鐵死亡與胃癌治療的研究進展

李麗斌 許文集

福建醫科大學附屬第二醫院消化內科，福建泉州 362000

胃癌是近年來發病率逐年上升的常見惡性腫瘤之一。國際癌癥研究機構2020年最新數據顯示，胃癌占總病例的11.7%，占總病死人數的7.7%，發病率和病死率在各種惡性腫瘤中分別居第五位和第四位[1]。目前我國胃癌的主要治療手段是手術、輔助放化療、靶向和免疫治療。但多數晚期胃癌患者已喪失手術機會，預后較差，以化療為主的治療方法中位生存期一般不超過1年，而5年生存率在10%以下[2]。治療失敗常見的原因是治療的耐藥性，過去的許多研究致力于通過誘導癌細胞死亡來克服治療耐藥性，然而，由于癌細胞增殖的調控復雜，仍需要研究更多的治療靶點來提高胃癌患者的治療效果。

2012年，科學家將亞鐵離子（Fe2+）依賴性脂質過氧化物積累誘導的一種新的調節細胞死亡模式命名為鐵死亡[3]。鐵死亡的形態學和生化特征不同于其他類型的細胞死亡，在生化特性上，發生鐵死亡的細胞表現出氧化還原水平的失衡，細胞內活性氧（reactive oxygen species，ROS）顯著增加，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）顯著降低，因此脂質抗氧化劑可以抑制鐵死亡。形態學上，透射電鏡可觀察到鐵死亡的超微形態學特征，包括細胞膜破裂和起泡、線粒體收縮、線粒體嵴減少或缺失、線粒體外膜破裂、染色質不完全凝結，而細胞核未觀察到明顯變化[4]。越來越多研究發現，鐵死亡參與了惡性腫瘤、神經系統疾病、急性腎損傷、缺血/再灌注等多種疾病的發生和發展過程，從而為這些疾病提供了新的治療靶標。有研究表明，鐵死亡誘導劑無論是作為單一療法還是與其他化療藥物聯用，都可以誘導癌細胞死亡，特別是耐藥癌細胞[5]。此外，鐵死亡可以選擇性地靶向侵襲癌癥干細胞，有望提高免疫治療的效果并克服耐藥性[6]。因此，誘導鐵死亡，尤其是在對有耐藥性的晚期患者的治療中，可能是一種很有前景的抗腫瘤策略。本文綜述鐵死亡的關鍵分子機制及胃癌中靶向鐵死亡途徑的可能性，以期為胃癌的診斷和治療提供新的策略。

1 鐵死亡概述

鐵死亡是指在Fe2+存在下，ROS對脂膜上的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）進行氧化，產生過氧化脂質，使膜破裂而引起細胞死亡的過程。

2 鐵死亡的調控機制

鐵死亡是由鐵催化導致的過氧化反應，即催化多不飽和脂肪酸的磷脂（phospholipids of Polyunsaturated fatty acid，PUFA-PLs），當超過防御系統對鐵死亡的防御能力時，就會產生鐵死亡。驅動鐵死亡的先決條件是PUFA-PLs的合成和過氧化（即脂質代謝）、鐵代謝和線粒體代謝[7]。

2.1 鐵代謝

鐵的積累是鐵死亡的第一步，細胞通過調節鐵的攝取、利用、儲存和輸出等過程來精確調控不穩定鐵池的相對平衡[8]。血液中的游離鐵離子（Fe3+）會與轉鐵蛋白結合，然后通過內吞作用被轉鐵蛋白受體在細胞膜上捕獲并進入細胞內[9]。在細胞內Fe3+被還原為其高活性的Fe2+形式，Fe3+從細胞核內體中被轉運到細胞質中，并在一個不穩定的鐵池儲存庫中儲存起來。鐵池中多余的Fe2+儲存在鐵蛋白中保護細胞和組織免受鐵介導的破壞，而剩余的Fe2+則通過細胞膜上的運鐵蛋白分子泵出細胞[10]。

增加鐵攝取與減少鐵清除，都可以通過芬頓反應，提高細胞對氧化破壞與鐵死亡的敏感度。細胞內的鐵以惰性鐵的形式儲存在鐵蛋白中，當鐵蛋白自噬降解發生時，儲存在鐵蛋白中的鐵會釋放到不穩定的鐵池中。促進脂質過氧化現象的發生，鐵的作用有兩方面，一種是通過芬頓反應直接氧化脂質，涉及Fe2+或Fe3+和過氧化氫之間的反應[3]；另一種是鐵通過作為脂氧化酶的輔助因子，間接促進脂質過氧化。

