铁死亡在肿瘤中的作妖历程，这篇65分重磅综述都道尽了！

2023-01-18 09:01

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为什么Nature有这么多65分综述期刊

细胞死亡是大多数医学科研人员都会关注的方向，对于研究肿瘤的同学来说更是如此。关于细胞凋亡、坏死，已经产生了大量的研究论文，而近年来新发现的细胞死亡类型——铁死亡，已成为很多科研人员瞄准的新方向。

中标这一方向的国自然基金项目和金额正在逐年攀升，相关研究论文也是屡屡登顶CNS正刊！居然还与免疫治疗这一当红辣子鸡“眉目传情”，前途可观！

2021年1月29日铁死亡研究领域的大佬——广州医科大学的唐道林教授和巴黎大学Guido Kroemer教授在《Nature Reviews Clinical Oncology》（IF=65.011）杂志发表了题为《Broadening horizons: the role of ferroptosis in cancer》的综述文章。系统性、全方位的为大家介绍了铁死亡在肿瘤中的角色和作用。

本工读后，正如文章标题所言，broadening horizons，大开眼界！在此跟大家分享一下全文的翻译，供大家参考，相信这篇综述也会对大家有所启发！

综述正文的主要内容包括一下几个部分：

摘要

调节性细胞死亡过程的发现使得人类在癌症治疗领域取得了巨大的进步。在过去的十年中，科学家们发现铁死亡（ferroptosis）是一种铁依赖性的调节性细胞死亡形式，由过度的脂质过氧化所引起，它与各种类型肿瘤的发生和治疗反应有关。实验试剂（如erastin和RSL3）、已被批准的药物（如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀类和青蒿素）、电离辐射和细胞因子（如IFNγ和TGFβ1）可诱导铁死亡和抑制肿瘤生长。

然而，铁死亡性（ferroptotic）损伤可在肿瘤微环境中触发炎症相关的免疫抑制，从而有利于肿瘤的生长。铁死亡对肿瘤生物学的影响程度尚不清楚，尽管一些研究已经发现癌症相关基因（例如RAS和TP53）的突变、与应激反应通路（stress response pathways）（如NFE2L2信号、自噬和缺氧）有关的蛋白的基因突变与上皮间质转化以及可激活铁死亡的治疗反应之间存在重要的相关性。

在此，我们介绍了铁死亡的关键分子机制，描述了铁死亡与肿瘤相关信号通路之间的串扰，并讨论了铁死亡在全身（systemic）治疗、放射治疗和免疫治疗中的潜在应用。

要点

1. 铁死亡是一种调节性细胞死亡，主要依赖于铁介导的氧化损伤和随后的细胞膜损伤。

2. 铁死亡可以通过两条主要途径启动：外源性或转运蛋白依赖途径，以及内源性或酶调节途径。

3. 铁积累的增加、自由基的产生、脂肪酸供应和脂质过氧化是诱导铁死亡的关键。

4. 多种氧化和抗氧化系统，与自噬和膜修复机制一起作用，塑造了铁死亡时脂质过氧化的过程。

5.在肿瘤发生过程中，铁死亡具有促进和抑制肿瘤的双重作用，这依赖于肿瘤微环境中损伤相关分子模式（damage- associated molecular patterns (DAMPs)）的释放和铁死亡性损伤引发的免疫反应激活。

6. 铁死亡会影响化疗、放疗和免疫治疗的疗效，因此联合使用针对铁死亡信号的药物可以改善这些治疗的效果。

介绍

大多数癌症治疗策略都是为了在不损害非恶性细胞的情况下选择性地消除癌细胞。调控性细胞死亡（RCD）过程中不同的致死子程序会不同地影响肿瘤的进展和治疗反应。与细胞意外死亡相比，RCD是由特定信号转导途径所控制的，这些信号转导途径可以通过药物或遗传干预来调节。

目前研究最广泛的RCD类型有凋亡、焦亡、坏死和铁死亡，每种类型都有其独特的分子机制。死亡受体和线粒体途径是两种最常见的细胞凋亡激活机制，而一类称为caspases的细胞内蛋白酶负责这些形式的RCD的效应阶段。焦亡也是一个caspase依赖性的过程，其效应阶段需要caspase 1或caspase 11介导的Gasdermin D的裂解来释放其N-末端结构域，从而在质膜上寡聚并形成孔洞。坏死发生时没有半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的激活，而是涉及到其他效应分子，如假激酶（pseudokinase）MLKL，它是受RIPK3介导的磷酸化而激活。

铁死亡（ferroptosis）一词诞生于2012年，指的是一种铁依赖的RCD，由不受限制的脂质过氧化和随后的质膜破裂引起。铁死亡可通过外源性或内源性途径诱发。

外源性途径是通过抑制细胞膜转运蛋白，如胱氨酸/谷氨酸转运蛋白（又称system xc−）或激活铁转运蛋白、转铁蛋白和乳转铁蛋白（lactotransferrin）而启动的。

内源性途径是通过阻断细胞内抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶GPX4）激活的（图1）。尽管这一过程不涉及caspases、MLKL或Gasdermin D的活性，但铁死亡的效应分子尚不清楚。

值得一提的是，氧化性死亡（oxytosis）是一种由谷氨酸介导的抑制神经细胞system xc−引起的氧化性RCD，其分子机制与铁死亡相似。

细胞凋亡（Apoptosis）在过去的30年里得到了广泛的研究，但针对凋亡调节因子（如caspase或BCL-2家族的蛋白）的治疗药物在肿瘤学的临床应用中仍然面临挑战。对凋亡的抵抗是癌症的一个标志，因此，针对非凋亡的RCD过程可能为抑制肿瘤生长提供另一种治疗策略。

