铁死亡的发生机制及其在乳腺癌治疗中的作用

敬 波，陈恒余，吴煌福

（1.海南医学院第二临床学院，海南 海口 571199；2.海南医学院第二附属医院乳甲外科，海南 海口 570311）

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤，致死率高，根据Harbeck 等［1］的研究，全球每年新增确诊乳腺癌病例大约有1 700 万，有500 万女性由于患有该病而死亡。临床上，针对该病的治疗方式主要有手术切除、放化疗、内分泌治疗、免疫治疗以及靶向疗法，但由于其恶性程度高，易产生耐药性等原因，乳腺癌病人的预后大都不太理想［2］。近年来，细胞程序性死亡方式，如凋亡、坏死、自噬、焦亡以及坏死性凋亡等被相继发现与乳腺癌细胞增殖、迁移和耐药 性 密 切 相 关［3］。铁 死 亡（ferroptosis）的 概 念 由Dixon 等［4］于2012 年提出，它是一种铁依赖性的非凋亡性程序性细胞坏死，主要表现为活性氧（reactive oxygen species， ROS）堆积和膜脂质过氧化损伤，最终导致细胞死亡。铁死亡被证实可增强乳腺癌对放化疗的敏感性，抑制乳腺癌组织生长以及癌组织远处转移、复发等，这使得诱导铁死亡成为治疗乳腺癌的潜在策略［5］。本文将重点介绍铁死亡的发生机制及其在乳腺癌治疗中的作用，为进一步改善乳腺癌治疗方案和靶向药物开发提供理论支持。

1 铁死亡的特点

铁死亡在形态、生化和基因学等方面均与目前已知的细胞程序性死亡方式不同。从形态学上看，其最显著特征是线粒体超微结构的变化，体现在线粒体明显萎缩、膜密度增加以及线粒体嵴减少或消失，而细胞核大小正常，核内染色质不凝聚；从生化特征上看，铁死亡发生时，胞内铁和ROS 水平明显升高，谷胱甘肽（GSH）大量消耗，谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失活以及线粒体膜电位降低［6］；从发生机制上看，先前发现的几种程序性细胞死亡均以执行蛋白为中心，如凋亡主要由胱天蛋白酶（caspases）蛋白家族执行，焦亡主要由焦孔素蛋白（gasdermins）家族执行，坏死性凋亡主要由混合系激酶区域样蛋白（MLKL）介导［7］。铁死亡作为一种独特的细胞死亡方式，其发生与否取决于执行系统和防御缓冲体系的对抗结果［8］，其执行机制包括铁积累、芬顿（Fenton）反应以及多不饱和脂肪酸磷脂（polyunsaturated fatty acid-phospholipid， PUFA-PLs）的合成与过氧化等，防御机制则主要是System Xc-/GSH/GPX4 系统［9，10］。铁死亡的发生机制见图1。

此外，FSP1-CoQH2 系统及DHODH-CoQH2系统两个非经典的抗氧化系统也普遍被认可［11］。

图1 铁死亡的发生机制Fig 1 The mechanism of iron death

2 铁死亡调控乳腺癌治疗的途径

乳腺癌是我国女性最常见的恶性肿瘤。现阶段针对乳腺癌的治疗手段主要包括手术、放化疗、内分泌治疗以及靶向治疗等，虽取得了一定成效，但在后期常会出现耐药和放疗不敏感等现象，使得乳腺癌病人的预后大多不太理想。近年来研究证实，多种药物、活性化合物、以及相关纳米材料可通过诱导铁死亡抑制乳腺癌组织生长，增强癌组织的放化疗敏感性，抑制乳腺癌的远处转移和复发，这使得诱导铁死亡成为治疗乳腺癌的潜在策略［11］。铁死亡调控乳腺癌治疗与耐药的途径见表1。

