付 洋，王晓谦，金泽明，杨万里，张汝月，洪 流

(空军军医大学： 1基础医学院， 2西京医院消化外科，陕西 西安 710032)

铁作为人体必需的微量元素，维持着机体正常的代谢功能。它通过调节关键酶的活性参与了众多的氧化还原反应，同时影响着细胞的增殖及死亡。研究表明，细胞内过量的铁可促进脂质过氧化物的生成，进而引起细胞死亡[1-4]。这一细胞死亡过程无法被经典的凋亡抑制剂抑制，且与细胞内铁含量密切相关，故将其命名为铁死亡。近年来研究发现，铁死亡与多种疾病的发生密切相关，包括大脑退行性病变、缺血再灌注损伤以及心力衰竭等[2,4-11]。更为重要的是，研究发现，铁死亡与肿瘤细胞增殖密切相关，消化系统肿瘤在新发肿瘤患者中的比例逐年增加，治疗方式依然为以手术切除为核心的全身治疗，尚缺乏肿瘤特异的精准治疗靶点[1]。随着铁死亡诱导剂伊拉斯汀、索拉菲尼等诱导肿瘤细胞发生铁死亡的药物不断应用于临床[1,12]，越来越多的研究认为诱导肿瘤细胞铁死亡可能成为一种有效的肿瘤治疗手段[1,13-15]。本文就铁死亡的发生机制及其在消化系统肿瘤中的研究进展作一综述，以期探索铁死亡在肿瘤中的研究方向。

1 铁死亡概况

1.1 铁死亡的发现

主要从第一个小分子化合物伊拉斯汀说起，它可以杀死大鼠肉瘤(rat sarcoma，Ras)细胞并且同时上调Ras细胞内亚铁离子，最终产生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)诱导细胞死亡。接着在2012年，DIXON教授团队根据其特点，将细胞这种既非凋亡又非坏死的特异性死亡过程称为Ferroptosis，中文则普遍将伊拉斯汀诱导的细胞死亡形式称为铁死亡[5,8,11-17]。

1.2 铁死亡的特征

铁死亡是一种表现为铁依赖性的、细胞内脂质活性氧累积的细胞死亡形式。在自身形态学上主要表现的特有形态学特征为质膜起泡、细胞质以及脂质ROS增多、细胞核正常、线粒体嵴减少或消失、线粒体皱缩和线粒体膜密度增加[2,6,9,13-14,16-19]。在生物代谢上，胞内氧化还原稳态被打破，抗氧化能力降低，ROS升高[1]。在其他很多方面也与凋亡、坏死、自噬有较大差别[5-6,12-14,16-17,20]，在整个机体的生长和发育中起到关键性作用[5]。

2 铁死亡的关键调控通路及调节因子

细胞中铁死亡的调控通路较多，本文选择最主要的4条通路来阐述其作用机制。细胞内多余的游离铁离子通过芬顿反应与过氧化氢相互作用，从而导致组成细胞膜的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，这是目前已知的铁死亡启动的基础机制。谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是一种硒蛋白，它可以特异并高效地清除磷脂过氧化氢，从而抑制铁死亡的发生。无论是使用RSL3等小分子化合物抑制GPX4的活性，还是直接敲除GPX4基因，都会导致脂质过氧化水平急剧增加和启动铁死亡。所以说，GPX4是铁死亡过程中关键的调控因子[11-12]。

2.1 GPX4通路

GPX4是目前发现的GPX家族中惟一一个降低脂膜中过氧化物的酶，抗氧化效应显著高于家族中其他成员[5-6,20-21]。特别是GPX4可降解细胞中铁超载诱导的过氧化氢及其他小分子过氧化物，能防止ROS大量堆积所导致的铁死亡[13,19]。它的主要抑制剂RSL3、FIN56、DP12等能直接结合GPX4, 导致细胞脂质过氧化、ROS堆积，最终导致细胞发生铁死亡[6,9,16,18,20]。而伊拉斯汀可以结合胱氨酸/谷氨酸逆向转运体(System Xc-)间接抑制GPX4，导致ROS堆积[12,17]。总之，GPX4是铁死亡的一个关键调节因子[12]。GPX4的失活将导致细胞内过氧化物清除障碍，造成ROS大量积累，最终导致细胞铁死亡的发生。

