铁死亡发生机制及其与消化系统恶性肿瘤发病的关系研究进展

孙伟，孙立新，郎庆赋，裴铁民

哈尔滨医科大学附属第一医院肛肠外科，哈尔滨150001

消化系统肿瘤发病率逐年上涨，其病死率在我国癌症中居于首位，其主要的治疗手段包括手术切除、新辅助放化疗、靶向治疗、免疫治疗等。不同于坏死、凋亡和自噬等类型的细胞程序性死亡（RCD），铁死亡是2012 年由Stockwell 正式命名的一种非凋亡性的RCD 形式，其特征是铁过载、活性氧（ROS）积累和脂质过氧化［1-2］。研究发现，铁死亡细胞内的线粒体出现体积减小、嵴减少或消失，细胞膜密度增加和细胞外膜断裂，染色质缺乏凝结等现象，而细胞结构是完整的［3］。近年来研究显示，铁死亡广泛参与了多种疾病的发生，逐渐发展成为肿瘤治疗的潜在方向。本文对铁死亡的发生机制及其与消化系统恶性肿瘤中的关系作一综述，为消化系统恶性肿瘤的治疗提供新的参考方向。

1 铁死亡的发生机制

1.1 铁代谢异常 铁是人体内极其重要的微量元素，其细胞内外含量会影响癌细胞中铁死亡的敏感性。细胞内不稳定铁离子（Fe2+）水平是脂质过氧化和诱导铁死亡的关键因素，转铁蛋白介导的铁摄取或铁自噬可提高Fe2+水平，而转铁蛋白受体（TFR）表达下调可抑制铁死亡的发生。Fe2+与H2O2的Fenton反应所产生的羟基自由基是一种具有高度流动水溶性的ROS，可与多不饱和脂肪酸（PUFA）发生氧化反应，脂质过氧物的大量堆积可使细胞膜发生裂解。研究发现，铁调素可负性调节肿瘤患者体内的TFR，其水平显著升高时可明显抑制Fe2+外排。铁调素与膜铁转运蛋白（FPN）结合，能够调节细胞内FPN 含量，关闭铁离子通道，进而间接调节铁代谢；但由于FPN对铁调素具有抗性，会导致细胞铁超载，而外源性铁离子能促进诱导剂erastin 的铁死亡进程［4］。核受体共激活因子4（NCOA4）是铁蛋白转运受体的靶点，该化合物通过破坏NCOA4-FTH1 蛋白—蛋白相互作用，减少细胞内可生物利用的亚铁含量，从而阻断铁中毒的发生。铁自噬可通ATG5/ATG7/NOCA4途径降解铁蛋白，引起细胞内游离铁浓度升高，进而促进铁死亡［5］。RAS-RAF-MEK 信号通路可调控TFR 以及铁蛋白，来增加细胞内Fe2+含量，从而影响肿瘤细胞内铁死亡的敏感性，而Ras 突变基因过表达会增加细胞对铁死亡的抗性［6］。铁蛋白作为核转录因子Nrf2 的下游调控基因，也会受到p62/Keap1/Nrf2 信号通路的调控［7］。最新研究发现，顺铂和PRLX93936 联合治疗会导致ROS、脂质过氧化和铁表达上调，从而引发铁中毒［8］。上述研究表明，细胞内游离铁受到多种因素的影响，靶向治疗铁依赖的肿瘤细胞可成为潜在的研究方向。

1.2 脂质代谢异常 在正常细胞中，脂质的氧化与还原处于动态平衡状态。但随着细胞癌变或者外源因素的介入，平衡就会被打破。目前普遍认为，多不饱和脂肪酸（PUFA）发生脂质过氧化导致大量的ROS堆积，产生氧化应激和毒性作用。研究发现，脂质代谢应激可促进PUFA 与膜磷脂（PLs）结合，使肿瘤细胞对铁死亡更加敏感［9］。含有花生四烯酸或其衍生物肾上腺酸的磷脂酰乙醇胺（PEs）是诱导细胞发生铁死亡的重要物质。乙酰辅酶A合成酶长链家庭成员4（ACSL4）与溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）是合成膜磷脂的关键酶，ACSL4、LPCAT3与PUFA 共同作用可以将花生四烯酸或肾上腺酸酯化为PEs，最后在脂氧合酶作用下生成脂质氢过氧化物，其分解产物可造成蛋白质的破坏，使质膜萎缩变薄、曲率增加，进一步诱导铁死亡［10］。笔者认为，通过调控脂质过氧化物酶通路如促进脂氧合酶（LOXs）、NADPH 氧化酶（NOXs）以及线粒体电子传输链表达，可增加细胞对铁死亡的敏感性，对于肿瘤治疗具有重要的临床意义。

