莊志誠，官國先

福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 結(jié)直腸外科, 福建 福州 350005

細(xì)胞死亡是生命過程的終點(diǎn)，它在維持正常生理功能方面起著重要作用。凋亡(apoptosis)和壞死(necrosis)是細(xì)胞死亡的兩種經(jīng)典形式。近年來，隨著對細(xì)胞死亡的不斷深入研究，人們發(fā)現(xiàn)了許多其他死亡方式如自噬(autophagy)、壞死性凋亡(necroptosis)、焦亡(pyrotosis)以及鐵死亡(ferroptosis)等。其中，鐵死亡是近年來提出的一種新型細(xì)胞死亡概念[1]。研究表明，鐵死亡在結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了復(fù)雜的作用，這為結(jié)直腸癌的治療提供了新的靶點(diǎn)。

1 鐵死亡的特征

鐵死亡作為一種全新的細(xì)胞死亡模式，在形態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)和生物化學(xué)等方面與凋亡、壞死和自噬有較大的區(qū)別[2]。鐵死亡發(fā)生時，細(xì)胞內(nèi)的線粒體會發(fā)生特征性的皺縮、嵴減少或消失，并且線粒體膜密度會增高。而細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)，胱氨酸攝入障礙從而引起谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成衰竭，引發(fā)谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)的活性降低等一系列氧化還原系統(tǒng)失衡的表現(xiàn)。

2 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制

2.1 氧化應(yīng)激途徑

GSH是哺乳動物細(xì)胞中的主要抗氧化劑， 也是GPX4的首選底物，因此GSH供應(yīng)不足將直接影響GPX4的功能，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。位于細(xì)胞膜上的胱氨酸谷胺酸轉(zhuǎn)運(yùn)受體(xCT)可以使胞外的胱氨酸和胞內(nèi)的谷胺酸進(jìn)行等量交換，為GSH的合成提供原料，因此對平衡細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)方面起著重要作用[2]。GPX4作為細(xì)胞脂膜修復(fù)酶之一，通過結(jié)合輔因子GSH，催化去除脂膜上多余的活性氧自由基，阻止細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，從而被認(rèn)為是鐵死亡的核心調(diào)控分子。通過消耗細(xì)胞內(nèi)的GSH含量或者使GPX4失活，可以使細(xì)胞具有的抗氧化體系的平衡被打破，從而直接或間接的誘導(dǎo)鐵死亡。

2.2 鐵代謝與脂質(zhì)代謝途徑

鐵是人體的微量元素之一，鐵的缺乏或過載都會引起人體的損傷[3]。細(xì)胞內(nèi)的二價鐵離子主要儲存在胞質(zhì)不穩(wěn)定鐵池中(labile iron pool，LIP)，其中一部分以鐵蛋白(ferritin)形式儲存，另一部分則參與各種生化過程。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵過載時，F(xiàn)e2+可以通過芬頓(Fenton)反應(yīng)產(chǎn)生大量活性氧簇[4]，從而為脂質(zhì)過氧化物的形成提供原料。脂質(zhì)代謝在鐵死亡的發(fā)生過程中也是至關(guān)重要的，脂質(zhì)的氧化耐受性會影響鐵死亡的程度。其中，多不飽和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acid，PUFA)最受人關(guān)注，游離的PUFA是合成細(xì)胞膜成分的底物，它們可以經(jīng)過酯化反應(yīng)變成膜磷脂從而整合到細(xì)胞膜上，而這個過程受到長鏈脂酰輔酶A合成酶4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)與溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3)的調(diào)控[5]。

