鐵死亡在骨肉瘤防治中的研究進(jìn)展

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(yuǎn)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(jī)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(zhuǎn)移的特點(diǎn),其中肺轉(zhuǎn)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(jīng)上述治療的OS患者存活率不僅無明顯提高,還產(chǎn)生了極強(qiáng)耐藥性,對(duì)人們的生命健康造成威脅[4]。鐵死亡是一種新發(fā)現(xiàn)的以脂質(zhì)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(xì)胞程序性死亡方式,已被證實(shí)在惡性腫瘤的預(yù)防和治療方面發(fā)揮重要作用[5]。近年來的相關(guān)研究已證實(shí)鐵死亡不僅在OS的進(jìn)展、治療及預(yù)后方面發(fā)揮了重要作用,還降低了OS細(xì)胞對(duì)化療藥物的耐藥性,可成為一種新的治療靶點(diǎn)。因此,本文對(duì)鐵死亡及其在OS中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,旨在為OS的防治提供理論依據(jù)。

1 鐵死亡的概念及主要信號(hào)通路

鐵死亡是一種不同于自噬、凋亡及壞死形式的新型細(xì)胞死亡方式,其與腫瘤、神經(jīng)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(guān)[6-7]。鐵死亡在形態(tài)學(xué)上主要表現(xiàn)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(guān)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(duì)傳統(tǒng)療法有抵抗性的惡性腫瘤治療時(shí)被激活[10],因此誘導(dǎo)鐵死亡可延緩惡性腫瘤的進(jìn)展并在其治療方面發(fā)揮積極作用。目前,關(guān)于鐵死亡相關(guān)信號(hào)通路研究仍在不斷深入,已證實(shí)的鐵死亡信號(hào)通路主要有胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)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(hào)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(hào)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(qū)動(dòng)[11]。GSH是一種含硫醇的三肽,主要通過細(xì)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(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)組成,其可介導(dǎo)胱氨酸的轉(zhuǎn)入和谷氨酸的轉(zhuǎn)出,進(jìn)入細(xì)胞的胱氨酸會(huì)被system Xc-轉(zhuǎn)換為Cys,然后Cys再進(jìn)一步合成GSH,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)system XC-活性降低時(shí),Cys的含量、GSH的合成和GPX4活性都會(huì)降低,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化,進(jìn)而誘發(fā)鐵死亡[13]。相關(guān)研究也證實(shí)了system Xc-的底物特異性亞基-GSH軸的激活在內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[14]。GPX4是鐵死亡的關(guān)鍵因子,也是維持GSH和谷胱甘肽二硫化物平衡的關(guān)鍵酶,主要位于鐵死亡信號(hào)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(yīng)的醇(R-OH),GSH則被氧化為氧化型谷胱甘肽,可降低脂質(zhì)過氧化,進(jìn)而抑制鐵死亡,此外GPX4的表達(dá)可被4-羥基壬烯醛抑制,引起缺鐵,可驅(qū)動(dòng)鐵死亡[15]。因此,GSH的合成、GPX4的功能以及system Xc-的活性對(duì)于保護(hù)細(xì)胞免受鐵死亡發(fā)揮著重要作用。FSP1已被證實(shí)是一種有效的抗鐵死亡因子,在肉豆素被酰化的條件下,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(zhì)過氧化產(chǎn)物(lipid peroxide,LPO)產(chǎn)生,進(jìn)而降低脂質(zhì)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(yīng)答基因[16]。p53是重要的腫瘤抑制因子,在腫瘤細(xì)胞生長發(fā)育中的周期調(diào)控、衰老及凋亡等過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[17]。細(xì)胞內(nèi)p53激活和表達(dá)量上調(diào)會(huì)抑制SLC7A11的表達(dá),使細(xì)胞對(duì)胱氨酸的攝取減少,Cys生成量降低,GSH產(chǎn)生也隨之減少,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)膜PUFA產(chǎn)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(jìn)一步研究。CoQ10是一種具有抗氧化性且可移動(dòng)的親脂性電子載體,可參與溶酶體膜的能量生成,已證實(shí)在某些情況下,通過抑制CoQ10可以增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)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(xué)功能主要是產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS),其抑制劑二甲基苯碘已被證實(shí)在人體肺癌中可部分抑制愛拉斯汀誘導(dǎo)的鐵死亡[21]。鐵死亡信號(hào)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(jī)制仍需進(jìn)一步探討。

