鐵死亡在結(jié)直腸疾病中的研究進展

熊寰 朱億豪 胡志喬 袁子茗 胡漢卿 湯慶超

調(diào)節(jié)性細胞死亡（regulated cell death，RCD）是指由一個或多個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模塊的激活導(dǎo)致的細胞死亡，在生理和病理環(huán)境中維持機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要［1］。鐵死亡是一種最新發(fā)現(xiàn)的調(diào)節(jié)性細胞死亡形式，其發(fā)生與鐵依賴的脂質(zhì)活性氧（lipid reactive oxygen species，L-ROS）過量累積相關(guān)。鐵死亡在細胞形態(tài)、基因調(diào)控、生化代謝方面明顯不同于凋亡、壞死及其他形式的細胞死亡。自鐵死亡機制被提出以后，人們在多種疾病發(fā)生與發(fā)展的關(guān)鍵過程中發(fā)現(xiàn)了鐵死亡的作用。結(jié)直腸疾病主要包括炎癥性疾病、損傷性疾病、非腫瘤息肉性疾病及腫瘤性疾病。研究顯示［2-5］，鐵死亡與結(jié)直腸疾病密切相關(guān)，這為結(jié)直腸疾病的治療提供了新的方向。

一、鐵死亡的發(fā)生過程

鐵死亡具有獨特的形態(tài)特征和發(fā)生機制。在發(fā)生鐵死亡的細胞中，線粒體比正常狀態(tài)小，線粒體嵴收縮或消失，伴有線粒體外膜破裂和電子致密特征，而質(zhì)膜及細胞核結(jié)構(gòu)完整，染色質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化［6］。這些形態(tài)學改變的發(fā)生是基于其內(nèi)在分子生物學及代謝進程的變化。鐵死亡發(fā)生的分子機制核心在于脂質(zhì)ROS的累積，而這一過程受多條分子通路的影響。

（一）氨基酸及谷胱甘肽代謝異常

谷胱甘肽（glutathione，GSH）由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸通過γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶經(jīng)兩步合成，并可由自由基、活性氧/氮物質(zhì)氧化為谷胱甘肽二硫化物（glutathione disulfide，GSSG）。GSH/GSSG偶聯(lián)是決定細胞抗氧化能力的重要分子偶聯(lián)［7］，GSH的合成減少或氧化增加均可導(dǎo)致細胞的氧化還原平衡失調(diào)。半胱氨酸是細胞內(nèi)GSH合成的關(guān)鍵因素，其主要由胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體（System Xc-）攝取的胱氨酸還原而來［8］。System Xc-是由調(diào)節(jié)亞基溶質(zhì)載體家族3成員2（SLC3A2）和催化亞基溶質(zhì)載體族7成員11（SLC7A11）形成的二硫鍵異二聚體，其中，SLC7A11是其特異性功能結(jié)構(gòu)。在早期的研究中，人們發(fā)現(xiàn)，化合物伊拉斯汀、柳氮磺胺吡啶可通過抑制System Xc-的功能，誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡［9］。

（二）脂質(zhì)代謝異常

脂質(zhì)在細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的組成與能量供應(yīng)中起著至關(guān)主要的作用。與飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸相比，多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）更易被過氧化形成脂質(zhì)過氧化物［10］。在細胞發(fā)生鐵死亡的過程中，PUFAs的氧化和酯化反應(yīng)是細胞的直接致死條件。在PUFAs相關(guān)的磷脂中，含有花生四烯酸基團或腎上腺素基團的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamines，PEs）被證明是鐵死亡發(fā)生過氧化的主要底物；PEs通過鐵催化酶和芬頓反應(yīng)（非酶催化）過程發(fā)生過氧化反應(yīng)，生成磷脂過氧化氫，最終導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生［11］。

（三）鐵代謝異常

作為影響活性氧生成的重要因子，鐵代謝在組織細胞生理或病理過程中均發(fā)揮關(guān)鍵作用。為了支持細胞的快速增殖，癌細胞對鐵的需求量要高于非惡性細胞，研究證實在許多癌細胞系中，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的表達高于正常細胞系［12］。轉(zhuǎn)鐵蛋白介導(dǎo)的鐵攝入或鐵蛋白的自噬/溶酶體降解可產(chǎn)生氧化還原活性的Fe2＋，形成細胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵池（labile iron pool，LIP）。LIP中過量的Fe2＋可通過芬頓反應(yīng)增加活性氧生成，促進胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化的發(fā)生，從而誘導(dǎo)細胞鐵死亡［13］。已知的唯一的鐵外向轉(zhuǎn)運體——鐵轉(zhuǎn)運蛋白可將細胞內(nèi)過量的鐵轉(zhuǎn)運出胞。通過促進轉(zhuǎn)鐵蛋白受體或鐵轉(zhuǎn)運蛋白表達，可以正向或負向調(diào)控鐵死亡的發(fā)生。