2.3 其他途徑誘導(dǎo)的鐵死亡

除了上述經(jīng)典途徑，隨著研究的深入，近年來還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他鐵死亡調(diào)控途徑。之前為人們所知的線粒體相關(guān)凋亡誘導(dǎo)因子2(apoptosis inducing factor mitochondrion associated 2，AIFM2)，可以通過利用輔酶Q10阻止脂質(zhì)過氧化，因此成為了與GPX4平行的獨(dú)立的鐵死亡抑制因子，并被重新命名為鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，F(xiàn)SP1)[6]。由于在細(xì)胞缺鐵時，鐵蛋白可以通過被核受體共同活化子4(nuclear receptor coactivator 4，NCOA4)降解，通過自噬途徑運(yùn)輸?shù)饺苊阁w，從而釋放鐵離子補(bǔ)充不穩(wěn)定鐵池，因此，自噬依賴的鐵死亡途徑在近年來報道也的越來越多，但具體的機(jī)制還需進(jìn)一步闡明[7]。

3 鐵死亡與結(jié)直腸癌治療

腫瘤研究中的一個具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問題是如何在保持健康細(xì)胞完整性的同時有效殺傷腫瘤細(xì)胞。腫瘤細(xì)胞往往在死亡機(jī)制方面有缺陷，這是治療失敗原因之一。為了滿足增殖需要，與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞對鐵離子的需求更高。這種對鐵的依賴使得腫瘤細(xì)胞可能更容易發(fā)生鐵死亡。經(jīng)膳食途徑攝入的鐵在胃腸道中被吸收，通過氧化應(yīng)激誘導(dǎo)結(jié)腸損傷并放大致癌信號，從而增加了結(jié)直腸癌發(fā)展的風(fēng)險[8]。相反，缺鐵卻在結(jié)直腸癌患者中很常見[9]，這會限制造血功能并出現(xiàn)貧血的癥狀。鐵是免疫細(xì)胞功能所必需的，因此缺鐵會導(dǎo)致免疫反應(yīng)減弱和免疫微環(huán)境的改變，從而使結(jié)直腸癌細(xì)胞逃避免疫監(jiān)視[10]。因而人們推測結(jié)直腸癌細(xì)胞鐵死亡的水平也會隨著腫瘤細(xì)胞鐵含量的減少而降低，從而導(dǎo)致其過量增殖。此外，活性氧也與結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展和治療息息相關(guān)，活性氧是一把“雙刃劍”,高水平的ROS會導(dǎo)致一系列細(xì)胞毒事件如鐵死亡，凋亡，周期阻滯，增殖抑制等，而低水平的ROS則會引起DNA損傷和遺傳不穩(wěn)定性，刺激腫瘤細(xì)胞增殖，血管生成，轉(zhuǎn)移以及激活腫瘤細(xì)胞的耐藥性。但腫瘤細(xì)胞往往具有強(qiáng)大的抗氧化系統(tǒng)，這也使得腫瘤細(xì)胞中的ROS可以處于有利于腫瘤細(xì)胞生存的水平，從而維持致癌信號[11]。而化療藥或是放射治療常常會誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生過量活性氧，這可能會直接或間接導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。

