鐵死亡在神經系統腫瘤中的作用及其機制研究進展

趙甦，李巧玉，孫而藝

Stockwell實驗室在2001—2003年期間，成功地篩選出能夠選擇性殺死具有致癌性人成纖維瘤BJ細胞的小分子化合物“eaststin”。經過進一步實驗，Stockwell等在進行細胞凋亡檢測時，始終沒有發現其與細胞凋亡相關的證據，沒有caspase激活以及caspase底物的裂解，也沒有細胞核形態的變形等[5]。直到2008年Stockwell等才在實驗室首次證實這種鐵依賴形式的非細胞凋亡的死亡形式。在2012年Dixon和Stockwell等[6]首次提出了“ferroptosis”的術語概念。自此，鐵死亡的概念逐漸被國內外學者知曉。與細胞凋亡、壞死以及自噬等方式不同，鐵死亡有獨特的死亡形式及生物學特性；其主要特征性的表現是細胞的脂質活性氧(reactive oxygen species， ROS)不斷積累，最后導致線粒體變小，線粒體膜的雙側膜密度改變[7]。但其不導致細胞膜破壞、細胞核的改變以及染色質的濃縮[1]。有研究[5]表明，鐵死亡在神經系統疾病中起了重要的作用?，F就鐵死亡在神經系統腫瘤中的作用及其機制的相關研究進展綜述如下。

1 鐵死亡的調節劑

1.1 抑鐵調節劑 抑鐵調節劑主要是通過調節鐵死亡相關通路的環節，從而起到抑制細胞鐵死亡的發生。常見的抑制劑主要有鐵螯合劑、liproxstatin-1以及ferrostatin-1等。Zika等[8]發現lip-1和fer-1可能是通過減少細胞內毒性的脂質ROS積累，從而抑制細胞鐵死亡的發生。在既往研究中發現，fer-1是一種強效的鐵死亡抑制劑，可以抑制腫瘤細胞的鐵死亡，其比酚類抗氧化劑能更有效地抑制鐵死亡[9]。Dixon等[6]通過實驗成功制成了合成的Fer-1，并證明了其可以特異性地抑制鐵死亡，但不會抑制其他氧化性物質和細胞凋亡誘導的死亡方式。后續實驗證明了Fer-1可以通過減少脂質ROS的積累而起到抑制鐵死亡的效果[7]。另外，Fer-1也可以防止谷氨酸引起的細胞死亡，實驗發現過量的谷氨酸會誘導大鼠海馬切片培養模型發生鐵死亡，但其可以被鐵螯合劑CPX以及Fer-1抑制。鐵螯合劑也可以抑制細胞的鐵死亡[7]。臨床上常用的鐵螯合劑包括去鐵胺、地拉羅司以及去鐵酮。研究發現[10]，去鐵胺之所以能夠抑制鐵死亡的發生，可能是通過鐵螯合劑阻止鐵離子將電子提供給氧形成ROS，具體的機制尚不明確。但不管是親脂性的鐵螯合劑還是膜不透性的鐵螯合劑(如去鐵胺)都具有抑制鐵死亡發生的功效。也有研究[11]發現維生素E等可以抑制脂質的氧化過程，從而幫助細胞抑制鐵死亡發生。

1.2 促鐵調節劑 鐵死亡誘導劑主要包括有Erastin、索拉非尼(sorafenib)、選擇性致死化合物(ras-selective-lethal compound 3，RSL3)等。較早研究[6]發現，erastin是胱氨酸-谷氨酸反向轉運體(cystine /glutamateantiporter，system Xc-)抑制劑，限制了谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成，最后使得細胞內的脂質ROS增多，從而發生鐵死亡。Lu等[12]發現，Peroxiredoxin-6(PRDX6)具有幫助細胞抵抗鐵死亡的作用，敲減PRDX6可以增強Erastin誘導鐵死亡的效果。RSL3則可以下調GPX4的表達，直接抑制GPX4的活性，從而促進鐵死亡發生，但其作用會被鐵螯合劑(如去鐵胺、CPX)以及親脂性抗氧化劑(維生素E、fer-1等)抑制[11]。sorafenib在HT-1080、Huh以及ACHN等細胞系中，可能通過抑制xCT的活性來使得細胞內的脂質ROS積累增多，從而促進鐵死亡發生，同樣其作用也會被鐵螯合劑去鐵胺以及Fer-1抑制[11]。Kim等發現[13]在頭頸癌細胞中，沉默CISD2基因可以使耐藥的HNC細胞更易受柳氮磺吡啶的影響，使得HNC細胞發生鐵死亡，其作用機制可能是通過抑制xCT的活性，使得細胞內脂質ROS積累進而促進了細胞鐵死亡。除此之外，DPI7、DPI10、DPI12、DPI13、DPI17-19以及奧曲胺都可能是通過抑制GPX4活性來促進鐵死亡的誘導劑[7]。

