鐵死亡在腫瘤治療作用中的研究進展

王馮宇，李 亙，林曉伊，姚欣悅，陳 毓

(杭州醫(yī)學院， 浙江 杭州 310051)

常見的細胞死亡形式有：凋亡、自噬、焦亡和壞死等。在鐵死亡(ferroptosis)這一概念被提出前，就有報道某些經化學篩選出小分子物質可以使細胞發(fā)生一種不同于常見細胞死亡形式的的細胞死亡。后者在細胞形態(tài)上和遺傳上均區(qū)別于一般的細胞死亡。這種細胞死亡形式被命名為鐵死亡[1]。本文綜述了鐵死亡在腫瘤治療中的研究進展。

1 鐵死亡

鐵死亡在發(fā)生時沒有細胞凋亡的標志，如細胞體積縮小、染色質凝集及線粒體腫脹等，且在細胞凋亡核心機制受到抑制的細胞中依然能發(fā)生，說明鐵死亡是一種新的、非凋亡的細胞死亡形式[1]。在機制上，鐵死亡是鐵依賴性的，并且鐵死亡過程中伴隨著活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平的上升和脂質過氧化物的積累。這一過程最終會導致膜結構被破壞，細胞膜的滲透性增加，最終致使細胞死亡[1]。

在鐵死亡復雜的調控機制中，谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)/谷胱甘肽(glutathione，GSH)通路最為關鍵。GPX4是細胞中唯一負責清除脂質過氧化物的酶，對維持細胞膜的脂質雙分子層穩(wěn)態(tài)起重要作用，抑制GPX4可以直接誘導細胞鐵死亡[2]。GSH是GPX4催化過氧化物的輔助因子，對GPX4的活性有很大的影響。胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(System Xc-)由SLC7A11和SLC3A2組成，負責將GSH合成原料轉運入細胞內，是許多鐵死亡誘導劑的作用靶點[2]。GPX4/GSH通路將許多不同的腫瘤治療方法與鐵死亡聯(lián)系起來。

2 鐵死亡與腫瘤治療

2.1 鐵死亡與腫瘤化學治療

化學治療(簡稱化療)是腫瘤治療的常見手段。但許多惡性腫瘤存在著耐藥性，這大大降低了許多傳統(tǒng)化療藥物對腫瘤的治療效果，鐵死亡作為一種與細胞凋亡具有不同機制的調節(jié)性細胞死亡，為某些難以治療的癌癥提供了治愈可能性。

鐵死亡誘導劑能夠有效殺傷多種腫瘤細胞。Erastin能誘導細胞內ROS產生，引起A549人非小細胞肺癌細胞死亡[3]。Ruscogenin是一種皂苷，能夠提高細胞中鐵離子(Fe2+)的濃度，增加細胞中ROS的水平，誘導胰腺癌細胞發(fā)生鐵死亡[4]。丹參酮IIA通過p53介導的SLC7A11下調誘導胃癌細胞鐵死亡[5]。雙氫青蒿素通過抑制PRIM2/SLC7A11軸，可以抑制肺癌細胞增殖并誘導肺癌細胞鐵死亡[6]。索拉菲尼(sorafenib)是一種新型多靶向性的治療腫瘤的口服藥物，其能通過ATP-AMPK-mTOR-SREBP1 信號通路，抑制硬脂酰輔酶A去飽和酶1，阻止單不飽和脂肪酸合成，以殺死肝癌細胞[7]。

鐵死亡誘導劑與傳統(tǒng)化療藥物聯(lián)用，能夠提高這些藥物對腫瘤的化療效果。Erastin和sorafenib 能夠改變非小細胞肺癌細胞對順鉑(cisplatin，DDP) 的敏感性，促使DDP抵抗的非小細胞肺癌細胞死亡[8]。柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine，SAS)能改善腫瘤微環(huán)境，并提升化療藥物替莫唑胺對膠質瘤的化療效果[9]。RSL3能夠阻礙腫瘤進行糖酵解，增強DDP對前列腺癌的治療作用。低劑量的RSL3和DDP共同作用可顯著地抑制前列腺癌的生長[10]。

這些研究證明鐵死亡誘導劑有作為化療藥物和化療增敏劑的潛力。

2.2 鐵死亡與腫瘤免疫治療

腫瘤免疫治療是一種通過激活并強化機體的固有免疫系統(tǒng)，以殺傷腫瘤細胞或抑制腫瘤生長的腫瘤療法。以程序性死亡受體1(programmed cell death protein 1,PD-1) /細胞程序性死亡-配體1(programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1)免疫檢查點途徑為靶點的免疫治療，可以恢復或者增強效應性CD8+T細胞的增殖及其功能，增強機體的細胞免疫，以清除腫瘤細胞。然而，許多腫瘤對PD-1/PD-L1免疫檢查點療法存在著抵抗性，這大大降低了單一的免疫檢查點療法帶來的療效[11]。因此，尋找一種能夠提高免疫檢查點療法的方法是十分重要的。

