膀胱癌中鐵死亡的研究進展

李生華，莫飛林，肖楚楠，翟高強，劉加林，黃志廣

1.廣西醫科大學第一附屬醫院泌尿外科，廣西 南寧 530021；

2.廣西醫科大學第一附屬醫院病理科，廣西 南寧 530021

據全球癌癥數據顯示，膀胱癌是全球十大常見癌癥之一，在泌尿生殖系統惡性腫瘤中排第二[1]。目前晚期的膀胱癌仍以藥物化療為主，但預后仍然不理想。耐藥是癌癥難以治愈的重要因素，鐵死亡的出現為膀胱癌的治療提供了新方向。

鐵死亡是一種與活性氧(ROS)相關的新的細胞死亡調控形式，跟鐵蓄積和脂質過氧化的過程關系密切[2]。細胞鐵死亡的生化機制與壞死和凋亡不同，它的形態特點有：細胞體積縮小；線粒體膜密度增加，但外膜會破裂，線粒體嵴減少；細胞核形態則是正常的。抑制半胱氨酸的攝取或使谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)失活，或者對胱氨酸/谷氨酸逆轉運蛋白的化學或突變抑制可誘導鐵死亡，并最終導致積累的ROS以脂質過氧化物的形式存在[3]。

1 鐵死亡的由來和機制

1.1 鐵死亡的由來鐵死亡的誘導劑比鐵死亡更早被發現，鐵死亡誘導劑能引發腫瘤細胞的非程序性細胞死亡(non-programmedcelldeath，NPCD)[4]。DIXON等[5]在2012年首次提出了Ferroptosis(鐵死亡)的概念：即致癌的選擇性RAS致死小分子Erastin誘發的一種依賴金屬鐵的非凋亡細胞死亡被稱為鐵死亡，該小分子則被稱為鐵死亡誘導劑。

1.2 鐵死亡的生化機制鐵死亡依賴于細胞內的鐵元素，并且在機制、形態等方面與細胞凋亡、壞死和自噬不同。Dixon的團隊認為ROS的積累和鐵螯合劑抑制腫瘤細胞凋亡之間是密切相關的，當ROS積累增加，可導致腫瘤細胞死亡，同時，加入鐵螯合劑去鐵胺后，抑制了ROS積累和腫瘤細胞的凋亡[5]。其他研究也證明了鐵死亡能夠抑制腫瘤細胞的進程[6]。鐵死亡的分子機制主要包括脂質過氧化的產生和消除。脂質過氧化的原料為鐵和多聚不飽和脂肪酸，他們推動鐵死亡的發生，而GPX4以還原性谷胱甘肽(glutathione，GSH)作為原料，抑制鐵死亡的發生[7]。

2 鐵死亡與腫瘤

鐵元素參與了腫瘤的發生、發展、轉移和微環境的調節等方面[8]。鐵死亡的研究進展將有利于多種腫瘤的靶向治療。目前鐵死亡主要是用藥物誘導產生，藥物誘導的機制包括：(1)抑制胱氨酸/谷氨酸逆轉運體(Xc-系統)[9-10]；(2)抑制或消耗GPX4的表達[11]；(3)促進高表達p53[12]。近10年來，除了Erastin外，索拉菲尼、柳氮磺胺吡啶、青蒿素、青蒿琥酯和二氫青蒿素等藥物已被發現可用于誘導鐵死亡[13]。此外，1,2-二氧戊環、西拉美新、拉帕替尼和BAY87-2243等藥物也被發現能夠調節GPX4從而誘導鐵死亡[14]。Fin56是一種鐵死亡誘導物，其通過GPX4蛋白降解觸發鐵死亡。SUN等[15]確定了Fin56誘導膀胱癌細胞的鐵死亡和自噬，其機制上依賴于自噬。此外，他們還研究了Fin56與Torin 2(一種用于激活自噬的有效mTOR抑制劑)聯合使用對細胞活力的影響，發現Fin56與Torin 2對膀胱癌細胞的細胞毒性有協同作用。這表明鐵死亡誘導物和mTOR抑制劑的聯合應用是一種有前景的方法來改善膀胱癌的治療。這些藥物為鐵死亡治療膀胱癌提供了新的方向[16]。

3 鐵死亡在膀胱腫瘤領域的研究

3.1 鐵離子濃度與膀胱腫瘤細胞內鐵離子濃度與膀胱腫瘤的進展緊密相關。MARTIN-SANCHEZ等[17]分析1993年科學家研究細胞內鐵離子濃度與膀胱腫瘤的增殖關系，發現當轉鐵蛋白與鐵結合后，腫瘤細胞內的游離鐵離子濃度下降，有利于膀胱癌細胞增殖，當用金屬鎵(Ga)作用于轉鐵蛋白干擾了鐵與轉鐵蛋白的結合，細胞內游離鐵增加，從而抑制了膀胱腫瘤細胞的增殖。MAZDAK等[18]研究微量元素在膀胱腫瘤中的作用，發現膀胱腫瘤患者血清鐵水平明顯低于對照組，提示血清鐵水平降低可能是膀胱腫瘤發生的重要原因。TANG等[19]提出了鐵蛋白吞噬現象，通過鐵蛋白釋放細胞內游離鐵，細胞內游離鐵的含量增加，可能起著抑制膀胱腫瘤的作用，結果提示激活鐵死亡可以在膀胱腫瘤的治療上取得理想的治療效果。這些研究表明增加細胞內鐵離子濃度可能有助于抑制膀胱腫瘤的進展。