早期的三项临床前观察表明了某些致癌信号与铁死亡诱导之间的联系：

（1）铁死亡激活剂erastin被发现是因为它能够选择性地触发含有突变型（而不是野生型）RAS的癌细胞发生细胞死亡；

（2）Ras-RAF-MEK-ERK通路的激活是Erastin诱导的细胞死亡所必需的；

（3）铁对于癌细胞的增殖是重要的，在erastin诱导的细胞死亡中也是必需的。

随后的研究确定了一条复杂的信号通路，通过铁积累、脂质过氧化和膜损伤来控制铁死亡（图1）。这个网络作为肿瘤学中潜在的新靶点已经引起了极大的关注（表1）。特别是，对传统治疗方法有抵抗力或有很高转移倾向的癌细胞可能特别容易发生铁死亡，从而开辟了靶向治疗研究的新领域。

作为对以前综述的补充，我们的目标是提供关于铁死亡在肿瘤发展中的机制和功能及其作为潜在治疗靶点的洞察和总结。我们描述了肿瘤的异质性和与铁死亡性阈值相关的信号，并强调了一些具有临床转化价值的潜在治疗药物（作者放在了补充材料的表1和2）。

铁死亡中的氧化损伤

铁的积累和脂质过氧化是铁死亡过程中启动膜氧化损伤的两个关键信号。铁死亡的核心分子机制包括调节氧化损伤和抗氧化防御之间的平衡。

Iron toxicity

与非恶性细胞相比，癌细胞（特别是肿瘤干细胞）的生长强烈依赖于微量元素铁（拉丁语称为ferrum）。流行病学证据表明，膳食铁摄入量过高会增加几种癌症类型（如肝细胞癌和乳腺癌）的风险。这些特征表明，铁螯合药物（如deferoxamine，去铁胺）或可增加铁介导的毒性的药物（如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀类和青蒿素等会引起铁死亡的药物）可用于治疗癌症患者。

在动物模型中，由于多种水平的干预措施（如增加铁吸收、减少铁储存和限制铁外流）导致的铁积累增加，会通过一条整合的信号通路促进铁死亡（图2）。血清转铁蛋白或乳转铁蛋白介导的铁摄取通过转铁蛋白受体（TFRC）和/或其他未知受体促进铁死亡，而SLC40A1介导的铁输出则抑制铁死亡。铁蛋白（一种铁储存蛋白）的自噬降解可通过增加细胞间铁水平来增强铁死亡（方框1），而外泌体介导的铁蛋白输出则抑制铁死亡。

几种线粒体蛋白（包括NFS1、ISCU、CISD1和CISD2）参与了利用铁进行铁-硫基团生物生成反应（iron- sulfur cluster biogenesis）来负性调节铁死亡，这可能是通过减少有效的氧化还原活性铁含量来实现的。过量的铁至少可通过两种机制促进随后的脂质过氧化：通过铁依赖的Fenton反应产生活性氧（ROS）和激活含铁的酶（如脂氧合酶）。

因此，铁螯合剂和抗氧化剂（在补充材料表2里）可以预防铁死亡。用铁螯合剂——去铁胺联合常规肝动脉化疗栓塞以治疗不能切除的肝癌患者的安全性和有效性目前正在研究中（NCT03652467）。

Lipid peroxidation

在铁死亡过程中，多不饱和脂肪酸（PUFAs），特别是花生四烯酸和肾上腺素最容易发生过氧化，导致脂质双层被破坏，影响膜功能。细胞膜中多不饱和脂肪酸的生物合成和改造需要ACSL4和LPCAT3酶。ACSL4催化游离花生四烯酸或肾上腺素酸分别与辅酶A结合形成衍生物AA-CoA或Ada-CoA，然后LPCAT3促进它们的酯化反应生成膜磷脂酰乙醇胺，产生AA-PE或Ada-PE。

ACSL3将单不饱和脂肪酸（MUFAs）转化为酰基辅酶A酯，结合到膜磷脂中，从而保护癌细胞免受铁死亡的侵袭。AMPK介导的beclin 1磷酸化通过抑制还原型谷胱甘肽（GSH）的产生来促进铁死亡，而AMPK介导的ACAC磷酸化则通过限制多不饱和脂肪酸（PUFA）的产生来抑制铁死亡。

这些研究扩展了AMPK的已知功能，并揭示了该激酶作为一个能量传感器的作用，它通过调控不同下游底物的磷酸化来决定细胞的命运。过氧化物酶体介导的生物合成为铁死亡时脂质过氧化提供了另一种多不饱和脂肪酸来源。最后，不同的脂氧合酶（lipoxygenases）在介导脂质过氧化过程中具有背景依赖性（context- dependent）作用，从而产生促进铁死亡的过氧化氢AA-PE-OOH或Ada-PE-OOH。

例如，脂氧合酶ALOX5、ALOXE3、ALOX15和ALOX15B对发生在不同类型肿瘤（BJeLR、HT-1080或PANC1细胞）来源的人类细胞系中的铁死亡起重要作用，其中ALOX15和ALOX12介导H1299细胞（非小细胞肺癌细胞系）中p53诱导的铁死亡。

几种膜电子传递蛋白，特别是POR和NADPH氧化酶（NOxs）参与了铁死亡的脂质过氧化过程中ROS的产生。在其他情况下，哺乳动物的线粒体电子传输链和三羧酸循环，再加上谷氨酰胺分解和脂质合成信号，都参与了铁死亡的诱导，尽管线粒体在铁死亡中的作用目前仍有争议。

当新的治疗方法可用时，进一步评估脂质过氧化调节基因在不同类型肿瘤中的表达谱对于指导患者的筛选至关重要（有兴趣的可以看看补充材料的表1和2）。

Antioxidant defence

抗氧化酶GPX4可以直接将过氧化氢磷脂还原为羟基磷脂，从而作为癌细胞铁死亡的中枢抑制因子。GPX4的表达与生存结局之间的关系与肿瘤类型有关。例如，在乳腺癌患者中，GPX4的高表达水平与预后呈负相关，而在胰腺癌患者中，GPX4的高表达预示着良好的生存结局。

