黃靈瀟，徐珍妮，雷旭丹，劉登群

610041 成都，四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心，電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院 放射腫瘤學(xué)四川省重點實驗室

惡性腫瘤嚴(yán)重地威脅著人類的身體健康與生命安全。2018年全球新增1 810萬患者，死亡人數(shù)960萬人，其中我國新發(fā)380.4萬例，占全球新發(fā)病人數(shù)的20%以上[1-2]。放射治療是惡性實體瘤的重要治療手段，約60%～70%惡性腫瘤患者在治療過程中需接受放療，在療效較好的惡性腫瘤中放療的貢獻(xiàn)占比可達(dá)40%，尋找新的放療靶點有助于提高腫瘤放療效果[3-5]。鐵死亡是一種以谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)表達(dá)降低為標(biāo)志事件的鐵依賴性新型細(xì)胞程序性死亡，主要由膜脂質(zhì)過氧化物代謝失調(diào)所介導(dǎo)[6]。放射治療不僅能直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，同時可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生大量脂質(zhì)活性氧(reactive oxygen species，ROS)和長鏈脂酰輔酶A合成酶4(Acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)，并通過脂質(zhì)過氧化物累積而誘發(fā)腫瘤細(xì)胞鐵死亡[7]。隨著對鐵死亡相關(guān)研究的逐步深入，研究人員發(fā)現(xiàn)鐵死亡與腫瘤、炎癥、缺血再灌注損傷等多種疾病的發(fā)生及治療預(yù)后存在密切關(guān)聯(lián)。近年來，鐵死亡被發(fā)現(xiàn)在放療誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞死亡、放療與免疫治療的協(xié)同效應(yīng)以及正常組織的放射性損傷等方面發(fā)揮重要作用。本文將對鐵死亡的調(diào)控機制及其與腫瘤放療的相關(guān)研究進展進行綜述。

1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn)

Dolma等[8]于2003年首次觀察到新化合物Erastin能殺死Ras突變的腫瘤細(xì)胞，然而Erastin所致細(xì)胞死亡不同于傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡。Yang等[9]于2008年發(fā)現(xiàn)新化合物RSL3具備與Erastin類似的功能，同時這種新型細(xì)胞死亡方式的誘導(dǎo)作用可以被鐵螯合劑和維生素E所抑制，提示這種新型細(xì)胞死亡形式與鐵離子和ROS密切相關(guān)。Dixon等[6]對該現(xiàn)象進行了深入研究后于2012年將這種鐵依賴性的由脂質(zhì)過氧化物累積導(dǎo)致的細(xì)胞死亡命名為“鐵死亡”。不同于傳統(tǒng)的壞死、凋亡或者自噬等細(xì)胞死亡，鐵死亡細(xì)胞的核膜相對完整，主要表現(xiàn)為線粒體體積減小、線粒體嵴減少及線粒體膜固縮等以線粒體形態(tài)改變?yōu)橹鞯某⒔Y(jié)構(gòu)變化，其發(fā)生機制主要與細(xì)胞鐵代謝異常、脂質(zhì)過氧化物累積以及GPX4活性降低相關(guān)。鐵死亡在多種疾病的發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用，而在腫瘤治療過程中誘導(dǎo)鐵死亡則有助于進一步殺滅腫瘤細(xì)胞。

2 鐵死亡的發(fā)生機制

細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的主要過程包括鐵超載、脂質(zhì)過氧化物累積以及GPX4活性下調(diào)等三個重要環(huán)節(jié)。正常情況下，細(xì)胞外的三價鐵離子與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合形成復(fù)合物后由轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)介導(dǎo)進入胞內(nèi)，被鐵還原酶轉(zhuǎn)換為亞鐵離子，隨后經(jīng)二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白被儲存到胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵池，過多的亞鐵離子在鐵伴侶蛋白的輔助下經(jīng)膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白泵出胞外以維持鐵代謝平衡[10-11]。當(dāng)胞質(zhì)鐵含量過高時，二價鐵離子可通過芬頓反應(yīng)生成羥自由基，羥自由基不能被及時清除將導(dǎo)致過氧化物累積誘發(fā)鐵死亡[12-13]。