3.2 順鉑與膀胱癌順鉑是一種DNA損傷劑，是晚期膀胱癌的標準化療方法。然而，由于耐藥性的發展，以順鉑為基礎的治療效果有限。順鉑耐藥的原因是DNA損傷修復途徑活性增強，如核苷酸切除修復、錯配修復和范可尼貧血[20]。膀胱癌中最常見的是膀胱尿路上皮癌(BUC)，BUC中高表達MAFG-AS1，其通過鐵死亡途徑可以調控BUC細胞對順鉑的敏感性。此外，MAFG-AS1的表達受轉錄因子MAFG的調節，而MAFG-AS1通過招募EP300乙酰化酶促進MAFG基因組位點上的H3K27ac來促進MAFG的表達，從而形成MAFG-AS1/MAFG正反饋環。但進一步研究發現了MAFG-AS1在BUC中具有致癌作用，MAFG-AS1和MAFG通過上調PCBP2在BUC細胞中表達，并與之結合抑制BUC細胞的鐵死亡。PCBP2是一種多聚結合蛋白，也叫鐵伴侶，其作用是與FPN1(細胞膜轉鐵蛋白1)結合，將鐵離子泵出細胞外，維持胞內的鐵平衡，而順鉑和Erastin聯合治療可顯著降低PCBP2蛋白表達。在該研究的病例中，MAFG-AS1和MAFG水平高的患者組比低表達MAFG-AS1和MAFG組的預后更差。因此MAFG-AS1、MAFG以及這兩者之間的結合可以作為BUC患者獨立的預后指標和化療敏感性預測標志物。抑制MAFG-AS1和MAFG可以促進鐵死亡而增加BUC細胞對順鉑的敏感性，這表明了MAFG-AS1/MAFG正反饋環或許可以成為新的化療敏感性生物學標志物和BUC的治療靶標[21-23]。

