摘要:調控細胞死亡過程的發現促進了癌癥治療的進展。在過去的十年中，鐵死亡，壹種由過度脂質過氧化作用驅動的鐵依賴形式的調節性細胞死亡，與各種類型腫瘤的發展和治療反應相關。實驗試劑(如erastin和RSL3)、已批準的藥物(如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀類和青蒿素)、電離輻射和細胞因子(如IFNγ和TGFβ1)可誘導鐵死亡，抑制腫瘤生長。但鐵誘導的死亡損傷可引發腫瘤微環境中炎癥相關的免疫抑制，從而促進腫瘤生長。鐵死亡對腫瘤生物學的影響尚不清楚，盡管壹些研究發現了癌癥相關基因突變(如RAS和TP53)、編碼應激反應途徑(如NFE2L2信號、自噬和缺氧)相關蛋白的基因突變、上皮-間質轉化和激活鐵死亡的治療反應之間的重要相關性。在這裏，我們介紹了鐵死亡的關鍵分子機制，描述了鐵死亡與腫瘤相關信號通路的相互作用，並討論了鐵死亡在全身治療、放療和免疫治療中的潛在應用。
大多數癌癥治療策略旨在選擇性地消除癌細胞，而不傷害非惡性細胞。調節性細胞死亡(RCD)過程中不同的致死子程序對腫瘤進展和治療反應有不同的影響。與細胞意外死亡相比，RCD由特定的信號轉導途徑控制，這些信號轉導途徑可以通過藥物或基因幹預來調節。最廣泛研究的RCD類型是雕亡、局竈性死亡、壞死和鐵死亡，每種類型都有其獨特的分子機制。死亡受體和線粒體途徑是雕亡激活的兩種最常見的機制，壹個稱為caspase的細胞內蛋白酶家族負責這些形式的RCD的有效期。焦炭死亡也是壹個胱天蛋白酶依賴的過程，其有效期需要胱天蛋白酶1或胱天蛋白酶11介導的gasdermin D裂解釋放其N端結構域，使其在質膜上寡聚形成孔。壞死的發生不是由胱天蛋白酶激活的，而是涉及其他效應分子，如假激酶MLKL，它被RIPK3介導的磷酸化激活。
鐵死亡壹詞是2012提出的，指的是不受限制的脂質過氧化和隨後的質膜破裂引起的鐵依賴性RCD。鐵死亡可由外部或內部手段誘導。外源途徑通過抑制細胞膜轉運蛋白如胱氨酸/谷氨酸轉運蛋白(也稱為系統xc)或通過激活鐵轉運蛋白5-羥色胺轉運蛋白和乳轉鐵蛋白來啟動。內在途徑通過阻斷細胞內抗氧化酶(如谷胱甘肽過氧化物酶GPX4)來激活。盡管這壹過程不涉及胱天蛋白酶、MLKL或gasdermin D的活性，鐵死亡的效應分子仍有待鑒定。值得註意的是，氧化損傷(oxidative damage)是壹種由谷氨酸介導的對神經細胞xc系統的抑制而引起的氧化損傷，具有類似於鐵死亡的分子機制。
在過去的30年中，細胞雕亡得到了廣泛的研究。然而，針對雕亡調節因子(如來自caspase或BCL-2家族的蛋白質)的治療藥物在腫瘤學中的臨床應用仍面臨挑戰。對雕亡的抵抗是癌癥的標誌，因此靶向非雕亡RCD過程可能提供抑制腫瘤生長的替代策略。三個早期臨床前觀察支持某些致癌信號與鐵死亡誘導之間的聯系:(1)鐵死亡激活劑eRAStin被鑒定，因為它能選擇性地在含有突變型而非野生型ras的癌細胞中觸發細胞死亡；(2)ras-RAF-MEK-ERK途徑的激活對於由erastin誘導的細胞死亡是必需的，並且(3)已知鐵對於癌細胞的增殖是重要的並且對於由erastin誘導的細胞死亡也是必需的。隨後的研究發現了通過鐵積累、脂質過氧化和膜損傷控制鐵死亡的復雜信號通路。
作為腫瘤學中潛在的新靶點，該網絡引起了極大的關註(表1)。特別是，對傳統療法有抗性或具有高轉移傾向的癌細胞可能特別容易發生鐵死亡，從而開辟了靶向治療研究的新領域。作為對以往綜述的補充，我們旨在深入了解鐵死亡在腫瘤發展中的機制和作用，並將其作為潛在的治療靶點。我們描述了腫瘤異質性和與鐵死亡敏感閾值相關的信號，並強調了臨床應用的潛在治療藥物。