2 鐵死亡的相關機制

2.1 鐵離子途徑 鐵是腫瘤細胞增殖和發展中必需的元素之一。鐵死亡是鐵依賴性的非凋亡性細胞死亡方式。眾多研究表明，神經系統腫瘤(如膠質瘤、膠質母細胞瘤)中都有鐵死亡的參與[14]。三價鐵離子通過轉鐵蛋白、轉鐵蛋白受體、二價金屬轉運體1等一系列結合、轉運，以及還原過程成為二價鐵離子。而Fe2+是鐵死亡過程中參與反應的形態，鐵超載后會使得大量鐵離子參與Fenton反應，從而使得脂質ROS產生，加之細胞內的抗氧化能力不足，便會導致鐵死亡發生[14]。

2.2 胱氨酸-谷氨酸反向轉運體途徑 胱氨酸-谷氨酸反向轉運體是鐵死亡過程中重要的環節，其由SLC7A11和SLC3A2共同組成[15]。通過胱氨酸-谷氨酸反向轉運體系統，能夠將谷氨酸轉到細胞外，將胞外的胱氨酸轉移至細胞內；胱氨酸還原成半胱氨酸，參與GSH的合成，隨著GSH合成增加，使得毒性脂質ROS不能蓄積，保護細胞抵抗鐵死亡。當細胞外的谷氨酸增多，或是特異性的抑制劑使得胱氨酸-谷氨酸反向轉運體系統受到抑制，胱氨酸和谷氨酸的轉運不能進行時，便會使細胞內GSH的合成減少。GSH作為細胞內的抗氧化劑，其減少會使得大量的脂質ROS蓄積，進而促進鐵死亡的發生，引起細胞死亡[15]。

2.3 GPX4途徑 GPX4是GPxs家族的一員。在鐵死亡的過程中，作為抗氧化酶的GPX4可以通過降低細胞內的脂質ROS的蓄積，從而抑制細胞鐵死亡[16]。研究發現，在人神經系統中膜多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFAs) 含量相對較多，而PUFA作為產生過氧化物的底物之一，在GPX4的活性受到抑制的時候，會迅速導致大量的脂性ROS產生；故相比身體其他部位，抑制神經系統組織的GPX4活性將會更加容易發生鐵死亡[17]。目前的研究認為，鐵誘導劑Erastin和RSL3均會抑制GPX4的活性，前者可能通過增加GPX4的底物GSH耗盡，從而促進鐵死亡發生；后者則能直接抑制GPX4的活性。因此，使得GPX4失活或產生減少均能促進腫瘤細胞死亡，其也是促進腫瘤細胞鐵死亡發生的重要條件[7,16]。

2.4 Nrf2 Nrf2是轉錄因子的一種，正常情況下在神經系統各區域的表達均較低。在神經系統腫瘤中，惡性程度越高的腫瘤患者的Nrf2表達水平就越高，同時也預示著其預后生存情況越差。Roh等[18]研究發現，在耐順鉑的頭頸癌細胞中，通過抑制腫瘤細胞中Nrf2的表達，可以增加青蒿琥酯促使腫瘤細胞發生鐵死亡的敏感性，提高了青蒿琥酯對耐藥腫瘤細胞的治療效果。膿毒癥相關腦病(sepsis associated encephalopathy,SAE)是膿毒癥的嚴重并發癥，使腦組織發生廣泛的功能障礙。姚鵬等[19]通過建立SAE的大鼠模型評估大鼠認知功能，檢測鐵含量以及相關蛋白表達，觀察細胞形態。實驗發現，SAE模型中大鼠海馬神經元的受損可能與鐵死亡有關，而抑制海馬神經元細胞的鐵死亡可以有效改善SAE大鼠模型的認知功能；抑制鐵死亡過程可能與Nrf2/GPX4信號通路的激活，使鐵死亡受到抑制有關。

2.5 其他相關機制 p53基因作為抑癌分子一直以來都受到廣泛的關注，p53可以介導細胞發生細胞凋亡，阻滯其細胞周期，從而起到了抗腫瘤的作用。然而最近的研究[20]發現，p53不僅僅通過這兩方面起到抗癌作用，還能通過調節細胞代謝起到抗腫瘤的作用。眾多研究提示，p53這種通過細胞代謝應激而起到的抗癌作用可能與細胞鐵死亡密切相關[20-21]?？赡苁荘53下調胱氨酸-谷氨酸反向轉運體系統中xCT的活性，使得胱氨酸不能進入胞內，抑制了GSH的合成，導致細胞內的脂質ROS產生不斷增多，最終引起細胞鐵死亡[21]。

