鐵死亡在肺癌中研究進展

谷一婷 李德輝 (河北中醫學院 第一附屬醫院，河北 石家莊 0500；2研究生學院)

細胞死亡是生命現象不可逆的終止，是生命的終結。在健康的人體組織中常有細胞死亡，這是保證組織正常運轉和形態所必需的，包括主動細胞死亡(程序性細胞死亡、凋亡)和被動細胞死亡(細胞壞死)。適當的細胞死亡調控機制對于正常的有機體發育和維持成年期的組織穩態具有重要意義。以往的研究認為細胞死亡是由細胞壞死和凋亡導致的，然而，近年來的研究發現了許多新的細胞死亡模式，鐵死亡作為新的細胞死亡方式之一引起了廣泛的關注。鐵死亡是一種新型的非凋亡細胞死亡模式，其特征是鐵依賴性的脂質過氧化和脂質活性氧(ROS)堆積〔1〕。其實質表現為細胞中脂質過氧化物代謝異常，在鐵離子催化作用下進行非正常代謝，使細胞抗氧化功能顯著降低，脂質ROS大量積累，使細胞內氧化還原功能失調，誘發細胞死亡。鐵死亡作為一種非常規的細胞死亡方式，其主要表現為線粒體體積和嵴的減小及線粒體密度和胞質中脂質ROS的增加〔2〕。研究證實，鐵死亡與腦血管疾病、呼吸系統疾病等多種疾病緊密相連，最新的科學研究表明，鐵死亡在肺癌中亦發揮著不可忽視的作用。本文闡述了鐵死亡的機制及其在肺癌發生發展中的作用，并簡述了肺癌的治療方法，以期為肺癌的進一步研究提供新思路。

1 概述

1.1鐵的吸收與利用 鐵是人體必需的微量元素，主要是以Fe2+的形式被機體吸收，其中可以被直接吸收的通常是肉制品中肌紅蛋白所包含的鐵，而植物中的大多為Fe3+。Fe3+需要借助胃液所分泌的鹽酸或由十二指腸細胞色素b將其還原為Fe2+的形式，進而在二價金屬離子轉運蛋白(DMT)1的幫助下，吸收進入腸上皮黏膜細胞胞質中，最終經鐵轉運蛋白(FPN)1傳輸運送至血液循環中，并為人體其他組織使用或存儲。膜鐵轉運輔助蛋白(HP)可以使出胞的鐵氧化為Fe3+，其儲存在鐵蛋白中供細胞正常的生理活動之用。鐵攝入量或輸出量的變化，都會增強肺癌細胞對鐵死亡的敏感性。細胞內Fe2+水平是脂質過氧化和誘導鐵死亡的關鍵要素，轉鐵蛋白介導的鐵攝取或鐵自噬可提高其水平。

1.2鐵死亡的定義 生命的終結就注定是死亡，而細胞亦無法避免。細胞死亡是維持組織功能和形態所必需的。細胞意外死亡和調節性細胞死亡是國際官方所認定的細胞死亡的兩種方式，其中，凋亡和壞死是經典的兩種細胞死亡形式〔3〕。隨著研究的深入，上述死亡方式已無法適應現代醫學發展的需求，各種新的死亡形式接踵而至，其中，鐵死亡逐步被人們認識和接受。2003年Dolma等〔4〕發現了一種新型具有細胞滲透性的誘導鐵死亡的催化劑——earstin(愛拉斯汀)。2008年Yang等〔5〕選擇細胞死亡形式作為研究對象，在研究過程中發現了ras選擇性致死化合物(RSL)3和RSL5，實驗證實上述物質與earstin作用相似。隨后于2012年哥倫比亞大學，Brent Stockwell 教授提出了鐵死亡這一新概念，選擇將鐵作為詳細研究方向，研究結果表明，鐵死亡可以用于描述一種特殊的細胞死亡模式〔6〕。在這一模式中，其作用機制表現為erastin 和 RSL3 等小分子化合物作用于細胞內特異性靶點，進而抑制了抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)的合成，壓抑了GSH過氧化物酶(GPX)4的活性，以至于脂質過氧化物水平超過還原系統的能力，刺激芬頓反應，致使過量ROS堆積，細胞發生脂質過氧化，發生鐵死亡，即細胞內游離亞鐵離子過多導致ROS過度堆積的一種細胞死亡方式。2018年，鐵死亡被細胞死亡命名委員會(NCCD)定義為調節性細胞死亡(RCD)模式中的一種〔7〕。

