铁死亡机制在胰腺癌治疗中的研究进展

郭凯 宋丽娜 王中秋

南京中医药大学附属医院(江苏省中医院)放射科，南京 210000

【提要】 铁死亡是近年来新发现的一种铁依赖性细胞内程序性死亡，主要通过活性氧水平升高，影响铁代谢及脂质氧化物代谢稳态实现。研究证实诱导铁死亡可有效抑制胰腺癌细胞的生长增殖，并增加其对化疗药物及免疫药物的敏感性。本文主要围绕铁死亡的机制及其在胰腺癌中的调节效应等问题进行综述，探讨其在胰腺癌发生发展过程中的作用，为胰腺癌的防治提供新视角。

铁死亡(ferroptosis)是近年来新发现的一种程序性细胞死亡[1]，通过细胞内铁离子的不断累积，引起脂质活性氧含量上升，破坏细胞氧化还原反应代谢，最终导致细胞死亡。已有研究表明铁死亡存在于缺血再灌注损伤、帕金森病、胰腺癌及肝细胞癌等多种疾病中[2-4]。近年来不少体内外研究证实，铁死亡在胰腺癌发展过程中扮演重要角色。本文就铁死亡在胰腺癌中的最新研究进展进行综述，以期为胰腺癌的防治提供新思路和新策略。

一、铁死亡的发生及其调控机制

2012年Dixon等[1]首次发现并命名了一种调节性细胞死亡方式——铁死亡，这种死亡在许多方面与其他细胞死亡如坏死、凋亡、自噬等类型不同。在形态学上，它的特点是线粒体体积缩小，线粒体膜厚度和密度增加，线粒体嵴数目减少或消失，而细胞核体积正常且染色质无明显浓聚改变[1,5]；在生理学上，表现为细胞内谷胱甘肽耗减，脂质活性氧不能通过谷胱甘肽介导的还原反应代谢，导致大量活性氧在细胞内积聚，其后果是与过量铁离子发生芬顿反应，从而启动核内DNA损伤，促使细胞铁死亡的发生[6]。由此可见，铁死亡过程中最重要的特征是细胞内铁离子浓度升高(主要为Fe2+)和脂质活性氧的异常积累[6-7]，其调控机制主要包括以下两个方面。

1．铁代谢途径与铁死亡：细胞内铁的代谢平衡取决于铁离子的吸收、存储和输出，体内铁含量增加与铁死亡的发生密切相关[8]。血液中的Fe3+通过与转铁蛋白紧密结合和释放以维持铁代谢的稳态。这一过程高度依赖环境pH的变化，当pH为7.4时，铁离子能有效地与细胞外的转铁蛋白结合；而在细胞内酸性环境中(pH为5.5)，铁离子将从转铁蛋白中释放[9]。Fe3+-转铁蛋白在细胞膜上被转铁蛋白受体1(transferrin receptor-1,TFR1)识别并进入细胞内体(酸性环境)释放，Fe3+被铁还原酶STEAP3还原成Fe2+，随后二价金属转运蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)将Fe2+释放入细胞质的不稳定铁池中。除此之外，SLC39/ZIP跨膜蛋白家族亦可直接介导细胞外的非转铁蛋白结合的铁离子穿过细胞膜进入胞内[10]。

游离铁在细胞内具有毒性，过量的Fe2+通过芬顿反应可直接催化脂质过氧化物产生活性氧，触发铁死亡。过量的铁离子一方面通过形成铁蛋白聚合物储存起来，另一方面通过膜铁转运蛋白(ferroportin ，FPN)输出胞外，以此维持铁代谢的稳态。铁蛋白是一种胞内储铁蛋白，由铁蛋白重链1(ferritin heavy chain 1，FTH1)和铁蛋白轻链(ferritin light chain，FTL)两个亚基组成，可以螯合大约4 500个铁原子。FTH1可将Fe2+迅速氧化成Fe3+，而FTL参与铁离子的核化，维持铁蛋白的稳定性[11]。SLC40A1编码的FPN是哺乳动物中唯一已知的铁输出蛋白，参与铁外排机制，在巨噬细胞、肝细胞、肠细胞的基底外侧膜高度表达，在调节铁稳态方面起着重要作用[12]。肝细胞分泌的铁调素是一种多肽，在细胞表面与FPN结合，诱导FPN内化和降解，从而抑制铁的输出[13]。