2.1 铁积累

循环中的Fe3+可与转铁蛋白（TF）结合形成TF-Fe3+复合体，通过细胞膜表面的转铁蛋白受体1（TFR1）被内吞至胞内，定位至核内体［6］。在核内体中，Fe3+被前列腺3 的六跨膜上皮抗原还原为Fe2+，在二价金属离子转运体1 的帮助下被释放至胞浆的不稳定铁池（LIP）中。胞内的一部分Fe2+可和铁蛋白重链结合，被氧化成Fe3+，继而结合铁蛋白轻链形成铁蛋白复合物储存在细胞内，当胞内Fe2+含量明显升高时，过多的铁会和过氧化氢结合发生Fenton 反应，生成强氧化能力的羟自由基，升高胞内ROS 水平，进一步在酯氧合酶的协同作用下促使PUFA-PLs 发生过氧化，导致细胞膜破裂和铁死亡发生［12］。酪氨酸激酶抑制剂来那替尼是治疗HER-2+乳腺癌患者常用化疗药，可通过增加癌细胞中TFR1 表达，诱发铁积累和铁死亡，抑制体内癌组织脑转移［13］。类似的，化疗药西拉美新和拉帕替尼的协同抗癌效应可通过增加TF 含量，促进胞内铁积累，诱导三阴性乳腺癌（TNBC）细胞铁死亡，发挥协同抗癌效应［14］。

Liu 等［15］发现跨膜蛋白189（TMEM189）可抑制TNBC 癌细胞自噬，减少TFR1 表达和胞内脂质ROS（Lipid-ROS）含量，缓解铁死亡，促进体内乳腺癌生长，提示TMEM189 抑制剂可能对TNBC 的有较好治疗效果。铁饱和型乳铁蛋白联合放疗剂量4 Gy 处理TNBC 后，可显著增强Erastin 诱导的TNBC 铁死亡，抑制癌细胞增殖迁移能力，增强放疗敏感性［16］。我国专利药舒肝宁注射液可选择性上调TNBC 细胞内血红素氧合酶1（HO-1）表达，促进LIP 铁堆积和铁死亡发生，抑制体内外乳腺癌组织生长［17］。青蒿素可通过促进铁蛋白自噬，增加胞内Fe2+含量和TNBC 细胞铁死亡，增强癌组织对铁死亡诱导剂RSL3 的敏感性，抑制体内乳腺癌发展［18］。铁饱和型乳铁蛋白、舒肝宁注射液和青蒿素有望成为治疗TNBC 的候选药物。

利用铁积累-铁死亡机制靶向乳腺癌治疗的相关纳米颗粒在近年来也有不少文献报道。Xu 等［19］开发出一种以Fe2+为核心的纳米有机金属框架MOF-Fe2+，可将Fe2+高效递送至乳腺癌细胞，促进Fenton 反应和大量ROS 生成，诱导铁死亡，在体内该纳米框架有效抑制了乳腺癌组织生长。Zhu 等［20］构建了一个装载反式偶氮苯-康普瑞汀的Fe3+交联结构纳米颗粒，其可特异性进入乳腺癌细胞，经红外光激发后， 其装载的Fe3+转换为Fe2+，触发Fenton 反应和脂质过氧化物堆积， 诱导癌细胞铁死亡，在小鼠体内应用该颗粒后，其乳腺癌体积显著缩小，抗肿瘤效果较好。Zhang 等［21］设计出一种由乙酰肝素酶驱动的级联释放纳米颗粒，负载阿霉素、二 茂 铁、TGF-β 受 体 抑 制 剂SB431542 等。该 纳 米颗粒进入乳腺癌细胞后，可通过阿霉素和二茂铁增加胞内铁积累和ROS 含量，激活铁死亡，在小鼠体内成功阻止癌组织转移。这些纳米颗粒在临床中的应用效果亟需进一步证实。

2.2 System Xc-/GSH/GPX4

System Xc-/GSH/GPX4 系统是铁死亡最重要的抗氧化防御机制［22］。GPX4 是呈GSH 依赖性、清除胞内Lipid-ROS 的关键酶，可将还原型GSH 转化为氧化型GSH，同时将磷脂氢过氧化物降解为无毒的脂肪醇，维持膜脂质双分子层稳态，这是抑制铁死亡发生的关键步骤［23］。胞内绝大部分GSH 由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸经催化酶合成而来。谷氨酸-胱氨酸逆向转运系统（system Xc-）是大多数细胞获得半胱氨酸的途径，该系统由二硫键连接的异二聚体SLC7A11 和SLC3A2 组成，可将胞内谷氨酸转运至胞外，同时将胞外胱氨酸按1： 1 的比例转运至胞内［24］。抑制System Xc-/GSH/GPX4 轴的活性是阻止乳腺癌生长和治疗乳腺癌的有效途径。