GPX4在铁死亡中的表达和活性依赖于谷胱甘肽和硒的存在。谷胱甘肽是由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸三种氨基酸合成的，半胱氨酸的利用率是这一过程的主要限制因素。在哺乳动物细胞中，system xc−的一个重要功能是将半胱氨酸（半胱氨酸的氧化形式）导入细胞，随后由GCL介导谷胱甘肽产生。

system xc−由SLC7A11和SLC3A2两个亚基组成。SLC7A11的表达和活性进一步受到NFE2L2的正向调节，而受到抑癌基因TP53、BAP1和BECN1的负调节。这种双重调节构成了一种微调机制来控制铁死亡过程中谷胱甘肽的水平。谷胱甘肽的其他来源可能包括反式硫化途径，该途径受氨酰基（aminoacyl）-tRNA合成酶家族的负调控，如CARS1。

CARS1的几个多态性SNP (rs384490、rs729662、rs2071101和rs7394702)与胃癌风险增加相关。GPX4以谷胱甘肽为底物，将膜脂过氧化氢还原为无毒的脂醇。用半胱氨酸残基取代GPX4中的硒代半胱氨酸后（U46C）提高了其抗铁死亡的活性。用药物抑制system xc−（用erastin、柳氮磺胺吡啶或索拉非尼）或GPX4（用RSL3、ML162、ML210、FIN56或FINO2）可引起铁死亡。

类似地，SLC7A11或GPX4的基因缺失会导致脂质过氧化，并导致某些细胞或组织发生铁死亡。GPX4的缺失还介导了小鼠的其他非铁死亡性RCD过程（如凋亡、坏死性和焦亡），这表明脂质过氧化位于几条通路的十字路口，尽管下游的效应可能会有所不同。

几个非GPX4通路，包括AIFM2-CoQ10，GCH1-BH4和ESCRT-III膜修复系统，在铁死亡过程期间的抗氧化损伤中起具有背景依赖性（context-dependent）作用。这些修复通路之间可能存在协同或互补效应。事实上，AIFM2调节还原型辅酶Q10的产生，但也可以通过激活ESCRT-III膜修复系统来预防癌细胞中的铁死亡。

铁死亡的癌症相关通路

RAS

RAS家族的癌基因（HRAS、NRAS和KRAS）是所有人类癌症中最常见的突变。在发现Sotorasib之前，这些蛋白质一直被认为是“不可被用药的”（undruggable）。Sotorasib是一种KRAS-G12C突变蛋白的直接抑制剂，在非小细胞肺癌患者中具有良好的活性，尽管对这种化合物的获得性耐药也很常见。

另一种KRAS-G12C选择性抑制剂——Adagrasib在KRAS-G12C阳性的非小细胞肺癌和其他实体肿瘤患者中也表现出令人鼓舞的治疗活性。其他针对RAS信号的间接策略依赖于在寻找RAS依赖的生长抑制剂或特定的细胞死亡诱导剂过程中发现的小分子。

铁死亡诱导剂erastin和RSL3已表现出对工程性（engineered）RAS突变的肿瘤细胞具有选择性致死活性。对RAS或其下游信号分子（BRAF、MEK和ERK）的遗传或药物抑制逆转了erastin和RSL3的抗癌活性，可能是因为突变的RAS信号通过调节铁代谢相关基因（如TFRC、FTH1和FTL19）的表达而丰富了细胞的铁存储（iron pool）。

KRAS突变的肺腺癌细胞对SLC7A11抑制剂诱导的铁死亡表现出敏感性；此外，发生EGFR上游突变的非小细胞肺癌来源的细胞也对铁死亡敏感。这些临床前的研究结果表明了这样一种观点，即诱导铁死亡可能是一种治疗癌性RAS肿瘤的合适策略。

在临床前研究中，RAS癌基因突变体（NRAS-V12、KRAS-V12和HRAS-V12）的异位表达降低了RMS13横纹肌肉瘤来源的细胞对铁死亡的敏感性，表明这些突变可能在特定的环境中抑制铁死亡。

此外，针对117个癌细胞株对erastin的反应的分析揭示了铁死亡的RAS依赖和RAS非依赖性机制。目前正在尝试破译导致某些癌症易发生铁死亡的特定基因特征。

TP53

TP53在大约50%的人类癌症中存在双等位突变或缺失，导致野生型p53活性丧失，肿瘤进展不受抑制。人类肿瘤中最常见的6种TP53突变包括R175H（5.6%）、R248Q（4.37%）、R273H（3.95%）、R248W（3.53%）、R273C（3.31%）和R282W（2.83%）。

p53最为人所知的是一种转录因子，它与靶基因的启动子结合，然后激活或抑制mRNA的合成。例如，p53通过主动调节BBC3（也称为PUMA）和BAX的表达来诱导细胞凋亡。相比之下，p53介导的SLC7A11转录抑制从而促进癌细胞的铁死亡。

TP53的变异（突变或多态性）可调节p53促进细胞凋亡和铁死亡的能力。P53 3KR（K117R，K161R，K162R）乙酰化缺陷突变体不能诱导肺癌细胞凋亡，但完全保留了诱导肺癌细胞发生铁死亡的能力。另一个乙酰化缺陷突变体P53 4KR（K98R和3KR）和P53 P47S（位于P53的N端反式激活区域的多态性）则不能诱发铁死亡。

有趣的是，p53 R273H和R175H不能与DNA结合，但仍然可以通过抑制其他转录因子的活性来抑制SLC7A11的表达，从而表明一个作为整体的转录因子网络控制着核心铁死亡调节因子的表达。

