低氧誘導因子與鐵代謝紊亂促腫瘤發展研究進展

廖春雨，李清鈺，原玉柱，趙永睿，張 曦，肖 莉，孫麗新

（1.中國藥科大學江蘇省藥效研究與評價服務中心，江蘇 南京 210009；2.湖州師范學院生命科學學院浙江省媒介生物學與病原控制重點實驗室，浙江 湖州 313000）

一直以來，惡性腫瘤的治療策略備受關注。鐵作為人體必需的微量元素，對機體具有重要作用，鐵代謝紊亂導致鐵蓄積，誘導細胞病變，促進腫瘤發生、增殖和轉移［1］。低氧誘導因子（hypoxia-inducible factors，HIF）作為檢測和適應細胞氧水平的中央調節因子，在低氧時被激活并促進腫瘤血管生成、腫瘤細胞存活及轉移等［2-4］。近年來，多項研究表明，鐵代謝與HIF相互作用在不同疾病或組織中起著重要作用，尤其是腫瘤。鐵代謝與HIF在腫瘤細胞增殖、遷移與能量代謝及腫瘤血管和免疫微環境等方面均具有重要影響。該綜述為協同調控鐵代謝與HIF途徑為治療腫瘤提供新思路。

1 鐵代謝與HlF的相互作用

鐵代謝在維持生物體內正常生理活動中起著關鍵作用，鐵代謝相關蛋白對機體鐵含量進行調控［5］。組織中鐵含量升高時膜鐵轉運蛋白（ferroportin，FPN）上調，輸出多余細胞鐵，防止細胞氧化損傷［6］。肝細胞是鐵以鐵蛋白為形式儲存的重要部位，分泌鐵調素以調節血漿鐵水平。血漿鐵含量較高時，鐵調素水平升高，且與FPN結合并誘導其降解，減少鐵從細胞中輸出以降低血漿鐵含量［7］，血漿鐵與鐵調素的關系如同血糖與胰島素的關系。

HIF是調節氧平衡的主要轉錄因子之一，由受低氧信號調控的α亞基和穩定表達的芳香烴受體核轉運蛋白β亞基組成，其中α亞基主要包含HIF-1α和HIF-2α［8］。常氧狀態下，HIF-α持續合成，但其脯氨酸殘基在二價鐵（Fe2+）、2-氧戊二酸和氧等輔助因子作用下，被脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylases，PHD）羥基化，并與馮希佩爾-林道病蛋白（Von Hippel-Lindau protein，VHL）結合，經泛素-蛋白酶體途徑快速降解。在低氧或缺鐵時，羥基化反應受阻導致HIF-α不易降解而積聚于細胞內，最后HIF-α從胞質進入細胞核，并與HIF-β結合形成二聚體［9］。

一般HIF誘導鐵代謝相關蛋白十二指腸細胞色素B（duodenal cytochrome B，DCYTB）、二價金屬離子轉運蛋白1（divalent metal-ion transporter 1，DMT1）、轉鐵蛋白受體（transferrin receptor，TFR）和FPN1的表達［10-13］，抑制鐵調素表達［14］，該調控對機體各部位鐵含量具有重要作用。在星形膠質細胞中，雌激素誘導HIF-1α表達，從而促進DMT1和FPN1表達，降低鐵含量，但HIF-2α表達無明顯變化［10］。此外，HIF-1α通過直接結合低氧反應元件來調節鐵調節蛋白（iron regulatory protein，IRP）并上調TFR［15］。HIF-2α具有調節腸道鐵吸收的生理作用，未進食時，腸絨毛微血管血流量較小，處于低氧狀態，腸細胞HIF-2α水平上調并與低氧反應元件結合，誘導鐵吸收相關基因表達，如DCYTB，DMT1和FPN1，促進餐后消化過程中鐵的攝取。特異性敲除小鼠肝細胞中的VHL后，HIF-2誘導腸道DMT1和DCYTB表達，協調促紅細胞生成素合成與鐵代謝［11］。