2.2.1 GPX4 临床研究发现，丹参的有效成分二氢异丹参酮Ⅰ可通过抑制乳腺癌细胞内GPX4 表达，促进铁死亡，抑制小鼠体内肿瘤组织生长，且没有表现出显著副作用［25］。天然产物小白菊内酯的衍生物DMOCPTL 可通过直接结合GPX4 蛋白促进GPX4 泛素化，诱导乳腺癌细胞铁死亡。在体内，DMOCPTL 能有效抑制小鼠乳腺肿瘤的生长，显著延长小鼠寿命，且未观察到明显毒性［26］。Wen 等［27］从传统草药甘草中提取出活性化合物甘草次酸，发现其能降低GSH 和GPX4 的活性，加剧脂质过氧化反应，诱导乳腺癌细胞铁死亡。二甲双胍可上调TNBC 细胞内miR-324-3p 水平，靶向抑，促进铁死亡，在体内显著减小癌组织生长［28］。另外，Jaggupilli等［29］发现一种抑制谷氨酰胺摄取的小分子化合物V9302，可通过显著抑制SUM159 和MDA-MB-231细胞内GSH 和GPX4 的活性，诱导脂质过氧化反应，促进TNBC 细胞铁死亡，在体内外与紫杉醇联用可显著抑制乳腺癌生长。二氢异丹参酮Ⅰ、DMOCPTL、甘草次酸、二甲双胍和V9302 可能是治疗乳腺癌的有效潜在药物。

Yao 等［30］报道称辛伐他汀（SIM）可减弱3-羟基-3-甲基-戊二酰辅酶A 还原酶活性来抑制甲羟戊酸通路和GPX4 表达，从而诱导TNBC 癌细胞铁死亡。他们进一步将SIM 负载到两性离子聚合物包覆的磁性纳米粒子（Fe3O4@PCBMA）中，在体内取得了较好的抗乳腺癌发展的效果。目前Fe3O4已被美国食品和药物管理局证明可用于临床，Fe3O4@PCBMA-SIM 纳米系统可能在临床上有巨大应用潜力。

2.2.2 GSH Li 等［31］发现肿瘤相关巨噬细胞可通过分泌转化生长因子β1，上调TNBC 细胞内肝白血病因子（HLF）表达，使乳腺癌组织体积变大，并且对化疗药顺铂更为不敏感。机制上，HLF 转录激活γ-谷氨酰转肽酶，后者对胞外的GSH 进行催化剪切，增加癌细胞内GSH 含量，进而抑制铁死亡，增强TNBC 细胞的增值侵袭能力和癌组织对顺铂的耐药性。Zou 等［32］鉴定出成纤维细胞生长因子受体4（FGFR4）是HER2+乳腺癌获得耐药性的必须基因，抑制小鼠体内抑制FGFR4 可降低GSH 合成和Fe2+通过β-catenin/TCF4-SLC7A11/FPN1 轴的流出效率，导致过量ROS 产生、LIP 铁堆积和铁死亡，增强耐药HER2+乳腺癌对化疗药物的敏感性。HLF 和FGFR4 可能是防治乳腺癌的药物开发靶点。

针对GSH 和铁死亡的新型乳腺癌防治材料近年来也有相关报道。一种含有铂（ii）-吲哚菁复合物的声动力增敏剂可通过减少TNBC 细胞系4T1 内的GSH 含量，促进ROS 生成和铁死亡发生，增强癌组织对超声辐射治疗的敏感性［33］。Zhou 等［34］利用肉桂醛为材料制成了能够消耗GSH 的二聚体。该二聚体与索拉非尼合用后，显著增强4T1 癌细胞铁死亡，并通过促进树突状细胞成熟和CD8+T 细胞启动，成功根治小鼠体内乳腺癌。

2.2.3 System Xc- 肌动蛋白结合蛋白1 可与System Xc-直接结合，通过泛素-蛋白酶体系统降解System Xc-，增强MCF7 细胞对Erastin 的敏感性，抑制体内乳腺癌生长［35］。化疗药柳氮磺胺吡啶可通过特异性抑制SLC3A1 的功能，促进乳腺癌细胞铁死亡，利用该功能治疗乳腺癌已处于Ⅱ期临床试验中［36］。二甲双胍通过抑制SLC7A11 的UFMylation修饰，下调SLC7A11 表达，促进TNBC 癌细胞铁死亡，减小体内乳腺癌体积，与柳氮磺胺吡联合使用时效果更佳［37］。异甘草苷通过抑制MDA-MB-231和MCF-7 细胞内NF-κB 信号通路，减少System Xc-表达，促进铁死亡，减轻乳腺癌组织对多柔比星的耐药性［38］。曲妥珠单抗可通过增加乳腺癌细胞BT474 和SKBR3 中 环 状RNA BGN 表 达，增 强SLC7A11 的去泛素化和表达，抑制铁死亡，使癌组织产生耐药性，该效应可被Erastin 所逆转［39］。

