铁死亡调节剂与顺铂毒性研究的最新进展

龚思丝 李辉 *

暨南大学附属第一医院 广东省 广州市 510000

摘要：顺铂（CDDP）是第一种用于抗肿瘤药的重金属化合物，但它所导致的顺铂毒性（cisplatin-induced toxicity）使患者的生活质量大打折扣，这一点严重局限了CDDP的临床应用。故预防和治疗肿瘤化疗后顺铂毒性成为了一个重要课题。铁死亡(ferroptosis)是科学家们近几年发现的一种新型的非凋亡调控的细胞死亡方式，其特点是铁依赖的脂质过氧化物的积累。越来越多的文献报道铁死亡参与了多种恶性肿瘤顺铂化疗过程，应用铁死亡调节剂（ferroptosis regulator）可以在一定程度上影响顺铂毒性。因此，本文将对铁死亡调节剂的相关分子机制及其在顺铂诱导的耳毒性、肾毒性和细胞毒性研究中的应用和影响进行综述，旨在为临床实践中预防和治疗顺铂毒性寻找理论依据和靶标。

关键词：顺铂毒性；铁死亡调节剂；分子机制

众所周知，顺铂(CDDP)是一种广泛应用于临床的抗肿瘤药物，在卵巢癌，乳腺癌，骨肉瘤，肺癌，头颈癌等恶性肿瘤都表现出显著疗效^[1]。伴随着化疗剂量的升高，顺铂的治疗效果越来越好，但其毒副作用也越来越强，这严重影响癌症患者的愈后，大大限制了它的临床应用。顺铂毒性（cisplatin-induced toxicity）主要表现为肾毒性（nephrotoxicity）、耳毒性（ototoxicity）和细胞毒性（cytotoxicity）^[2,3,4]。导致顺铂毒性很难治愈或预防的主要原因就是它的具体分子机制尚不清楚。因此，进一步探究顺铂毒性发生机制，发现新的治疗靶点，寻找有效的防治方法和药物已经迫在眉睫。

2012年Dixon等人提出了一种在形态学，生物化学和遗传学上与细胞凋亡和坏死不同的新型细胞死亡方式—铁死亡(ferroptosis)，它是铁依赖性的，由活性氧（ROS）和脂质过氧化物（LPO）的积累介导^[5]。铁死亡可以由许多小分子化合物诱导和抑制，涉及参与许多疾病，在恶性肿瘤顺铂化疗过程中也发挥重大作用。本文将对铁死亡调节剂（ferroptosis regulator，FR）的相关分子机制及其在顺铂诱导的耳毒性、肾毒性和细胞毒性研究中的应用和影响进行论述，以期为临床治疗顺铂毒性提供新思路。

1. 铁死亡调节剂相关分子机制

   1. 调控谷胱甘肽

胱氨酸/谷氨酸逆向转运体（也称Xc-系统）是一种在哺乳动物血浆中含量较高的氨基酸跨膜转运蛋白，由两个亚基组成—轻链溶质载体家族7成员11（SLC7A11，也称为xCT)和重链溶质载体家族3成员2（SLC3A2，也称为CD98)^[5]。半胱氨酸（Cys）在Xc-系统的介导下生成谷胱甘肽（GSH），GSH是体内重要的抗氧化成分，清除自由基的主力军，也是铁死亡的负性调节剂，还是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的辅因子^[6]。爱拉斯汀（erastin）和Ras家族选择性致死复合物3(RSL3)是两种经典的铁死亡激活剂，但其通过不同途径作用于依赖GSH的抗氧化物系统。Erastin主要抑制Xc-系统，使Cys减少，而RSL3则直接结合并抑制GPX4的表达，最终两者都会使GSH含量减少，从而使细胞内脂质自由基大量积累，损伤细胞膜磷脂双分子层（PUFA-PL），发生铁死亡^[2]。柳氮磺吡啶（Sulfalsalazine，SAS)被证明也是Xc-系统抑制剂，SAS阻断胱氨酸摄取而导致细胞GSH剥夺和ROS积累触发细胞铁死亡，来增强CDDP的抗癌作用^[4]。研究发现P53可以抑制SLC7a11的表达和胱氨酸摄取，并使细胞发生铁死亡^[7]。