一些代谢相关基因，如SAT1、FDXR和GLS2，已被报道可在不同条件下作为p53介导的铁死亡的直接靶点，从而强调了p53作为代谢相关基因的调节因子在铁死亡中的重要性。

p53还可以通过直接与DPP4结合来抑制NOX介导的大肠癌细胞中的脂质过氧化反应，或者通过诱导纤维肉瘤细胞中CDKN1A的表达来限制铁死亡。DPP4抑制剂（如vildagliptin、alogliptin和linagliptin）常用于降低2型糖尿病患者的血糖水平，也可能会限制铁死亡激活剂的抗癌活性。

到目前为止，已公布的数据不仅表明脂质过氧化是铁死亡的关键因素，而且单一的p53靶基因或结合蛋白在铁死亡过程中的整体重要性可能是具有细胞类型特异性的。此外，MDM2和MDMX这两种结合p53并调节其稳定性的蛋白质，可以一种p53非依赖的方式促进癌细胞的铁死亡，从而表明在铁死亡过程中p53的稳定性可能不依赖于MDM家族的蛋白。

Eprenetapopt和COTI-2是两种可重新激活突变形式的p53的小分子，目前正在急性髓系白血病（AML；NCT03931291）和各种实体恶性肿瘤（NCT04383938和NCT02433626）患者的临床试验中进行测试；而这些药物的治疗活性可能涉及铁死亡。

NFE2L2

NFE2L2是氧化应激信号的主要调节者，在肿瘤进展中具有双重作用：缺乏NFE2L2活性可以促进早期的肿瘤发生，而高基础性的（high constitutive）NFE2L2活性可以引发肿瘤进展和对治疗的抵抗。

NFE2L2在癌细胞中的表达不仅受KEAP1介导的蛋白降解调控，还受KRAS-BRAF-MYC等癌基因信号通路的转录调控。临床前研究表明，NFE2L2信号通路是抵抗铁死亡的重要防御机制，并与肝癌细胞对索拉非尼的耐药性有关。Sequestosome 1是一种多功能支架蛋白，它可结合KEAP1，并阻止其在癌细胞铁死亡期间结合新合成的NFE2L2。

NFE2L2还可通过反式激活与铁代谢（包括SLC40A1、MT1G、HMOX1和FTH1）、GSH代谢（包括SLC7A11、GCLM和CHAC1）以及ROS解毒酶（包括TXNRD1、AKR1C1、AKR1C2和AKR1C3、SESN2、GSTP1和NQO1）有关的几个细胞保护基因来限制铁死亡过程中的氧化损伤。

NFE2L2的功能获得性（gain-of-function）突变或KEAP1的功能丧失性（loss-of-function）突变进一步增加了氧化应激反应的复杂性，这反过来可能会影响对铁死亡的抵抗力。NFE2L2在铁死亡抵抗中的作用以及NFE2L2抑制剂（如胡萝卜醇和胡芦巴碱）在增强铁死亡治疗方面的治疗潜力需要在临床前和临床研究中进一步解决。

HIF

缺氧会促进肿瘤的形成和治疗耐药性。缺氧的主要调控因子HIF由一个oxygen-labile的α亚基（包括HIF1α、EPAS1（又称HIF2α）和HIF3α）和一个构成性（constitutively）表达的β亚基（ARNT）组成。

在常氧条件下，HIF1α和EPAS1被缺氧诱导因子EGLN家族成员羟基化，然后被E3泛素连接酶VHL识别，进而被蛋白酶体降解。在缺氧条件下，羟化酶失活会导致HIF1α和EPAS1积累并与ARNT形成异二聚体，从而诱导低氧适应和生存相关基因的转录。HIF1α和EPAS1在多种癌症类型中的表达均升高，通常与患者预后不良有关。

用小分子如2- methoxyoestradiol（NCT00030095）、BAY 87-2243（NCT01297530）、PX-478（NCT00522652）和PT2385，抑制HIF信号已被在临床试验中发现是一种抑制肿瘤生长的策略。

其中，PT2385可略微提高转移性肾透明细胞癌（RCC）患者的生存率，而长期使用PT2385则会导致耐药性的产生。在临床前研究中，HIF似乎在调节癌细胞发生铁死亡方面具有双重作用。

EGLN蛋白不仅是氧和半胱氨酸的铁依赖感受器，也是催化HIF羟化的感受器。抵抗铁死亡的铁螯合剂可能通过抑制EGLN活性来提高HIF的稳定性。在HT-1080纤维肉瘤细胞中，缺氧诱导的HIF1α的表达通过增加脂肪酸结合蛋白3和7的表达来抑制铁死亡，从而促进脂肪酸的摄取，增加脂质储存能力，避免随后的脂质过氧化。

相比之下，在肾癌来源的细胞中，EPAS1的激活通过上调HILPDA的表达来促进铁死亡，HILPDA的表达增加了多不饱和脂肪酸的产生和随后的脂质过氧化。

因此，有效控制HIF1介导的信号对于维持脂质稳态以调控（shape）铁死亡性反应有着必要的作用。如果将肿瘤细胞中铁死亡调节基因的表达作为纳入/排除标准，HIF抑制剂在临床试验中的使用可能会得到改善。

上皮间质转化

上皮间质转化（EMT）是上皮细胞失去与上皮表型相关的极性和细胞间黏附特性，逐渐获得与间质表型相关的迁移和侵袭能力的过程。EMT被认为可以产生肿瘤干细胞，导致转移扩散，并在临床治疗过程中产生耐药性。

转录因子SNAI1、TWIST1和ZEB1可刺激EMT介导的肿瘤转移和耐药，这些转录因子都是潜在的肿瘤治疗靶点。除了限制大多数抗癌治疗的效果外，EMT信号还可以促进铁死亡（图3）。

在人类癌细胞系和类器官中，高度间充质样细胞状态与铁死亡的选择易感性有关。ZEB1的高基线转录水平与细胞对铁死亡的敏感性相关，部分原因是ZEB1诱导肝脏脂质代谢的主要调节因子PPARγ上调。蛋白质LYRIC（又称metadherin）是EMT的正性调节因子，通过抑制GPX4和SLC3A2的表达来促进铁死亡。