研究表明，热休克蛋白B1(heat shock protein B1，HSPB1)通过稳定肌动蛋白细胞骨架，抑制TFR1介导的铁离子转运，是细胞铁死亡的负性调节因子[14]。核受体共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)可介导铁蛋白自噬降解，导致Fe2+释放，诱导铁死亡的发生[15]；铁调节蛋白ACO1和IREB2是铁代谢蛋白主要转录因子，对铁代谢基因进行转录后调控，进而控制铁死亡[9]；p62-kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Keap1)-核因子E2相关因子2(Nrf2)通过下调抗氧化蛋白HO-1及FTL的表达促进铁死亡[16]。铁螯合剂去铁胺亦可抑制铁死亡发生[1]。以上研究证实铁代谢在调节铁死亡中具有重要作用。

2．脂质过氧化与铁死亡：脂质过氧化在细胞内的异常积聚与铁死亡亦密切相关[1]。研究表明，脂质过氧化物可破坏细胞膜磷脂双分子层的稳定，导致细胞膜解体[17]。通过脂质组学分析发现，在过量Fe2+存在的情况下，过氧化物H2O2可以通过芬顿反应特异性地氧化不饱和脂肪酸花生四烯酸(arachidonic acid, AA)和肾上腺素酸(adrenaline acid, ADA)等，最终导致脂质过氧化[18]。酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4, ACSL4)-溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(lysophosphatidylcho-line acyltransferase 3, LPCATs)途径是铁死亡过程中产生多不饱和脂肪酸(polyunstatured fatty acids, PUFAs)的重要途径。PUFAs通常由ACSL4和LPCATs等酶激活，ACSL4催化游离的AA或ADA与辅酶A结合为AA-CoA或ADA-CoA；然后LPCATs催化它们酯化反应形成AA-PE或ADA-PE，产生脂质过氧化物，传递铁死亡信号，导致细胞铁死亡[19]。另外，ALOX家族(ALOXE3、ALOX5、 ALOX12、 ALOX12B、ALOX15和ALOX15B)通过介导PUFAs过氧化作用产生AA/AdA-PE-OOHs，从而导致铁死亡。例如在H1299细胞中，通过p53-丝氨酸乙酰转移酶1(SAT1)-花生四烯酸-15-脂加氧酶(ALOX15)途径引起细胞铁死亡[20]。正常情况下，谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)可通过谷胱甘肽将脂质过氧化物降解为无毒的脂肪醇，是铁死亡重要的负性调节因子。一旦GPX4失活或谷胱甘肽合成受阻，脂质过氧化物便会在细胞内逐渐累积，并被铁离子催化为有毒的自由基，导致细胞铁死亡发生[21]。使用GPX4小分子拮抗剂RSL3可有效诱导人肺癌细胞和人纤维肉瘤细胞铁死亡[1]。另外谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸构成，通过抑制胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白系统(system xc-)可耗竭胞内的胱氨酸，影响GPX4抗氧化功能，最终导致细胞铁死亡[22]。