1. 2. 调控LPO和ROS水平

LPO是铁死亡的主要特征，早在十九世纪五十年代，研究者们就研究了维生素E和半胱氨酸对脂质过氧化的抑制作用^[8]。LPO的发生需要依赖于PUFA-PL上的多不饱和脂肪酰基间的两种碳-碳双键之间的氢原子剥离，形成以碳为中心的自由基^[9]。因此，像神经元这类高PUFA-PL含量的膜，极易发生LPO。酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(LPCA T3)是由全基因组单倍体和CRISPR/Cas9筛选出来的两种膜重组酶，它们是铁死亡的重要驱动因素^[10]。研究发现，罗格列酮和吡格列酮等可特异性抑制ACSL4，预防RSL3脂质过氧化。Ferrostatin-1（Fer-1）被认为是铁死亡有效抑制剂，靶向抑制LPO，清除ROS导致铁死亡^[5]。铁抑制蛋白1（FSP1）可通过还原COQ10而阻止LPO，抑制铁死亡的发生^[11]。

1. 3. 调控铁代谢

铁在细胞新陈代谢和LPO中扮演中至关重要的角色，各种代谢酶都需要铁的催化，铁也是组成细胞血红蛋白最主要的微量元素，因此铁代谢是铁死亡的核心。非酶促的铁依赖的芬顿反应（fenton reaction）是铁死亡发生的必经之路。细胞内铁处于稳态调节的关键归因于铁调节蛋白（IRP1和IRP2）动态调节细胞内铁储存和进出口

^[5]。研究发现IRP2的沉默可以抑制铁死亡，在一定程度上逆转了顺铂的细胞毒性。双氢青蒿素（Dihydroartemisinin，DHA）与细胞内游离铁结合后抑制IRP翻译，同时诱导铁蛋白溶酶体降解，增加细胞游离铁水平，进而增加细胞对铁死亡的敏感性^[12]。

2. 铁死亡调节剂与顺铂毒性研究

   1. 铁死亡抑制剂减轻顺铂耳毒性和肾毒性

顺铂耳毒性是顺铂治疗恶性肿瘤的第二大副作用，所致的获得性听力损失（acquired hearing loss，AHL）发病率极高，这给社会带来巨大的经济损失，市面上至今为止尚未开发出获得FDA批准的预防顺铂耳毒性的药物^[13]。Fer-1是报告的第一个铁死亡特异性抑制剂，是一种芳胺类抗氧化剂，使脂质过氧化物的积累减少且保护细胞免受多种应激或有毒化学物质侵害^[5]。越来越多的实验研究证明，应用Fer-1可减轻多种疾病模型中的铁死亡，从而起保护作用，包括脑卒中，急性肾损伤，脊髓损伤，顺铂诱导的肾毒性和多柔比星诱导的心肌病^[14]。Bing Hu等人研究了Fer-1在体外，离体和体内模型中对顺铂耳毒性的影响，发现Fer-1通过减少ROS生成和LPO显著降低了斑马鱼听毛细胞和HEI-OC1细胞的顺铂毒性。因此得出顺铂耳毒性可能涉及铁死亡过程，Fer-1给药可减轻顺铂耳毒性，但其所涉及的分子保护机制还需进一步研究阐明^[15]。

顺铂肾毒性是限制其广泛应用的最主要原因。早在二十多年前，Baliga等人的研究就指出铁离子在顺铂诱导的大鼠肾毒性中占一席之地^[16]。当时“铁死亡”这一说法还未被世人所熟知，现如今铁死亡参与顺铂肾毒性研究比比皆是。Hu Z等人的研究充分证明了铁死亡与顺铂肾毒性有关，即在顺铂所致的急性肾损伤（AKI）模型中，用Fer-1预处理显著降低了实验小鼠中血清尿素氮和肌酐水平，且证明了维生素D受体激动剂（VDR）是通过抑制铁死亡途径来减少顺铂所致的AKI^[15]。目前对铁死亡抑制剂在顺铂肾毒性和耳毒性发面的研究主要集中在Fer-1，是否其他抑制剂也有相同或类似效果还有待商榷。