（四）影響鐵死亡發(fā)生的其他通路

上述三條代謝通路均圍繞于以谷胱甘肽過氧化酶4/谷胱甘肽（GPX4/GSH）為中心的鐵死亡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。Bersuker等［14］的研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)典的GPX4/GSH系統(tǒng)以外，鐵死亡抑制蛋白1/輔酶Q10/還原性輔酶（FSP1/CoQ10/NAD（P）H）作為一個獨立的并行系統(tǒng)存在；其中，F(xiàn)SP1降解CoQ10，生成還原性CoQ10，抑制過氧化物的累積，最終阻止鐵死亡的發(fā)生。但是，F(xiàn)SP1/CoQ10/NAD（P）H系統(tǒng)作為鐵死亡調(diào)節(jié)的另一中心系統(tǒng)還需要進一步完善。

二、鐵死亡與結(jié)直腸疾病的發(fā)生與發(fā)展

在腫瘤性和非腫瘤性結(jié)直腸疾病的發(fā)生機制中，普遍存在L-ROS過量累積導(dǎo)致的鐵死亡，而它們對疾病的病程影響卻不盡相同。

（一）鐵死亡抑制結(jié)直腸癌的進展

1. GXP4的抑制促進鐵死亡：作為鐵死亡的中心調(diào)控分子，GPX4利用GSH作為輔助底物，催化脂質(zhì)過氧化氫轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脂質(zhì)醇，限制L-ROS的過量累積，阻止鐵死亡的發(fā)生［15］。在現(xiàn)有的研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種分子如順鉑［16］、RAS選擇性致死分子3（Ras selective lethal 3，RSL3）［17］可抑制結(jié)直腸癌細胞中GPX4，誘導(dǎo)細胞鐵死亡的發(fā)生，進而抑制結(jié)直腸癌的進展。

2. ACSL4促進鐵死亡：酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）是磷脂酰乙醇胺合成過程的關(guān)鍵輔助因子。鐵死亡敏感的細胞中ACSL4的表達量更高［18］。在Kras突變的人結(jié)直腸癌細胞中，ACSL4的表達量更高，并且菠蘿酶可刺激細胞ACSL4表達，誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡而抑制腫瘤進展［19］。這提示Kras基因可能是鐵死亡上游調(diào)控基因，并且促進其效應(yīng)分子ACSL4表達而導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生。

3. HO-1促進鐵死亡：血紅素氧合酶（heme oxygenase，HO）可將血紅素降解為膽綠素、CO和鐵，此過程是機體內(nèi)鐵的主要來源途徑。HO-1是血紅素氧合酶家族的主要成員。HO-1過表達可促進細胞內(nèi)鐵含量增加，過量的鐵將打破細胞內(nèi)氧化還原的平衡，最終導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生［20］。實驗觀察發(fā)現(xiàn)將樺木樹皮甲醇提取物作用于結(jié)直腸癌細胞后，細胞內(nèi)HO-1表達升高、脂質(zhì)ROS過量累積，并出現(xiàn)細胞活性降低甚至死亡［21］。HO-1在體內(nèi)對結(jié)直腸癌細胞鐵死亡的誘導(dǎo)及抑癌作用還需要進一步實驗證明。

4. P53調(diào)控鐵死亡：P53基因是一種重要的抑癌基因，其通常是通過轉(zhuǎn)錄或非轉(zhuǎn)錄機制啟動細胞周期阻滯、細胞衰老或凋亡而發(fā)揮腫瘤抑制作用。而最近研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)腫瘤細胞鐵死亡可能是P53發(fā)揮抑癌作用的另一重要通路［22］。與其他腫瘤細胞不同的是，P53在結(jié)直腸癌細胞中主要通過非轉(zhuǎn)錄機制誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡，P53基因可介導(dǎo)鐵死亡抑制分子SCL7A11C的表達，并且P53基因缺失提高了伊拉斯汀在體內(nèi)的抗癌活性［3］。在未來的結(jié)直腸癌治療方案中，P53是一個潛在靶點。