CD44依赖的铁内吞作用的增加促进铁依赖的去甲基化酶活性，从而促进EMT信号相关基因的表达，从而使乳腺癌细胞对铁死亡敏感。来自这些临床前研究的数据表明，EMT可能使患者对以铁死亡为基础的治疗更加敏感。

EMT的第一步涉及破坏上皮细胞之间的接触。据报道，钙粘蛋白1介导的细胞-细胞接触可以保护机体免遭铁死亡。相反，SNAI1、TWIST1或ZEB1表达增加可恢复对铁死亡的敏感性。

其他细胞粘附的促进剂，如整合素亚基（integrin subunits）α6和β4，也能在体外防止乳腺癌来源的细胞发生铁死亡。相比之下，Hippo通路中转录因子（如YAP1和WWTR1 [也称为TAZ]的激活，通常在发育过程中控制细胞数量和器官大小）通过调节铁死亡调节基因（如ACSL4、TFRC、EMP1和ANGPTL4）的表达促进癌细胞发生铁死亡。

总而言之，这些发现强调了使用铁死亡诱导药物可特异性清除具有间充质样表型的癌细胞在理论上尚待探索的可能性。

癌症治疗中的铁死亡

系统治疗

传统的细胞毒性药物和靶向药物可通过许多机制发挥作用，一般目的是通过诱导癌细胞死亡来减缓或阻止肿瘤生长，而不影响未转化的细胞。然而，对靶向治疗的抗药性在很大程度上仍然是一个难以逾越的挑战。

越来越多的临床前证据表明，诱导铁死亡可能是一种有效的治疗策略，可以防止发生对拉帕替尼、厄洛替尼、曲美替尼、达普拉非尼和维莫拉非尼等多种药物的获得性耐药性。一些耐药肿瘤细胞表现出EMT（间质标志物上调和上皮标志物下调）的迹象，结果是，它们对铁死亡变得敏感。

铁死亡诱导剂还可以与更传统的药物（如顺铂）发生协同作用，抑制头颈癌小鼠模型的肿瘤生长。也有一些已在临床使用或具有很强临床转化潜力的几种药物被发现可促进铁死亡的发生（表1；补充材料的表1里也有不少）。

索拉非尼（Sorafenib）

索拉非尼是第一个被批准用于治疗不能切除的肝癌、晚期肾癌和分化型甲状腺癌的多酪氨酸激酶抑制剂。在几项恶性肿瘤的临床试验中，索拉非尼也被作为单一疗法或与常规细胞毒疗法联合应用进行评估（表1）。索拉非尼可抑制多种细胞内激酶（RAF、野生型和突变型BRAF）和细胞表面激酶（KIT、FLT3、RET、VEGFR1-3和PDGFRb）。

一些研究表明，索拉非尼可通过靶向这些激酶在培养的前列腺癌细胞或肝癌细胞中诱导凋亡和自噬。然而，另一些肝、肾、肺或胰腺癌细胞的研究表明，索拉非尼的抗癌活性主要依赖于通过抑制system xc−的活性来诱导铁死亡，而不一定依赖于抑制其激酶靶标。

此外，一些临床前和临床研究表明，NFE2L2/MT1G的靶基因是索拉非尼耐药的biomarker和contributor。MT1G的敲除可通过诱导人肝癌细胞发生铁死亡以恢复对索拉非尼的抗癌活性。

这些信息可能有助于制定克服肿瘤产生对索拉非尼耐药的策略。相反，高水平的ACSL4（铁死亡的促进剂）在体外与肝癌细胞对索拉非尼的敏感性呈正相关，提示抗糖尿病药物罗格列酮（ACSL4抑制剂）可能干扰索拉非尼的抗癌活性。

然而，在临床环境中，铁死亡和/或细胞凋亡对索拉非尼抗癌活性的贡献程度仍不清楚。

柳氮磺吡啶（Sulfasalazine）

柳氮磺吡啶是一种口服抗炎药，用于治疗炎症性肠病（包括溃疡性结肠炎和克罗恩病）或类风湿性关节炎。柳氮磺胺吡啶及其代谢产物（5-氨基水杨酸和磺胺吡啶）的作用机制仍在研究中，可能与淋巴细胞抑制效应（如诱导T细胞死亡或抑制B细胞介导的抗体产生）和白细胞调节效应（如抑制白细胞向炎症部位的募集和随后的前列腺素合成，以及细胞因子的产生）有关。

柳氮磺胺吡啶除了具有抗炎活性外，在临床前模型中，还可以通过抑制system xc−诱导铁死亡来抑制淋巴瘤和其他癌细胞的生长。柳氮磺胺吡啶作为胶质瘤患者的单一治疗药物和与放疗联合以治疗胶质母细胞瘤患者的活性目前已在进行临床研究（NCT04205357）。

然而，在进展性恶性胶质瘤患者中，柳氮磺胺吡啶显示出缺乏疗效，并引发了严重的神经系统不良事件。柳氮磺胺吡啶对system xc−的抑制不仅可以抑制半胱氨酸的内流，还可以抑制谷氨酸的外流，而谷氨酸是引发癫痫和激活痛觉受体的分子。

在一项涉及9名胶质瘤患者的试点（pilot）临床试验中，口服柳氮磺胺吡啶被发现会通过system xc−介导的机制抑制谷氨酸的释放。柳氮磺胺吡啶将用于乳腺癌和慢性疼痛患者的I期临床试验正在计划中（NCT03847311）。

在临床前研究中，确定柳氮磺胺吡啶的抗癌活性是否依赖于system xc−的抑制或其抗炎作用可能存在困难，因为其起药理作用的结构基础尚不清楚。与其他药物一样，柳氮磺胺吡啶抑制system xc−这一机制的最终临床效用将受到靶细胞对这些抑制剂产生适应性耐药能力的影响。