鐵積累和脂質過氧化是鐵死亡過程中引起膜氧化損傷的兩個關鍵信號。鐵死亡的核心分子機制涉及調節氧化損傷和抗氧化防禦之間的平衡。
與非惡性細胞相比，癌細胞(尤其是癌癥幹細胞)的生長強烈依賴於微量元素鐵。流行病學證據表明，高膳食鐵攝入量增加了幾種癌癥類型的風險(如肝細胞癌(HCC)和乳腺癌)。這些特征表明鐵螯合藥物(如去鐵胺)或增加鐵介導的毒性的藥物(如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀類和青蒿素)可用於治療癌癥患者。
在動物模型中，各種水平的幹預(如增加鐵吸收、減少鐵儲存和限制鐵流出)引起的鐵積累增加，通過整合的信號通路促進鐵死亡。血清素轉運蛋白或乳轉鐵蛋白介導的鐵攝取通過轉鐵蛋白受體(TFRC)和/或另壹種未知受體促進鐵轉運，而SLC40A1介導的鐵輸出抑制鐵轉運。鐵蛋白(壹種鐵儲存蛋白)的自噬降解通過增加細胞間鐵水平來增強鐵死亡，而外來體介導的鐵蛋白輸出抑制鐵死亡。參與鐵-硫簇生物發生中鐵利用的幾種線粒體蛋白(包括NFS1、ISCU26、CISD1和CISD2)可能通過降低有效氧化還原活性鐵含量來負調節鐵死亡。過量的鐵通過至少兩種機制促進隨後的脂質過氧化:依賴於鐵的芬頓反應產生活性氧和含鐵酶的激活(例如脂肪氧合酶)。因此，鐵螯合劑和抗氧化劑可以預防鐵中毒。鐵螯合劑去鐵胺聯合常規動脈化療栓塞的安全性和有效性目前正在不可切除HCC患者中進行研究(NCT03652467)。
鐵死亡過程中，多不飽和脂肪酸(PUFAs)，特別是花生四烯酸和腎上腺素酸，容易發生過氧化反應，導致脂質雙分子層的破壞，影響膜功能。酶ACSL4和LPCAT3是細胞膜中多不飽和脂肪酸的生物合成和重塑所需要的。ACSL4催化遊離的花生四烯酸或腎上腺素酸與輔酶a結合，分別形成衍生物AA-CoA或AdA-CoA，然後LPCAT3促進它們酯化磷脂酰乙醇胺，形成AA-PE或AdA-PE。ACSL3將單不飽和脂肪酸(MUFAs)轉化為其酰基輔酶a酯，以結合膜磷脂，從而保護癌細胞免受鐵敏感性的影響。AMPK介導的beclin1磷酸化通過抑制還原型谷胱甘肽(GSH)的產生來促進鐵死亡，而AMPK介導的ACAC磷酸化被認為通過限制PUFA的產生來抑制鐵死亡。這些研究擴展了AMPK的已知功能，並揭示了AMPK作為能量傳感器的作用，它通過不同下遊底物的磷酸化來決定細胞的命運。過氧化物酶體介導的縮醛磷脂生物合成為缺鐵時脂質過氧化提供了另壹種PUFA來源。最後，不同的脂氧合酶在介導脂質過氧化產生氫過氧化物AA-PE-OOH或AdA-PE-OOH中是環境依賴性的，它們促進鐵死亡。例如，脂氧合酶ALOX5、ALOXE3、ALOX15和ALOX15B負責來源於各種腫瘤類型的人細胞系(BJeLR、HT-1080或PANC1細胞)中的鐵死亡，而ALOX15和ALOX65438+。
幾種膜電子轉移蛋白，特別是POR和NADPH氧化酶(NOXs)，有助於鐵死亡的脂質過氧化中活性氧(ROS)的產生。在其他情況下，哺乳動物線粒體電子傳遞鏈和三羧酸循環，加上谷氨酰胺分解和脂質合成的信號，參與了鐵死亡的誘導，盡管線粒體在鐵死亡中的作用仍有爭議。當新的治療方法可用時，進壹步評估脂質過氧化調節物在不同類型腫瘤中的表達譜以指導患者的選擇是非常重要的。