（二）鐵死亡促進潰瘍性結(jié)腸炎的進展

潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）是一種結(jié)直腸的慢性復(fù)發(fā)性炎性疾病，既往人們通常認為其主要由腸道微生物或免疫機制發(fā)生紊亂引起。為尋找其他的致病機制，研究者們對UC患者的腸上皮組織或動物模型的腸上皮組織進行分析，兩種組織細胞中均發(fā)現(xiàn)鐵死亡相關(guān)信號分子的上調(diào)或下調(diào)，并存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，而NF-κBp65（核因子κBp65）抑制了這一系列過程發(fā)生［4］。多種形式的細胞死亡過程均可發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)。在鐵死亡和其他形式的細胞死亡之間的相互作用中，鐵死亡相關(guān)因子引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)起著重要作用［23］。這為UC的聯(lián)合治療提供了新的方向。

（三）鐵死亡導(dǎo)致腸缺血再灌注損傷

腸缺血再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IRI）常由于腸道發(fā)生缺血性損傷后血液再灌注引起，往往是嚴重感染、創(chuàng)傷性休克等致死性疾病的主要致死原因。在IRI過程中，大量自由基灌注造成的毒理損害可直接導(dǎo)致細胞的凋亡、壞死或鐵死亡［22］。在腸IRI小鼠模型中，抑制ACSL4可阻止缺血期腸上皮細胞發(fā)生鐵死亡，減輕原位或遠隔臟器損傷［23］。在腸缺血性疾病的治療中，我們可以通過抑制鐵死亡以減輕組織的再灌注損傷。

三、鐵死亡與結(jié)直腸疾病的治療

在結(jié)直腸疾病的相關(guān)臨床治療中，抑制或促進活性氧的產(chǎn)生通常對療效產(chǎn)生重要影響，鐵死亡可能在其中發(fā)揮一定的作用。

（一）鐵死亡在腫瘤性疾病治療的應(yīng)用

結(jié)直腸癌的臨床治療主張多學科綜合治療，包括外科治療、內(nèi)科治療和放療等治療手段。在不具備外科治療條件的患者中，放療、化療和靶向治療通常是他們的選擇。電離輻射可促進肺癌細胞中的L-ROS的累積，并導(dǎo)致細胞的鐵死亡［25］，但其對結(jié)直腸癌細胞的作用有待進一步探究。而經(jīng)典化療藥物順鉑已經(jīng)被證實可誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細胞發(fā)生鐵死亡，其與鐵死亡誘導(dǎo)劑具有顯著的協(xié)同作用［16］。作為結(jié)直腸癌靶向治療藥物之一，西妥昔單抗常作為Kras野生型的轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌患者的一線用藥，而對Kras突變型患者療效不佳［26］。前文已述ACSL4分子在Kras突變型結(jié)直腸癌細胞中表達增加，故對于Kras突變型結(jié)直腸患者，通過藥物誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生ACSL4途徑介導(dǎo)的鐵死亡可作為西妥昔單抗不敏感患者的補充治療方式。

（二）鐵死亡在非腫瘤性疾病治療的發(fā)現(xiàn)

在輕度到中度的潰瘍性結(jié)腸炎患者治療中，氨基水楊酸類藥物是指南推薦的一線藥物，包括柳氮磺胺吡啶和其他各種不同類型5-氨基水楊酸制劑［27］。在臨床實踐中，柳氮磺胺吡啶和其他5-氨基水楊酸制劑的療效相似，但前者的不良反應(yīng)更多見，如白細胞減少、皮疹和肝損傷［28］。柳氮磺胺吡啶經(jīng)口服后部分經(jīng)胃腸吸收，并經(jīng)腸肝循環(huán)入血。柳氮磺胺吡啶是鐵死亡的誘導(dǎo)劑，筆者認為其相關(guān)副作用可能與促進正常白細胞或肝細胞發(fā)生鐵死亡有關(guān)，但這要需要進一步臨床實驗進行驗證。

四、小結(jié)和展望

鐵死亡主要由氨基酸、脂質(zhì)或鐵代謝異常導(dǎo)致的L-ROS過量累積引起，而這一過程可存在于正常細胞或腫瘤細胞內(nèi)。多項結(jié)直腸腫瘤性疾病的研究指出，代謝紊亂導(dǎo)致的鐵死亡抵制是結(jié)直腸癌進展的重要原因，激活癌細胞發(fā)生鐵死亡可作為傳統(tǒng)抗癌治療耐藥或無效患者的治療新思路。而非腫瘤性疾病研究僅在潰瘍性結(jié)腸炎及腸缺血再灌注損傷中發(fā)現(xiàn)鐵死亡的相關(guān)作用，其他非腫瘤性疾病與鐵死亡的關(guān)系還有待發(fā)現(xiàn)；抑制正常細胞發(fā)生鐵死亡可能對非腫瘤性疾病的預(yù)后具有很好的改善作用。鐵死亡相關(guān)的結(jié)直腸疾病發(fā)生機制尚需進一步探索，但其可能帶來的臨床獲益卻是巨大的。