二、铁死亡机制在胰腺癌治疗中的作用

目前，铁死亡已在多种类型肿瘤细胞中被发现，如胰腺癌[23]、肾细胞癌[24]、肝细胞癌[25]、大B细胞淋巴瘤[26]等。据报道，90%的胰腺癌病例中存在K-ras基因突变，这些突变既促进肿瘤细胞恶性增殖，又改变细胞代谢[27]。突变的K-ras基因造成胰腺癌细胞内活性氧增加，为缓解其对细胞的毒性作用，胰腺癌细胞通过大量合成具有抗氧化作用的谷胱甘肽以达到自我保护的目的[28]。谷胱甘肽由半胱氨酸衍生而来，因此为获得更多的胞内半胱氨酸，胰腺癌细胞内system xc-高速运转。然而，多数正常细胞仅需要较低的半胱氨酸水平即可维持正常运转。因此，有学者利用正常细胞与癌细胞的半胱氨酸需求差异，通过靶向system xc-减少半胱氨酸输入癌细胞内，降低胞内谷胱甘肽的合成量，致使活性氧大量累积，促使铁死亡的发生，结果显示胰腺癌荷瘤小鼠的生存时间可延长1倍[29]。研究人员发现NCOA4因子过表达可引起铁蛋白降解，导致胞内游离铁增加，从而触发胰腺癌细胞铁死亡的发生[30]。铁死亡的发生往往伴随线粒体形态的变化，使用靶向线粒体的氮氧化物可增加胞内活性氧积累和保护线粒体，阻止线粒体的脂质氧化可抑制胰腺癌细胞的铁死亡[31]；除此之外，线粒体多种功能酶之一的线粒体离子肽酶1可以调节Nrf2/Keap1通路，其激活亦可诱导胰腺癌PANC1细胞铁死亡的发生[32]。

三、铁死亡诱导剂在胰腺癌治疗中的作用

近年来胰腺癌治疗手段进步缓慢，吉西他滨依然是PDAC晚期患者的临床一线化疗药物。铁死亡这一铁依赖性程序性细胞死亡方式，其原理近年来被多次用于胰腺癌的治疗。诱导铁死亡的抑制剂主要分为2类，GPX4抑制剂和system xc-抑制剂，其中以GPX4抑制剂-RSL3(鼠肉瘤病毒癌基因同源物合成致死化合物3)和xc-抑制剂爱拉斯汀(erastin)最为经典[33]。研究显示，RLS3通过靶向GPX4的活性位点硒半胱氨酸形成共晶结构，发挥干扰GPX4的活性作用[34]。近期研究发现小分子药物QD394可以通过破坏胰腺癌细胞的GPX4蛋白稳定性，引发细胞铁死亡[35]；另外使用siRNA干扰GPX4的表达亦可诱导胰腺癌细胞铁死亡的发生[21]。派嗪类药物是爱拉斯汀的类似物，具有更好的水溶性和代谢稳定性，可有效抑制小鼠胰腺癌种植瘤的生长增殖[21]。天然化合物青蒿琥酯作为抗疟疾药青蒿素的衍生物具有较强的抗肿瘤作用[36]，可特异性地诱导胰腺癌细胞株大量产生活性氧及溶酶体，引起胞内活性氧和游离铁离子水平的升高，尤其在K-ras突变型胰腺癌细胞中表现出更强的细胞毒性作用，使胰腺癌细胞发生铁死亡，且对胰腺正常导管上皮细胞无毒性作用[23]。近期研究发现鸢尾素可同时调节胰腺癌细胞GPX4和system xc-活性，增加胞内游离铁离子浓度、脂质过氧化物水平，诱导胰腺癌细胞铁死亡[37]。

四、小结与展望

综上所述，铁死亡是一种不同于自噬、凋亡、坏死的程序性死亡方式，其特点是胞内铁依赖性脂质氧化物的过度积累，通过抑制GPX4、system xc-活性或增加胞内铁离子浓度诱导胰腺癌细胞铁死亡，为胰腺癌患者的治疗提供了新视角。但由于GPX4在正常细胞内具有重要生理功能，过度抑制是否会造成机体不良反应是未来研究需要思考的要点。另外，胰腺癌铁死亡对肿瘤的生长增殖和血管神经侵犯等详细调控机制还不清楚，同时胰腺癌铁死亡相关调控基因和因子是否具有早期诊断和预后判断的临床价值还有待进一步研究。

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