1.3 氨基酸代谢异常 胱氨酸/谷氨酸反向转运体（System Xc-）是一种跨膜蛋白复合物，含有亚基SLC3A2和SLC7A11，可调控细胞外胱氨酸与细胞内谷氨酸交换，促进细胞内谷胱甘肽（GSH）合成，并维持其稳定性，从而减少细胞氧化损伤，抑制铁死亡的发生［11］。小分子物质 erastin 可作用于 System Xc-，抑制细胞对胱氨酸的摄取，减少GSH 合成，并促进ROS 蓄积。另外，经转硫途径也可将蛋氨酸合成半胱氨酸，但通过该途径的细胞对System Xc-抑制剂诱导的铁死亡敏感性下降，通过干扰RNA（siRNA）也可以通过抑制半胱氨酸-tRNA 合成酶来加强转硫途径［12］。谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）是脂质过氧化和铁死亡的关键抑制因子，GPX4 缺乏时细胞内大量ROS 与膜脂PUFA 发生Fenton 反应，会损伤细胞质膜结构，触发铁死亡。硒代半胱氨酸是组成GPX4 活性中心的氨基酸之一，可通过转运体—硒代半胱氨酸tRNA 嵌入GPX4 中，保护细胞免受氧化应激引起的细胞死亡。研究发现，硒可通过转录因子TFAP2c 和Sp1 的协同作用，促进GPX4 及相关基因表达，从而保护神经元。而RSL3 可以直接抑制GPX4 功能，但并不会改变 GSH 水平［13］。此外，siRNA 可以使 GPX4 mRNA 表达水平降低 20 倍，严重引起细胞ROS 积累和铁死亡［12］。最新研究发现，铁死亡虽然是一种氧化细胞死亡机制，但在缺氧的条件下也可以被诱发，并且其敏感性显著下降［14］。因此，通过抑制GSH 的生物合成或阻断细胞从外环境摄入胱氨酸可能成为调控铁死亡的潜在靶点。

增殖的癌细胞对能量的需求不断增加，其更倾向于加快糖酵解和谷氨酰胺消耗［10］。高浓度谷氨酰胺存在于人体组织和血浆中，其降解产物可成为三羧酸（TCA）循环的燃料。谷氨酰胺缺乏会引起细胞内的胱氨酸缺乏，GSH 合成减少，抑制ROS 积累。GAO 等［15］研究发现，只有在谷氨酰胺分解产物α-酮戊二酸（αKG）存在的情况下才能诱导铁死亡，并指出谷氨酰胺酶GLS1和GLS2可催化谷氨酰胺转化为谷氨酸，但仅有GLS2是发生铁死亡所必需的。GLS2作为p53的靶向基因，其水平上调会促进p53依赖性铁死亡的发生。细胞内高浓度谷氨酸可抑制System Xc-，减少胱氨酸摄取，在细胞内大量聚集的GSH 和ROS可诱发铁死亡。MASSIE等［16］研究发现，当小鼠System Xc-敲除时，高浓度的谷氨酸不能引起神经毒性损伤，这种现象提示System Xc-可作为潜在的作用靶点。笔者认为，应着重探究糖酵解氧化代谢与铁死亡之间的联系，为肿瘤的治疗提供新靶点。

1.4 其他代谢途径异常 辅酶Q10（CoQ10）是一种内源性铁死亡抑制剂，在细胞膜中具有抗氧化作用，可降低细胞膜的氧化损伤。除了铁代谢、脂质代谢、氨基酸代谢异常外，NADPH/FSP1/CoQ 通路则是脂质过氧化及铁死亡的另一个关键的抑制机制［17］。而NADPH 是细胞内降解PUFA 所必需的还原剂，其水平可反映铁死亡敏感性。DOLL 等［17］和BERSUKER等［18］发现，铁死亡抑制蛋白1（FSP1）具有NADPH 依赖的辅酶Q氧化还原酶的作用，可依赖NADPH催化CoQ10再生，从而提高自由基捕获能力来保护细胞，并对GPX4 缺失引起的铁死亡也具有保护作用。热休克蛋白家族（HSF）的HSF1/HSPB1 信号通路可以负性调节肿瘤细胞内ROS 和铁含量，诱导铁死亡的发生，而磷酸化的HSFB1可以逆转该过程［19］。

此外，ATG5/ATG7/NCOA4、p62/Keap1/Nrf2、MUC1-C/xCT、p53/SAT1/ALOX15、MiR/15a、GCN2/eIF2α-ATFF4 代谢途径均可有效调控细胞内铁离子和ROS 的生成，具有调控铁死亡发生的作用。TTC35、CS、ATP5G3和RPL8基因也会参与人类肿瘤细胞的多种代谢过程，继而参与调控铁死亡的发生［2］。目前对于铁死亡的标志性机制仍然未知，需要进一步探索和发现。