2.3 ACSL4

细胞膜PUFA-PLs 的合成与过氧化是铁死亡发生的先决条件和关键步骤。与单不饱和脂肪酸（MUFA）相比，PUFA 中存在易被氧化的双烯丙基，特别是含磷脂酰乙醇胺（PE）的PUFA-PLs（PUFA-PE）最容易在铁的催化下发生过氧化，这导致大量脂质过氧化物在细胞膜积累，细胞膜破裂和铁死亡发生［40］。酰基辅酶A 合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血卵磷脂酰基转移酶3（LPCAT3）是PUFA-PE 合成的关键酶［41，42］。ACSL4 可通过酰化作用将游离PUFAs 与辅酶A（CoA）结合，生成PUFA-CoA，而后在LPCAT3 的作用下发生酯化，与PE 反 应 生 成PUFA-PE［43］。Sha 等［44］收 集 了 接 受 紫杉醇-顺铂化疗的199 名乳腺癌患者的活检标本，通过数秩检验和Cox 比例回归检查发现，ACSL4 表达和ACSL4/GPX4 组合状态均可作为获得性病理学完全缓解的独立预测因素，并且ACSL4 表达和患者总体生存率呈正相关。TNBC 细胞系MDA-MB-157 中ACSL4 的表达增加可增强癌组织对铁死亡诱导剂RSL3 的敏感性，而敲除ACSL4 后，癌细胞则不会被RSL3 诱导发生铁死亡，体内癌组织体积变大［45］。这些线索提示ACSL4 是治疗TNBC 的药物开发靶点。

2.4 ACSL3/SCD1

与ACSL4 相 反，ACSL3 或 者 硬 脂 酰CoA 去 饱和酶1（SCD1）介导生成的MUFA（如十八烯酸）可通过取代细胞膜中的PLs，生成MUFA-PL，来竞争性抑制PUFA 相关的铁死亡。研究表明ACSL3 或SCD1 失活可增强乳腺癌细胞对铁死亡的敏感性［46，47］。

Luis 等［48］报 道SCD1 和 脂 肪 酸 结 合 蛋 白4（FABP4）在人乳腺癌标本中的表达显著上调，并且和不同种类乳腺癌的预后不良有关。机制上，SCD1 可催化脂肪酸去饱和，与乳腺癌微环境中的FABP4 协同促进脂滴生成，减轻由缺氧所致的MDA-MB-231 铁死亡，促进癌细胞再生长和复发，而下调体内SCD1 和FABP4 表达则可显著抑制癌组织微环境的脂质运输，诱导铁死亡，减少乳腺癌复发和转移。大麻素受体1 抑制剂利莫那班可激活PI3K 和MAPK 信号通路，减少SCD1 和脂肪酰基去饱和酶2 介导的MUFA 生成，促进TNBC 细胞铁死亡和癌组织对Erastin 和RSL3 的敏感性，限制体内乳腺癌组织生长［49］，提示利莫那班可能是治疗乳腺癌的有效药物，具体机制仍需进一步证实。

