流行病學(xué)證據(jù)表明,約有15%-20%的惡性腫瘤是由慢性炎癥引起,臨床上常見反流性食管炎-Barrett食管-食管腺癌、慢性萎縮性胃炎-不典型增生-胃癌、炎癥性腸病-結(jié)腸癌以及病毒性肝炎-肝硬化-肝癌等疾病演變過程.炎-癌轉(zhuǎn)化過程涉及到的ROS積累、DNA甲基化、炎性因子釋放、多種信號通路交叉等與鐵死亡之間具有復(fù)雜而緊密的聯(lián)系,能否通過調(diào)節(jié)鐵死亡通路干預(yù)炎-癌轉(zhuǎn)化進程也成為富有意義的研究方向.

3 鐵死亡與胃癌

胃癌(gastric cancer,GC)是消化系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一,位列全球第三位癌癥死亡原因.在我國,每年約有40萬例GC新發(fā)病例,占世界總發(fā)病例數(shù)的42%,形勢十分嚴峻.GC早期癥狀隱匿且缺乏特異性,相當(dāng)一部分患者確診時已處于進展期,盡管輔助化療、靶向治療、免疫治療等手段為患者提供了更多選擇,但手術(shù)治療仍為GC唯一可能的治愈手段和一線療法.近年來隨著內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展,EMR、ESD等內(nèi)鏡下手術(shù)治療展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢,但GC患者的整體預(yù)后狀況仍不樂觀,其復(fù)發(fā)率高,死亡率高,治愈率低.因此,尋找有助于GC診斷和靶向治療的生物標(biāo)記物尤為重要.

3.1 胃癌中的鐵死亡逃逸機制

3.1.1 GPX4高表達: GPX4是鐵死亡的重要抑制因子,也是各種疾病模型中常用的抗氧化標(biāo)記物.GPX4在乳腺癌、肺癌、口腔鱗狀細胞癌、腦膠質(zhì)瘤和彌漫性大B細胞淋巴瘤中均有較高表達,且其高表達與非小細胞肺癌的放療抵抗密切相關(guān).GPX4還可以保持胰腺癌和肺腺癌的干細胞特性,促進腫瘤增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移.一項針對消化系統(tǒng)腫瘤的研究表明,與非腫瘤組織相比,GPX等抗氧化酶在腫瘤組織中的水平顯著較高.在原發(fā)性GC中,GPX4-MPND融合基因可促進腫瘤的生長和進展;Wang等對GC中GPX4表達情況進行的數(shù)據(jù)分析提示,GPX4在GC組織中的轉(zhuǎn)錄水平明顯較高,且高水平的GPX4 mRNA與患者的不良預(yù)后相關(guān).

3.1.2 ALOX15抑制: 腫瘤相關(guān)成纖維細胞(cancerassociated fibroblasts,CAFs)是腫瘤微環(huán)境中的重要成分,在多種腫瘤中具有致瘤作用.上文提到ALOX15是鐵死亡的誘導(dǎo)因子,近來Zhang等發(fā)現(xiàn)GC中CAFs分泌的外泌體miR-522通過靶向ALOX15抑制了GC細胞的鐵死亡,進而促進腫瘤生長,并降低了GC對順鉑和紫杉醇化療的敏感性;此外,在結(jié)直腸癌中,ALOX15可作為一種抑癌基因表達,這些提示我們ALOX15在GC中或許具有類似作用,但仍需進一步實驗驗證.

3.1.3 PLIN2過表達: 脂肪酸代謝異常與多種腫瘤的發(fā)生相關(guān),超重人群的GC高患病率也提示著GC發(fā)生與脂質(zhì)積累的相關(guān)性.脂肪分化相關(guān)蛋白(perilipin 2,PLIN2)是一種與細胞內(nèi)脂滴代謝相關(guān)的蛋白,它可以促進細胞脂肪分化,為細胞生長提供能量.作為一種促癌基因,PLIN2在促進GC細胞增殖和抑制其凋亡方面具有顯著作用.目前的觀點是PLIN2通過PRDM11和IPO7等基因參與了GC細胞鐵死亡途徑的調(diào)控,其過度表達導(dǎo)致細胞內(nèi)相對缺氧的環(huán)境,進而抑制鐵死亡并促進GC的進展.

3.1.4 SCD1高表達: 硬脂酰輔酶A去飽和酶1(stearoyl-CoA desaturase 1,SCD1)是細胞脂肪酸轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵酶.作為GC中的癌基因之一,SCD1基因在GC組織中高表達,能夠增強GC細胞的增殖和遷移能力.研究表明,GC中的SCD1可以提高鐵死亡抑制因子GPX4和SLC7A11的表達水平,抑制SCD1可顯著促進鐵死亡并抑制GC細胞的生長,這從鐵死亡的角度揭示了癌基因SCD1的作用機制.

3.1.5 CDO1低表達: 半胱氨酸雙加氧酶1(cysteine dioxygenase 1,CDO1)能夠催化半胱氨酸氧化,其編碼基因是一種新發(fā)現(xiàn)的抑癌基因.Hao等發(fā)現(xiàn),CDO1通過限制半胱氨酸合成GSH而影響鐵死亡過程,CDO1在GC細胞中的低表達可能導(dǎo)致GC細胞上調(diào)GPX4水平從而抑制鐵死亡.目前,我國已開展圍繞CDO1的鐵死亡相關(guān)GC藥物的技術(shù)專利研究,為探索靶向鐵死亡的GC治療提供了一定的思路.