2 铁死亡与消化系统肿瘤的关系

2.1 铁死亡与肝癌 肝细胞癌（HCC）是全球癌症病死率位居第四的肿瘤。长期以来，人们普遍认为引起肝脏疾病的主要原因之一是肝脏铁超载，铁死亡可能在HCC的发生中发挥重要作用。YUAN等［20］研究发现，肝癌细胞中CDGSH 铁硫结构域蛋白1（CISD1）作为一种线粒体铁输出蛋白，可减少线粒体内Fe2+积累，降低脂质过氧化，阻断铁死亡。而吡格列酮可促进CISD1 的铁硫簇稳态，抑制铁死亡的发生。目前，肿瘤细胞的耐药性已然成为肿瘤治疗的挑战。索拉菲尼是一种被批准用于治疗HCC 的蛋白激酶抑制剂，可通过诱导氧化应激和铁死亡等方式引起细胞死亡，但这种方式可以被Ferrostatin-1或去铁胺完全阻断。氟哌啶醇可显著增加细胞中Fe2+和GSH 含量，提高ROS 水平，增强索拉非尼对肝癌细胞的毒性作用［21］。p62/Keap1/Nrf2通路激活可上调铁蛋白重链1（FTH1）表达，增加细胞内Fe2+水平，增强肝癌细胞对铁死亡的耐受［7］。石榴乳状液可介导Nrf2 上调，可能与大鼠肝脏组织中mRNA 表达升高有关。笔者认为，通过调节p62/Keap1/Nrf2信号通路来减轻氧化损伤，对于肝癌的治疗具有重大潜力。

SLC7A11 在肝癌细胞中高表达，可抑制细胞内ROS 水平，而下调SLC7A11 来诱导铁死亡可能是抑制突变小鼠肿瘤发展的机制之一［22］。最新研究显示，隐丹参酮可显著抑制HepG2 细胞活力，增加ROS 积累，降低 GSH 水平，下调 System Xc-和 GPX4表达，引起细胞形态改变和细胞铁死亡。而Ferrostatin-1、铁螯合剂（DFO）和ROS 清除剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以缓解隐丹参酮引起的HepG2 细胞活力下降［23］。下调肝癌细胞中ACSL4 表达可显著抑制erastin 诱导的肝癌细胞HepG2 的铁死亡，这可能与ACSL4 介导5-羟过氧化二十碳四烯酸，从而引起脂肪毒性作用有关。有研究敲除肝癌细胞中视网膜母细胞瘤蛋白（RB）基因，结果可明显观察到肿瘤细胞对索拉菲尼诱导的铁死亡更加敏感，肝癌细胞铁死亡的发生显著增强［24］。而通过抑制铜蓝蛋白（CP）可显著增加细胞内Fe2+和ROS 积累，进而促进erastin 和RSL3 诱导的HCC 铁死亡。金属硫蛋白1G对细胞铁死亡呈负性调控作用，其在肝癌细胞中低表达，可增加肿瘤细胞对索拉非尼的耐药性，导致肝癌患者预后不良。

2.2 铁死亡与结直肠癌 结直肠癌是消化系统最常见的恶性肿瘤之一，病死率居第三位，且呈逐年上升趋势。L-ROS 过量累积可导致铁死亡的发生，但其对癌症病程的影响却不尽相同。研究发现，GPX4可将脂质过氧化氢转化为脂质醇，从而限制L-ROS过量累积，阻止铁死亡发生［13］。而顺铂、RSL3、多西他赛等多种物质均可抑制结直肠癌细胞中GPX4 表达，诱导结直肠癌细胞发生铁死亡。研究发现，Kras基因作为铁死亡的上游调控基因，可促进ACSL4 在人结直肠癌细胞中高表达，诱导细胞发生铁死亡，从而抑制癌症进展，但这种效应在Kras 野生型中并不明显［6］。Honokiol（HNK）是一种双酚化合物，可以通过降低GPX4 活性来诱发结直肠癌细胞发生铁死亡，但不会影响 System Xc-［25］。桦木树皮甲醇提取物会使结直肠癌细胞内血红素氧合酶1 水平升高、脂质ROS 过量累积，导致细胞活性下降甚至死亡［26］。与其他肿瘤细胞不同，在结直肠癌细胞中p53 主要通过非转录机制诱导细胞发生铁死亡，p53可介导抑制分子SCL7A11C表达，并且p53基因缺失可提高体内erastin 的抗癌活性［27］。因此，笔者认为p53 可能是结直肠癌治疗方案的中一个重要潜在靶点。miRNAs 可以通过靶向HSPB1，增加结肠癌细胞对5-氟尿嘧啶的化疗敏感性［12］。经erastin 诱导后，HSF1 在结直肠癌细胞中的表达升高，并参与抑制铁死亡的发生。