抗氧化酶GPX4可以直接將磷脂氫過氧化物還原為羥基磷脂，從而充當癌細胞中鐵死亡的中樞阻遏物。GPX4表達和生存結果的關系依賴於腫瘤類型。例如，GPX4的高表達水平與乳腺癌患者的預後呈負相關，但與胰腺癌患者的良好生存結局呈正相關。GPX4在鐵死亡中的表達和活性依賴於谷胱甘肽和硒的存在。谷胱甘肽由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸合成。半胱氨酸的可用性是這壹過程中的主要限制因素。在哺乳動物細胞中，xc系統在將胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)引入細胞以用於隨後的GCL介導的谷胱甘肽生產中起主要作用。系統xc由SLC7A11和SLC3A2兩個子單元組成。SLC7A11的表達和活性進壹步受到NFE2L2的正調控和腫瘤抑制基因如TP53、BAP1、BECN1的負調控。這種雙重調節構成了控制鐵死亡中谷胱甘肽水平的微調機制。谷胱甘肽的其他來源可能包括反式硫化途徑，該途徑受氨酰基-tRNA合成酶家族負調控，如CARS1，CARS1的壹些多態性與胃癌風險增加有關。GPX4以谷胱甘肽為底物，將膜脂氫過氧化物還原為無毒的脂肪醇。GPX4中半胱氨酸殘基取代硒代半胱氨酸(U46C)增加了其抗鐵死亡能力。對系統xc(用erastin、柳氮磺胺吡啶或索拉非尼)或GPX4(用RSL3、ML162、ML210、FIN56或FINO2)的藥理學抑制誘導鐵死亡。同樣，SLC7A11或GPX4的基因缺失會導致脂質過氧化，導致某些細胞或組織的鐵死亡。GPX4缺失還介導小鼠的其他RCD過程(如雕亡、壞死和焦死)，表明脂質過氧化處於這些途徑的十字路口，盡管下遊效應物可能不同。
壹些非GPX4途徑，包括AIFM 2–CoQ 10，GCH 1–BH4和ESCRT- III膜修復系統，也在防止鐵死亡過程中的氧化損傷中發揮作用。這些修復途徑之間可能存在協同或互補效應。事實上，AIFM2調節還原性CoQ10的產生，但它也可以通過激活ESCRT-III膜修復系統來阻止癌細胞的鐵死亡。
RAS家族(HRAS、NRAS和KRAS)的癌基因是所有人類癌癥中最常見的突變。在索托菲尼發現之前，這些蛋白質被認為是“不可消化的”。索托菲尼是KRAS-G12C突變蛋白的直接抑制劑，其在非小細胞肺癌患者中具有良好的活性，盡管對該化合物的獲得性耐藥很常見。Ada Griesi是KRAS-G12C的另壹種選擇性抑制劑，在KRAS-G12C陽性非小細胞肺癌和其他實體瘤患者中也顯示出令人鼓舞的臨床活性。ras信號傳導的其他間接策略依賴於篩選RAS依賴性生長抑制劑或特定細胞死亡誘導劑時識別的小分子。鐵死亡誘導劑eRAStin和RSL3對工程ras突變腫瘤細胞顯示選擇性致死作用。對RAS或其下遊信號分子(BRAF、MEK和ERK)的遺傳或藥理學抑制逆轉了erastin和RSL3的抗癌活性，可能是因為突變的RAS信號通過調節鐵代謝相關基因(如TFRC、FTH1和FTL19)的表達豐富了細胞鐵庫。KRAS突變肺腺癌細胞對SLC7A11抑制劑誘導的鐵敏感；此外，EGFR上遊突變的非小細胞肺癌衍生細胞對鐵死亡敏感。這些臨床前的發現支持了這樣的觀點，即誘導鐵死亡可能是對抗致癌的RAS攜帶的腫瘤的適當策略。
在臨床前研究中，癌基因RAS突變體(NRASV12，KRASV12和HRASV12)的異位表達降低了RMS13橫紋肌肉瘤衍生細胞對鐵死亡的易感性，表明這些突變在某些情況下可能抑制鐵死亡。此外，對117癌細胞系對erastin的反應的分析揭示了RAS依賴性和RAS非依賴性鐵死亡的機制，並且這些破譯使壹些癌癥容易發生鐵死亡的特定遺傳特征的嘗試正在進行中。
