鐵代謝在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的研究進(jìn)展和應(yīng)用

王子豪，王立一，戴智博，范照鑫，楊世春，王英煒，崔英哲，趙世光，汪立剛

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科，哈爾濱 150001；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)，哈爾濱 150000)

鐵是人體內(nèi)含量最豐富的微量元素，參與機(jī)體內(nèi)多種代謝活動(dòng)，如作為血紅蛋白的重要組成部分參與氧氣運(yùn)輸，或作為多種酶的組成部分參與三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化[1]。鐵穩(wěn)態(tài)對(duì)機(jī)體至關(guān)重要，鐵的缺乏和累積會(huì)導(dǎo)致各種疾病，缺鐵易導(dǎo)致缺鐵性貧血，而鐵超載會(huì)導(dǎo)致血色素沉著病、囊性纖維化等。膠質(zhì)瘤是最常見(jiàn)的原發(fā)性惡性腦腫瘤，占所有原發(fā)腦腫瘤的30%以上[2]。目前，膠質(zhì)瘤的主要治療方法包括手術(shù)切除、口服烷化劑和放療[3]，盡管針對(duì)膠質(zhì)瘤的治療干預(yù)措施取得了很大進(jìn)展，但膠質(zhì)瘤患者的預(yù)后仍很差。線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin，MtFt)也被發(fā)現(xiàn)可通過(guò)介導(dǎo)小核仁RNA宿主基因1(small nucleolar RNA host gene 1，SNHG1)/微RNA(microRNA，miRNA/miR)-9-5p軸促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤發(fā)生和血管生成。近年來(lái)，鐵代謝在神經(jīng)膠質(zhì)瘤診斷和治療方面應(yīng)用的相關(guān)研究和藥物為膠質(zhì)瘤的診斷和治療提供了新靶點(diǎn)，也為后續(xù)開展相關(guān)藥物的研制以及新技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用?，F(xiàn)就正常人體鐵代謝和大腦鐵代謝以及鐵代謝在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 正常鐵代謝

1.1體鐵代謝 鐵是人體必需的微量元素之一，存在于許多酶和氧載體蛋白的活性中心[4]。鐵是細(xì)胞色素a、b、c以及細(xì)胞色素氧化酶和氧化鏈上的鐵硫(Fe-S)復(fù)合體的重要組成部分，對(duì)ATP的合成非常重要。機(jī)體正常生理活動(dòng)所需要的鐵均由外源性物質(zhì)補(bǔ)充，其中90%是非血紅素?zé)o機(jī)鐵，少量為血紅蛋白和肌紅蛋白分解產(chǎn)生的血紅素鐵[5]，主要在十二指腸上皮細(xì)胞吸收(占90%)[6]。Fe3+被十二指腸細(xì)胞色素b還原為亞鐵離子(Fe2+)后通過(guò)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1跨腸上皮細(xì)胞頂膜運(yùn)輸，并通過(guò)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入循環(huán)，隨后Fe2+被銅藍(lán)蛋白氧化成Fe3+，進(jìn)而與血清脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin，Tf)結(jié)合，形成Tf-Fe3+復(fù)合體[7]，將鐵運(yùn)輸?shù)狡渌?xì)胞和組織，見(jiàn)圖1。

Heme：血紅素；Dcytb：十二指腸細(xì)胞色素b；DMT1：二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1；HCP1：血紅素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1；HRG1：血紅素敏感基因1；HO1:血紅素加氧酶1；LIP：不穩(wěn)定鐵池；5-ALA：5-氨基乙酰丙酸；PpⅨ：熒光原卟啉Ⅸ；FECH：亞鐵螯合酶；FPN：膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；FLVCR1：貓白血病病毒C亞類受體1；CER：銅藍(lán)蛋白；Tf-Fe3+：鐵-轉(zhuǎn)鐵蛋白；HPX-heme：血紅素-血凝素復(fù)合體