2.2 脂質代謝（PUFA-PLs的合成和過氧化作用）

PUFA-PLs有兩種合成關鍵成分，分別是酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4（acyl-coenzyme A synthetase long chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿酰基轉移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）[11]。游離性PUFA（如花生四烯酸和腎上腺素酸）在ACSL4的催化下與輔酶A（coenzyme A，CoA）結合生成PUFA-CoA（如花生四烯酸-CoA或腎上腺素酸-CoA）。隨后，LPCAT3會將它們重新酯化，再與PLs結合，形成PUFA-PLs。ACSL4或LPCAT3失活可使鐵死亡減弱或阻斷。

造成細胞鐵死亡的一個關鍵過程是脂質過氧化物在細胞內過多堆積。PUFA-PLs由于PUFAs中有雙烯丙基部分，所以易發生過氧化反應[12]。細胞內的脂質過氧化分為非酶促反應和酶促反應兩大類。非酶促脂質過氧化是細胞內脂質過氧化的主要形式，又稱脂質自氧化，芬頓反應產生的羥基自由基會將脂質氧化為脂質氫過氧化物[13]。已有研究證明細胞色素P450氧化還原酶介導的或花生四烯酸脂氧合酶介導的酶促反應也可以促進脂質過氧化[14-15]。PUFA的持續氧化和消耗，使細胞膜的流體鑲嵌結構發生改變，通透性增高，最終引起細胞鐵死亡。

2.3 線粒體代謝

線粒體是ROS生成和脂肪酸代謝的重要部位，為細胞內發生鐵死亡提供了特定的脂質前體。線粒體富含鐵，是產生ROS的細胞器，被認為是鐵死亡的重要部位[16]。線粒體中電子傳遞鏈復合物Ⅰ和Ⅲ的電子泄漏產生超氧化物，通過超氧化物歧化酶可以將這些超氧陰離子轉化為過氧化氫。過氧化氫和不穩定的鐵經芬頓反應，生成羥基自由基，再催化PUFA-PLs過氧化[17]。

3 鐵死亡的防御通路

3.1 谷胱甘肽（glutathione，GSH）-谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）軸

半胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體（cystine/glutamate antiporters，也稱System Xc-）-GSH-GPX4信號軸是鐵死亡最經典的防御途徑之一。作為細胞抗氧化防御系統中的關鍵組分，GSH能阻止ROS的累積[17]，它的缺乏與大量的脂質過氧化、細胞功能失調甚至細胞凋亡有關。System Xc-是由兩個亞基，溶質載體蛋白家族7成員11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）和溶質載體蛋白家族3成員2（solute carrier family 3 member 2，SLC3A2）組成的異二聚體，可以從細胞外環境引入胱氨酸，通過消耗NADPH的還原反應將其轉移到細胞質中并轉化為半胱氨酸，半胱氨酸隨后被用于GSH的生物合成，并參與抗氧化防御機制，被認為是抗氧化劑GSH的限速前體[18]。從培養基中移除胱氨酸或用藥物阻斷System Xc-介導的胱氨酸轉運，可誘發多個癌細胞系發生鐵死亡[19-20]。

GPX4是鐵死亡的核心調控蛋白，能有效抑制脂質過氧化物的產生。GPX4可以將復雜的脂質過氧化物還原為醇或將游離過氧化氫轉化為水，催化GSH氧化為氧化型GSH，過氧化還原多不飽和脂肪酸，從而保護細胞內磷脂雙分子層免受氧化損傷，抑制鐵死亡[21]。GSH是GPX4的輔助因子，其缺失也可能間接阻斷GPX4的功能[22]。目前，GPX4是許多鐵死亡誘導劑如伊拉斯汀和（1S，3R）-2-（2-氯乙酰基）-2，3，4，9-四氫-1-[4-（甲氧基羰基）苯基]-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-3-羧酸酸甲酯{（1S，3R）-2-（2-Chloroacetyl）-2，3，4，9-tetrahydro-1-[4-（methoxycarbonyl）phenyl]-1H-pyrido[3，4-b]indole-3-carboxylic acid methyl ester，RSL3}，也稱谷胱甘肽過氧化物酶4抑制劑，激活的關鍵靶點。伊拉斯汀抑制GPX4活性的方法是消耗GSH，而RSL3直接抑制GPX4活性[4]，造成脂質過氧化物積累，引發鐵死亡。