3.3 鐵死亡相關基因與膀胱癌SLC7A11是胱氨酸-谷氨酸反轉運蛋白的關鍵組成成分。SHARMA等[24]報道，SLC7A11在癌細胞中廣泛表達。研究表明SLC7A11在多種癌癥細胞中高表達[25-32]，包括肺癌、肝癌、胰腺癌、大腸癌、卵巢癌和乳腺癌等，且SLC7A11高表達患者預后比低表達患者差，這些結果提示SLC7A11能促進癌癥的進程[33]。既往研究表明，SLC7A11能通過攝取胱氨酸來促進GSH合成，抑制ROS積累，從而抑制鐵死亡[34]。p53基因可抑制SLC7A11的表達讓細胞出現鐵死亡的概率提高[35-36]。核因子紅細胞2相關因子2(NRF2)是抗氧化反應過程的重要轉錄因子，過表達的NRF2可上調SLC7A11表達，從而抑制鐵死亡[37]。BRCA1相關蛋白1(BAP1)可抑制癌癥的進展，SLC7A11是BAP1的關鍵靶基因，BAP1通過減少SLC7A11啟動子上的組蛋白2A泛素化而抑制SLC7A11的表達，使細胞更易發生鐵死亡，從而抑制癌癥的進展[33]。OTUB1是卵巢腫瘤(OTU)家族成員去泛素化酶，也是通過調節Mdm2和Mdmx的活 性 而牽 涉p53途徑的調節劑[33，38]。OTUB1可 調 節SLC7A11的穩定性，在膀胱癌中也起到重要作用。OTUB1和SLC7A11結合會使其更加的穩定，OTUB1低表達則會抑制癌細胞中SLC7A11的活性，這可能與抑制鐵死亡有關[38-39]。有趣的是，CD44高表達可以增加SLC7A11與OTUB1之間的結合從而促進SLC7A11的穩定性[39]。這些結果說明通過各種途徑抑制SLC7A11可以促進鐵死亡，或有利于膀胱癌的治療與預后。近30年來，臨床醫生為患者提供相同且有限的治療方法，患者5年生存率基本沒有變化[40]。因此，提高這種危險疾病存活率的關鍵可能在于基因組學研究，危險因素預防和免疫治療。大多數鐵死亡相關基因在膀胱癌樣品中均表現出明顯的低表達。這些差異表達的基因或許可用作膀胱癌的診斷和預后的標志物。CRYAB基因是熱激蛋白家族的成員，可作為分子伴侶保護蛋白質免于聚集，并使細胞減少氧化應激的損害[41]。CRYAB基因在抑制膀胱癌的發展中也發揮作用[42]。此外，PTGS2基因在許多炎癥或癌細胞中是高表達的，該基因表達的前列腺素具有多種生物學功能，比如抑制細胞凋亡、促進細胞增殖等[43]。不過，PTGS2基因在膀胱癌細胞中卻是低表達的[44]。在TCGA數據集的腫瘤樣本中，鐵死亡相關基因中TP53的突變頻率最高。基于TCGA數據集中55個基因表達水平的兩個簇也發現p53分組存在顯著差異。據研究表明，p53在兩個方向上均有調節鐵死亡的作用，在低氧自由基的時候抑制鐵死亡，而在高氧化壓力下則會促進鐵死亡[45]。進一步研究發現p53可以抑制SLC7A11的表達，從而促進癌細胞發生鐵死亡[46]。YANG等[47]首次構建和外部驗證了一種新的結合9個鐵死亡相關差異基因的預后模型，包括ALB、BID、FADS 2、FANCD 2、INF-γ、MIOX、PLIN 4、SCD和SLC2A3。據報道，ALB(白蛋白)在膀胱癌細胞中高表達，ALB與轉鐵蛋白有協同作用，限制了鐵的轉運，從而促進了鐵死亡[48]。線粒體反式激活BID，將鐵死亡與線粒體損傷聯系起來，過表達的BID能抑制細胞的鐵死亡，使其預后更差[47，49]。FADS2在許多癌癥中異常表達，其表達與癌細胞生長、侵襲和鐵死亡密切相關，激活的FADS2參與Warburg效應抑制鐵死亡。FADS2上 調 與 膀 胱 癌 預 后 不 良 有 關[47，50]。SCD與FADS2一樣參與了Warburg效應。研究證實了SCD是一種催化卵巢癌細胞合成單不飽和脂肪酸的限速步驟的酶，SCD1既能誘導細胞鐵死亡，又能誘導細胞凋亡。SCD在卵巢癌組織中高表達，SCD的表達水平在膀胱癌中也很高[47，51-52]。FANCD2是一種介導DNA修復的蛋白質，可以抑制鐵死亡，與癌癥的發生和進展關系密切。高表達的FANCD 2與膀胱癌預后良好相關，這意味著FANCD 2在膀胱癌中與其他研究相一致[47，53-54]。CD8+T細胞釋放的INF-γ(γ干擾素)下調了SLC3A2和SLC7A11表達，抑制癌癥細胞對胱氨酸的攝取，從而促進鐵死亡。表達INFγ的膀胱癌患者與其預后呈負相關[47，55]。MIOX(肌醇加氧酶)的過表達能加速鐵死亡，因此MIOX可能通過促進膀胱癌細胞鐵死亡而發揮抗癌作用[47，56]。PLIN4(脂滴相關蛋白)是參與脂質代謝調控的脂滴相關蛋白家族之一，與相應的正常組織相比，PLIN 4在膀胱癌細胞中下調，高表達PLIN4的膀胱癌患者預后較好，PLIN4或許可以作為膀胱癌的預后的指標之一[47，57]。SLC2A3在許多癌癥中上調，編碼葡萄糖轉運蛋白的基因與預后不良有關[58]。9個鐵死亡相關基因與鐵死亡呈正相關或負相關，這些基因在膀胱癌中的特殊作用有待進一步研究[47]。LUAN等[59]的研究確定了28個不同表達的鐵死亡相關基因(DEFAGS)，并成功地構建了一個個性化的膀胱癌風險分數。其他更多鐵死亡與膀胱癌相關的基因需要進一步深入的研究與挖掘。

3.4 納米粒子與膀胱癌納米粒子在膀胱癌的治療方面效果顯著。JASIM等[60]最新研究報告了新型靶向腫瘤的共軛聚合物納米粒子(CPNPs)攜帶鐵的化學動力學治療(CDT)，其通過鐵死亡來殺傷癌細胞。CPNPs的大小約為62 nm，以癌細胞為靶點，并將三價鐵離子傳遞到癌細胞內，誘發基于鐵死亡的CDT，隨后癌細胞死亡。鐵死亡是一種活性氧機制，與CDT一樣，但它不依賴于光的外部激活，具體過程為攜帶鐵的CPNP通過內皮素3表面部分(EDN3-CPNP)靶向內皮素B受體(EDNRB)。結果表明，針對過表達EDNRB的癌細胞具有精準的靶向性，特別是針對膀胱癌細胞，在這些情況下，發現在較高劑量下有效殺死細胞的比例超過80%，相反，沒有被EDN3-CPNP靶向的癌細胞幾乎沒有反應[60]。這也為膀胱癌的治療提供了新的途徑。

4 結語

鐵死亡的出現具有重大意義，在膀胱癌精準靶向療法和耐藥方面提供了新的思路。研究者可以研發針對某種癌癥的鐵死亡誘導劑，成為治療癌癥新藥的新途徑。雖然目前對鐵死亡的研究不斷深入，但是鐵死亡相關的復雜的生化機制、惡性腫瘤的鐵死亡誘導劑的研發等相關問題仍是攻克治療癌癥難題的重要環節之一。因此，需要通過大量研究探索鐵死亡調控信號通路的分子機制，同時也對研發治療癌癥新藥具有重要意義。也許在不久的將來基于鐵死亡治療膀胱癌的藥物將會實現，希望本綜述對鐵死亡與膀胱癌的研究有所幫助。