2.5 Nrf2

核因子红细胞2 相关因子 2（Nrf2）是一个对氧化应激反应非常重要的转录因子，可通过诱发HO-1 表达，抑制ROS 表达，发挥抗炎和抗铁死亡的效应。近年来发现Nrf2 在乳腺癌的进展、治疗和耐药中均扮演重要角色。Jiang 等［50］发现对于接受anti-PD-1/PD-L1 治疗的乳腺癌病人，其癌组织内酪氨酸蛋白激酶受体3（TYRO3）的表达往往与预后不良呈正相关。机制上，anti-PD-1/PD-L1 可诱导乳腺癌组织内TYRO3 的表达显著增加，进一步增加胞内Nrf2 水平，减少ROS 生成，通过抑制铁死亡，创造出利于肿瘤生长的微环境，使其对anti-PD-1/PD-L1 产生耐药性。Wu 等［51］报道乳腺癌患者癌组织中糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）表达降低，而Nrf2 呈显著高表达。过表达TNBC 细胞中GSK-3β可抑制Nrf2 表达，升高ROS 和MDA 含量，增强Erastin 触发的铁死亡，在体内乳腺癌异种移植模型中，GSK-3β 过表达增强了Erastin 诱导的抑制肿瘤生长的作用。欧当归内酯A 是一种从川芎中提取的活性化合物，可通过激活Nrf2/HO-1 信号通路，破坏乳腺癌细胞的线粒体结构和功能，增强ROS 诱导的TNBC 细胞铁死亡，欧当归内酯A 可能是乳腺癌治疗的潜在先导化合物［52］。BET 抑制剂是乳腺癌治疗中的常用化疗药，其耐药性主要由NR5A2和NCOA3 介 导。机 制 上，NR5A2 与NCOA3 协 同作用以增加Nrf2 的表达，抑制癌细胞铁死亡。使用小分子抑制剂抑制NR5A2 或NCOA3 可显著增强BET 抑制剂在体内外对乳腺癌的抗癌效应［53］。

2.6 FSP1-CoQH2

铁死亡抑制蛋白1（FSP1）独立于GPX4 抑制铁死亡，是一种黄素蛋白，其编码基因被认为是P53 响应基因［54］，经N 端酰化修饰后锚定至细胞膜上，以FAD 为辅基将NAD（P）H 氧化为NAD（P）+，同时生成的还原性辅酶Q（CoQH2）可将有毒的脂质过氧化物还原成无毒的脂醇［54］，进而抑制脂质过氧化过程，发挥抗铁死亡的作用，FSP1 是一种谷胱甘肽非依赖性铁抑制因子［55］，是新型的抗铁死亡生物标志物［56］。包裹瑞舒伐他汀的丝素蛋白纳米颗粒能有效地抑制FSP1 的氧化还原酶活性，减缓三阴性乳腺癌恶性进展［57］。

2.7 DHODH-CoQH2

二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）存在于线粒体内膜，参与嘧啶的合成，可以将线粒体内膜中的CoQ还原为CoQH2。当DHODH 激活促使CoQH2生成增加，从而抑制线粒体中的脂质过氧化过程［58］，从而发挥抗铁死亡作用。DHODH 抑制剂布雷奎那通过诱导铁死亡选择性地抑制GPX4 低表达肿瘤生长，而与布雷奎那和柳氮磺胺吡啶联合治疗，则协同诱导铁死亡并抑制GPX4 低表达肿瘤生长［58］。DHODH 抑制剂siR/IONs@LDH 能诱导乳腺肿瘤铁死亡［59］。

3 小结与展望

目前，靶向铁死亡已被公认为是治疗乳腺癌的一种有效手段，然而其临床应用仍面临诸多挑战。首先，众多研究只进行了体外实验，对体内实验较为忽视，难以在整体水平衡量其对乳腺癌组织生长侵袭的影响，并且铁死亡诱导剂在治疗乳腺癌中的最佳剂量鲜有研究；其次，铁死亡不光发生在乳腺癌组织中，也发生在正常组织中，因此相关铁死亡诱导剂不仅能杀死肿瘤细胞，对正常细胞也会有危害，如何能够通过肿瘤微环境靶向肿瘤细胞输送药物研究不深；TNBC 作为临床上最难治，复发率最高的一类乳腺癌，能否对其进行重编辑，使其对铁死亡更敏感未见报道；类似于其他执行蛋白（caspases， MLKL， GSDMs）在其他程序性死亡中的作用，铁死亡发生时最具代表性的标志物是什么；正如其他类型程序性死亡，铁死亡对被发现在肿瘤中扮演双刃剑角色，这依赖于肿瘤微环境中损伤相关分子模式的释放和铁死亡性损伤引发的免疫反应激活，因此怎样减少铁死亡诱导剂治疗乳腺癌时产生的副作用也是一个重要难题。要解决这些问题，未来的研究应当以基础实验和临床试验并重，既要探究铁死亡的调节机制，又要重视临床上各器官功能改变，可以畅想，针对铁死亡而设计的新型治疗方案将会是未来防治乳腺癌的一个重要方向。

作者贡献度说明：

敬波：文章撰写；陈恒余：提供所在领域文献和修改意见；吴煌福：审校。

所有作者声明不存在利益冲突关系。