事實上,除了上文列出的幾種基因外,GC中鐵死亡的調(diào)節(jié)還涉及到核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,NRF2)、極光激酶A(aurora kinase A,AURKA)等因子(圖2).總結(jié)以上不難發(fā)現(xiàn),無論是抗氧化酶類的過表達,亦或是促脂質(zhì)過氧化酶類的低表達,都產(chǎn)生了同一種影響: 即鐵死亡的抑制,這種鐵死亡“逃逸”或在一定程度上有利于癌細胞的增殖或轉(zhuǎn)移.這也提示我們包括GPX4、ALOX15和PLIN2等在內(nèi)的鐵死亡調(diào)控因子或許可以作為潛在的分子標(biāo)記物,用于GC的診斷和治療靶點的研發(fā).

圖2 胃癌鐵死亡逃逸的相關(guān)機制.ACP: 藤梨根;ALOX15: 花生四烯酸脂氧合酶15;AURKA: 極光激酶A;CDO1: 半胱氨酸雙加氧酶1;GLS2: 谷氨酰胺酶2;GPX4: 谷胱甘肽過氧化物酶4;GSH: 谷胱甘肽;PG: Physion 8-0-β-葡萄糖苷;PLIN2:脂肪分化相關(guān)蛋白;SCD1: 硬脂酰輔酶A去飽和酶1;SLC7A11: 溶質(zhì)載體家族7成員11;TanⅡA: 丹參酮ⅡA.

3.2 靶向鐵死亡的藥物 鐵死亡抵抗被認為是促進腫瘤耐藥性的重要分子機制之一.Physion 8-0-β-葡萄糖苷(physcion 8-0-β-glucop yranoside,PG)是一種天然活性成分,在抑制多種癌癥的增殖和轉(zhuǎn)移中起著重要作用,如黑色素瘤、乳腺癌、肝癌、腎癌和膠質(zhì)母細胞瘤等.Niu等發(fā)現(xiàn),在GC中,PG通過下調(diào)miR-103a-3p對谷氨酰胺酶2(glutamine synthase 2,GLS2)表達的抑制作用進而誘導(dǎo)細胞鐵死亡,發(fā)揮抗腫瘤作用.一些具有抗GC作用的中草藥成分也被發(fā)現(xiàn)其作用途徑與鐵死亡相關(guān).丹參酮ⅡA(tanshinone ⅡA,Tan ⅡA)是來自中藥丹參的提取物,臨床上常用于治療心血管疾病;它還在肝癌細胞、胃癌細胞、結(jié)腸癌細胞和肺癌細胞等人類癌細胞中展示出抗腫瘤活性.最近,Guan等發(fā)現(xiàn)鐵死亡是Tan ⅡA在GC中發(fā)揮抗腫瘤作用的途徑之一,在BGC-823和NCI-H87細胞中,Tan ⅡA促進了脂質(zhì)過氧化,下調(diào)SLC7A11的表達進而誘導(dǎo)鐵死亡并抑制GC的增殖;鐵死亡抑制劑Fer-1可減弱其抗癌作用.藤梨根(actinidia chinensis planch,ACP)是一種知名中藥,已被批準作為抗腫瘤藥物應(yīng)用于白血病、肺癌、GC、結(jié)腸癌和肝癌等多種疾病的輔助治療.除了促進癌細胞凋亡外,Gao等發(fā)現(xiàn),在ACP處理的HGC-27細胞中,GPX4和SLC7A11的表達受到明顯抑制,最終加速細胞鐵死亡的發(fā)生.這些都提示我們靶向鐵死亡可能是治療GC的一種新手段.有趣的是,不同組織學(xué)類型的GC細胞對靶向鐵死亡的藥物可能具有不同的敏感性,GC間充質(zhì)干細胞相較于腸型GC細胞對鐵死亡更加敏感.一方面,這可能是由于前者含有更多與鐵死亡相關(guān)的脂質(zhì);另一方面,這與腸型GC細胞中NRF2依賴的抗氧化途徑和SLC40A1活性增加有關(guān).

4 總結(jié)與展望

作為一種新的細胞死亡形式,鐵死亡被發(fā)現(xiàn)至今僅十年,雖然目前已在多種類型的腫瘤中證實了鐵死亡的存在,但有關(guān)鐵死亡與慢性胃炎和GC的研究尚不多見.圍繞氧化還原背景,我們探討了部分鐵死亡靶點在GC中的表達,GC中的鐵死亡“逃逸”或是促進細胞增殖及腫瘤耐藥性的一種可能機制,作用于鐵死亡通路的抗腫瘤藥物也為GC的治療提供了新的策略.但目前的研究多來自于理論分析或?qū)嶒災(zāi)Ｐ?鐵死亡的促炎作用是否適用于慢性胃炎、能否通過調(diào)節(jié)鐵死亡通路干預(yù)胃炎-胃癌的轉(zhuǎn)化過程等問題仍有待進一步研究,如何將靶向鐵死亡治療胃腸道疾病的理念轉(zhuǎn)變?yōu)榕R床實踐應(yīng)用是未來富有前景的研究方向.