鐵代謝在神經膠質瘤中的研究進展和應用

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.哈爾濱醫科大學附屬第一醫院神經外科，哈爾濱 150001；2.哈爾濱醫科大學，哈爾濱 150000)

鐵是人體內含量最豐富的微量元素，參與機體內多種代謝活動，如作為血紅蛋白的重要組成部分參與氧氣運輸，或作為多種酶的組成部分參與三羧酸循環和氧化磷酸化[1]。鐵穩態對機體至關重要，鐵的缺乏和累積會導致各種疾病，缺鐵易導致缺鐵性貧血，而鐵超載會導致血色素沉著病、囊性纖維化等。膠質瘤是最常見的原發性惡性腦腫瘤，占所有原發腦腫瘤的30%以上[2]。目前，膠質瘤的主要治療方法包括手術切除、口服烷化劑和放療[3]，盡管針對膠質瘤的治療干預措施取得了很大進展，但膠質瘤患者的預后仍很差。線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin，MtFt)也被發現可通過介導小核仁RNA宿主基因1(small nucleolar RNA host gene 1，SNHG1)/微RNA(microRNA，miRNA/miR)-9-5p軸促進神經膠質瘤發生和血管生成。近年來，鐵代謝在神經膠質瘤診斷和治療方面應用的相關研究和藥物為膠質瘤的診斷和治療提供了新靶點，也為后續開展相關藥物的研制以及新技術的發展起到推動作用。現就正常人體鐵代謝和大腦鐵代謝以及鐵代謝在神經膠質瘤中的研究進展予以綜述。

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]。鐵是細胞色素a、b、c以及細胞色素氧化酶和氧化鏈上的鐵硫(Fe-S)復合體的重要組成部分，對ATP的合成非常重要。機體正常生理活動所需要的鐵均由外源性物質補充，其中90%是非血紅素無機鐵，少量為血紅蛋白和肌紅蛋白分解產生的血紅素鐵[5]，主要在十二指腸上皮細胞吸收(占90%)[6]。Fe3+被十二指腸細胞色素b還原為亞鐵離子(Fe2+)后通過二價金屬離子轉運體1跨腸上皮細胞頂膜運輸，并通過膜鐵轉運蛋白進入循環，隨后Fe2+被銅藍蛋白氧化成Fe3+，進而與血清脫鐵轉鐵蛋白(transferrin，Tf)結合，形成Tf-Fe3+復合體[7]，將鐵運輸到其他細胞和組織，見圖1。

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

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

1.2腦鐵代謝 在中樞神經系統中，鐵主要通過Tf受體1和膜鐵轉運蛋白穿過血腦屏障進入大腦[1,9]。首先，循環中的鐵-Tf復合體與表達于血腦屏障內皮表面的Tf受體1結合形成Fe3+-Tf-Tf受體1復合物，然后在內體內化和酸化后，鐵以Fe2+的形式釋放，Fe2+被二價金屬離子轉運體1轉運到溶酶體內膜上。如果細胞內的鐵不能立即用于細胞過程，通常被鐵蛋白以Fe3+的形式儲存，機體根據需要從鐵蛋白或在溶酶體降解過程中釋放。此外，鐵可通過有絲分裂鐵蛋白MFRN進入線粒體基質。只有一小部分鐵可作為可變鐵池用于正在進行的生化過程[10]，見圖1。