脂質(zhì)過氧化物的累積是誘導(dǎo)鐵死亡的前提條件，花生四烯酸和腎上腺酸可通過ACSL4轉(zhuǎn)化為花生四烯酰CoA和腎上腺酰CoA并通過溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3結(jié)合到細(xì)胞膜磷脂，被自由基或花生四烯酸15-脂氧合酶氧化為脂氫過氧化物，同時細(xì)胞膜磷脂雙分子層的重要組分多聚不飽和脂肪酸可通過與二價鐵離子的芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量脂質(zhì)過氧化物，誘發(fā)鐵死亡[14-17]。

谷胱甘肽(glutathione，GSH)依賴的GPX4功能異常是鐵死亡發(fā)生機制中的重要一環(huán)，GSH的合成首先需要細(xì)胞通過胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白系統(tǒng)(System Xc-)從胞外攝入胱氨酸轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，經(jīng)ATP依賴的半胱氨酸-谷氨酸連接酶作用產(chǎn)生γ-谷氨酰半胱氨酸，隨后進一步經(jīng)谷胱甘肽合成酶催化生成GSH[18-19]。GSH在GPX4作用下生成氧化型谷胱甘肽，該過程同時還原細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物，使細(xì)胞免受鐵死亡損傷[20]。

3 鐵死亡的調(diào)控機制

3.1 鐵代謝相關(guān)影響因素

細(xì)胞鐵的攝取、儲存及外排過程是調(diào)控鐵死亡的關(guān)鍵因素。核受體輔激活因子4(nuclear receptor coactivator 4，NCOA4)介導(dǎo)的鐵自噬可將鐵蛋白中儲存的鐵釋放入胞質(zhì)，若將纖維肉瘤細(xì)胞和胰腺癌細(xì)胞的NCOA4基因敲除可抑制這些細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[21-22]。鐵螯合劑去鐵胺可抑制Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，反之外源性補充鐵可促進這種鐵死亡[9]。Miller等[23]發(fā)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)鐵蛋白受鐵調(diào)素的負(fù)性調(diào)節(jié)，部分腫瘤患者體內(nèi)鐵調(diào)素的水平增高可抑制鐵的外排過程進而誘導(dǎo)鐵死亡。Sun等[24]發(fā)現(xiàn)熱休克蛋白B1(heat shock protein B1,HSPB1)可通過穩(wěn)定肌動蛋白細(xì)胞骨架下調(diào)TfR1介導(dǎo)的鐵攝取過程以減少細(xì)胞死亡，同時蛋白激酶C可通過調(diào)節(jié)HSPB1磷酸化抑制ROS產(chǎn)生而對Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡產(chǎn)生負(fù)性調(diào)節(jié)效應(yīng)。此外，p62-Keap 1-NRF 2通路在肝癌細(xì)胞中可通過調(diào)控ROS和鐵代謝相關(guān)基因的表達(dá)，抑制鐵死亡[25]。此外，血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)對鐵死亡的調(diào)節(jié)作用是雙向的，Kwon等[26]發(fā)現(xiàn)HO-1在HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞中過表達(dá)可通過提供過量鐵促進Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，但在Sun等[25]的研究報道中HO-1可抑制Erastin或索拉菲尼誘導(dǎo)的肝癌細(xì)胞鐵死亡。