3.1 結(jié)直腸癌放療與鐵死亡

對于局部晚期直腸癌(local advanced rectal cancer，LARC),術(shù)前放療能夠有效縮小腫瘤體積，提高保肛率，減少復(fù)發(fā)，延長生存期并提高生活質(zhì)量[12]。電離輻射可以引起DNA損傷，激活DNA損傷反應(yīng)(DNA damage response，DDR)進(jìn)行修復(fù)，當(dāng)損傷修復(fù)不當(dāng)時，DDR就會引發(fā)細(xì)胞凋亡程序，以消除未修復(fù)的細(xì)胞。毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)突變基因(ataxia telangiec-tasia-mutated gene，ATM)屬于PI3K家族，是DNA雙鏈斷裂(double-strand breakage，DSB)主要的感應(yīng)因子和傳導(dǎo)因子，也是DNA損傷檢查點(diǎn)的主要成員，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)細(xì)胞對DSB的應(yīng)答。ATM基因的敲除和化學(xué)抑制能通過增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)鐵離子的螯合作用和鐵輸出，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵池，從而降低細(xì)胞對鐵死亡的敏感性[13]。除了DNA損傷外，電離輻射還可以通過細(xì)胞水的輻射分解和氧化酶的刺激產(chǎn)生諸如氧自由基和過氧化氫的活性氧，損壞蛋白質(zhì)和脂質(zhì)并引起細(xì)胞損傷乃至死亡[14]。電離輻射能導(dǎo)致GPX4的表達(dá)水平降低，而鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1能促進(jìn)其恢復(fù)[15]。此外，電離輻射還可以誘導(dǎo)ACSL4的表達(dá)增加,進(jìn)一步PUFAs的合成，為細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化提供底物，促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生[16]。TP53是腫瘤中最常見的突變基因，也是放射治療的主要效應(yīng)因子之一。電離輻射介導(dǎo)的p53激活可以拮抗SLC7A11的表達(dá)，抑制谷胱甘肽的合成，從而促進(jìn)癌細(xì)胞脂質(zhì)過氧化和鐵死亡,故TP53的突變?nèi)笔У陌┘?xì)胞可以通過抑制鐵死亡提高自身的輻射抗性,這是以前從未被認(rèn)識到的作用[17]。上述研究的結(jié)果表明鐵死亡參與了放療誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡過程中，可見鐵死亡在腫瘤放射增敏效果中具有巨大的潛力，但考慮到不同癌種對放療效果以及鐵死亡的敏感性方面具有較大差異，鐵死亡在結(jié)直腸癌放療中的作用尚缺乏詳細(xì)的報道，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)支持。

3.2 結(jié)直腸癌化療與鐵死亡

作為目前腫瘤治療的主要手段方式之一，化學(xué)治療(化療)藥物通過作用于腫瘤細(xì)胞增殖的不同階段,對細(xì)胞DNA、RNA及蛋白質(zhì)合成過程進(jìn)行阻礙，從而達(dá)到治療目的。產(chǎn)生耐藥性是腫瘤化療的一大難題，腫瘤耐藥是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，涉及多個基因與信號通路的活化以及藥物的代謝異常。此外，細(xì)胞內(nèi)活性氧ROS失衡介導(dǎo)的氧化應(yīng)激防御也與腫瘤耐藥密切相關(guān)[18]。當(dāng)化療藥物作用于腫瘤細(xì)胞時時，細(xì)胞內(nèi)可以產(chǎn)生大量的ROS，ROS的過度蓄積為腫瘤細(xì)胞的生存帶來巨大壓力。但部分腫瘤細(xì)胞可以通過調(diào)控氧化還原過程從而獲得更強(qiáng)的抗氧化系統(tǒng)與ROS耐受能力，導(dǎo)致耐藥形成[19]。KIF20A在奧沙利鉑耐藥的結(jié)直腸癌細(xì)胞模型中高度表達(dá)，敲減KIF20A可以通過抑制NRF2通路的活化從而逆轉(zhuǎn)癌細(xì)胞的耐藥性，并且其耐藥性可以在鐵死亡抑制劑的作用下恢復(fù)，這說明了奧沙利鉑耐藥可能是通過抑制癌細(xì)胞鐵死亡所實(shí)現(xiàn)的[20]。此外，鐵死亡的誘導(dǎo)劑Erastin也被發(fā)現(xiàn)對結(jié)直腸癌干細(xì)胞(cancer stem cells，CSCs)有著明顯的細(xì)胞毒作用，并且可以降低結(jié)直腸癌細(xì)胞的耐藥性[21]。而經(jīng)典化療藥順鉑也被證實(shí)可以通過耗竭GSH誘導(dǎo)HCT116大腸癌細(xì)胞鐵死亡，并且其與Erastin聯(lián)合應(yīng)用對殺傷腫瘤具有顯著的協(xié)同效應(yīng)[22]。上述結(jié)論表明，鐵死亡在化療藥物的細(xì)胞毒作用中可能扮演著重要角色，靶向鐵死亡途徑，進(jìn)一步放大或者恢復(fù)鐵死亡的作用對于逆轉(zhuǎn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的耐藥性具有重大意義。