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

2 鐵代謝與神經膠質瘤

鐵在許多生物過程中起著重要作用，膠質瘤細胞具有強大的增殖能力，其各種酶功能均需鐵的參與；游離鐵還通過Fenton反應產生活性氧類，導致氧化應激反應。因此，鐵的安全運輸和儲存對于限制細胞的氧化應激是必要的。研究表明，當生理鐵代謝被擾亂時，氧化應激可以驅動突變并加速腫瘤進展[12]。在高級別膠質瘤(Ⅳ級膠質母細胞瘤)中，編碼關鍵鐵攝取介質血色素沉著病蛋白HFE基因的變異頻率增加，而HFE基因的多態性與膠質母細胞瘤的存活率降低相關[13]。通過對275個低級別膠質瘤樣本的基因表達數據進行分析，使用Coxnet模型從61個鐵代謝相關基因中篩選出8個基因(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、線粒體鐵離子轉運蛋白Sideroflexin1基因、Tf受體基因、尿卟啉原Ⅲ合酶基因、溶質載體家族11成員2基因和前列腺跨膜上皮抗原4基因)，隨后應用Kaplan-Meier生存曲線進行分析，結果表明，上述鐵代謝相關基因與低級別膠質瘤的較短生存期密切相關，并根據其表達差異化較準確地預測膠質瘤的生存期[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+。對小鼠模型的研究發現，前列腺跨膜上皮抗原3可能增強腫瘤細胞對低鐵水平的抵抗力，從而導致較差的預后[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胞和其他一些神經元中高表達[15]。研究發現，在人腦膠質瘤細胞系中，MtFt水平升高，提示MtFt過度表達與預后不良有關[16]。Mi等[17]的研究顯示，MtFt在膠質瘤組織和細胞以及裸鼠組織中均高表達，他們將具有MtFt過表達/基因敲除的神經膠質瘤細胞與人臍靜脈內皮細胞共培養發現，與正常膠質瘤細胞組相比，敲除MtFt組的血管內皮生長因子水平和細胞增殖活性明顯下降，而MtFt過表達組明顯升高，表明MtFt過表達可以促進膠質瘤細胞的細胞增殖和血管生長。利用在線軟件Starbase和TargetScan預測MtFt和SNHG1與miR-9-5p結合的競爭關系發現，SNHG1在膠質瘤組織和細胞中高表達，miR-9-5p在裸鼠腫瘤組織中低表達；利用RNA誘導的沉默復合體的核心成分Argonaute 2的抗體進行RNA結合蛋白免疫沉淀實驗和定量反轉錄聚合酶鏈反應證實，MtFt通過競爭性結合miR-9-5p調節SNHG1的表達；經檢測發現，神經膠質瘤細胞和膠質母細胞瘤裸鼠的SNHG1表達上調，而miR-9-5p表達下調[17]。另有研究證實，SNHG1促進了神經膠質瘤的腫瘤發生、發展[18]，而miR-9-5p阻礙了腫瘤的進展[19]。由此可見，MtFt通過介導SNHG1/miR-9-5p軸促進神經膠質瘤發生和血管生成。

3 鐵代謝在膠質瘤診斷和治療方面的應用

3.1鐵螯合劑 鐵過載所致疾病通常可以用鐵螯合劑治療。目前用于治療鐵超負荷疾病的主要鐵螯合劑有去鐵胺、地拉羅司和去鐵酮。此外，鐵螯合劑可能是協助膠質瘤治療的有效策略[20]。鐵螯合劑可使細胞周期停滯在G0/G1期，進而誘導細胞凋亡[20]，對分裂活躍的癌細胞有巨大的殺傷力。Blatt等[21]的體外實驗發現，去鐵胺可以抑制細胞DNA合成，并促進Tf受體表達增加，進而導致神經母細胞瘤細胞凋亡。隨后在人類神經母細胞瘤的嚙齒動物異種移植模型的研究中學者發現，去鐵胺未能減少腫瘤的生長[22]。在體外實驗中，正常氧濃度(21%)條件下，地拉羅司可明顯抑制膠質母細胞瘤的細胞增殖，但與放療聯合應用時并無協同作用；在輕度缺氧(3%)條件下，地拉羅司的抗增殖和細胞毒作用消失，其消耗鐵的能力也受到損害[23]。但另有體外實驗顯示，與單獨使用替莫唑胺或去鐵酮相比，其與替莫唑胺聯合應用可顯著降低膠質母細胞瘤細胞的活性[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，其局限性來源于非特異性作用和缺氧誘導因子1途徑的潛在激活。因此，需通過藥物載體系統對其進行矢量化和靶向遞送，或合成新的針對特定位點的鐵螯合劑。

3.2維替泊芬 維替泊芬是一種苯并卟啉類藥物，被認為是Yes相關蛋白抑制劑，通常用來治療黃斑變性。在其他類型的腫瘤中，Yes相關蛋白的表達和轉錄活性增加可以促進惡性細胞的存活[25]。最新研究發現，維替泊芬可以明顯抑制膠質瘤干細胞的生長增殖，且使用劑量不足臨床治療黃斑變性用量的1/10；維替泊芬的細胞毒作用僅針對膠質瘤干細胞，對正常細胞沒有任何毒性[26]。但是維替泊芬的抗膠質瘤細胞機制并非通過抑制Yes相關蛋白，而可能涉及與游離鐵結合導致的Fenton反應，并通過氧化還原循環促進活性氧類產生，從而導致內質網應激和DNA損傷[25]，或通過降低膠質瘤細胞高度依賴的線粒體氧化磷酸化活性抑制細胞生長[26]。