他汀类药物（Statins）

高胆固醇血症极大地增加了心脏病、中风和包括癌症在内的其他严重疾病的风险。他汀类药物（如氟伐他汀、洛伐他汀和辛伐他汀）是一类通过抑制甲羟戊酸通路中限速酶HMGCR来降低血胆固醇水平的药物，HMGCR介导胆固醇的合成。通过减少甲羟戊酸通路中焦磷酸异戊烯的生成，他汀类药物能够抑制硒蛋白（如GPX4）和辅酶Q10的生物合成，从而促进间充质细胞发生铁死亡或选择性地诱导RCD。

由于他汀类药物被公认的临床安全性，以及肥胖也是一个主要的癌症风险因素，一些临床试验目前正在研究他汀类药物作为单一疗法或联合疗法在各种肿瘤类型中的疗效（补充图1）。

例如，两个涉及乳腺癌患者机会窗（window-of-opportunity）临床试验的数据表明，阿托伐他汀和氟伐他汀可能对过度表达HMGCR的肿瘤有抗增殖作用。他汀类药物可提高多种类型肿瘤患者的治疗效果，如使用肝动脉化疗栓塞术的肝细胞癌患者、使用伊达比星和阿糖胞苷治疗急性髓系白血病患者、使用沙利度胺、地塞米松和洛伐他汀治疗多发性骨髓瘤患者。

相比之下，接受单药辛伐他汀治疗的多发性骨髓瘤患者没有观察到临床反应。目前而言，预测哪些癌症患者将从他汀类药物治疗中受益依然存在困难，因此，更深入地了解胆固醇如何调节的铁死亡通路可能有助于更好地识别生物标记物，以在未来的临床研究中对患者进行分层。

值得注意的是，那些调控铁死亡的胆固醇调节基因和蛋白表达水平的有关信息可能有助于确定最有可能对他汀类药物有临床反应的患者。

青蒿素（Artemisinins）

青蒿素及其衍生物（统称青蒿素）是从中草药青蒿中提取的抗疟疾药物。除了在治疗疟疾方面的治疗价值之外，青蒿素在体外和体内都表现出对各种类型的癌细胞有强大的抗癌特性。

青蒿素有一个独特的内过氧化物桥（endoperoxide bridge），被认为是被Fe2+激活而产生自由基。铁补充剂，如全转铁蛋白（holotransferrin），可以增强青蒿素的抗癌特性。

青蒿素（尤其是青蒿素和双氢青蒿素）除了诱导细胞凋亡外，还可以通过促进铁蛋白吞噬从而增加细胞内游离铁的水平而引发癌细胞的铁死亡。一项已完成的I期临床试验（NCT00764036）显示，对于转移性乳腺癌患者，每天口服青蒿琥酯高达200 毫克仍然是安全且耐受性良好的。

其他已完成的I期临床试验表明，静脉或阴道注射青蒿琥酯对晚期实体肿瘤（NCT02353026）的患者耐受性良好，包括宫颈上皮内瘤变（NCT02354534）。

最后，一些正在进行的临床试验也正在研究青蒿琥酯在结直肠癌患者中的药代动力学和有效性（NCT02633098和NCT03093129）。临床试验中观察到的青蒿素的最小毒性曲线是否能使其促铁死亡活性得到释放和利用还有待确定。

胱/半胱氨酸酶（Cyst(e)inase）

胱/半胱氨酸酶是一种能有效降解小鼠和食蟹猴血清中半胱氨酸和胱氨酸的工程性酶（engineered human enzyme）。随之发生的细胞外胱/半胱氨酸耗竭可导致前列腺癌和慢性淋巴细胞白血病细胞在体外和体内发生细胞死亡。

胱/半胱氨酸酶介导的胱/半胱氨酸的耗竭可以在小鼠胰腺导管腺癌源细胞系和突变的Kras/Tp53驱动的胰腺肿瘤中诱导铁死亡，而不会引起明显的毒副作用，这表明其具有可接受的安全性和耐受性。

这种方法还可以抑制EGFR突变的NSCLC和乳腺癌异种移植瘤的生长。利用胱/半胱氨酸酶调节细胞外胱/半胱氨酸水平的策略可以为基于铁死亡的抗癌治疗开辟新的治疗机会，特别是与活性氧诱导药物（如阿霉素、吉西他滨、紫杉醇、5-氟尿嘧啶、硼替佐米和三氧化二砷）联合使用。

免疫治疗

免疫检查点抑制剂（ICIs）的免疫治疗革命性地改变了癌症患者的临床治疗。ICIs主要通过激活有效的细胞毒性T细胞所驱动的抗肿瘤免疫反应来发挥作用。目前已被批准的ICIs的靶标包括CTLA4、PD-1及其配体PD-L1。细胞毒性T细胞驱动的免疫可以诱导癌细胞发生铁死亡（图4）。

例如，抗PD-L1抗体可促进肿瘤细胞中脂质过氧化依赖的铁死亡，铁死亡抑制剂Liproxstatin 1降低这些药物的抗癌活性。此外，抗PD-L1抗体和铁死亡激活剂（如erastin、RSL3和胱/半胱氨酸酶）在体外和体内都能协同诱导肿瘤生长的抑制。

从机制上讲，细胞毒性T细胞释放的干扰素γ会激活JAK-STAT1通路，并下调SLC7A11和SLC3A2的表达，导致肿瘤细胞发生铁死亡。黑色素瘤患者SLC3A2表达降低与ICIs疗效增强一致相关。鉴于STAT1可以被许多配体激活，其他细胞因子是否与干扰素γ一样在促发铁死亡方面具有类似的作用仍有待进一步确定。

如果存在这样的作用，STAT1-铁死亡激活剂的加入将极大地扩大铁死亡策略在肿瘤治疗中的临床应用。值得注意的是，TGFβ1可以通过SMAD信号介导的对SLC7A11的转录抑制和ZEB1的激活来促进铁死亡（图4）。