3.3 結(jié)直腸癌靶向治療與鐵死亡

靶向治療主要應(yīng)用在晚期轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌(mCRC)的患者中，使mCRC 患者的總生存期由6～12個月延長至將近30個月。西妥昔單抗是FDA批準(zhǔn)的表皮生長因子受體(epithelial growth factor receptor,EGFR)單克隆抗體靶向藥，能夠抑制表皮生長因子受體及其下游信號通路，發(fā)揮抗癌作用。但西妥昔單抗只在10%～20%的結(jié)直腸癌患者中起作用，原因在于鼠類肉瘤病毒癌基因(kirsten rat sarcoma viral oncogene,KRAS)蛋白處于EGFR的下游，當(dāng)RAS發(fā)生突變時，KRAS蛋白將持續(xù)激活信號通路而不受EGFR單抗抑制效果的影響，使得西妥昔單抗只適用于KRAS野生型轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌患者[23]?？上驳氖?，已有報道稱，鐵死亡誘導(dǎo)劑β-elemene聯(lián)合西妥昔單抗可以有效誘導(dǎo)KRAS突變型結(jié)直腸癌細(xì)胞鐵死亡，提高細(xì)胞毒敏感性[24]。阿帕替尼被報道可以通過靶向ELOVL6/ACSL4信號通路促進(jìn)大腸癌細(xì)胞鐵死亡的全新機(jī)制，為其進(jìn)一步運(yùn)用于晚期結(jié)腸癌的臨床治療提供了理論支持[25]。相信隨著研究的不斷進(jìn)展，鐵死亡在分子靶向藥物治療mCRC的研發(fā)中會發(fā)揮更大的作用。

4 問題與展望

近年來，作為腫瘤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，鐵死亡因?yàn)樵跉⑺蓝喾N腫瘤細(xì)胞中發(fā)揮著重要的作用而被越來越多的研究者所關(guān)注?；阼F死亡的腫瘤治療靶點(diǎn)，對設(shè)計(jì)新型抗腫瘤藥具有重要意義。癌細(xì)胞通常在執(zhí)行細(xì)胞死亡機(jī)制方面有所缺陷，這與腫瘤本身的免疫微環(huán)境重塑、代謝重編程以及內(nèi)在的凋亡抗性密切相關(guān)。隨著研究的深入，越來越多的基因與鐵死亡調(diào)控之間的關(guān)系也在漸漸明了，這都提示研究者可以從癌細(xì)胞特有的代謝途徑出發(fā)，尋找合適的誘導(dǎo)劑靶向腫瘤鐵死亡，對腫瘤治療過程進(jìn)行方案改進(jìn)，為聯(lián)合用藥提供理論依據(jù)。但是，雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些抑制鐵死亡的機(jī)制參與了結(jié)直腸癌的治療抵抗，但還需要更多的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步明確兩者間的關(guān)系。此外，作為一種細(xì)胞共有的死亡模式，如何精準(zhǔn)放大鐵死亡對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用同時保護(hù)正常細(xì)胞，這仍是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。況且，鐵死亡是否已經(jīng)在結(jié)直腸癌臨床治療中發(fā)揮作用仍然是不清楚的，而對其調(diào)節(jié)是否會改變局部腫瘤免疫微環(huán)境，以及是否會使患者臨床獲益更是充滿未知，因此需要更多的基礎(chǔ)研究與臨床研究作為支撐。但從目前的研究結(jié)果來看，這是個富有前景的領(lǐng)域。綜上所述，進(jìn)一步研究鐵死亡與結(jié)直腸癌的關(guān)系，有望突破治療瓶頸，為結(jié)直腸癌提供新的治療方法。