2.3 铁死亡与胰腺癌 胰腺癌是消化系统恶性程度最高的肿瘤，患者生存率极低、预后极差。胰腺癌的发病机制可能是广泛突变的Kras 基因重新编码胰腺癌（PDAC）细胞，表现为对细胞凋亡具有高度抗性。研究表明，Kras 突变的PDAC 细胞可被Art特异性诱导，产生大量PUFA，引发铁死亡；HSPA5 联合吉西他滨可激活HSPA5/GPX4 途径，使PDAC 细胞对吉西他滨产生耐药性，从而影响胰腺癌患者的预后，而下调HSPA5或GPX4基因表达可逆转PDAC细胞的耐药性［19］。天然化合物韦德洛拉酮（Wed）具有强烈的抗炎和抗氧化活性，可广泛抑制Caspase-1/11 活化，降低白细胞介素 1β 和 gasdermin D 的 N 端结构域水平，抑制氧化应激和脂质过氧化，上调GPX4表达，从而介导铁死亡的发生。Wed也可促进GPX4 的转录活性，提高细胞对硒的敏感性［28］。天然产物荜苃酰胺、Cotylenin A 和柳氮磺胺吡啶联合可通过铁死亡有效抑制胰腺癌细胞增殖［29］。而黄芩素则可通过激活Nrf2 通路，阻止erastin 诱导Nrf2 降解，从而抑制氧化损伤。研究发现，ER 蛋白STING1通过增加MFN1/2 依赖的线粒体融合，导致ROS 产生和脂质过氧化，促进人胰腺癌细胞的铁死亡。STING1 基因缺失可降低胰腺癌细胞对铁死亡的敏感性，在胰腺癌细胞中miR-15a 可直接靶向胰腺癌相关的多个基因，提示其可能成为胰腺癌治疗的新靶点［30］。目前，对于调控胰腺癌细胞铁死亡的联合用药已成为未来研究的热点。

2.4 铁死亡与胃癌、食管癌 胃癌、食管癌也是常见的消化道肿瘤。天然化合物济源冬凌草素A（JDA）的衍生物a2 可降低GPX4 表达，同时过表达GPX4 可拮抗a2 的抗细胞增殖活性，从而抑制胃癌细胞增殖［31］。NIU 等［32］发现，大黄甲素 8-O-β-吡喃葡萄糖苷（PG）可上调细胞内ROS、Fe2+水平及丙二醛生成，从而诱导胃癌细胞发生铁死亡。在胃癌细胞中，miR-103a-3p 可以靶向作用于GLS2，抑制谷氨酰胺分解，显著抑制胃癌细胞增殖，改善胃癌患者的预后［33］。研究发现，腺病毒介导表达的p53 可作用于GLS2 基因的潜在结合位点，通过转录方式上调GLS2 表达，进而促进铁死亡。在食管癌细胞中，SLC7A11 可通过p53/ROS 通路参与细胞的铁死亡，且其表达与肿瘤增殖指数Ki-67 呈正相关关系。细胞内TOP2A、CENPF、ASPM 上调表达会增加食管癌细胞对RSL3 诱导铁死亡的敏感性，显著降低GPX4蛋白表达，但SLC7A11 表达则无明显变化。DNAJB6a 过表达可伴随GPX4 和磷酸化AKT（p-AKT）蛋白表达显著降低，并通过影响铁死亡而发挥抑癌作用。因此，5-ALA 可能是一种很有前途的治疗食管鳞癌的新药物。

综上所述，铁死亡的发生与铁代谢、脂质代谢、氨基酸代谢异常等有关；p53、CoQ10、FSP1、HSP 和GPX4 等可通过对细胞铁死亡的影响，参与肝癌、结直肠癌、胰腺癌、胃癌、食管癌等消化系统肿瘤的发生与发展，为消化系统肿瘤的治疗提供更多可能的靶点。目前，仍有一些领域需要我们继续探索。首先，针对铁死亡与消化道肿瘤的治疗方面，应着重探索对参与铁死亡重要靶点有效的抑制剂、激活剂以及联合药物的应用；其次，需进一步研究和阐明铁死亡的发生机制，继续探究铁死亡与消化道肿瘤及其他系统肿瘤发生发展的关系；再次，开展广泛的多学科合作，制定有效的铁死亡检测方法，兼顾前沿科学技术发展、先进医疗技术，寻找新的特异性肿瘤标记物，为临床诊断提供有效的判定标准；最后，鉴于铁死亡是一种新的细胞死亡方式，应积极探究与其他细胞死亡方式之间的区别及联系，进一步探究各种细胞死亡方式间的相互调控作用，为深入理解调节性细胞死亡在癌症等疾病中的作用提供依据。