李 明(綜述), 陳龍菊(審校)

骨肉瘤(osteosarcoma,OS)又稱為成骨肉瘤,是兒童和青少年中最常見的原發(fā)性惡性骨腫瘤,主要好發(fā)于股骨遠端、脛骨近端和肱骨近端的干骺端[1]。目前OS的病因及發(fā)病機制尚不明確,但與其他惡性腫瘤相比,OS具有惡性程度高且易轉移的特點,其中肺轉移途徑常成為OS患者首要死亡原因[2-3]。OS明確診斷后一般采用多藥化療方法,但經上述治療的OS患者存活率不僅無明顯提高,還產生了極強耐藥性,對人們的生命健康造成威脅[4]。鐵死亡是一種新發(fā)現的以脂質活性氧(lipid reactive oxygen species,L-ROS)的積累為特征且具有鐵依賴性、非凋亡性的細胞程序性死亡方式,已被證實在惡性腫瘤的預防和治療方面發(fā)揮重要作用[5]。近年來的相關研究已證實鐵死亡不僅在OS的進展、治療及預后方面發(fā)揮了重要作用,還降低了OS細胞對化療藥物的耐藥性,可成為一種新的治療靶點。因此,本文對鐵死亡及其在OS中的研究進展進行綜述,旨在為OS的防治提供理論依據。

1 鐵死亡的概念及主要信號通路

鐵死亡是一種不同于自噬、凋亡及壞死形式的新型細胞死亡方式,其與腫瘤、神經系統(tǒng)疾病、炎癥、缺血-再灌注損傷、敗血癥和急性肺損傷等多種疾病的病理過程相關[6-7]。鐵死亡在形態(tài)學上主要表現為線粒體顯著收縮,膜密度增加,線粒體嵴減少或消失[8]。激活鐵死亡的關鍵事件為磷脂中酯化的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)殘基過氧化[9]。鐵死亡可在對傳統(tǒng)療法有抵抗性的惡性腫瘤治療時被激活[10],因此誘導鐵死亡可延緩惡性腫瘤的進展并在其治療方面發(fā)揮積極作用。目前,關于鐵死亡相關信號通路研究仍在不斷深入,已證實的鐵死亡信號通路主要有胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(cystine/glutamate antiporter system Xc-,system Xc-)-谷胱甘肽(glutathione,GSH)-谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)信號通路和還原型輔酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)Ⅱ-鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)-輔酶Q10(CoQ10)信號通路。鐵死亡主要由GSH耗盡或谷胱甘肽過氧化物酶抗氧化作用失活驅動[11]。GSH是一種含硫醇的三肽,主要通過細胞表面的半胱氨酸(cysteine,Cys)或system Xc-的輕鏈亞基SLC7A11(又稱xCT)輸入的Cys合成[12]。system Xc-由SLC7A11和溶質載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)組成,其可介導胱氨酸的轉入和谷氨酸的轉出,進入細胞的胱氨酸會被system Xc-轉換為Cys,然后Cys再進一步合成GSH,當細胞內system XC-活性降低時,Cys的含量、GSH的合成和GPX4活性都會降低,導致脂質過氧化,進而誘發(fā)鐵死亡[13]。相關研究也證實了system Xc-的底物特異性亞基-GSH軸的激活在內皮細胞鐵死亡中發(fā)揮了關鍵作用[14]。GPX4是鐵死亡的關鍵因子,也是維持GSH和谷胱甘肽二硫化物平衡的關鍵酶,主要位于鐵死亡信號通路的下游,GPX4利用GSH作為其輔助因子可將氫過氧化物(R-OOH)還原為相應的醇(R-OH),GSH則被氧化為氧化型谷胱甘肽,可降低脂質過氧化,進而抑制鐵死亡,此外GPX4的表達可被4-羥基壬烯醛抑制,引起缺鐵,可驅動鐵死亡[15]。因此,GSH的合成、GPX4的功能以及system Xc-的活性對于保護細胞免受鐵死亡發(fā)揮著重要作用。FSP1已被證實是一種有效的抗鐵死亡因子,在肉豆素被?；臈l件下,可作為一種氧化還原酶,通過NADPH將CoQ10催化成一種親脂性自由基清除劑泛素醇,可減少脂質過氧化產物(lipid peroxide,LPO)產生,進而降低脂質過氧化,從而抑制鐵死亡。FSP1作為一種典型的鐵死亡抑制劑,最初被描述為p53應答基因[16]。p53是重要的腫瘤抑制因子,在腫瘤細胞生長發(fā)育中的周期調控、衰老及凋亡等過程中發(fā)揮著關鍵作用[17]。細胞內p53激活和表達量上調會抑制SLC7A11的表達,使細胞對胱氨酸的攝取減少,Cys生成量降低,GSH產生也隨之減少,進而導致細胞對膜PUFA產生的L-ROS敏感性增加,最終誘發(fā)鐵死亡[18],但p53在鐵死亡過程中發(fā)揮的具體作用仍需進一步研究。CoQ10是一種具有抗氧化性且可移動的親脂性電子載體,可參與溶酶體膜的能量生成,已證實在某些情況下,通過抑制CoQ10可以增強細胞對鐵死亡的敏感性[19]。有研究顯示,通過阻斷CoQ生物合成途徑,可使作為抗鐵死亡因子的FSP1失效[20]。NADPH氧化酶[nicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADPH)oxidases,NOX]作為一組具有氧化活性的蛋白,其生物學功能主要是產生活性氧(reactive oxygen species,ROS),其抑制劑二甲基苯碘已被證實在人體肺癌中可部分抑制愛拉斯汀誘導的鐵死亡[21]。鐵死亡信號通路在抑制鐵死亡發(fā)生方面發(fā)揮了重要作用,但其作用機制仍需進一步探討。