Hep是一種由肝細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)，與膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合后可抑制細(xì)胞鐵的輸出。血紅素通過(guò)血紅素載體蛋白1和血紅素反應(yīng)基因1轉(zhuǎn)運(yùn)到腸細(xì)胞內(nèi)部。血紅素鐵的吸收有兩條途徑，①在胞質(zhì)中被血紅素加氧酶1分解成Fe2+。②貓白血病病毒C亞類受體1通過(guò)基膜轉(zhuǎn)運(yùn)血紅素鐵，繼而血紅素鐵被血漿中的血凝素捕獲，形成血紅素-血凝素復(fù)合體(heme-hemopexin complex,HPX-heme)[8]。然后HPX-heme通過(guò)低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1轉(zhuǎn)運(yùn)到體內(nèi)的不同部位。

1.2腦鐵代謝 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，鐵主要通過(guò)Tf受體1和膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穿過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦[1,9]。首先，循環(huán)中的鐵-Tf復(fù)合體與表達(dá)于血腦屏障內(nèi)皮表面的Tf受體1結(jié)合形成Fe3+-Tf-Tf受體1復(fù)合物，然后在內(nèi)體內(nèi)化和酸化后，鐵以Fe2+的形式釋放，F(xiàn)e2+被二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體內(nèi)膜上。如果細(xì)胞內(nèi)的鐵不能立即用于細(xì)胞過(guò)程，通常被鐵蛋白以Fe3+的形式儲(chǔ)存，機(jī)體根據(jù)需要從鐵蛋白或在溶酶體降解過(guò)程中釋放。此外，鐵可通過(guò)有絲分裂鐵蛋白MFRN進(jìn)入線粒體基質(zhì)。只有一小部分鐵可作為可變鐵池用于正在進(jìn)行的生化過(guò)程[10]，見(jiàn)圖1。

鐵在腦內(nèi)的分布主要集中在黑質(zhì)致密部、室周器官、蒼白球和少突膠質(zhì)細(xì)胞，且其在不同部位及不同腦細(xì)胞中的分布不均。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的鐵含量最高，其中幾乎所有的腦內(nèi)Tf和不同類型的鐵代謝相關(guān)蛋白均有表達(dá)[11]。因此，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是維持腦內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)和正常生理功能不可缺少的細(xì)胞。

2 鐵代謝與神經(jīng)膠質(zhì)瘤

鐵在許多生物過(guò)程中起著重要作用，膠質(zhì)瘤細(xì)胞具有強(qiáng)大的增殖能力，其各種酶功能均需鐵的參與；游離鐵還通過(guò)Fenton反應(yīng)產(chǎn)生活性氧類，導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)。因此，鐵的安全運(yùn)輸和儲(chǔ)存對(duì)于限制細(xì)胞的氧化應(yīng)激是必要的。研究表明，當(dāng)生理鐵代謝被擾亂時(shí)，氧化應(yīng)激可以驅(qū)動(dòng)突變并加速腫瘤進(jìn)展[12]。在高級(jí)別膠質(zhì)瘤(Ⅳ級(jí)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤)中，編碼關(guān)鍵鐵攝取介質(zhì)血色素沉著病蛋白HFE基因的變異頻率增加，而HFE基因的多態(tài)性與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的存活率降低相關(guān)[13]。通過(guò)對(duì)275個(gè)低級(jí)別膠質(zhì)瘤樣本的基因表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用Coxnet模型從61個(gè)鐵代謝相關(guān)基因中篩選出8個(gè)基因(前列腺跨膜上皮抗原3基因、HFE基因、跨膜絲氨酸蛋白酶6基因、線粒體鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Sideroflexin1基因、Tf受體基因、尿卟啉原Ⅲ合酶基因、溶質(zhì)載體家族11成員2基因和前列腺跨膜上皮抗原4基因)，隨后應(yīng)用Kaplan-Meier生存曲線進(jìn)行分析，結(jié)果表明，上述鐵代謝相關(guān)基因與低級(jí)別膠質(zhì)瘤的較短生存期密切相關(guān)，并根據(jù)其表達(dá)差異化較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤的生存期[12]，其中前列腺跨膜上皮抗原3作為一種金屬還原酶的作用最大，可將Fe3+、Cu3+分別還原為Fe2+、Cu2+。對(duì)小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，前列腺跨膜上皮抗原3可能增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)低鐵水平的抵抗力，從而導(dǎo)致較差的預(yù)后[14]。