2 鐵死亡的機(jī)制

2.1脂質(zhì)過氧化 鐵死亡是由脂質(zhì)過氧化驅(qū)動(dòng),脂質(zhì)過氧化的過程即ROS與生物膜的磷脂、酶和膜受體相關(guān)的PUFA的側(cè)鏈等大分子物質(zhì)產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng),形成LPO,如丙二醛(malondialdehyde,MDA)和4-羥基壬烯醛,導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能改變,從而誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡[15]。其中PUFA對(duì)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)尤其敏感,其含量及所處位置對(duì)細(xì)胞中脂質(zhì)過氧化程度具有決定性,使其在鐵死亡機(jī)制中發(fā)揮著不可替代的作用[22]。鐵死亡脂質(zhì)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(jié)合主要通過其sn-2位置與一個(gè)?；鶜埢B接,該?；鶜埢峙c1個(gè)PUFA結(jié)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(yīng)激活PUFA,從而參與鐵死亡的執(zhí)行過程中[24]。因此脂質(zhì)過氧化的過程及其產(chǎn)物在鐵死亡發(fā)生的機(jī)制中發(fā)揮了關(guān)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(duì)正常的細(xì)胞和器官功能至關(guān)重要,但鐵的異常積累會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的傷害[25]。鐵超載,即體內(nèi)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(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)[26]。在細(xì)胞層面,鐵超載會(huì)導(dǎo)致L-ROS增加,誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)而參與細(xì)胞的鐵死亡過程[27]。在OS疾病中,鐵超載也主要通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)來促進(jìn)OS細(xì)胞的凋亡、自噬和鐵死亡[28]。鐵的代謝功能障礙會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)亞鐵離子水平增加,引起ROS富集,進(jìn)而促進(jìn)脂質(zhì)過氧化,最終導(dǎo)致鐵死亡[29]。其主要機(jī)制為Fe3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TFR1)結(jié)合后,通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)體,定位于內(nèi)胚層,在內(nèi)胚層被鐵還原酶還原為Fe2+,然后Fe2+被釋放到細(xì)胞質(zhì)中不穩(wěn)定的鐵池中,多余的鐵被儲(chǔ)存在鐵蛋白中,二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1也會(huì)從細(xì)胞核中釋放Fe2+到細(xì)胞質(zhì)不穩(wěn)定的鐵池中,就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Fe2+超載,細(xì)胞內(nèi)超載的Fe2+通過芬頓反應(yīng)催化產(chǎn)生過量的L-ROS,就會(huì)誘發(fā)鐵死亡[26]。Dong等[30]發(fā)現(xiàn)亞鐵離子在維持缺氧誘導(dǎo)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(dǎo)HIF的積累并激活下游基因介入到鐵死亡的進(jìn)程中。Yao等[31]發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞能在鐵超載的條件下發(fā)生鐵死亡,且在鐵死亡的誘導(dǎo)下軟骨細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13,MMP-13)表達(dá)增加,膠原Ⅱ表達(dá)減少。因此,鐵離子的攝取、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存異常都會(huì)對(duì)鐵死亡產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)作用,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Fe2+增多,導(dǎo)致鐵超載的狀態(tài),進(jìn)而誘導(dǎo)鐵死亡。

2.3線粒體功能障礙 線粒體的代謝是細(xì)胞ROS的主要來源,當(dāng)Cys不足時(shí),線粒體代謝可促進(jìn)GSH的快速消耗,進(jìn)而產(chǎn)生L-ROS以驅(qū)動(dòng)鐵死亡,且谷氨酰胺的分解調(diào)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(shí)現(xiàn)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(huì)使鐵死亡受抑制的程度進(jìn)一步加強(qiáng)。當(dāng)GPX4被抑制時(shí),鐵死亡還可以獨(dú)立于線粒體進(jìn)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(guān)[32]。鐵死亡的易感性、起始和實(shí)施與線粒體呼吸異常有關(guān),但線粒體在鐵死亡中的具體作用有待進(jìn)一步研究[33]。