2 鐵死亡的機制

2.1脂質過氧化 鐵死亡是由脂質過氧化驅動,脂質過氧化的過程即ROS與生物膜的磷脂、酶和膜受體相關的PUFA的側鏈等大分子物質產生脂質過氧化反應,形成LPO,如丙二醛(malondialdehyde,MDA)和4-羥基壬烯醛,導致細胞結構和功能改變,從而誘發(fā)細胞鐵死亡[15]。其中PUFA對脂質過氧化反應尤其敏感,其含量及所處位置對細胞中脂質過氧化程度具有決定性,使其在鐵死亡機制中發(fā)揮著不可替代的作用[22]。鐵死亡脂質過氧化的主要底物為含PUFA的磷脂,也是生物膜的重要組成部分,磷脂與PUFA結合主要通過其sn-2位置與一個酰基殘基連接,該?；鶜埢峙c1個PUFA結合[23]。此外,酯酰輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)也是脂肪酸代謝的重要組成部分,可通過輔酶A的酯化反應激活PUFA,從而參與鐵死亡的執(zhí)行過程中[24]。因此脂質過氧化的過程及其產物在鐵死亡發(fā)生的機制中發(fā)揮了關鍵作用。

2.2鐵超載 鐵是人體必需的微量元素之一,一定量的鐵對正常的細胞和器官功能至關重要,但鐵的異常積累會對人體產生一定的傷害[25]。鐵超載,即體內過量的鐵積聚,過量的鐵主要以鐵蛋白輕鏈(ferritin light chain,FTL)和鐵蛋白重鏈1(ferritin heavy polypeptide 1,FTH1)的形式儲存在細胞內[26]。在細胞層面,鐵超載會導致L-ROS增加,誘導氧化應激反應進而參與細胞的鐵死亡過程[27]。在OS疾病中,鐵超載也主要通過誘導氧化應激反應來促進OS細胞的凋亡、自噬和鐵死亡[28]。鐵的代謝功能障礙會導致細胞內亞鐵離子水平增加,引起ROS富集,進而促進脂質過氧化,最終導致鐵死亡[29]。其主要機制為Fe3+與轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TFR1)結合后,通過細胞膜進入細胞核內體,定位于內胚層,在內胚層被鐵還原酶還原為Fe2+,然后Fe2+被釋放到細胞質中不穩(wěn)定的鐵池中,多余的鐵被儲存在鐵蛋白中,二價金屬轉運體1也會從細胞核中釋放Fe2+到細胞質不穩(wěn)定的鐵池中,就會導致細胞內Fe2+超載,細胞內超載的Fe2+通過芬頓反應催化產生過量的L-ROS,就會誘發(fā)鐵死亡[26]。Dong等[30]發(fā)現亞鐵離子在維持缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor,HIF)-脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase domain,PHD)活性方面發(fā)揮著重要作用,鐵的減少可以抑制PHD活性,從而誘導HIF的積累并激活下游基因介入到鐵死亡的進程中。Yao等[31]發(fā)現軟骨細胞能在鐵超載的條件下發(fā)生鐵死亡,且在鐵死亡的誘導下軟骨細胞中基質金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13,MMP-13)表達增加,膠原Ⅱ表達減少。因此,鐵離子的攝取、轉運、儲存異常都會對鐵死亡產生一定的調節(jié)作用,當細胞內Fe2+增多,導致鐵超載的狀態(tài),進而誘導鐵死亡。