MtFt是線粒體中鐵蛋白的特殊積累，與重鏈鐵蛋白具有70%的同源性。MtFt在腎臟以及心臟浦肯野細(xì)胞和其他一些神經(jīng)元中高表達(dá)[15]。研究發(fā)現(xiàn)，在人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞系中，MtFt水平升高，提示MtFt過(guò)度表達(dá)與預(yù)后不良有關(guān)[16]。Mi等[17]的研究顯示，MtFt在膠質(zhì)瘤組織和細(xì)胞以及裸鼠組織中均高表達(dá)，他們將具有MtFt過(guò)表達(dá)/基因敲除的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，與正常膠質(zhì)瘤細(xì)胞組相比，敲除MtFt組的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子水平和細(xì)胞增殖活性明顯下降，而MtFt過(guò)表達(dá)組明顯升高，表明MtFt過(guò)表達(dá)可以促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的細(xì)胞增殖和血管生長(zhǎng)。利用在線軟件Starbase和TargetScan預(yù)測(cè)MtFt和SNHG1與miR-9-5p結(jié)合的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，SNHG1在膠質(zhì)瘤組織和細(xì)胞中高表達(dá)，miR-9-5p在裸鼠腫瘤組織中低表達(dá)；利用RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體的核心成分Argonaute 2的抗體進(jìn)行RNA結(jié)合蛋白免疫沉淀實(shí)驗(yàn)和定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)證實(shí)，MtFt通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR-9-5p調(diào)節(jié)SNHG1的表達(dá)；經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤裸鼠的SNHG1表達(dá)上調(diào)，而miR-9-5p表達(dá)下調(diào)[17]。另有研究證實(shí)，SNHG1促進(jìn)了神經(jīng)膠質(zhì)瘤的腫瘤發(fā)生、發(fā)展[18]，而miR-9-5p阻礙了腫瘤的進(jìn)展[19]。由此可見(jiàn)，MtFt通過(guò)介導(dǎo)SNHG1/miR-9-5p軸促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤發(fā)生和血管生成。

3 鐵代謝在膠質(zhì)瘤診斷和治療方面的應(yīng)用

3.1鐵螯合劑 鐵過(guò)載所致疾病通?？梢杂描F螯合劑治療。目前用于治療鐵超負(fù)荷疾病的主要鐵螯合劑有去鐵胺、地拉羅司和去鐵酮。此外，鐵螯合劑可能是協(xié)助膠質(zhì)瘤治療的有效策略[20]。鐵螯合劑可使細(xì)胞周期停滯在G0/G1期，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[20]，對(duì)分裂活躍的癌細(xì)胞有巨大的殺傷力。Blatt等[21]的體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，去鐵胺可以抑制細(xì)胞DNA合成，并促進(jìn)Tf受體表達(dá)增加，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞凋亡。隨后在人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤的嚙齒動(dòng)物異種移植模型的研究中學(xué)者發(fā)現(xiàn)，去鐵胺未能減少腫瘤的生長(zhǎng)[22]。在體外實(shí)驗(yàn)中，正常氧濃度(21%)條件下，地拉羅司可明顯抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的細(xì)胞增殖，但與放療聯(lián)合應(yīng)用時(shí)并無(wú)協(xié)同作用；在輕度缺氧(3%)條件下，地拉羅司的抗增殖和細(xì)胞毒作用消失，其消耗鐵的能力也受到損害[23]。但另有體外實(shí)驗(yàn)顯示，與單獨(dú)使用替莫唑胺或去鐵酮相比，其與替莫唑胺聯(lián)合應(yīng)用可顯著降低膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的活性[24]。