2 鐵死亡的發生機制

目前，國內外對鐵死亡研究頗多，其發生機制復雜深奧，尚未完全明確，仍在努力探索中，就現有的研究可以發現鐵死亡的發生過程是在鐵、脂質、氨基酸和脂質ROS代謝的共同作用下完成的，但其敏感性也受到其他途徑的影響。

2.1鐵代謝異常(鐵過載) 經過研究得出，鐵代謝異常是鐵死亡的關鍵環節之一。鐵作為維持機體健康必需的微量營養元素，主要以Fe2+或Fe3+的形式存在于各種細胞活動中〔8〕。正常人體中，鐵需要在轉鐵蛋白(TF)和TF受體(TFR)1的幫助下完成運轉的過程，即1分子TF在TFR1發揮作用的同時，結合2分子的Fe3+進而形成復合物。當細胞外物質進入細胞內時，還原酶將復合物釋放的Fe3+還原為Fe2+，后被DMT1存放在可變鐵池中，剩余的Fe2+被氧化出胞后在機體內循環往復，維持鐵穩態〔9〕。當機體內鐵動態失衡時，細胞內的鐵含量減少，而Fe2+增多，供給量超過了人體對鐵的需求量，過量活性鐵堆積于人體重要器官和組織細胞，即鐵過載。其在芬頓反應的作用下產生大量細胞毒性物羥自由基和大量ROS，進而打破基因分子結構，破壞血管內皮細胞膜、脂質和DNA等〔10〕。同時，鐵在脂質過氧化或鐵死亡過程中亦發揮著不可忽視的作用。因此，鐵死亡在鐵過載的刺激下更容易發生，鐵代謝異常是細胞鐵死亡過程的重要表現。

2.2脂質過氧化 通常情況下，游離基反應和脂質過氧化反應相互協調并處于動態平衡，兩者對于體內各種生理和免疫反應有著極為重要的作用。當這種相對穩定的狀態被破壞，就會導致體內的代謝異常和免疫減低，引發一系列對細胞具有破壞作用的連鎖反應。由于氧化應激(即體內氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態)的加劇，觸發ROS氧化生物膜，這一過程便是脂質過氧化。ROS與一些大分子物質發生脂質過氧化反應所產生的化學產物被稱為脂質過氧化物(LPO)，它們也是脂質過氧化的最終產物：反應性醛，如丙二醛(MDA)和4-羥基壬烯酸(HNE)。研究顯示，這一化學產物通常會以多種形式破壞細胞，如過度分解ROS，加劇脂質過氧化進程，或者干擾細胞膜運動，摧毀其結構，破壞細胞代謝。如前文所描述的，鐵死亡是GPX4失活誘發LPO的堆放，所以脂質過氧化與鐵死亡也有著必然的聯系，是鐵死亡的標志性事件。

2.3谷氨酸-胱氨酸轉運受阻 作為重要氨基酸轉運體的胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體(systemXc-)在維持谷氨酸動態平衡、胱氨酸轉運、GSH合成方面發揮著重要的作用〔11〕。健康機體通過這一轉運體可以將細胞外的胱氨酸轉運至胞內，促進GSH的合成。GSH通過轉變體內的有毒物質，使其變為無毒無害的物質，最終將其排出體外，以達到抗氧化和解毒的作用。身體內大量堆放的ROS便是通過GSH這一作用得以清除的。GSH可以輔助GPX4完成抗氧化的作用〔12〕，當胱氨酸/谷氨酸逆向轉運體發生意外被阻撓時，胱氨酸進入細胞受限，GSH的生成量隨著半胱氨酸的減少相應降低，GPX4反應性減弱，促使ROS的聚集，提高鐵死亡發生的概率。