3.2 脂質(zhì)過氧化相關(guān)影響因素

親脂性抗氧化劑和鐵螯合劑可預(yù)防由脂質(zhì)ROS累積導(dǎo)致的鐵死亡。例如，Dixon等[6]和Angeli等[27]發(fā)現(xiàn)自由基清除劑他汀類藥物Ferrostatin和脂質(zhì)過氧化酶抑制劑/脂溶性抗氧化劑維生素E等藥物可通過抑制脂質(zhì)過氧化過程調(diào)控細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生。Bersuker等[17]和Doll等[28]因線粒體凋亡誘導(dǎo)因子2(apoptosis inducing factor mitochondria associated 2，AIFM2)可與脂質(zhì)過氧化自由基清除劑輔酶Q10(coenzyme Q10，CoQ10)協(xié)同作用對細(xì)胞鐵死亡產(chǎn)生抑制效應(yīng)，故AIFM2又稱為鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，F(xiàn)SP1)，進一步研究發(fā)現(xiàn)抑制FSP1活性可通過促進脂質(zhì)過氧化反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞損傷。Tesfay等[29]發(fā)現(xiàn)單不飽和脂肪酸合成過程的限速酶硬脂酰CoA去飽和酶1可通過增加內(nèi)源性抗氧化劑CoQ10抑制卵巢癌細(xì)胞的鐵死亡。此外，Zou等[30]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素P450氧化還原酶可通過正向調(diào)控腫瘤細(xì)胞的磷脂過氧化過程促進鐵死亡的發(fā)生。

3.3 GSH相關(guān)影響因素

GSH是細(xì)胞內(nèi)清除ROS的重要非酶類抗氧化體系，其代謝平衡與鐵死亡調(diào)控密切相關(guān)。System Xc-是由輕鏈亞基溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)和重鏈亞基溶質(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2，SLC3A2)通過二硫鍵連接組成的二聚體[31]。GSH是GPX4發(fā)揮功能的重要輔助因子，抑制System Xc-功能可導(dǎo)致GSH耗竭而間接影響GPX4催化脂質(zhì)過氧化物還原反應(yīng)的能力，造成ROS累積，觸發(fā)鐵死亡[32-33]。例如，Kang等[34]發(fā)現(xiàn)自噬調(diào)節(jié)劑BECN1經(jīng)蛋白激酶AMPK激活后可形成BECN1-SLC7A11復(fù)合物抑制System Xc-活性，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。Dolma等[8]和Gao等[35]發(fā)現(xiàn)Erastin、柳氮磺胺吡啶、索拉非尼等藥物可通過抑制System Xc-間接影響GPX4的活性，最終誘導(dǎo)鐵死亡。反之，Nrf2可通過上調(diào)下游靶基因SLC7A11的表達(dá)進一步限制ROS生成，對鐵死亡產(chǎn)生抑制效應(yīng)[25]。Cao等[36]發(fā)現(xiàn)丁硫氨酸-S, R-磺胺肟可通過抑制GSH合成限速酶谷氨酸半胱氨酸連接酶誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡。此外，Yang等[33]發(fā)現(xiàn)GPX4抑制劑RSL3、DPI7和DPI10等可直接抑制細(xì)胞抗氧化能力，導(dǎo)致脂質(zhì)ROS累積，誘導(dǎo)鐵死亡。

4 鐵死亡與腫瘤放療相關(guān)性

放療是一種通過利用高能電離輻射促使腫瘤細(xì)胞DNA雙鏈發(fā)生斷裂進而誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞死亡的局部治療方法。Lei等[7]發(fā)現(xiàn)放射線可使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生大量脂質(zhì)ROS導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物累積誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，使用鐵死亡誘導(dǎo)劑抑制SLC7A11活性或GPX4活性可增強腫瘤細(xì)胞的放療敏感性。同時，鐵死亡也參與了放射性肺損傷和放射性腸損傷的發(fā)病過程。

4.1 鐵死亡與放療敏感性

Ivanov等[37]發(fā)現(xiàn)使用富鐵水預(yù)處理誘導(dǎo)鐵死亡，可提高放療對膠質(zhì)瘤細(xì)胞的治療效果，且該效應(yīng)能被鐵螯合劑抑制。共濟失調(diào)毛細(xì)血管擴張突變基因(ataxia telangiectasia-mutated gene，ATM)對放療敏感性具有雙向調(diào)節(jié)作用，ATM可修復(fù)放療后腫瘤細(xì)胞的DNA損傷情況，但Lang等[38]發(fā)現(xiàn)ATM可通過抑制SLC7A11表達(dá)限制腫瘤細(xì)胞的胱氨酸攝入，GSH合成減少將導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物累積，進而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。SLC7A11、GPX4或ACSL4等鐵死亡相關(guān)基因在放療抵抗性的非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)細(xì)胞中出現(xiàn)表達(dá)升高，可通過削弱放療誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)抑制鐵死亡，從而增強NSCLC細(xì)胞對放療的抵抗性，反之使用Erastin激活鐵死亡可增強肺癌細(xì)胞株的放療敏感性[7, 39]。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，通過鐵死亡誘導(dǎo)劑或其他方式誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡有助于提高放療的敏感性及其治療效果。

