神经外科

铁死亡在脑胶质瘤中作用机制的研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2022-11-24
导读

         胶质瘤是成人最常见的原发性恶性脑肿瘤,分为4期,其中胶质母细胞瘤(WHO IV期)恶性程度最高,美国每年诊断的胶质母细胞瘤病例超过10000例,预后极差,5年生存率仅为5%。根据恶性胶质瘤标准化治疗方案,目前的胶质母细胞瘤治疗标准是在尽量保留脑功能的情况下进行最大程度的肿瘤切除。随后是辅助放疗和替莫唑胺(Temozolomide,TMZ)化疗。 尽管手术和放疗方案近几年取得了相对进展,但其中位总

关键字:  脑胶质瘤 

        胶质瘤是成人最常见的原发性恶性脑肿瘤,分为4期,其中胶质母细胞瘤(WHO IV期)恶性程度最高,美国每年诊断的胶质母细胞瘤病例超过10000例,预后极差,5年生存率仅为5%。根据恶性胶质瘤标准化治疗方案,目前的胶质母细胞瘤治疗标准是在尽量保留脑功能的情况下进行最大程度的肿瘤切除。随后是辅助放疗和替莫唑胺(Temozolomide,TMZ)化疗。

        尽管手术和放疗方案近几年取得了相对进展,但其中位总生存期仍仅约为15个月。预后不佳的主要原因是:易复发、化疗药物很难到达肿瘤并维持有效浓度。近年来有研究发现,通过诱导胶质瘤细胞铁死亡,可一定程度地控制胶质瘤的生长。“铁死亡”一词最早是在2012年Dixon提出的,是一种受调控的细胞死亡形式,不同于凋亡、细胞焦亡和坏死,其主要特征是具有以铁诱导膜脂质过氧化的特定调控途径。铁死亡可以类似波浪的方式从一个细胞扩散到另一个细胞。

        目前对胶质母细胞瘤的一线治疗药物是TMZ,TMZ被证明可以选择性地诱导胶质瘤干细胞的铁死亡。诱导铁死亡的药物也可以增加TMZ的敏感性。这些研究表明,铁死亡不仅参与了TMZ耐药性的机制,而且还参与了胶质瘤的致敏作用。因此,探索铁死亡的机制对后续的研究具有重要意义。

1.铁死亡

        铁死亡的主要机制是,在二价铁或酯氧合酶的作用下,催化细胞膜上高表达的多不饱和脂肪酸,发生脂质过氧化,从而诱导细胞死亡;此外,还表现为抗氧化体系[谷胱甘肽(Glutathione,GSH)系统]的调控核心酶谷胱甘肽过氧化酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)的降低。因此,铁死亡主要受铁代谢和脂质过氧化的调节。

        1.1 铁死亡过程中的脂质过氧化及调节

        脂质是血浆和细胞器膜的主要成分。然而,含有较多多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)的细胞器膜,特别是含有花生四烯酸(arachidonic acid,AA)和肾上腺酸(adrenic acid,AdA)-磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine,PE)物质的膜,极易受到氧化攻击。PUFA氧化通过改变脂质双层结构和几何形状破坏质膜的结构和流动性,膜中的氧化脂质簇通过形成亲水性孔破坏其屏障功能。

        脂质过氧化反应可以通过两种途径进行:非酶促和酶促脂质过氧化级联反应。过量的铁会引发非酶促脂质过氧化级联反应。产生脂质氢过氧化物(lipid hydroperoxides,LOOHs)的酶促反应主要由脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,Nox)、环氧化酶和细胞色素p450s催化。

        近年有报道称PE 结合蛋白1(recombinant phosphatidylethanolamine binding protein 1,PEBP1)通过与LOX15特异性结合而引发铁死亡。尽管铁死亡途径中的下游分子执行者未知,但LOOHs 的积累及其下游产物丙二醛和4-羟基-2-壬烯醛的产生已被鉴定并成为铁死亡的标志物。

        1.2 铁死亡中抗氧化系统的调节

        还原系统在铁死亡过程中起关键作用。GPX4是抗铁死亡的关键因子。GPX4 需要GSH 作为辅助因子。GSH的合成依赖于半胱氨酸转运。一旦GPX4合成受损,细胞即对铁死亡变得敏感。然而,铁死亡耐药性并不仅仅取决于胱氨酸转运途径。在氧化应激条件下,蛋氨酸通过转硫途径转化为胱氨酸,促进GSH合成发挥抗氧化作用。此外,自由基捕获抗氧化剂(radical trapping antioxidant,RTA)可以通过螯合自由基的机制来抑制脂质过氧化。