1. 2. 铁死亡诱导剂协同顺铂增强其对癌细胞的细胞毒性

铁死亡激动剂可以促进肿瘤细胞铁死亡，缓解肿瘤细胞的顺铂耐药，协同顺铂增强对癌细胞的杀伤毒性，取得更好的化疗效果。目前应用较广泛的铁死亡诱导剂有胱氨酸/谷氨酸反向转运体(System Xc-)抑制剂(如Erastin、索拉菲尼)和GPX4抑制剂(如RSL3、青蒿琥脂)。研究报道，CDDP可诱导A549和HCT116细胞(Ras突变系细胞)发生铁死亡，主要是通过直接耗尽细胞内GSH来实现的。此外，当CDDP与Erastin一起作用时，Erastin增强了CDDP对癌细胞的毒性，表现出比单独使用更好的抗肿瘤效果^[17]。Liu等人发现，对顺铂耐药的骨肉瘤细胞在暴露于低剂量的顺铂时，ROS和LPO表达量明显减少，表明铁死亡程度下降了。但应用铁死亡激活剂可以重新激活细胞铁死亡路径，增强了顺铂对耐药癌细胞的细胞毒性^[18]。人卵巢耐药癌细胞只需用Erastin短暂预处理，体内胱氨酸摄取便会持续减少，从而剥夺细胞内GSH发生铁死亡。因此，在用CDDP等化疗药物对患者进行化疗前，可以预先给予低浓度Erastin等抑制Xc-系统药物，如此便可以与CDDP一起彻底清除耐药癌细胞^[19]。这种将铁死亡诱导剂用于恶性肿瘤顺铂化疗耐药，从而增强顺铂对肿瘤细胞的毒性，获得更好疗效的方法，可能为临床治疗肿瘤化疗耐药提供一个新策略。

1. 3. 其他类铁死亡调节剂在顺铂毒性方面的应用

近年来，有关诱导铁死亡的新型纳米材料设计和开发层出不穷，纳米材料凭借其稳定的物理化学性质，在肿瘤细胞化疗方面展现出巨大优势，多种纳米材料型铁死亡诱导剂如雨后春笋般涌现。研究者构建了顺铂装载的锰沉积的氧化铁纳米片（Pt-FMO），比铁更加显著催化了芬顿反应，最终使肿瘤细胞发生铁死亡，为癌症治疗提供新形式^[20]。也有用氧化铁纳米颗粒（IONP）作为胶质母细胞瘤患者的治疗，靶向GPX4和自动分泌CDDP，协同增强了CDDP对肿瘤细胞的细胞毒性，发挥强大的化疗作用^[21]。类似这种本身含有活化CDDP 的过氧化氢和或氧化酶的含铁金属复合物，结合高稳态和高生物相容性的纳米级透明质酸复合物也被用于治疗乳腺癌^[22]。这类应用铁死亡机制构建新型纳米颗粒协同分泌顺铂等化疗药物增强其细胞毒性来治疗恶性肿瘤的方式引起了越来越多的关注，这为许多难治性恶性肿瘤的治疗带来了新的曙光。

3. 结语

铁死亡作为一种新发现的细胞死亡方式被发现参与各种疾病发生发展，其形态变化和细胞自噬，焦亡，胀亡完全不同，表现为线粒体皱缩、变小，线粒体膜密度增加、线粒体嵴减少或消失。现有研究发现，铁死亡调节剂通过调控GSH、LPO、ROS、Fe的代谢水平来调节铁死亡。将铁死亡调节剂应用于顺铂毒性研究时，铁死亡抑制剂Fer-1可通过抑制Xc-系统减轻顺铂耳毒性和肾毒性，铁死亡诱导剂Erastin可协同顺铂增强其对癌细胞的细胞毒性，表现出更好的化疗效果。另外还发现新型纳米材料等类铁死亡诱导型调节剂可以应用于顺铂恶性肿瘤化疗耐药。仅当前的研究发现应用于顺铂毒性防治方面的铁死亡调节剂仍然还太少，临床选择也太局限。其具体作用机制尚不明晰，还需要进一步探究。

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