在大約50%的人類癌癥中，TP53是雙等位基因突變或缺失，這導致野生型P53活性的喪失和腫瘤進展。所有人類癌癥中最常見的六種TP53突變包括R175H(5.6%)、R248Q (4.37%)、R273H (3.95%)、R248W (3.53%)、R273C (3.31%)和r282w (2.73%)。眾所周知，p53是壹種轉錄因子，它與目的基因的啟動子結合，然後激活或抑制基因合成。例如，p53主動調節BBC3(也稱為PUMA)和BAX的表達以誘導雕亡。相比之下，SLC7A11的p53介導的轉錄抑制促進癌細胞的鐵死亡。TP53的改變(突變或多態性)改變了P53促進細胞雕亡和鐵死亡的能力。p53 3KR (K117R，K161R，K162R)乙酰化缺陷突變體不能誘導細胞雕亡，但完全保留了誘導肺癌細胞系鐵死亡的能力。另壹種乙酰化缺陷突變體p53 4KR(K98R和3KR)和p53 P47S(p53 n端反式激活域的壹種多態性)不能誘導鐵死亡。有趣的是，p53 R273H和R175H雖然不能與DNA結合，但仍然可以通過抑制其他轉錄因子的活性來抑制SLC7A11的表達，從而說明整合的轉錄因子網絡控制著鐵死亡主要調控因子的表達。
壹些代謝相關基因，如SAT1、FDXR和GLS2，已被報道為在各種條件下負責p53介導的鐵死亡的直接靶標，因此強調了p53作為參與鐵死亡代謝的基因的調節劑的重要性。P53還能夠通過直接結合二肽基肽酶DPP4來抑制人結腸直腸癌細胞中由氮氧化物介導的脂質過氧化，或者通過誘導纖維肉瘤細胞中CDKN1A的表達來限制鐵死亡。DPP4抑制劑(如維格列汀、阿格列汀和利那列汀)用於降低二型糖尿病患者的血糖水平，並可能限制鐵死亡激活劑的抗癌活性。迄今為止發表的數據不僅表明脂質過氧化是鐵死亡的關鍵因素，而且單個p53靶基因或結合蛋白在鐵死亡中的總體重要性可能是細胞類型特異性的。此外，MDM2和MDMX這兩種結合p53並調節其穩定性的蛋白質以獨立於p53的方式促進癌細胞中的鐵死亡，從而強調鐵死亡中p53的穩定性可能不依賴於MDM家族的蛋白質。Eprenetapopt和COTI-2都旨在重新激活突變型p53，目前正用於急性髓系白血病(AMLNCT03931291)和各種實體惡性腫瘤(NCT04383938和NCT 02433626)。這些藥物的臨床活性可能與鐵死亡有關。
NFE2L2是氧化應激信號的主要調節者，在腫瘤進展中起著雙重作用:NFE2L2活性不足可導致腫瘤早期發生，而NFE2L2活性高可引發腫瘤進展和對治療的抵抗。NFE2L2在癌細胞中的表達不僅受KEAP1介導的蛋白降解調控，還受癌基因信號通路(如KRAS-BRAF-MYC)的轉錄調控。臨床前研究表明，NFE2L2信號是對抗鐵死亡的重要防禦機制，它與HCC細胞對索拉非尼的耐藥性有關。Sequestome 1是壹種多功能支架蛋白，它可以結合KEAP1，並阻止其在癌細胞鐵死亡過程中與新合成的NFE2L2結合。
NFE2L2激活鐵代謝(包括SLC40A1、MT1G、HMOX1和FTH1)、谷胱甘肽代謝(包括SLC7A11、GCLM和CHAC1)和ROS解毒酶(包括。AKR1C1、AKR1C2和AKR1C3、SESN2、GSTP1和NQO1)抑制鐵死亡中的氧化損傷。NFE2L2中的功能獲得突變或KEAP1中的功能喪失突變進壹步增加了氧化應激的復雜性，進而可能影響對鐵死亡的抵抗。NFE2L2對鐵死亡抗性的貢獻以及NFE2L2抑制劑(如布魯塞爾醇和葫蘆巴堿)增強鐵死亡的治療潛力需要在臨床前和臨床研究中進壹步探索。