        最新研究显示,在铁死亡抗性细胞系中发现了一种非GPX4途径。在这种非GPX4途径中,铁死亡抑制蛋白(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)-CoQ10 有助于将还原当量从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)穿梭到脂质双层中,以介导脂质过氧化抑制。该途径可与通过GPX4 途径产生的抑制协同抑制铁死亡。

        不同细胞类型的铁死亡的上游分子机制也有所不同。但是,铁死亡的主要特征是抗氧化能力和脂质活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)积累的失调。值得注意的是,脂质过氧化是一种自催化链反应,其速率随反应物含量(如LOOH、Fe2+)而变化。也就是说,破坏铁代谢、脂质过氧化和抗氧化系统之间的平衡就会导致铁死亡。

        1.3 铁死亡时铁代谢的调节

        铁稳态由铁调节蛋白2(iron regulatory protein,IRP2)和铁反应元件精准调控。IRP2活性降低以及转铁蛋白(Transferrin,Tf)和转铁蛋白受体(transferrin receptor,TFR)表达增加会导致铁稳态失衡,导致细胞内不稳定铁部分异常增加,这是影响铁死亡的关键因素。

        另一种游离铁来源是铁蛋白重链1(ferritin heavy chain,FTH1)。FTH1 被特定的运货受体核激活因子4(nuclear receptorcoactivator 4,NCOA4)识别,形成复合物。这种复合物与溶酶体融合,铁蛋白被降解并释放出游离铁。研究表明,溶酶体是激活铁死亡所必需的。NCOA会促进某些细胞系中的铁死亡,是爱拉斯汀(Erastin)诱导的铁蛋白降解、游离铁累积和脂质过氧化所必需的。其他铁代谢相关蛋白也同样会影响细胞对铁死亡敏感性。因此,铁代谢失调是铁死亡的基本促进因素。

2.胶质瘤的代谢变化

        肿瘤代谢不同于正常细胞代谢。它是肿瘤细胞存活和侵袭的基础,也是肿瘤的标志。为了获得更多的能量,肿瘤细胞会进行代谢重编程,称为Warburg效应。因此,肿瘤细胞需要更多的代谢活性,比起正常细胞来说更依赖抗氧化机制。高增殖性癌症通常能够自我调控ROS水平。针对肿瘤代谢的治疗方法被认为是很有前途的抗癌疗法。胶质瘤中存在较高水平的ROS 和PUFAs 表达,并具有强烈的铁依赖性,这为利用铁死亡来治疗胶质瘤提供了一个新的方向。

        2.1 胶质瘤中铁代谢的改变

        神经胶质瘤中铁代谢的调节是由一组维持适当铁水平的特定蛋白质完成的。Fe2+被内皮细胞吸收由Tf/TFR1途径通过血脑屏障并介导Fe2+从血管转运至脑细胞。脑细胞通过Tf/TFR1途径等途径吸收铁。相对于正常组织,胶质瘤对铁的需求显著增加,神经胶质瘤干细胞比非干细胞肿瘤细胞铁摄取量高2倍。胶质瘤不仅可以提高TFR1的表达以摄取更多的铁,还会增加TFR2表达,TFR2可破坏正常的铁代谢平衡,让癌细胞摄取更多的铁。此外,由于TFR及FTL的表达增加,可使细胞有足够地吸收铁的能力。

        恶性胶质瘤细胞内铁吸收增加及较高的储存量还与一系列调节因子的表达增加有关,比如铁氧还原酶以及聚碳结合蛋白2,这些观察结果表明,胶质瘤细胞铁需求的变化,也是活跃细胞分裂的表现。这些发现与胶质瘤相关的极高恶性率和死亡率一致。数据显示,神经胶质瘤细胞有很强的铁依赖性。铁螯合剂在癌症治疗中可以诱导细胞凋亡并显示出一定的抗肿瘤作用,但这些药物未能在动物模型中得出预期结果。

        限制胶质瘤细胞内铁含量可能是一种可行的方法。铁过量是异质性胶质瘤细胞共有的一个基本特征,因此,诱导高水平不稳定铁部分状态或抑制ROS清除以促进铁死亡是可行的。胶质瘤具有强大的脂质合成能力,这与其恶性程度相关,在早期研究中发现胶质瘤中PUFA的水平高于正常脑组织。因此阻断PUFA的产生或使用替代物可能是一个潜在的抑制神经胶质瘤增殖的途径。