3 鐵死亡相關(guān)基因及信號(hào)通路參與OS的研究進(jìn)展及治療

童也等[34]研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡的相關(guān)基因FANCD2、HSPB1、ATF4和TMBIM4,在轉(zhuǎn)移性O(shè)S組織中的表達(dá)異?？赡軙?huì)減少鐵死亡相關(guān)的細(xì)胞凋亡,最終加快OS的發(fā)展進(jìn)程。Lv等[35]的研究證實(shí)β-異硫氰酸苯乙酯可抑制GPX4表達(dá),導(dǎo)致ROS積累,造成脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激,還可激活ROS依賴的絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路,誘導(dǎo)人OS細(xì)胞發(fā)生鐵死亡,抑制人OS細(xì)胞增殖,進(jìn)而延緩腫瘤進(jìn)展。Shi等[36]驗(yàn)證了替拉扎明可通過抑制SLC7A11和GPX4轉(zhuǎn)導(dǎo),誘導(dǎo)鐵死亡,從而抑制缺氧條件下OS細(xì)胞的增殖和遷移。有研究顯示,長期使用順鉑會(huì)抑制鐵死亡發(fā)生,產(chǎn)生耐藥OS細(xì)胞,而使用鐵死亡誘導(dǎo)劑和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activation of transcription 3,STAT3)抑制劑可重新激活細(xì)胞中的鐵死亡,削弱STAT3/Nrf2/GPX4的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),進(jìn)而誘導(dǎo)鐵死亡,增加對(duì)順鉑的敏感性,可成為克服OS細(xì)胞順鉑耐藥的潛在治療靶點(diǎn)[37]。Xu等[38]的研究發(fā)現(xiàn),GPX4是MicroRNA-1287-5P調(diào)控人OS細(xì)胞鐵死亡的直接作用靶點(diǎn),因此MiR-1287-5P通過抑制GPX4可促進(jìn)OS細(xì)胞鐵死亡。過表達(dá)MiR-1287-5P可增強(qiáng)OS細(xì)胞對(duì)順鉑化療敏感性,且MiR-1287-5P模擬物與順鉑聯(lián)合使用可進(jìn)一步降低OS細(xì)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(xiàn)下調(diào)組蛋白賴氨酸去甲基化酶4A(recombinant lysine specific demethylase 4A,KDM4A)的表達(dá)可降低SLAC7A11的表達(dá),促進(jìn)OS細(xì)胞的鐵死亡,并抑制OS進(jìn)展及肺轉(zhuǎn)移途徑,且敲低KDM4A可增加順鉑處理OS細(xì)胞的敏感性。Lin等[40]研究發(fā)現(xiàn),新型姜黃素類似物聯(lián)苯二氟銅可誘導(dǎo)鐵死亡,其機(jī)制可能是上調(diào)HO-1抑制GPX4的表達(dá),增加MDA、ROS和細(xì)胞內(nèi)鐵離子水平,使其可成為一種治療HMOX1陽性O(shè)S患者的潛在藥物。Zhan等[41]發(fā)現(xiàn)鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin和Yes相關(guān)蛋白敲低可增強(qiáng)OS細(xì)胞對(duì)焦脫鎂葉綠酸-a甲酯介導(dǎo)的光動(dòng)力療法(methy ester pyropheophorbide-a mediated photodynamic therapy,MPPa-PDT)治療的敏感性,證實(shí)了Erastin聯(lián)合MPPa-PDT可顯著改善OS預(yù)后,因此鐵死亡誘導(dǎo)劑有可能成為治療OS的一大類新興藥物。Luo等[42]發(fā)現(xiàn),補(bǔ)骨脂二氫黃酮可增加亞鐵水平和下調(diào)磷酸化的STAT3來上調(diào)p53表達(dá),從而降低SLC7A11和GPX4的表達(dá),促進(jìn)ROS和MDA的積累,進(jìn)而誘導(dǎo)鐵死亡,且在鐵死亡抑制劑處理下,補(bǔ)骨脂二氫黃酮誘導(dǎo)的細(xì)胞鐵死亡可被逆轉(zhuǎn),因此,補(bǔ)骨脂二氫黃酮有望成為OS治療的藥物。

4 結(jié)語

目前已發(fā)現(xiàn)鐵死亡可通過脂質(zhì)過氧化、鐵超載、線粒體功能障礙機(jī)制參與OS的進(jìn)展、治療及預(yù)后,且能降低OS耐藥性,但鐵死亡的調(diào)控機(jī)制仍未被充分了解,仍需進(jìn)一步探討。此外,鐵死亡誘導(dǎo)劑可驅(qū)動(dòng)鐵死亡參與抑制OS細(xì)胞的過程,因此其可成為一種新的OS治療藥物。目前除經(jīng)典鐵死亡誘導(dǎo)劑外,許多中藥及其成分已被發(fā)現(xiàn)對(duì)鐵死亡具有調(diào)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(chǔ)上開展中藥及其有效成分參與鐵死亡的調(diào)控途徑以及聯(lián)合OS傳統(tǒng)療法的相關(guān)研究,拓展OS的治療前景。