此外，放療時常與免疫檢查點抑制劑為代表的免疫療法聯(lián)合使用。一方面，放療可通過重塑腫瘤微環(huán)境促進效應(yīng)T細(xì)胞的募集與殺傷功能，增強其對腫瘤細(xì)胞的攻擊能力[4]。另一方面，免疫治療可通過調(diào)節(jié)CD8陽性T細(xì)胞分泌γ干擾素與放療協(xié)同抑制SLC7A11的表達(dá)等機制抑制腫瘤細(xì)胞攝取胱氨酸，進而增強脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，反之抑制鐵死亡將減弱放療與免疫治療的協(xié)同治療效果[40]。因此，考慮將鐵死亡誘導(dǎo)劑與放療聯(lián)合免疫療法的治療方案相結(jié)合或能在抗鐵死亡基因如SLC7A11低表達(dá)或促鐵死亡基因如ACSL4高表達(dá)的鐵死亡敏感型腫瘤中發(fā)揮更大的作用[41]。

4.2 鐵死亡與放療并發(fā)癥

放療是腫瘤治療的主要方法之一，但射線在殺傷腫瘤細(xì)胞的同時也會對周圍正常組織產(chǎn)生明顯損害，導(dǎo)致一系列放療相關(guān)并發(fā)癥，例如放射性肺炎、放射性腸炎、放射性口腔炎、放射性皮炎等。因此，深入理解放療并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展的分子機制將有助于進一步探索放療相關(guān)并發(fā)癥的有效防治方法。鐵死亡與放療并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

放射性肺損傷(radiation-induced lung injury,RILI)是胸部放療后的常見并發(fā)癥之一，早期是以滲出性炎性反應(yīng)為主要表現(xiàn)的放射性肺炎(radiation pneumonitis,RP)，晚期發(fā)展為以廣泛肺組織纖維化、呼吸功能損害為主的放射性肺纖維化[42]。ROS可與細(xì)胞內(nèi)的DNA、蛋白和脂類等大分子反應(yīng)干擾其功能的正常發(fā)揮，在早期通過炎性反應(yīng)引起RILI，ROS在RILI的病理進程中造成的損傷作用達(dá)到70%以上，使用ROS清除劑可在一定程度上減緩RP的進展[43-45]。Li等[46-47]和Gong等[48]發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制劑鐵抑素-1可通過抑制脂質(zhì)過氧化水平并增強GPX4表達(dá)阻礙放射性肺纖維化的進程，反之鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin可通過增加脂質(zhì)過氧化與下調(diào)GPX4表達(dá)促進成纖維細(xì)胞的分化，從而加重放射性肺損傷的癥狀。Nrf2可通過調(diào)控HO-1和超氧化物歧化酶、SLC7A11、GPX4等下游靶基因表達(dá)參與鐵死亡中鐵代謝、脂質(zhì)過氧化及GSH代謝等重要環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)。Tian等[49]發(fā)現(xiàn)敲除Nrf2可加重放射導(dǎo)致的肺組織炎癥反應(yīng)和氧化損傷情況，促進肺組織纖維化的進展，反之Nrf2過表達(dá)對RP具有一定保護作用。此外，放射線可使局部組織中轉(zhuǎn)錄生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)表達(dá)增加，激活的TGF-β1可抑制上皮細(xì)胞增殖、趨化巨噬細(xì)胞和成纖維細(xì)胞聚集，并促進炎癥因子的釋放和膠原產(chǎn)生與沉積，進而導(dǎo)致組織纖維化[50]。Xuan等[46]發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制劑liproxstatin-1可通過激活Nrf2通路下調(diào)TGF-β1的表達(dá)，進而減緩放射性肺纖維化的進程。許多臨床研究嘗試探索TGF-β1作為RILI風(fēng)險預(yù)測與預(yù)后評估新標(biāo)志物的巨大潛力和可行性，TGF-β1水平的升高被認(rèn)為NSCLC與RILI進程乃至放射性肺纖維化的發(fā)生密切相關(guān)，但TGF-β1是否能作為RILI的獨立風(fēng)險因素依然需要進一步驗證[51-55]。