缺氧促進腫瘤形成和治療抗性。缺氧誘導因子是缺氧的主要調節因子，由壹個氧不穩定α亞單位(包括缺氧誘導因子1α、EPAS 1α(也稱為缺氧誘導因子2α)和缺氧誘導因子3α)和壹個組成型表達的β亞單位(ARNT)組成。在正常氧條件下，EGLN家族成員羥基化缺氧誘導因子1α和epas1α，然後被E3泛素連接酶VHL識別進行蛋白酶體降解。在低氧條件下，羥化酶的失活導致HIF1α和EPAS1的積累，並與ARNT形成異二聚體，從而誘導參與低氧適應和存活的基因的轉錄。HIF1α和EPAS1在許多癌癥類型中的表達增加，這通常與患者的不良預後有關。
在臨床試驗中，已經探索了使用小分子如2-甲氧基雌二醇(NCT00030095)、BAY 87-2243 (NCT01297530)、PX-478 (NCT 0052652)和PT2385來抑制缺氧誘導因子信號的策略。在這些藥物中，PT2385可以略微提高轉移性透明細胞腎細胞癌患者的生存率，而長期使用PT2385會導致耐藥。在臨床前研究中，缺氧誘導因子似乎在調節癌細胞鐵死亡中具有雙重作用。EGLN用於催化缺氧誘導因子的羥基化，缺氧誘導因子不僅是氧的鐵依賴型傳感器，也是半胱氨酸的鐵依賴型傳感器。鐵螯合劑可能通過抑制EGLN的活性來提高缺氧誘導因子的穩定性。在HT-1080纖維肉瘤細胞中，缺氧誘導的HIF1α表達通過增加脂肪酸結合蛋白3和7的表達抑制鐵死亡，從而促進脂肪酸攝取，增加脂質儲存能力，避免後續的脂質過氧化。相反，在來源於腎細胞癌的細胞中，EPAS1的激活通過上調HILPDA的表達促進鐵死亡，從而增加PUFA的產生和隨後的脂質過氧化。相反，在來源於腎細胞癌的細胞中，活化的EPAS1通過上調HILPDA的表達促進鐵死亡，從而增加PUFA的產生和隨後的脂質過氧化。因此，必須有效控制缺氧誘導因子介導的信號，以維持脂質穩態，調節鐵死亡反應。如果以腫瘤細胞中鐵死亡調節蛋白基因的表達作為納入/排除標準，缺氧誘導因子抑制劑在臨床試驗中的使用可能會有所提高。
上皮-間質轉化(EMT)是上皮細胞失去與上皮表型相關的極性和細胞間粘附，逐漸獲得與間質表型相關的遷移和侵襲的過程。在臨床實踐中，EMT被認為產生腫瘤幹細胞，導致轉移擴散和耐藥。轉錄因子如SNAI1、TWIST1和ZB1刺激EMT介導的腫瘤轉移和耐藥性，是腫瘤學中潛在的治療靶點。除了限制大多數抗癌治療的有效性，EMT信號還可以促進鐵死亡(圖3)。人類癌細胞系和器官樣細胞中的高間充質樣細胞狀態與鐵死亡的易感性相關。ZB1的高基線轉錄水平與細胞對鐵死亡的敏感性有關，這部分是由於ZB1誘導肝臟脂質代謝的主要調節劑PPARγ的上調。LYRIC是EMT的正調節劑，通過抑制GPX4和SLC3A2的表達促進鐵死亡。CD44依賴性鐵內吞的增加促進了鐵依賴性脫甲基酶的活性，從而促進了EMT信號轉導相關基因的表達，從而使乳腺癌細胞對鐵死亡敏感。這些臨床前研究的數據表明，EMT可能對鐵死亡治療敏感。
EMT的第壹步包括上皮細胞之間接觸的中斷。據報道，鈣粘蛋白1介導的細胞間接觸可防止鐵死亡。相反，SNAI1、TWIST1或ZB1的表達增加可以恢復鐵死亡敏感性。其他細胞粘附促進劑，如整合素亞單位α6和β4，也可以保護乳腺癌衍生細胞免受體外鐵死亡。相比之下，參與HIPPO通路的轉錄因子(如YAP1和WWTR1(也稱為TAZ，通常在發育過程中控制細胞數量和器官大小)的激活通過調節鐵死亡調節因子(如ACSL4、TFRC、EMP1和ANGGPTL4)的表達促進癌細胞的鐵死亡。總的來說，這些發現強調了使用鐵死亡誘導藥物特異性消除具有間充質表型的癌細胞的理論可能性。
待續............