綜上所述，盡管鐵螯合劑的有益作用有效，但其使用仍然有限，其局限性來(lái)源于非特異性作用和缺氧誘導(dǎo)因子1途徑的潛在激活。因此，需通過(guò)藥物載體系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行矢量化和靶向遞送，或合成新的針對(duì)特定位點(diǎn)的鐵螯合劑。

3.2維替泊芬 維替泊芬是一種苯并卟啉類藥物，被認(rèn)為是Yes相關(guān)蛋白抑制劑，通常用來(lái)治療黃斑變性。在其他類型的腫瘤中，Yes相關(guān)蛋白的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄活性增加可以促進(jìn)惡性細(xì)胞的存活[25]。最新研究發(fā)現(xiàn)，維替泊芬可以明顯抑制膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖，且使用劑量不足臨床治療黃斑變性用量的1/10；維替泊芬的細(xì)胞毒作用僅針對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞，對(duì)正常細(xì)胞沒(méi)有任何毒性[26]。但是維替泊芬的抗膠質(zhì)瘤細(xì)胞機(jī)制并非通過(guò)抑制Yes相關(guān)蛋白，而可能涉及與游離鐵結(jié)合導(dǎo)致的Fenton反應(yīng)，并通過(guò)氧化還原循環(huán)促進(jìn)活性氧類產(chǎn)生，從而導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和DNA損傷[25]，或通過(guò)降低膠質(zhì)瘤細(xì)胞高度依賴的線粒體氧化磷酸化活性抑制細(xì)胞生長(zhǎng)[26]。

3.3超順磁性氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION) 由于神經(jīng)組織的脆弱性以及血腦屏障的保護(hù)作用，中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的藥物治療明顯受限。隨著近年材料技術(shù)的發(fā)展，納米藥物輸送系統(tǒng)可能是最有潛力改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物治療效果的方式[27-28]，其中最具有代表性的是SPION。SPION是一種生物相容的磁性納米載體，具有高細(xì)胞攝取率和低毒性，表面涂有親水性聚合物和Tf，可通過(guò)血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)并靶向癌細(xì)胞[29]。由于SPION具有鐵的磁性，通過(guò)在目標(biāo)器官施加外部磁場(chǎng)，可將靜脈注射的SPION直接驅(qū)動(dòng)至目標(biāo)部位[29]，并可用于正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像和磁共振成像。Meng等[30]研究發(fā)現(xiàn)，將SPION與異硫氰酸熒光素和氯毒素偶聯(lián)合成熒光-磁共振雙功能納米探針后培養(yǎng)人膠質(zhì)瘤細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，熒光-磁共振雙功能納米探針處理后的膠質(zhì)瘤細(xì)胞在共聚焦顯微鏡下呈綠色熒光，且細(xì)胞鐵含量明顯高于用SPION-異硫氰酸熒光素培養(yǎng)的膠質(zhì)瘤細(xì)胞，磁共振成像中的T2信號(hào)強(qiáng)度明顯降低，表明熒光-磁共振雙功能納米探針對(duì)膠質(zhì)瘤細(xì)胞有很好的特異性和高效靶向作用。同時(shí)，SPION也可以通過(guò)熱磁療法發(fā)揮作用，具體方法為通過(guò)施加交變磁場(chǎng)在腫瘤區(qū)域產(chǎn)生熱量。臨床試驗(yàn)證明，利用SPION將熱磁療法和減量放療結(jié)合，治療安全性大大提高，且總存活期較Stupp方案更長(zhǎng)[31]。