3.2 鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1，FSP1）-泛醇（ubiquinol）軸

鐵死亡抑制蛋白FSP1能夠將細胞膜上的泛醌，也稱為輔酶Q（coenzyme Q，CoQ），還原為泛醇，也稱還原型輔酶Q（reduced coenzyme Q，CoQH2），是一種NADPH依賴的氧化還原酶[23]。CoQH2除了具有線粒體電子傳輸功能外，還具有捕獲脂質過氧自由基的能力，因此能發揮抑制過氧化脂質的作用，抑制鐵死亡。FSP1-CoQH2-NADPH通路作為一個獨立的平行系統存在，與GPX4兼容，并與GSH一起抑制磷脂過氧化和鐵死亡。

3.3 二氫氫脫氫酶（dihydroorotate dehydrogenase，DHODH）-CoQH2軸

最近的一項研究發現了一種可以補償GPX4滅活從而解毒線粒體脂質過氧化性的DHODH，該酶定位于線粒體防御系統。當GPX4發生急性失活時，通過DHODH的CoQ顯著增加，CoQH2的生成增多，因而能中和脂質過氧化，豁免線粒體中的鐵死亡[24]。DHODH/CoQH2軸是一種獨立于經典GPX4信號通路且基于線粒體脂質的鐵死亡抑制通路。

3.4 GTP環水解酶1（GTP cyclohydrolyse-1，GCH1）-四氫生物蝶呤[the 6 （R）-L-erythro-5，6，7，8-tetrahydrobiopterin，BH4]軸

BH4是一種活性輔助因子，參與氧化還原的過程。BH4具有抗氧化功效，最近的研究[25]發現另一個關鍵的鐵死亡調控因素是GCH1。Kraft等[25]發現GCH1的表達引發了強效抗氧化劑BH4的產生，從而防止脂質過氧化，抑制鐵死亡。這表明GCH1可以作為鐵死亡的選擇性靶點。

4 鐵死亡與胃癌

一般來說，癌細胞比正常細胞有更活躍的鐵代謝和更高水平的ROS[26]。對常規化療藥物具有高侵襲性和耐藥性的癌細胞更容易發生鐵死亡[27]。因此，鐵死亡可能成為消滅癌細胞的新靶點。胃癌是常見的消化道惡性腫瘤，研究發現，鐵死亡對胃癌的癌變和癌變進展具有關鍵作用。

4.1 鐵死亡相關基因蛋白與胃癌

最近研究發現，多個直接參與調控鐵死亡的功能蛋白參與了胃癌的發生發展。人半胱氨酸雙加氧酶1（cysteine dioxygenase 1，CDO1）是一種非血紅素鐵金屬酶，在胃癌細胞鐵死亡過程中扮演著重要角色。沉默CDO1可上調胃癌細胞中GSH和GPX4的表達，最終抑制伊拉斯汀誘導的鐵死亡，進而促進腫瘤生長[28]。越來越多的腫瘤與肥胖及其他脂肪代謝異常有關。脂滴包被蛋白2（perilipin 2，PLIN2），是一種與細胞內脂滴代謝相關的蛋白，能促進細胞內脂肪的分化，提供細胞生長所需的能量。PLIN2作為一種促癌基因，在促進胃癌細胞的增殖和抑制癌細胞凋亡方面的功效是非常顯著的。目前的觀點認為PLIN2通過相關基因參與了胃癌細胞鐵死亡途徑的調控，其過度表達導致細胞內相對缺氧的環境，進而抑制鐵死亡并促進胃癌的進展[29]。硬脂酰輔酶A去飽和酶1（stearoyl CoA Desaturase 1，SCD1）是一種胃癌組織中高表達的內質網相關酶，通過提高鐵死亡抑制因子GPX4的表達，抑制鐵死亡，促進胃癌生長，是胃癌潛在預后標志物[30]。以上研究表明，鐵死亡在胃癌的發生和發展中起著關鍵作用，在未來治療胃癌的過程中，靶向鐵死亡可能是一個非常值得期待的研究方向。