3 鐵死亡對肺癌的影響

實驗室研究，鐵的異常代謝使人類患癌的風險顯著增大，并且會使腫瘤呈現出異常的增長趨勢，誘發腫瘤發生轉移。有一臨床試驗結果顯示，肺癌患者與健康人相比較，前者的血清鐵和鐵蛋白含量要顯著大于后者，可見，血清中鐵的濃度越大，罹患肺惡性腫瘤的風險越高〔13〕。某地收集近十年的腫瘤患者和非腫瘤患者共30 000余例，其中8 000余例為腫瘤患者，3 000余例因腫瘤死亡，結果與上一試驗結果相同，高血清鐵增加患癌和死亡風險。當發生鐵死亡時，鐵在人體中含量升高的同時，也增加了健康人群罹患癌癥的風險。綜上，可知鐵死亡對惡性腫瘤有重要意義，亦對今后腫瘤各方面的研究進展有重要的指導意義。肺癌是當今世界上最常見的惡性腫瘤之一，它的致死率在我國乃至全世界都是非常高的。早期肺癌患者常欠缺顯著臨床表現，約75%的患者第一次就診時病變已進入晚期，錯失了根治性手術的最佳時機。肺癌病理類型主要分為非小細胞肺癌(NSCLC)和小細胞肺癌(SCLC)，其中NSCLC占比約為85%〔14〕。因此，探索NSCLC的發病機制，探求其潛在診斷與治療靶點，對肺癌病人意義重大。最近幾年，越來越多人發現，肺癌細胞中存在著大量的鐵死亡被抑制的現象。肺部組織的氧濃度較高，這一特點使肺部腫瘤細胞承受巨大的氧化壓力。因此，肺癌細胞通過某些方法提高鐵死亡的閾值以避免出現被簡單化或被強化的鐵死亡，減少鐵死亡發生，進而加速肺癌的發生發展〔15〕。

3.1鐵代謝異常 鐵死亡是一種依賴于鐵的細胞死亡方式，異常的鐵代謝在很大程度上會影響鐵死亡的發生發展。一項研究〔16〕發現，NSCLC患者的癌細胞組織中的鐵蛋白存在高表達現象，血清鐵也活躍增加。血清鐵蛋白含量越高，肺癌患者的預后越差，尤其當現鐵蛋白大于300 mg/L時，患者的存活率遠低于血清鐵蛋白含量低的患者。還有一動物實驗發現，過度表達的TFR1會加速肺癌裸鼠模型癌細胞對鐵的吸收，加快癌細胞的生長速度，減少裸鼠生存期〔17〕。此外，當鐵蛋白指標異常時，某種程度上會加劇免疫缺陷、改變細胞增殖，加速肺癌的發生發展過程〔18〕。由此可見，鐵代謝異常在某程度上會影響肺癌的發生發展。

3.2脂質合成障礙 LPO的堆積是鐵死亡的特點之一，因此，脂質合成障礙也會影響肺癌。淋巴特異性解旋酶(LSH)是一種可以準確形成DNA甲基化模式的蛋白質，研究發現〔19〕，LSH通過活躍脂質代謝基因，使其與WDR76蛋白相互發生反應，抑制ROS堆積和減少鐵含量，抑制鐵死亡，進而對肺癌進展造成影響。

3.3GSH合成通路上調 研究〔20,21〕發現肺癌細胞通過上調胱氨酸谷氨酸轉運受體，直接靶向GSH，增加細胞抗氧化能力。SLC7A11和SLC3A2是胱氨酸谷氨酸轉運受體的重要組成部分，在腫瘤細胞系集中表達，進而表明其在腫瘤細胞中活性更高。Lai等〔22〕在另一研究中發現，絲氨酸蘇氨酸酪氨酸激酶(STYK)1在NSCLC中呈現高表達狀態，它可以通過增強GPX4表達增強，抑制鐵死亡，加速了肺癌細胞的生長。