2.2 System Xc-

System Xc-能够将胱氨酸转运到细胞内，同时将谷氨酸转运至细胞外，促进胞内谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成[6,12-13]。GSH是一种含有疏基的小分子活性肽，主要由谷氨酸、半胱氨酸以及甘氨酸构成。GSH含有的疏基结构可被氧化脱氢为氧化型GSH，从而使GSH成为机体内重要的抗氧化剂以及自由基清除剂，保护细胞免受氧化应激损伤[5-6]。伊拉斯汀、索拉菲尼、柳氮磺胺吡啶等化合物能够抑制GSH的生成。其中小分子诱导剂伊拉斯汀及柳氮磺胺吡啶主要可通过抑制System Xc-来减少细胞内胱氨酸的摄取，导致GSH合成减少，从而诱导脂质过氧化损伤以及大量ROS堆积，最终导致细胞发生铁死亡[1,5-6,20]。

2.3 P53通路

研究发现，铁死亡诱导剂伊拉斯汀处理过的肺癌细胞内P53基因表达量显著升高，而SLC7A11(System Xc-的主要组成成分之一)的表达显著降低，抑制System Xc-导致胱氨酸的摄取减少，GSH合成减少，进一步抑制GPX4的活性，最终诱导细胞发生铁死亡[1,4,6,9,12-17,20-21]。研究还发现，亚精胺/精胺N1-乙酰转移酶1作为P53的靶基因，能够直接参与调控细胞铁死亡[8,13]，主要表现为P53及microRNA等可以激活亚精胺/精胺N1-乙酰转移酶1，调控花生四烯酸-15脂氧合酶，以此诱导细胞脂质过氧化，继而导致ROS堆积，最终引起细胞发生铁死亡[21]。

2.4 其他通路

抑制性化合物DFO、2,2-BP等通过作用于细胞膜抑制铁的吸收，而转铁蛋白1可以作用于细胞膜上铁的转运蛋白，引起细胞内铁的吸收、摄入、储存减少，从而减少脂质过氧化损伤，抑制ROS生成，进而减少细胞发生铁死亡[4,6,13,20-21]。

3 铁死亡与消化系统肿瘤的关系

近年来，由于铁死亡逐渐被人们所认识，关于它在消化系统肿瘤中的研究也不断深入。

3.1 肝癌

肝脏的铁含量超标一直被认为是肝脏疾病的诱因之一。最新的一项研究表明，作为新的非典型细胞死亡类型，铁死亡在肝癌的发生与发展中发挥了重要的作用[22]，但铁死亡在肝癌中的确切作用机制尚未完全阐明。研究发现，索拉菲尼可通过诱导氧化应激和铁死亡从而在肝癌衍生细胞系中产生细胞毒性，这表明在药物诱导肝癌细胞死亡机制中，铁死亡发挥着重要作用[5,16-17]。研究表明，铁死亡诱导剂伊拉斯汀可抑制肝癌细胞中钙结合蛋白转录因子的表达，过氧化物酶基因表达受到抑制，导致胞内ROS和丙二醛不断累积，引发细胞死亡[23]。此外，在肝癌细胞中发现长链酰基辅酶A合成酶3和长链酰基辅酶A合成酶4表达显著上调[23]，长链酰基辅酶A合成酶4可通过5-羟基二十碳四烯酸介导的脂毒性抑制伊拉斯汀诱导的铁死亡[4,17,24]。最新研究发现，铜蓝蛋白通过调节肝癌细胞的铁稳态来抑制铁死亡，抑制铜蓝蛋白可显著增加细胞内Fe2+和ROS的积累，进而促进伊拉斯汀和RSL3诱导的肝癌细胞铁死亡[6,25]。同时，纳米颗粒药物如低密度脂蛋白-二十二碳六烯酸，锰-二氧化硅纳米颗粒可以选择性地杀死肝癌细胞，其靶向定位的优势也为原位诱导肝癌细胞铁死亡提供了新的方向[9,19-20]。因此，诱导肝癌细胞发生铁死亡可能是未来特异性治疗肝癌的新方向。

3.2 胃癌

手术切除、放疗和化疗一直是治疗胃癌的主要策略。HAO等[26]发现，伊拉斯汀可以诱导胃癌细胞发生铁死亡。最近一项研究也发现，铁死亡在胃癌中被显著抑制，导致肿瘤生长和对顺铂与紫杉醇的敏感性降低[27]。间充质型胃癌细胞中超长链脂肪酸蛋白5和脂肪酸去饱和酶1的表达上调，导致铁死亡敏化[28]。此外，铁死亡抑制剂(F-1和L-1)可以抑制CDO1，从而恢复GPX4的表达和GSH水平，最终减少ROS的生成来逆转伊拉斯汀诱导的铁死亡。研究表明，CD44是在肿瘤干细胞中表达的黏附分子，其中CD44突变体可与System Xc-相互作用，调控细胞内GSH的水平，因此，CD44高表达的胃肠道肿瘤细胞GSH合成能力高，进而可以阻断ROS诱导的应激信号传导，使胃癌细胞对铁死亡产生抵抗[12-14]。可以说，铁死亡参与了胃癌化疗相关的众多治疗过程，通过诱导胃癌细胞铁死亡，可在一定程度上促进肿瘤治疗效果，为临床医生制定诊疗策略提供依据。