鐵通過不同機制誘導或抑制HIF-α表達。生理條件下鐵通過2種獨立機制調節HIF-α表達：①鐵促進鐵反應元件依賴性的HIF-2α轉錄物的翻譯，也可能促進HIF-1α轉錄物的翻譯［16-17］；② 鐵激活PHD，催化VHL依賴性的HIF-α蛋白的降解［18］。正常情況下，即VHL和PHD活性存在時，鐵催化HIF-α蛋白的降解為主要機制。鐵離子螯合劑去鐵胺上調抗氧化酶、HIF-1α及其靶蛋白水平，減少ob/ob小鼠附睪脂肪中的鐵蓄積，減小肥大脂肪細胞體積［19］。人肺移植中氣道組織缺血和低氧導致氣道吻合并發癥發生，去鐵胺降低鐵含量上調HIF-1α水平，促進氣道吻合微血管再生［20］。Schwartz 等［12］報道，在肝鐵調素敲除小鼠的十二指腸細胞中，HIF-2α及其靶基因被激活，FPN，DCYTB，DMT1和TFR1的mRNA和蛋白水平均上調，但HIF-1α無明顯變化。此外，敲除小鼠腸道FPN，低鐵和貧血誘導的HIF-2α活化被阻斷；在腸道DMT1敲除小鼠的十二指腸細胞中，HIF-2α被活化。Schwartz等［13］還發現，他莫昔芬（tamoxifen）治療缺鐵性貧血小鼠導致腸上皮鐵潴留，且缺鐵性貧血終末期腸道缺氧，從而激活HIF-2α的特異性鐵靶基因DCYTB和DMT1，但對HIF-2α調節的炎癥基因和TFR1無影響。這表明低氧時腸上皮鐵水平是控制HIF-2α表達的主要刺激因素。在血液病和腫瘤等疾病中IRP1是操縱HIF-2α作用的治療靶點。IRP1抑制時，HIF-2α的靶標表達增強，如DCYTB，DMT1和FPN，而IRP2抑制時并不發揮此作用［21-22］。

2 鐵代謝紊亂與HlF失調促進腫瘤進展

近年來多項研究表明：鐵代謝與HIF相互聯系，HIF誘導DCYTB，DMT1，TFR和FPN1的表達并抑制鐵調素表達，從而影響鐵含量［10-14］。在VHL和PHD活性存在時，Fe2+抑制HIF的表達［18］。多數腫瘤出現鐵代謝紊亂，導致鐵蓄積［1］。低氧也是腫瘤發展的關鍵因素，誘導腫瘤組織HIF表達［2-4］。鐵代謝和HIF對腫瘤的多個方面產生影響，主要包括腫瘤細胞增殖、遷移和侵襲及能量代謝、腫瘤血管生長和腫瘤免疫微環境等（圖1）。

圖1 低氧誘導因子（HlF）協同鐵代謝促進腫瘤發展.DCYTB：十二指腸細胞色素B；DMT1：二價金屬離子轉運蛋白1；TFR：轉鐵蛋白受體；FPN1：膜鐵轉運蛋白1；VHL：馮希佩爾-林道病蛋白；PHD：脯氨酸羥化酶.

2.1 促進腫瘤細胞增殖、遷移和侵襲

鐵是腫瘤細胞生存必需的礦物質，鐵代謝失調是許多腫瘤發生及發展的標志。在腫瘤細胞中，鐵代謝途徑被重新編程以促進細胞鐵儲存，從而促進腫瘤細胞生長和轉移。鐵調素與鐵含量呈正相關，可下調鐵含量。相較于相鄰非腫瘤組織，肝癌組織中鐵調素含量明顯增高［23］。抑制TFR1的表達可以激活鐵調素，促進鐵硫簇的生物合成，誘導鐵蛋白形成，降低腫瘤細胞的鐵水平并限制腫瘤細胞增殖［24-25］。泛素特異性蛋白酶35與細胞的有絲分裂和增殖相關，該酶被抑制時可靶向FPN促進鐵死亡，從而抑制肺癌細胞生長和集落形成，延緩腫瘤生長［26］。HIF-2α的激活導致小鼠結腸腫瘤中的脂質和鐵調節基因上調，并增強細胞對鐵死亡的敏感性，從而抑制腫瘤生長［27］。鐵蛋白的自噬和吞噬導致膠質母細胞瘤鐵死亡，升高膠質母細胞瘤鐵水平可能為有效治療手段［28］。以上研究表明，鐵代謝在腫瘤進展中發揮著重要作用，對鐵代謝進行調控，使鐵含量趨于正常或繼續升高鐵水平以促進細胞鐵死亡均可能成為有效的腫瘤治療策略，但如何調控不同腫瘤中鐵含量仍有待探索。