4 鐵死亡與肺癌治療

4.1鐵死亡與化療 化療即化學藥物治療，借助化學治療藥物殺滅癌細胞，緩解病痛?；熓且环N全身治療的手段，化療藥物會隨著體液循環遍布周身。因此，對一些有全身擴散傾向的肺部腫瘤及已經轉移的中晚期肺癌，化療都是需要重點考慮的手段?；熆梢宰柚狗伟┘毎鲋硵U散并可以誘導“細胞死亡”。有研究表明，順鉑是肺癌人類肺泡基底上皮細胞和結腸癌細胞中鐵死亡及細胞凋亡的誘導劑，其機制可能與GSH的減少和GPX4的活躍性降低有關，進一步發現順鉑與Ⅰ類FIN Erastin聯合治療有1+1>2的優異效果。但其他肺癌治療藥物，如替尼類藥物、紫杉醇類藥物、單抗類藥物等，暫時沒有與鐵死亡相關的研究。因此，相關研究仍需更多臨床與實驗工作者的持續跟進。

4.2鐵死亡與放療 腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法。約70%的患者在治療過程中需要用放射治療，但部分腫瘤患者對放療有抵抗。對于NSCLC早期患者，應首先考慮手術，但是有些高齡患者或合并一些內科疾病的患者無法耐受手術，這時，放療便成為極其重要的治療手段之一。Lei等〔23〕發現放療可以使腫瘤細胞產生過多的ROS，導致LPO堆積，誘發鐵死亡。實驗人員進一步證實鐵死亡誘導劑可以抑制SLCA7A11或GPX4活性，使腫瘤細胞增加對放療的敏感。但是，其機制尚未明確，仍需要更多研究去深入發現。

4.3鐵死亡與其他治療 分子靶向治療又被稱為“生物導彈”，是在細胞分子水平上，針對已經明確的致癌蛋白分子或基因片段，設計相應的診療藥物，藥物進入人體內會特異性地選擇致癌位點，發揮藥物作用，使腫瘤細胞特異性死亡且不損傷身體其他健康組織，是目前惡性腫瘤常用的治療方法之一。Villalpando-Rodriguez等〔24〕在針對靶向藥物治療肺癌的研究中發現西拉美辛和拉帕替尼聯合使用會促使脂質ROS增加，并減弱血紅素加氧酶-1表達，誘發肺癌細胞發生鐵死亡。

免疫治療是新型的腫瘤治療方式，主要針對具有虛弱或亢進的免疫系統的患者，通過提高或抑制人體免疫功能，中斷腫瘤細胞與免疫細胞結合，使人體依靠自身免疫殺滅腫瘤細胞。通過臨床觀察發現，細胞程序性死亡——配體(PD-L)1高度表達與惡性腫瘤的發生密切相關〔25〕。程序性死亡受體(PD)-1及PD-1抑制劑在免疫治療中最常見，其主要機制是PD-1/PD-L1抑制劑與腫瘤細胞上的PD-L1結合，恢復T細胞對腫瘤細胞的識別殺傷功。Wang等〔26〕在研究鐵死亡與腫瘤免疫治療時，得出結論為：鐵死亡的興奮有利于免疫治療的抗腫瘤效果。其機制可概括為被免疫治療激活的CD8+T細胞可以通過釋放γ-干擾素(IFN-γ)促進脂質過氧化，提高腫瘤對鐵死亡的敏感性，進而提高治療療效。但是引發腫瘤鐵死亡的內源性機制仍不夠明確，需要更多研究。

綜上，鐵死亡作為近年來發現的新型細胞死亡形式，與細胞凋亡、壞死、自噬有著很大區別，依靠其獨特發生和抵抗機制吸引了眾多臨床和科研人員的研究。近年來，肺癌的發病率逐年上升，受肺癌折磨與死亡的人數越來越多，而鐵死亡為肺癌指出了新的治療方向。但是，仍有許多問題有待解決，如鐵死亡發生過程中哪些物質被氧化？GPX4是不是致癌基因？總之，機遇與挑戰并存，鐵死亡是一個有前景的研究方向，深入研究其作用機制并應用于臨床必將為肺癌患者帶來福音。