3.3 结肠癌

尽管如今已经开发了许多用于结肠癌的化疗药物(如奥沙利铂、氟尿嘧啶等)，但结肠癌的病死率依然非常高。近期研究显示，铁死亡诱导剂RSL3可引发结肠癌细胞死亡和ROS累积[29]，表明铁死亡与结肠癌疾病密切相关，这为结肠疾病的治疗提供了新的方向。铁死亡诱导剂RSL3在处理结直肠癌细胞系HCT116、LOVO和HT29后引起转铁蛋白表达升高,同时GPX4表达降低,进而导致细胞中的ROS水平升高,引起细胞铁死亡[16]。在现有的研究中，已经发现多种分子如顺铂、RSL3可抑制结直肠癌细胞中GPX4，诱导细胞铁死亡的发生，进而抑制结肠癌的进展[29-30]。故在临床上可以用顺铂、RSL3等来诱导结肠癌细胞发生铁死亡，从而达到治疗的目的。而抑癌基因P53在结肠癌细胞中主要通过非转录机制诱导细胞发生铁死亡，P53基因可介导抑制System Xc-中SLC7A11的表达，并且P53基因缺失提高了伊拉斯汀在体内的抗癌活性[30]。在未来的结肠癌治疗方案中，P53可能是一个潜在治疗靶点。多项结肠肿瘤性疾病的研究指出，代谢紊乱导致的铁死亡抵抗是结肠癌进展的重要原因，激活癌细胞发生铁死亡可作为传统抗癌治疗耐药或无效患者的新思路[29-30]。

3.4 胰腺癌

胰腺癌被认为是最具侵袭性的恶性肿瘤之一，其中铁死亡诱导剂伊拉斯汀可以通过干扰GPX4的催化循环，抑制胱氨酸、谷氨酸的逆向转运系统，在致癌的Ras突变细胞系中选择性地诱导铁死亡[31]，故促进铁死亡可成为治疗胰腺癌的一种潜在治疗手段，同时实验也证明伊拉斯汀在致癌Ras突变胰腺导管腺癌细胞中的细胞毒性是由铁死亡引起的。一项研究结果表明，(1β,3β,25R)-螺环-5-烯-1,3-二醇通过诱导铁死亡在胰腺癌细胞中表现出抗癌作用，其以剂量和时间依赖的方式抑制胰腺癌细胞死亡，且无明显的毒性，故该化合物有可能进一步发展成为治疗胰腺癌有前途的抗癌候选药物[32]。这些研究表明铁死亡和胰腺癌有着密切关系，也为开发新的药物和治疗胰腺癌的新策略提供了有价值的信息[33]。

4 结语

铁死亡通过铁依赖的方式促进ROS的生成并诱导细胞进入程序性死亡。近年来，铁死亡影响消化道肿瘤机制的研究不断涌现，通路中的关键分子及相互作用也逐渐清晰。但是，铁死亡与自噬、凋亡等关键通路的相互作用及全景图画尚未阐明。铁死亡的临床检测与应用尚属空白阶段，基于铁死亡的抗肿瘤药物研发也相对不足。基础研究与临床应用的巨大鸿沟使铁死亡在消化道肿瘤中的意义尚未被足够重视。如何通过诱导消化道肿瘤铁死亡，从而使患者得到更好的临床治疗依旧是研究人员需要努力的方向。

虽然研究人员在肝癌、胃癌、结肠癌、胰腺癌等消化道肿瘤上找到一些能诱发铁死亡[13]的相应作用靶点，但是对铁死亡的研究仍面临许多困难。现阶段只能通过检测ROS水平、GPX4酶活性、Fe2+指示剂以及一些铁死亡抑制剂来间接证明铁死亡的发生[5,12]，铁死亡直观特异的检测指标尚亟待研究和建立。关于铁蛋白介导的癌症治疗以及铁死亡是否与免疫过程有关也是以后研究的方向。这些目标可以作为未来研究工作的重点，以便尽快应用于临床，给予一些肿瘤患者更多的治疗机会和生存希望。