最近的研究揭示了CD8+T細胞殺傷腫瘤細胞的另一種機制，提高免疫檢查點療法的療效提供了可能。在免疫治療的過程中，CD8+T細胞會向腫瘤細胞釋放γ干擾素，γ干擾素能下調system xc-中SLC3A2和SLC7A11的表達，從而限制細胞獲取胱氨酸，促進腫瘤細胞中的脂質過氧化和鐵死亡發(fā)生[12]。另一項研究提示鐵死亡與腫瘤的耐藥機制相關。該團隊研究了TYRO3在腫瘤免疫療法中扮演的角色。結果發(fā)現，TYRO3能抑制腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡，提供促進腫瘤進展的腫瘤微環(huán)境，最終增加腫瘤細胞對PD-1/PD-L1免疫檢查點療法的抵抗性[11]。

鐵死亡相關的納米材料為上述增敏策略的執(zhí)行提供了可能的載體。有團隊利用一種血小板膜偽裝的磁性納米粒子，搭載SAS構成仿生磁性納米材料Fe3O4-SAS@PLT。這種納米材料可以逃避免疫清除并識別循環(huán)腫瘤細胞，最大限度地將鐵死亡誘導劑傳遞給腫瘤細胞，并通過抑制System Xc-誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡，并顯著提高PD-1免疫檢查點封鎖療法的療效[13]。

2.3 鐵死亡與腫瘤放射治療

放射治療使用電離輻射輻射癌細胞，以殺死癌細胞或抑制其分裂。然而，許多局部晚期腫瘤是耐放射的。腫瘤抗輻射的機制通常涉及到激活DNA修復途徑和抑制細胞凋亡。如果能激活其他的細胞死亡途徑，或將提高放療對這些腫瘤的治療效果。輻射除了會造成DNA損傷之外，還會引起細胞中ROS水平上升。這使得激活鐵死亡并提高放療療效成為可能[14]。此外，協(xié)同治療是提高腫瘤的治療效果另一種可能方法。在機制上，電離輻射誘導鐵死亡發(fā)生是通過下調System Xc-中的SLC7A11的表達實現的。而腫瘤免疫療法中CD8+T釋放的干擾素γ也作用于SLC7A11[15]。SLC7A11是兩種療法間的一個可能的協(xié)同點。這為免疫療法和放射療法協(xié)同治療腫瘤提供思路。

目前，有報道已經證實了通過鐵死亡進行放療增敏的可行性。鐵死亡誘導劑IKE和 RSL3與放射治療協(xié)同，可增強SK-LMS-1、U87、A549和PC9腫瘤細胞株的放射治療效果，這項研究表明鐵死亡誘導劑是有效的放射治療增敏劑[16]。另一項關于erastin的研究中，在NCI-H1975細胞移植小鼠模型中，erastin顯著的放射增敏作用伴隨著腫瘤GSH濃度的降低，提示鐵死亡相關的放射增敏機制或與GSH的消耗有關[17]。

此外，鐵死亡有助于減輕放療的副作用。放射誘發(fā)的肺損傷是胸部放療最常見和致命的并發(fā)癥之一，鐵死亡在急性放射誘發(fā)的肺損傷中可能起著關鍵作用，用鐵死亡抑制劑治療能夠顯著減輕輻射誘導的小鼠肺組織病理改變[18]。

2.4 鐵死亡與靶向治療

雖然，鐵死亡誘導劑可以有效地殺傷腫瘤細胞，但還存在著一些潛在的問題。首先，如果細胞中藥物濃度不夠高，則無法有效殺傷靶細胞。其次，鐵死亡誘導劑在治療過程中可能會導致機體正常組織的損傷[19]。因此，尋找一種高靶向的治療方法是十分重要的。

鐵死亡相關的納米材料為基于鐵死亡的靶向治療指明了方向。用含鐵量為5%的Na4Si4為原料，制備了摻鐵硅納米顆粒。該納米顆粒在人乳腺癌細胞中會選擇性定植在細胞的線粒體膜上，被X線照射時，細胞中超氧化物的水平會上升，使細胞中ROS水平上升，最終導致鐵死亡發(fā)生[20]。另有一種腫瘤細胞膜偽裝的有機金屬框架(metal-organic frameworks,MOF)和葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)納米反應器被報道，這種納米反應器不但有靶向腫瘤和免疫逃逸的能力。當納米反應器到達腫瘤部位時，高濃度的GSH會使MOF的結構崩潰并釋放 Fe2+。同時，GOD能夠葡萄糖氧化生成 H2O2。Fe2+與H2O2會發(fā)生芬頓(Fenton)反應，產生大量的自由基，促進鐵死亡發(fā)生。這項研究中，GOD的加入，解決了一些腫瘤組織中H2O2不足導致的殺傷效果差的問題，為鐵死亡治療增敏提供了新的方法[21]。

上述研究表明某些鐵死亡納米材料具有不錯的靶向能力和免疫逃逸能力，這些納米材料能為鐵死亡靶向藥物的開發(fā)提供借鑒。

4 問題與展望

綜上所述，鐵死亡不但能有效殺傷腫瘤細胞，而且能有效提高不同腫瘤治療方法的療效，還能為腫瘤協(xié)同治療提供協(xié)同點。這些都說明鐵死亡在腫瘤治療方面有較大的研究價值。此外，鐵死亡相關的納米材料的研究能為未來的藥物研發(fā)提供借鑒。但是，鐵死亡是一把雙刃劍，許多研究發(fā)現鐵死亡可引起正常細胞損傷，導致某些疾病發(fā)生。因此，鐵死亡治療腫瘤時，藥物種類、劑量和副作用等都有待進一步探討。