3.3超順磁性氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION) 由于神經組織的脆弱性以及血腦屏障的保護作用，中樞神經系統腫瘤的藥物治療明顯受限。隨著近年材料技術的發展，納米藥物輸送系統可能是最有潛力改善中樞神經系統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，具有高細胞攝取率和低毒性，表面涂有親水性聚合物和Tf，可通過血腦屏障轉運并靶向癌細胞[29]。由于SPION具有鐵的磁性，通過在目標器官施加外部磁場，可將靜脈注射的SPION直接驅動至目標部位[29]，并可用于正電子發射計算機斷層顯像和磁共振成像。Meng等[30]研究發現，將SPION與異硫氰酸熒光素和氯毒素偶聯合成熒光-磁共振雙功能納米探針后培養人膠質瘤細胞發現，熒光-磁共振雙功能納米探針處理后的膠質瘤細胞在共聚焦顯微鏡下呈綠色熒光，且細胞鐵含量明顯高于用SPION-異硫氰酸熒光素培養的膠質瘤細胞，磁共振成像中的T2信號強度明顯降低，表明熒光-磁共振雙功能納米探針對膠質瘤細胞有很好的特異性和高效靶向作用。同時，SPION也可以通過熱磁療法發揮作用，具體方法為通過施加交變磁場在腫瘤區域產生熱量。臨床試驗證明，利用SPION將熱磁療法和減量放療結合，治療安全性大大提高，且總存活期較Stupp方案更長[31]。

多種藥物與SPION結合在治療膠質瘤方面發揮作用。長春新堿是一種有效的抗腫瘤藥物，但其神經毒性強、半衰期短和新陳代謝快，故臨床應用受限。利用SPION裝載長春新堿，用人血白蛋白封裝，與細胞膜CD133具有特異性親和力的CD133mAb偶聯，形成CD133mAb修飾的治療性免疫磁性白蛋白微球，其通過CD133mAb的生物偶聯特異性識別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量時才會對細胞產生毒性[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產生活性氧類增強替莫唑胺在大鼠膠質瘤細胞中的細胞毒性作用，表明雙氫青蒿素對神經膠質瘤的化療有益，且該機制可抑制谷胱甘肽巰基轉移酶的活性，起到對神經膠質瘤細胞的放射增敏作用[34]。研究發現，青蒿琥酯可以通過負調控神經膠質瘤中糖酵解和膽固醇合成的酶抑制膠質瘤細胞的錨定非依賴性生長，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[33]，揭示了青蒿素抗癌的機制。

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，以易于區分正常大腦和腫瘤組織。研究顯示，與傳統神經導航引導手術相比，5-氨基乙酰丙酸引導手術在提高診斷準確性、提高患者生活質量及延長高危患者生存期方面更有效[35]。鐵螯合劑(去鐵胺)可以增強PpⅨ在膠質瘤干細胞中的熒光作用，其機制是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代謝過程，導致膠質瘤干細胞中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，其作為一種誘導保護基因來抵御細胞應激和氧化損傷。

4 小 結

神經膠質瘤的有效診斷和治療一直是臨床難點，關于鐵代謝相關基因與低級別膠質瘤預后的密切聯系以及MtFt促進膠質瘤發生發展的研究將為膠質瘤的相關治療提供明確的思路和方向。鐵螯合劑已經在神經退行性疾病中應用并取得良好效果，青蒿素、維替泊芬和5-氨基乙酰丙酸的相關研究仍在進行中。隨著個體化、精細化、微創化治療的發展，氧化鐵納米輸送系統可能是當前神經膠質瘤化療的最理想選擇，但還需要穩定抗癌治療的耐藥性、鐵代謝治療后相關酶的調節，以避免影響治療的有效性。因此，深入研究相關代謝通路、探索合適的藥物及治療方式、平衡治療的特異性和敏感性，有助于進一步優化治療體驗，延長患者高質量生存期。