放射性腸炎多為盆腹部惡性腫瘤放療引起的腸道放射性損傷，腸炎以腹瀉、腹痛、黏液血樣便等為主要癥狀，久治不愈者可出現(xiàn)腸梗阻、腸穿孔甚至引起膿毒血癥及多器官功能衰竭，嚴(yán)重威脅患者生命安全[56-57]。Kose等[58]發(fā)現(xiàn)綠茶中的重要活性成分表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate,EGCG)可通過阻礙鐵累積、脂質(zhì)過氧化及GSH耗竭等過程抑制Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，Xie等[59]深入研究發(fā)現(xiàn)EGCG可通過激活Nrf2通路調(diào)控下游SCL7A11、GPX4及HO-1等靶基因的表達(dá)水平抑制鐵死亡的發(fā)生，EGCG在動物模型上可延長放射性腸損傷小鼠的存活時間、減緩輻照后的體重減輕、減輕腸干細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷并有助于維持其再生修復(fù)功能，同時減輕放射誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和DNA損傷情況。因此，鐵死亡參與調(diào)控了放射性腸炎的發(fā)生發(fā)展過程，通過藥物抑制鐵死亡的發(fā)生將對腸道放射性損傷進程產(chǎn)生保護性作用。

為了盡量減少放療對正常組織的損害，通常通過多次低劑量放療代替高劑量的放療即進行劑量分割，同時不同的放療劑量和分割方案也會導(dǎo)致不同程度的鐵死亡，單次大劑量放療可能引起脂質(zhì)過氧化水平增高。探索和應(yīng)用更精細(xì)的分割放療方案將有助于維持在放療療效的前提條件下減輕對正常組織的損傷[38]。

5 總結(jié)與展望

鐵死亡在腫瘤的發(fā)生發(fā)展進程中具有重要意義。放療是目前臨床上廣泛應(yīng)用的腫瘤治療手段之一，放射線可誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，是放療發(fā)揮抗腫瘤作用的重要機制。鐵死亡是放療殺傷腫瘤細(xì)胞的有效作用途徑，放療抵抗的腫瘤細(xì)胞往往伴有鐵死亡水平的降低，因此通過鐵死亡誘導(dǎo)劑聯(lián)合放療以提高腫瘤的放射敏感性進而增強放療效果。此外，鐵死亡也參與放療并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展過程，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡可增強放療療效的同時也加重放療對正常組織的損傷情況。因此，鐵死亡在放療過程中具有雙面性，如何在兩者間取得平衡仍是需要深入考量與進一步探索的問題。例如，鐵死亡誘導(dǎo)劑結(jié)合放療或放療聯(lián)合免疫治療的方法是否能做到對正常組織的毒性低于腫瘤組織即是否存在最佳治療窗口，或者我們能否運用特殊材料通過藥物化學(xué)的方法構(gòu)建新型載體運載鐵死亡誘導(dǎo)劑使其作用范圍更特異地限制在接受放療的腫瘤組織中，這些思考與嘗試都是非常必要和迫切的。

綜上，深入和全面地理解鐵死亡作用機制以及其與放療的關(guān)系，有助于我們更有效地建立針對放療誘導(dǎo)的鐵死亡的防治策略，為開發(fā)用于放療增敏的關(guān)鍵靶點與有效藥物提供理論基礎(chǔ)及實驗支持。

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