低氧是實體瘤惡化和轉移的誘導因素，激活HIF轉錄因子家族并促進腫瘤細胞存活、生長和轉移［27，29］。HIF的表達與腫瘤發展密切相關，低氧腫瘤組織中HIF-1水平明顯高于正常組織［30］，HIF-2α的表達與肺腺癌患者生存率呈負相關［31］。研究發現，小核仁RNA宿主基因11與HIF-1α的VHL識別位點結合，阻斷HIF-1α的泛素化及降解，上調其靶基因表達并促進低氧條件下結直腸癌細胞的侵襲和轉移［32］。在膠質瘤組織中，HIF-1α與鐵蛋白輕鏈啟動子區域結合，誘導鐵蛋白輕鏈表達。抑制鐵蛋白輕鏈表達可以抑制上皮間質轉化并減少膠質瘤細胞的遷移和侵襲，降低細胞存活率并促進細胞凋亡［33］。可見，抑制HIF與鐵蛋白輕鏈表達可協同抗腫瘤。因此，基于HIF與鐵代謝的相互調控，抑制HIF表達協同調控鐵代謝途徑可能為更有效的治療策略。

2.2 促進腫瘤細胞能量代謝異常

在生物體內，鐵主要被線粒體消耗，參與血紅素和鐵硫簇合成，與線粒體能量代謝有關［34］。鐵離子螯合劑去鐵胺靶向線粒體，抑制腫瘤細胞中鐵硫簇/血紅素的線粒體呼吸，抑制腫瘤細胞增殖和遷移并誘導細胞死亡［24］。鐵耗竭阻止HIF-1α被PHD羥基化，使其不被降解，從而使細胞葡萄糖代謝轉為糖酵解［35］。在黑色素瘤細胞中，線粒體自噬受體的消耗可增強鐵蛋白的吞噬作用，升高鐵水平，促進PHD2介導的HIF-1α降解，下調HIF-1α及其誘導的細胞糖酵解，發揮抗腫瘤作用［36］。甘氨酸亞鐵可能通過下調人肺癌A549細胞中的HIF-1α逆轉Warburg效應，調節細胞能量代謝［37］。因此，鐵離子螯合劑抑制線粒體能量代謝，協同HIF抑制劑以下調細胞糖酵解，可能為更有效的腫瘤治療策略，該策略可減弱鐵離子螯合劑誘導的HIF表達，并同時抑制細胞能量代謝和糖酵解。

2.3 促進腫瘤血管發育

HIF-1過表達激活血管內皮生長因子轉錄，刺激新血管發育，促進腫瘤干細胞活性、增殖和轉移［38-39］。另外，激活HIF靶基因轉錄的選擇性降低可損傷異種移植物中的細胞生長、血管生成和腫瘤形成［40］。HIF-1α轉錄上調可促進肝癌相關血管的生成，促進肝癌細胞存活和繁殖［39］。肺癌細胞中升高的銅藍蛋白水平將Fe2+轉變為Fe3+，使PHD1和PHD2失活，導致HIF-2α表達增強，促進腫瘤血管生成，且該系列變化與細胞處于常氧或低氧條件無關。研究者使用微RNA模擬轉染miR-145-5p，降低銅藍蛋白表達，從而促進HIF羥基化，降低HIF-2α水平，抑制腫瘤發展。上述研究闡明肺癌中HIF-2α過度激活的獨特機制，該機制由調節腫瘤血管生成的鐵-PHD偶聯的鐵失衡介導［41］。

2.4 抑制腫瘤免疫微環境

腫瘤的免疫微環境包括T淋巴細胞、B淋巴細胞、髓源抑制性細胞、自然殺傷細胞和巨噬細胞等。線粒體中的鐵導致免疫代謝異常，從而促進胰腺腫瘤進展［42］。在炎癥嚴重的腫瘤中，炎癥細胞釋放大量鐵，從而誘導T和B淋巴細胞死亡，促進腫瘤進展［34］。另外，低氧是實體瘤微環境的重要特征，它激活HIF轉錄因子家族。HIF調節腫瘤免疫微環境中免疫細胞的基因表達，抑制化療和放療療效［27，29］。HIF-1通過激活其靶基因的轉錄（如白細胞介素10和前列腺素E2）以促進腫瘤細胞轉移，從而抑制腫瘤對免疫細胞的反應和靶向治療［43-44］。HIF-1α對調控腫瘤細胞代謝和乳酸水平的髓源抑制性細胞活化也至關重要，阻斷HIF-1α可逆轉胰腺癌放療后的T細胞反應，發揮抗腫瘤作用［45］。自然殺傷細胞中，HIF-1α條件性缺失可抑制腫瘤生長、激活標志物、上調效應分子表達，延長自然殺傷細胞的抗腫瘤反應［46］。因此，抑制腫瘤細胞鐵含量和HIF表達可通過細胞免疫微環境途徑發揮抗腫瘤作用。