3 鐵死亡與神經系統腫瘤

研究發現，在神經系統疾病中，鐵死亡扮演著極其重要的角色。近期的研究也使得鐵死亡在神經系統腫瘤中的重要性逐漸地被揭曉。關于鐵死亡在神經系統腫瘤中的作用機制已經取得一定的研究進展。通過對鐵死亡的研究發現，部分的轉錄因子在神經系統腫瘤的增殖、遷移以及惡變中都起了重要作用，其作用機制與鐵死亡密切相關。如ATF4，其表達升高會促進原發性腦腫瘤的惡性程度，且會增加腫瘤血管生成風險。Chen等[22]研究發現，當ATF4的表達增高時，激活的ATF4會使得xCT表達上調。而通過抑制xCT的活性，可以促進腫瘤細胞鐵死亡的發生；從而緩解ATF4表達增高所引起的正常神經細胞的死亡。在神經膠質瘤細胞中，ATF4的表達水平增高會增加腫瘤血管的生成，可能是ATF4通過xCT活性依賴性方式增加了腫瘤血管的生成和血管結構的塑造；且研究表明通過下調ATF4的表達可以抑制xCT的活性，進而增強神經腫瘤細胞對鐵死亡的敏感性，使得腫瘤和其脈管系統的增殖與生成得到控制。故ATF4可能是抑制腫瘤細胞增殖、腫瘤血管生長的有效靶點。同樣作為轉錄因子家族的Nrf2在神經系統腫瘤中表達與腫瘤的惡性程度往往呈正相關，也影響著患者的預后生存情況。Fan等[23]通過研究Nrf2和Keap1的表達對神經膠質母細胞瘤中鐵死亡敏感性的影響發現，Nrf2的過表達和Keap1的敲除可以促進腫瘤細胞的增殖和遷移；其機制可能是通過上調xCT的活性，改變了腫瘤的微環境，使腫瘤細胞鐵死亡受到抑制而實現的。而下調膠質瘤細胞中Nrf2的表達可以促進腫瘤細胞鐵死亡，其機制可能是通過抑制了xCT的活性，減少了谷氨酸的分泌，使細胞內脂質ROS產生增多，促進了鐵死亡發生。同時下調Nrf2的表達，可以使得膠質瘤細胞對鐵死亡的誘導劑(如erastin、RSL3)的敏感性增加。

惡性神經系統腫瘤的治療方法往往是采用手術治療，并輔以相應的化療及放療；敏感性高的化療藥物可以有效地改善患者的預后生存情況。替莫唑胺(Temozolomide，TMZ)作為治療高級別膠質瘤的有效藥物，可以延緩患者的生存期；但是效果卻并不理想。Sehm等[24]研究發現，當TMZ聯合鐵死亡誘導劑時可以增強治療效果。抑制xCT活性，干擾了腫瘤細胞的微環境可能是TMZ與鐵死亡誘導劑聯合使用增加療效的原因。實驗發現，當TMZ與erastin聯合使用時，可以增加其抗癌作用的效果；但聯合sorafenib則不能達到較好的效果。上調xCT表達后會使得腫瘤細胞對TMZ聯合erastin的治療效果更加敏感?？傊?，TMZ與鐵死亡誘導劑聯合使用，可以提高對膠質瘤細胞的治療效果。布洛芬作為一種非甾體類抗炎藥，已被證實在許多癌癥中與腫瘤發生相關，但其對神經膠質瘤細胞的作用機制及效果尚不明確。Gao等研究[25]發現，布洛芬可以下調膠質母細胞瘤中GPX4和xCT的表達，且GPX4和xCT的表達降低與Nrf2表達下調相關，Nrf2可以調節膠質母細胞瘤中GPX4和xCT的表達；表明布洛芬可能通過下調Nrf2的表達，抑制了GPX4和xCT的活性，使得腫瘤細胞中的脂質ROS產生增多，進而促進膠質母細胞瘤的鐵死亡發生；這使布洛芬有可能成為治療神經膠質瘤的潛在藥物。Wang等研究[26]發現，土槿皮乙酸(Pseudolaric acid B，PAB)可以抑制神經膠質瘤的活力；其機制可能是PAB上調運鐵蛋白受體，改變了細胞內的鐵含量，鐵活化的Nox4增加，導致H2O2和脂質過氧化物的過量產生。此外，PAB也可能通過p53下調xCT的活性，使細胞內GSH產生減少、脂質ROS積累過多，促進了腫瘤細胞鐵死亡的發生。PAB可以促進神經膠質瘤細胞的鐵死亡發生，使其可能成為治療神經膠質瘤細胞的潛在藥物。但目前p53在神經系統腫瘤鐵死亡過程中的作用研究尚少，且p53基因容易發生突變，突變后的基因是否能夠保留調節細胞鐵死亡的能力還尚未可知。

4 總結與展望

鐵死亡是近年來新提出的細胞死亡方式，其不同于傳統的細胞死亡方式，有自己的獨特性。目前的研究報道已經證明鐵死亡在神經系統疾病中同樣起到了重要的作用，不僅僅是在PD及AD中，其在神經系統腫瘤和腦卒中的作用均有極其重要的研究價值。但目前對其作用機制的研究尚不足，在腦腫瘤方面，如何能夠將鐵死亡應用在治療中是值得探究的。但對于鐵死亡在神經系統中的很多未知作用及其機制，如在神經系統中，鐵死亡與其他凋亡方式之間有著何種聯系？如何將鐵死亡應用到耐藥腫瘤的藥物治療中？鐵死亡涉及的基因表達和調控，以及在腦腫瘤中的作用機制相關研究還不夠深入。深入對鐵死亡的作用及其機制的研究不僅是對腦腫瘤，也對其他神經系統疾病的治療有重大意義。