2.3線粒體功能障礙 線粒體的代謝是細胞ROS的主要來源,當Cys不足時,線粒體代謝可促進GSH的快速消耗,進而產生L-ROS以驅動鐵死亡,且谷氨酰胺的分解調節(jié)鐵死亡主要是通過在線粒體三羧酸循環(huán)中提供的α-酮戊二酸酯來實現的,還有研究表明,通過抑制線粒體三羧酸循環(huán)、敲除線粒體電壓依賴性陰離子通道2/3或抑制電子傳遞鏈可使LPO減少,使鐵死亡受到抑制,且線粒體被阻斷會使鐵死亡受抑制的程度進一步加強。當GPX4被抑制時,鐵死亡還可以獨立于線粒體進行,這表明線粒體在鐵死亡中的作用可能與上下游分子都有關[32]。鐵死亡的易感性、起始和實施與線粒體呼吸異常有關,但線粒體在鐵死亡中的具體作用有待進一步研究[33]。

3 鐵死亡相關基因及信號通路參與OS的研究進展及治療

童也等[34]研究發(fā)現,鐵死亡的相關基因FANCD2、HSPB1、ATF4和TMBIM4,在轉移性OS組織中的表達異?？赡軙p少鐵死亡相關的細胞凋亡,最終加快OS的發(fā)展進程。Lv等[35]的研究證實β-異硫氰酸苯乙酯可抑制GPX4表達,導致ROS積累,造成脂質過氧化和氧化應激,還可激活ROS依賴的絲裂原活化蛋白激酶信號通路,誘導人OS細胞發(fā)生鐵死亡,抑制人OS細胞增殖,進而延緩腫瘤進展。Shi等[36]驗證了替拉扎明可通過抑制SLC7A11和GPX4轉導,誘導鐵死亡,從而抑制缺氧條件下OS細胞的增殖和遷移。有研究顯示,長期使用順鉑會抑制鐵死亡發(fā)生,產生耐藥OS細胞,而使用鐵死亡誘導劑和信號轉導轉錄激活因子3(signal transducer and activation of transcription 3,STAT3)抑制劑可重新激活細胞中的鐵死亡,削弱STAT3/Nrf2/GPX4的信號轉導,進而誘導鐵死亡,增加對順鉑的敏感性,可成為克服OS細胞順鉑耐藥的潛在治療靶點[37]。Xu等[38]的研究發(fā)現,GPX4是MicroRNA-1287-5P調控人OS細胞鐵死亡的直接作用靶點,因此MiR-1287-5P通過抑制GPX4可促進OS細胞鐵死亡。過表達MiR-1287-5P可增強OS細胞對順鉑化療敏感性,且MiR-1287-5P模擬物與順鉑聯合使用可進一步降低OS細胞的存活率,因此MiR-1287-5P可成為OS治療的佐劑或替代療法。Chen等[39]發(fā)現下調組蛋白賴氨酸去甲基化酶4A(recombinant lysine specific demethylase 4A,KDM4A)的表達可降低SLAC7A11的表達,促進OS細胞的鐵死亡,并抑制OS進展及肺轉移途徑,且敲低KDM4A可增加順鉑處理OS細胞的敏感性。Lin等[40]研究發(fā)現,新型姜黃素類似物聯苯二氟銅可誘導鐵死亡,其機制可能是上調HO-1抑制GPX4的表達,增加MDA、ROS和細胞內鐵離子水平,使其可成為一種治療HMOX1陽性OS患者的潛在藥物。Zhan等[41]發(fā)現鐵死亡誘導劑Erastin和Yes相關蛋白敲低可增強OS細胞對焦脫鎂葉綠酸-a甲酯介導的光動力療法(methy ester pyropheophorbide-a mediated photodynamic therapy,MPPa-PDT)治療的敏感性,證實了Erastin聯合MPPa-PDT可顯著改善OS預后,因此鐵死亡誘導劑有可能成為治療OS的一大類新興藥物。Luo等[42]發(fā)現,補骨脂二氫黃酮可增加亞鐵水平和下調磷酸化的STAT3來上調p53表達,從而降低SLC7A11和GPX4的表達,促進ROS和MDA的積累,進而誘導鐵死亡,且在鐵死亡抑制劑處理下,補骨脂二氫黃酮誘導的細胞鐵死亡可被逆轉,因此,補骨脂二氫黃酮有望成為OS治療的藥物。

4 結語

目前已發(fā)現鐵死亡可通過脂質過氧化、鐵超載、線粒體功能障礙機制參與OS的進展、治療及預后,且能降低OS耐藥性,但鐵死亡的調控機制仍未被充分了解,仍需進一步探討。此外,鐵死亡誘導劑可驅動鐵死亡參與抑制OS細胞的過程,因此其可成為一種新的OS治療藥物。目前除經典鐵死亡誘導劑外,許多中藥及其成分已被發(fā)現對鐵死亡具有調節(jié)作用,如青蒿素、益母草堿、甘草、仙茅苷等[43]。未來可在此基礎上開展中藥及其有效成分參與鐵死亡的調控途徑以及聯合OS傳統(tǒng)療法的相關研究,拓展OS的治療前景。