3 鐵離子螯合劑與HlF抑制劑協同抗腫瘤

鐵離子螯合劑廣泛用于治療鐵過載，但通常缺乏有效性并具有脫靶毒性，故采用新型制劑或聯合用藥更具優勢。基于鐵螯合化學-光熱療法的“雙重治療納米前藥”方法，研究者采用偶聯物結合鐵離子螯合劑地拉羅司（deferasirox）和拓撲異構酶2抑制劑多柔比星，這使藥物發揮pH敏感性的鐵螯合/光熱療/化療的抗腫瘤作用［47］。去鐵胺靶向線粒體具有顯著的抗腫瘤療效［24］。鐵螯合劑Dp44mT與順鉑組合的納米顆粒顯著阻止原位乳腺腫瘤的生長和轉移［48］。

腎癌發生與鐵蓄積有關，特別是腎透明細胞癌亞型。VHL-HIF-α軸作為鐵代謝的主要調控靶點，是腎癌中唯一的調控因子。Greene等［49］研究發現，鐵離子螯合劑去鐵氧嘧啶和去鐵胺可抑制腎癌細胞中HIF-1α和HIF-2α的蛋白水平和轉錄活性。HIF-2 mRNA表達受抑制的程度和時間與細胞凋亡的受抑制程度有關，鐵離子螯合劑阻滯細胞凋亡和G1期是抑制腎癌細胞生長的潛在機制。腫瘤細胞的VHL活性消失可阻斷缺鐵介導的VHL依賴性HIF-α蛋白穩定化，并使缺鐵對鐵反應元件依賴性HIF轉錄物翻譯的抑制作用占據優勢，從而導致鐵離子螯合劑抑制HIF表達，而VHL活性恢復足以阻滯該作用［16-18，49］。正常情況下，鐵離子螯合劑降低鐵含量，誘導 HIF 表達［20，50-51］，限制其抗腫瘤作用。Lang等［52］發現，去鐵胺和HIF-1α抑制劑利非西胍（lificiguat）合用可顯著增強去鐵胺的體外抗腫瘤功效，并通過TFR1靶向脂質體將2種藥物共同遞送到小鼠胰腺腫瘤模型中，使藥物協同產生抗腫瘤作用，該聯合治療靶向制劑有望成為腫瘤治療的新策略。

4 結語

鐵代謝紊亂與低氧是多數實體瘤發生與發展的標志。在腫瘤細胞中鐵蓄積導致能量代謝障礙、氧化應激損傷并抑制免疫應答，從而促進腫瘤的發生與發展［29］。此外，低氧條件下HIF被激活，從而激活其靶基因，促進腫瘤血管生長和糖酵解，抑制免疫細胞反應，促進腫瘤生長、侵襲和轉移等［27，29，38］。多數研究表明，HIF 被誘導可導致鐵蓄積［10-13］；鐵離子螯合劑降低鐵含量，從而上調HIF表達［20，50-51］。然而，部分研究結果與之相反，鐵離子螯合劑抑制HIF表達［49］。這可能是由于不同組織或疾病中，通過不同靶點或途徑從而產生不同結果，因此具體機制還有待進一步研究。同時控制鐵代謝與HIF 2個途徑來干擾腫瘤的發生與發展，提高療效，這將有可能成為一種新的治療策略，比如鐵離子螯合劑與HIF抑制劑的聯合使用［52］，但該方面的研究尚未成熟，療效仍需檢驗。在多數腫瘤中鐵含量升高，可繼續上調鐵含量，增強細胞對鐵死亡的敏感性［28-29］，或下調鐵含量使其達到正常水平來進行治療［24-25］，選擇何種策略仍需探索。

綜上所述，鐵代謝與HIF相互影響，并在腫瘤中起著不可忽視的作用，靶向鐵代謝與HIF協同發揮抗腫瘤作用有望成為重要的研究方向與治療策略，但彼此之間復雜的機制與關系尚需深入研究。