多種藥物與SPION結(jié)合在治療膠質(zhì)瘤方面發(fā)揮作用。長(zhǎng)春新堿是一種有效的抗腫瘤藥物，但其神經(jīng)毒性強(qiáng)、半衰期短和新陳代謝快，故臨床應(yīng)用受限。利用SPION裝載長(zhǎng)春新堿，用人血白蛋白封裝，與細(xì)胞膜CD133具有特異性親和力的CD133mAb偶聯(lián)，形成CD133mAb修飾的治療性免疫磁性白蛋白微球，其通過(guò)CD133mAb的生物偶聯(lián)特異性識(shí)別CD133表面抗原，具有良好的靶向性和抗腫瘤增殖能力[32]。因此，SPION作為藥物載體在未來(lái)有更多的可能性。

3.4其他 青蒿素及其類似物雙氫青蒿素和青蒿琥酯只有在鐵過(guò)量時(shí)才會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性[10,33]，具有抗腫瘤作用(抗血管生成和促凋亡作用)。低濃度的雙氫青蒿素通過(guò)產(chǎn)生活性氧類增強(qiáng)替莫唑胺在大鼠膠質(zhì)瘤細(xì)胞中的細(xì)胞毒性作用，表明雙氫青蒿素對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的化療有益，且該機(jī)制可抑制谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶的活性，起到對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的放射增敏作用[34]。研究發(fā)現(xiàn)，青蒿琥酯可以通過(guò)負(fù)調(diào)控神經(jīng)膠質(zhì)瘤中糖酵解和膽固醇合成的酶抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的錨定非依賴性生長(zhǎng)，主要減少甲羥戊酸途徑中的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶的表達(dá)[33]，揭示了青蒿素抗癌的機(jī)制。

5-氨基乙酰丙酸是血紅素的天然代謝前體，可使熒光原卟啉Ⅸ(protoporphyrin Ⅸ，PpⅨ)在各種上皮組織，尤其是癌性組織中合成和積累，以易于區(qū)分正常大腦和腫瘤組織。研究顯示，與傳統(tǒng)神經(jīng)導(dǎo)航引導(dǎo)手術(shù)相比，5-氨基乙酰丙酸引導(dǎo)手術(shù)在提高診斷準(zhǔn)確性、提高患者生活質(zhì)量及延長(zhǎng)高危患者生存期方面更有效[35]。鐵螯合劑(去鐵胺)可以增強(qiáng)PpⅨ在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中的熒光作用，其機(jī)制是PpⅨ和Fe2+被亞鐵螯合酶代謝生成血紅素，鐵的去除可能抑制PpⅨ代謝過(guò)程，導(dǎo)致膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中PpⅨ的再次積聚。此外，血紅素加氧酶1基因編碼一種限制血紅素降解的限速酶，其作為一種誘導(dǎo)保護(hù)基因來(lái)抵御細(xì)胞應(yīng)激和氧化損傷。

4 小 結(jié)

神經(jīng)膠質(zhì)瘤的有效診斷和治療一直是臨床難點(diǎn)，關(guān)于鐵代謝相關(guān)基因與低級(jí)別膠質(zhì)瘤預(yù)后的密切聯(lián)系以及MtFt促進(jìn)膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展的研究將為膠質(zhì)瘤的相關(guān)治療提供明確的思路和方向。鐵螯合劑已經(jīng)在神經(jīng)退行性疾病中應(yīng)用并取得良好效果，青蒿素、維替泊芬和5-氨基乙酰丙酸的相關(guān)研究仍在進(jìn)行中。隨著個(gè)體化、精細(xì)化、微創(chuàng)化治療的發(fā)展，氧化鐵納米輸送系統(tǒng)可能是當(dāng)前神經(jīng)膠質(zhì)瘤化療的最理想選擇，但還需要穩(wěn)定抗癌治療的耐藥性、鐵代謝治療后相關(guān)酶的調(diào)節(jié)，以避免影響治療的有效性。因此，深入研究相關(guān)代謝通路、探索合適的藥物及治療方式、平衡治療的特異性和敏感性，有助于進(jìn)一步優(yōu)化治療體驗(yàn)，延長(zhǎng)患者高質(zhì)量生存期。