细胞死亡过程中损伤相关分子模式（DAMP）的释放在抗肿瘤免疫中具有双重作用。DAMPs的释放可以介导免疫原性的细胞死亡，从而刺激抗肿瘤免疫。然而，DAMPs会促进炎症反应，从而支持肿瘤的生长。的确，在特定情况下，铁死亡可以起到促进肿瘤的作用（图4）。

HMGB1由铁死亡性癌细胞释放，通过与AGE结合促进巨噬细胞的炎症反应。HMGB1-AGE通路的遗传和药物阻断可限制这种铁死亡介导的炎症反应。此外，KRAS-G12D可在铁死亡时被胰腺癌细胞释放到外泌体内，并可被巨噬细胞摄取。这种摄取是由AGE介导的，最终导致巨噬细胞极化为M2表型，并刺激肿瘤生长。

除这些蛋白外，某些非蛋白类的DAMPs（如ATP、宿主DNA和脂质介质）可能会在铁死亡过程中产生一个复杂的网络来调节抗肿瘤免疫。与Slc7a11缺失介导的胰腺肿瘤抑制不同，在小鼠中，胰腺中Gpx4的条件性缺失通过铁死亡性（ferroptotic）损伤诱导DNA释放和随后巨噬细胞中的STING激活炎症来促进突变型Kras驱动的肿瘤发生。

铁死亡对肿瘤免疫的长期影响依赖于癌细胞与各种免疫细胞亚群之间的相互作用。例如，淋巴系统通过增加ACSL3依赖的MUFAs的产生来保护黑色素瘤细胞免于铁死亡，从而促进肿瘤转移（图4）。

放疗

关于放射治疗可直接诱导癌细胞发生铁死亡的这一发现挑战了传统理论，即放射治疗主要诱导DNA损伤下游的细胞凋亡（apoptosis）（图5）。

ATM是DNA修复系统的核心组成部分，DNA修复系统在暴露于有细胞毒性的化疗或放疗后被激活。ATM介导的SLC7A11下调与放疗引起的癌细胞铁死亡有关，在皮下肿瘤模型中，放疗联合ICIs（抗PD-L1或抗CTLA4抗体）可增强这种抗癌作用。

体细胞ATM突变发生在某些肿瘤类型中（例如，在45%的套细胞淋巴瘤和8%的前列腺癌中发现ATM突变），并可能与不良预后有关。然而，这些突变是如何影响那些可促进这些肿瘤发生铁死亡的药物的反应尚不清楚。除了下调SLC7A11外，放射治疗还上调ACSL4，从而增加脂质合成和随后的氧化损伤，从而导致铁死亡。

受辐射的肿瘤细胞所释放的微粒有能力进一步加强放射治疗效果，部分是通过传播铁死亡信号或增加与氧化应激相关的蛋白质表达。DNA损伤激活的cGAS通路也可诱导铁死亡，因此该通路或其他DNA感受器通路的激活可能在增强放疗引起的铁死亡方面起到类似的作用。

铁死亡和细胞凋亡的信号转导通路之间的相互作用，以及在放射治疗过程中这种串扰的调节，也是目前正在进行的重要研究领域。从毒性的角度来看，另一个有趣的问题是铁死亡抑制剂是否能保护非恶性细胞免受辐射损伤。

纳米疗法

纳米药物的输送是基于工程技术而开展的，利用纳米颗粒来输送和控制药物的释放，从而改善药物的药代动力学特性。携带化学药品或生物材料的纳米颗粒将为提高现有铁死亡诱导剂的疗效以及开发治疗癌症的新型诱导剂提供可能性。

例如，铁死亡诱导剂withaferin A在水中的溶解性差，对小鼠有毒性。当使用两亲的（amphiphilic，就是既亲水又亲油）、可降解的pH敏感型纳米载体给药时，可以避免其不利的药理学特征。在白血病细胞异种移植模型中，erastin类似物IKE在聚乙二醇-聚乳酸-乙醇酸纳米粒中的抗肿瘤活性得到增强。

此外，在异种移植模型中，超小的二氧化硅纳米颗粒可以通过增加细胞内铁的输送和积累来引发铁死亡以抑制肿瘤生长。

然而，纳米颗粒对人类健康的长期影响仍然需要进行仔细评估。

展望

铁死亡的反应是由表观遗传、转录、转录后和翻译后多种机制所组成复杂网络来调节的。靶向可调节肿瘤细胞铁死亡的通路是一种新兴的抗肿瘤策略，因为恶性肿瘤细胞通常依赖致癌和/或生存信号，这使得它们特别容易受到铁死亡的影响。

例如，有利于肿瘤生长的因素（如铁的积累、脂肪酸合成、增强的自噬通量和EMT）增加了许多癌症类型对铁死亡的易感性，如胰腺癌、乳腺癌、非小细胞肺癌和黑色素瘤。

尽管对铁死亡的研究迅速积累，但仍有几个挑战有待解决。

基础肿瘤学

铁死亡的效应分子是什么？

除了不同的起始和中间信号外，典型的RCD途径还应该有效应分子。大多数RCD效应分子是蛋白酶（如caspases和MLKL分别参与细胞凋亡和坏死）或致孔蛋白（如Gasdermin D参与焦亡）。

脂质过氧化是铁死亡所必需的，但细胞毒性是由该反应本身的产物所介导的，还是还需要脂质过氧化下游的信号分子仍有待确定。我们的假设是，形成了与未知蛋白质的加合物（adducts），这些加合物导致了膜通透性孔隙的形成，从而介导脂质过氧化的致死效应。

如何明确铁死亡和非铁死亡性程序性死亡之间的相互作用？

每一种新发现的调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD），包括铁死亡，都有独特的特征。然而，更深入的研究表明，铁死亡的一些特征并不是这种类型的RCD所独有的。