        高水平的ROS和PUFA产生,使胶质瘤对铁死亡更敏感,更依赖其抗氧化系统。以往的研究已经证实,打破这种平衡可以诱发铁死亡,抑制恶性肿瘤的生长。因此,利用胶质瘤中的这种代谢改变诱导铁死亡可能是一个有效的治疗方向。

        2.2 胶质瘤中铁死亡的关键调控因子

        除了增加铁的吸收和大量的PUFA,两种关键的过氧化调节因子GPX4和FSP1也在胶质瘤中高度表达。据报道,FSP1的减少会降低线粒体膜电位,从而导致线粒体功能障碍,其在神经胶质瘤增殖和侵袭中起关键作用。酯酰辅酶A 合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetaselong chain family member 4,ACSL4)是铁死亡的敏感调控因子,在胶质瘤中显著减少,通过增加ACSL4的表达可降低GPX4 水平。这些结果表明,ACSL4、GPX4 和FSP1可能是铁死亡诱导治疗的有效的预后标志物。

        除了上述铁死亡的关键调控因子外,其他途径也参与了铁死亡的调控。然而,这些调节因子参与了其他的细胞调控途径,它们在胶质瘤细胞中的作用与其他癌细胞不同,包括P53、核因子相关因子2(nuclear factor 2,Nrf2)、活化转录因子4(activating transcription factor 4,ATF4)、程序性死亡受体1(beclin-1,BECN1)、人线粒体型蛋白(Frataxin,FXN)、海马通路等,以下着重介绍P53 与Nrf2 调节因子。

        2.2.1 P53

        P53 是调控细胞周期停滞和凋亡的重要抑癌基因。近年研究发现,P53 也参与了铁死亡的过程。P53 可转录抑制溶质载体家族7 成员11(solute carrierfamily 7,member 11,SLC7A11),SLC7A11可抑制胱氨酸摄取,并提高花生四烯酸-12-脂加氧酶(arachidonic acidlipoxygenase 12,ALOX12)的酶活性,从而提高肿瘤细胞的铁死亡敏感性。

        反之,卵巢肿瘤相关蛋白酶1(ovarian tumor associated proteinase 1,OTUB1)可通过稳定SLC7A11蛋白来抑制铁死亡,从而促进胶质瘤细胞的增殖。此外,P53还通过调节细胞色素C氧化酶2、葡萄糖转运体和谷氨酰胺酶2来促进ROS的积累。然而,在高达78%的胶质瘤中发现了P53通路成分(即上游调控因子)的突变。P53通路的改变被认为是低级别胶质瘤向高级别胶质瘤进展的关键因素,而继发性胶质母细胞瘤中P53的突变显著增加。这意味着P53的状态可能是铁死亡诱导治疗胶质瘤的另一个预后指标。

        P53 的转录靶点,亚精胺/精胺N-乙酰转移酶1(spermidine/spermine N -acetyltransferase 1,SSAT1),是多胺分解代谢的限速酶。高水平的SSAT1表达与胶质瘤的恶性程度和不良预后相关。虽然SSAT1如何调节胶质瘤的存活和死亡暂时未知。但是很明显的是,高SSAT1表达有利于胶质瘤增殖、侵袭和放射治疗的耐药。有研究报道,P53-SSAT1-ALOX15的激活会诱导ROS引起的脂质过氧化反应,这与ALOX15的表达水平密切相关。因此,SSAT1可作为肿瘤细胞对铁死亡敏感性的标志基因。很明显,P53参与凋亡的调节,同时也参与促进铁死亡的过程。但是,由于P53及其复杂机制参与多种细胞反应,P53可能通过不同途径影响胶质瘤对铁死亡的敏感性。

        2.2.2 Nrf2

        Nrf2是调节细胞内稳态的关键转录因子。在正常氧含量条件下,Nrf2与kelch样ECH相关蛋白1结合,并保持无活性状态。当细胞暴露于氧化应激或细胞毒性药物时,Nrf2从kelch样ECH相关蛋白1分离,并通过转录抗氧化反应元件依赖基因易位到细胞核以维持细胞内氧化还原状态。Nrf2的激活可以有效消除ROS,减少DNA损伤,防止正常细胞发生癌变。有趣的是,Nrf2在许多癌细胞中高表达,并且被认为是一种与高侵袭能力、高耐药性和不良预后相关的标志基因。