4.2 鐵死亡相關非編碼RNA與胃癌

除編碼基因外，臨床前研究提供的更多證據表明，鐵死亡相關的微小RNA（microRNAs，miRNA）、長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNAs）和環狀RNA（circular RNA，circRNAs）的異常調控與胃癌的發生、發展和預后密切關聯。miRNA是一種在腫瘤領域發揮重要調控能力的單鏈非編碼RNA，研究顯示，miRNA對胃癌鐵死亡起重要調節作用。胃癌轉移和耐藥的主要原因是胃癌干細胞，研究發現[31]，miR-375通過靶向作用于SLC7A11觸發鐵死亡，從而達到抑制胃癌干細胞的作用。左旋布比卡因一種局部麻醉劑，最近的研究[32]發現其具有潛在的抗癌特性，可通過miR-489-3p/SLC7A11軸誘導胃癌細胞發生鐵死亡，抑制胃癌細胞的增殖。Zhang等[33]認為胃癌細胞來源的外泌體lnc-ENDOG-1∶1（lncFERO）通過抑制鐵死亡來控制胃癌干細胞的致瘤性，提示靶向外泌體lncFERO聯合化療可能是一種基于胃癌干細胞的治療策略。Circ0000190在胃癌組織和細胞系中表達下調，提示胃癌患者預后不良，過表達Circ0000190可通過誘導鐵死亡抑制胃癌細胞的增殖和遷移[34]。

鐵死亡相關RNA不同程度地參與胃癌細胞的表達，影響胃癌的發生發展，提示這些RNA可在胃癌診斷、治療和預后中發揮作用。

4.3 鐵死亡與胃癌治療

胃癌患者對順鉑和紫杉醇的耐藥性愈發嚴重，是臨床腫瘤治療的難點，導致預后不良。研究發現，腫瘤細胞可通過負向調節Fe3+，顯著增強氧化應激防御能力，從而實現耐藥生存。通過誘導腫瘤細胞鐵死亡，有可能逆轉化療或靶向治療耐藥性[35]。目前臨床上用于腫瘤治療的鐵死亡誘導劑主要抑制System XC-和GPX4的活性。多項研究表明，鐵死亡可提高胃癌細胞對化療藥物的敏感性。Zhang等[36]的研究發現，癌癥相關成纖維細胞分泌的外泌體miR-522通過靶向脂氧合酶15，阻斷脂質ROS的積累，抑制癌細胞中的鐵死亡，促進化療耐藥性。Zhao等[37]發現阿帕替尼可以通過抑制轉錄因子，固醇調節元件結合蛋白-1a（sterol regulated element binding protein 1a，SREBP-1a）來下調GPX4的表達，誘導胃癌細胞鐵死亡，同時還發現多重耐藥胃癌細胞易受阿帕替尼誘導的GPX4抑制。調節ROS水平可能是另一種新的治療策略，因為ROS可以干擾細胞氧化環境并誘導細胞鐵死亡[38]。由于慢性和過高的ROS水平引發耐藥性，調節鐵死亡可能是靶向耐藥腫瘤細胞的有效策略。

鐵死亡是介導抗腫瘤活性的主要機制，近年來一些研究發現，中草藥的一些成分可能通過誘導鐵死亡發揮抗胃癌作用。研究[39]發現，蓽茇酰胺通過誘導ROS產生而導致胃癌細胞鐵死亡，是其發揮抗腫瘤作用的機制之一。黃芩苷能夠有效抑制胃癌細胞SGC-7901的增殖，其機制可能與其調控p53/SLC7A11介導的細胞鐵死亡有關[40]。丹參酮ⅡA是一種從中草藥中分離出來的藥理活性成分，通過影響p53介導的SLC7A11的表達，誘導胃癌細胞鐵死亡[41]。

5 小結與展望

抗腫瘤治療中鐵死亡的應用價值較大。本文總結了已知胃癌相關生物分子介導鐵死亡過程，探討了鐵死亡中某些途徑不同藥物的作用，可供今后研究鐵死亡機理和胃癌治療提供參考。需要繼續深入探究鐵死亡對腫瘤轉移、細胞自噬以及對藥物耐藥性的作用。靶向鐵死亡可能是未來治療胃癌的一種很有前途的方法，如何將靶向鐵死亡治療消化道腫瘤的理論轉變為臨床應用是未來的研究方向。