例如，铁死亡的信号（脂质过氧化）和调节因子（如GPX4和SLC7A11）也可以调节其他类型的程序性死亡。因此，基于单个信号或分子事件来区分不同形式的RCD可能是不可能的。

相反，为了明确区分不同的RCD类型，有必要确定生化和遗传变化的整个级联（whole cascade）。那些能够促进RCD形式之间转换的干预措施可能能够克服对细胞死亡的抵抗，和/或通过诱导免疫原性细胞死亡来调节肿瘤微环境。

如何定义肿瘤代谢重编程对铁死亡的影响？

癌细胞的代谢和能量生存网络被重新设置（rewired），以支持和实现在次优条件下的快速增殖、持续生长和生存。肿瘤细胞（包括肿瘤干细胞）的代谢重编程如何与癌细胞特异性的铁死亡反应相耦合尚不清楚。

基因工程小鼠模型和人类肿瘤类器官模型是评估代谢重编程和相关因素对铁死亡影响的重要临床前工具。

临床肿瘤学

临床试验中靶向铁死亡的最佳候选药物是哪些？

正如所讨论的，几种药物（包括索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀类和青蒿素）在临床前模型中具有促铁死亡的活性。其中，他汀类药物似乎是很好的临床试验候选药物，尽管不同类型的他汀类药物在诱导或增强铁死亡方面可能有不同的效力。

初步研究结果表明，他汀类药物可以提高几种癌症患者的总体生存率，比如结直肠癌患者。需要在大量患者人群中进行随机对照试验，以证实他汀类药物治疗恶性肿瘤的安全性和有效性，同时基于预测性生物标志物对患者进行筛选。从理论上讲，直接靶向铁死亡通路的药物开发可能会拓展治疗肿瘤的手段。

最有可能的是，这类促铁死亡的药物与其他治疗方法结合使用，例如免疫治疗（使用ICIs、靶向肿瘤的单克隆抗体、过继性T细胞转移和/或肿瘤相关抗原疫苗）或放射治疗，这可能会诱导混合型RCD以抑制肿瘤生长。铁死亡激活剂可引起骨髓损伤，这也是细胞毒治疗的一个重要毒性。降低促铁死亡药物的毒性或非靶点效应也是临床肿瘤学所面临的重要挑战。

什么类型的肿瘤或病人群体对促铁死亡的治疗方法更敏感？

可以结合三个标准（铁水平、基因表达和突变）来评估哪些患者最有可能从促铁死亡的治疗中受益。富含铁的肿瘤（如HCC、PDAC、乳腺癌和NSCLC）可能对促铁死亡的药物特别敏感。不同的铁死亡调节基因在不同的肿瘤中有不同的基因表达水平（补充图2）。

例如，SLC7A11抑制剂可能对过度表达该靶点的特定类型肿瘤特别有效，如食道癌和多形性胶质母细胞瘤（补充图2）。同样，在FTH1和/或FTL高水平表达的许多癌症类型 (如PDAC和卵巢癌) 中，诱导铁蛋白吞噬（ferritinophagy）依赖型铁死亡的发生可能有治疗效果（补充图2）。

癌症基因组学为识别驱动肿瘤生长和构成真正治疗靶点的突变提供了蓝图，因此，整合基因信息可能有助于区分对促铁死亡药物有反应（或没有反应）的肿瘤。在此背景下，对那些决定不同细胞死亡类型易感性的基因的表达进行综合评估可能会提供一些有效信息。

例如，如果在特定肿瘤中检测到促凋亡基因表达水平低，但促铁死亡基因表达水平高，那么患者从促进铁死亡的药物中可能比从促凋亡药物中受益到更多。此外，根据特定肿瘤的脆弱性，可以使用不同的铁死亡诱导剂来靶向内源性或外源性铁死亡通路。最后，更全面地了解肿瘤细胞适应和产生抗药性的机制，将为最大限度提高促铁死亡治疗的效果铺平道路。

如何鉴定对促铁死亡治疗有反应的生物标志物？

通过分析血液、尿液、粪便和/或肿瘤组织的样本，确定与反应性相关的生物标记物，可以帮助指导制定个性化的治疗计划。BODIPY 581/591 C11是一种荧光指示剂，用于监测活细胞中的脂质氧化，而硫代巴比妥酸反应性物质（thiobarbituric acid reactive substances）可用于测量细胞、组织和体液中的脂质过氧化产物。

此外，某些基因和蛋白，如PTGS2，CHAC1，ACSL4和TFRC，已经在临床前模型中被表征为铁死亡标志物，尽管它们的临床意义尚不清楚。除了肿瘤的组织病理学染色外，血液中的铁、脂质、代谢物和免疫介质也有可能被（单独或联合）鉴定为治疗反应和促铁死亡药物毒性的预测性生物标志物。

使用最新的现有技术，如液体活检、高维细胞计数（cytometry）、单细胞组学、代谢组学和高分辨率成像，来监测肿瘤的异质性（包括用核磁共振测量局部铁的丰度），可能会指导促铁死亡疗法的使用。

显然，这些努力将需要艰苦和密切的多学科合作，才能最终应用于临床实践。

结论

在过去的5年里，基础和临床研究人员对研究铁死亡在癌症中的作用以及利用积累的知识来改进癌症的预防、诊断、治疗和预后产生了巨大的兴趣。铁死亡在肿瘤生物学和治疗中具有复杂和高度的背景依赖性作用。

制定转化型（translational）抗癌策略可能是一个复杂的过程，并依赖于持续的研究，以更好地了解铁死亡的调节机制和信号通路。寻找有助于检测和追踪铁死亡的生物标记物将是未来几年里一个活跃的研究领域（有搞头，有兴趣的可以在在块领域搞点事情了）。

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撰文丨农民工

排版丨叶子、豨莶

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来源: qq

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