        此外,Nrf2调控铁死亡三大主要靶基因,包括:①调控铁代谢的基因(如FTH1、FTL、FPN、HO-1 等);②调控中间代谢(如PPARG、NAPDH 再生GAPPD 调控);③GSH 合成和代谢(包括GCL、GSS、SLC7A11、GPX4 等的催化和调控亚基)。一般来说,Nrf2的激活通过代谢调节增强细胞对铁的储存能力,增加细胞的抗氧化能力,从而增加细胞对铁死亡的抵抗力,促进癌症进展。Nrf2表达增加见于胶质瘤中,并与不良预后相关。Nrf2还提高细胞对铁死亡的抗性,促进胶质瘤的增殖。Nrf2的高表达对于维持胶质瘤细胞内铁稳态是必需的。Nrf2的这种积极的再循环机制促进了胶质母细胞瘤的上皮间质转换,从而增加了其侵入周围组织的能力。

 

3.胶质瘤中铁死亡与免疫

        癌症的免疫治疗在过去的十年中发展迅速,在胶质瘤免疫方面的研究也得到了广泛开展。通过大量研究数据分析显示,铁死亡的相关过程与免疫反应过程有关,发现在铁死亡发生过程中存在杀伤细胞、CD4、IL6等各种免疫细胞的参与。近年研究发现CD44等免疫因素与胶质瘤的预后相关,此外,研究发现对乙酰氨基酚也可能通过调节上述免疫因素诱导铁死亡而发挥抗肿瘤作用。尽管现今各种免疫疗法已经被开发出来,并且免疫治疗对胶质瘤的影响已经被证实,但其关键机制尚不清楚,还有一些问题有待解决。最主要的困难之一是癌症中的免疫抑制。尽管如此,这些研究结果对未来开发新的胶质瘤免疫治疗策略仍具有重要意义。

4.治疗胶质瘤铁死亡相关药物

        铁死亡最初是在癌症治疗的药物筛查过程中发现的。根据不同的可能靶点,将诱导铁死亡化合物(FINs)被分为4类:①抑制半胱氨酸转运;②直接抑制GPX4;③降解GPX4并消耗抗氧化剂;④氧化亚铁和增加脂蛋白水平,间接灭活GPX4。此外,抗疟药物青蒿素及其衍生物(包括青蒿琥酯和双氢青蒿素)可诱导细胞凋亡、坏死和自噬,还可通过增加HO-1表达和细胞内不稳定铁部分诱导铁死亡。这些化合物已用于诱导铁死亡以有效杀死抗凋亡的胰腺导管腺癌细胞。

        另外,研究表明姜黄素类似物诱导的AR泛素化通过破坏GPX4介导的氧化还原稳态抑制耐替莫唑胺的胶质母细胞瘤的生长。然而,FINs的类型很多,它们的靶点也各不相同。关于完整的分类和描述,可以参考其他最近的研究。除此之外,湘雅医学院及湘雅医院杨魁等通过大量的数据分析,建立了一个基于胶质母细胞瘤样本中铁死亡相关基因的评分模型,即铁死亡激活模型(ferroptosis activation score,FeAS)。

        高FeAS样本比低FeAS样本表现出更积极的生长模式和更差的临床预后。由于抗铁死亡相关基因在高FeAS样本中表达上调,因此有可能通过提高细胞对铁死亡的敏感性来逆转这一转变,因此可以通过此模型评估胶质母细胞瘤的侵袭性,调节与免疫细胞的串扰,并为后续化疗提供更加科学的建议。这为后续的治疗提供了新的参考。

5.结论和观点

        铁死亡是一种特殊类型的细胞死亡,具有独特的调控模式。因此,探索其精确的作用机制可以阐明肿瘤发生的过程。胶质瘤的凋亡机制尚未完全阐明,但前期研究证实其与胶质瘤的侵袭性和耐药性有主要关系。此外,铁死亡与其他类型的受调控细胞死亡具有特定的共同信号和调控因子。因此,利用铁死亡诱导应能提高化疗药物的有效性,这是一种潜在更有效治疗胶质瘤的途径。

        当然,由实验室到临床的应用需要通过分析肿瘤组织样本、分析铁死亡关键因子的基因表达、合理利用纳米颗粒进入血脑屏障靶向治疗、临床试验等一系列研究成熟之后。但是,就目前的研究结果看,通过研究诱导铁死亡靶向治疗胶质瘤,是一个有意义且可行的方向。

        来源:刘春波,孙猛,路洪珍,李猛.铁死亡在脑胶质瘤中作用机制的研究进展[J].国际神经病学神经外科学杂志,2022,49(04):85-90.

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