¹青海大学研究生院，青海 西宁

²青海大学附属医院肝胆胰外科，青海 西宁

收稿日期：2023年11月27日；录用日期：2023年12月21日；发布日期：2023年12月27日

摘要

铁死亡是指通过铁过载产生活性氧，使脂质、核酸和蛋白质受到损坏最终导致细胞程序性死亡的过程，作为一种新型的调节性细胞死亡(RCD)模式，近年来受到许多关注。肝细胞癌(hepatocellutar carcinoma, HCC)是世界范围内的预后相对较差的恶性肿瘤之一，我国又是肝癌高发国。近年来有研究发现HCC细胞与正常细胞存在更多的生理性差异，并且发现这些差异都是参与铁死亡的关键调控因素，可见铁死亡过程是影响HCC的发生与发展的重要因素。本文汇总近年来铁死亡发生机制及其在HCC中的作用研究进展，并发散思维，试图为HCC的治疗探索新的干预靶点。

关键词

铁死亡，肝细胞癌，铁离子代谢，脂质代谢，氨基酸代谢，过氧化，LYRM4

Research Progress on the Mechanism of Ferroptosis in Hepatocellular Carcinoma

Wenhao Ma^1,2, Ying Zhou²

¹Graduate School of Qinghai University, Xining Qinghai

²Department of Hepatobiliary and Pancreatic Surgery, The Affiliated Hospital of Qinghai University, Xining Qinghai

Received: Nov. 27^th, 2023; accepted: Dec. 21^st, 2023; published: Dec. 27^th, 2023

ABSTRACT

Ferroptosis is a newly identified iron dependent regulatory cell death (RCD) mode, relies on reactive oxygen species produced by iron overload to damage lipids, nucleic acids, and proteins, resulting in programmed cell death. Hepatocellular carcinoma (HCC) is recognized as one of the most malignant tumors with high degree of malignancy and relatively poor prognosis. Recent studies have found that intracellular iron metabolism disorder, lipid peroxide accumulation, and amino acid antioxidant system imbalance are all physiological differences between HCC cells and normal cells, and these differences are key regulatory factors of iron death, so iron death plays an important role in the occurrence and development of HCC. This article reviews the mechanism of iron death and its role in HCC, in an attempt to explore new intervention targets for the treatment of HCC.

Keywords:Ferroptosis, Hepatocellular Carcinoma, Iron Metabolism, Lipid Metabolism, Aminoacid Metabolism, Peroxidation, LYRM4

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1. 铁死亡的发现及研究现状

1.1. 铁死亡的发现

铁死亡(ferroptosis)机制的发现最早可以追溯到2003年，有研究者发现NSC146109对RAS突变的肿瘤细胞有选择性致死作用。后来又有研究者进一步通过高通量小分子筛选，鉴定出了铁死亡诱导剂RAS 合成致死分子3 (RAS-selective lethal small molecule 3, RSL3)和RSL5 [1] 。2012年有研究者首次提出“铁依赖性调节细胞死亡形式”这一描述来定义铁死亡，指出细胞内脂质活性氧(eactive oxygen species, ROS)的过度积累和谷胱甘肽过氧化物酶4 (glutathione peroxidase 4, GPX4)的铁依赖性消耗和过度失活是铁死亡的特征，认为这是一种新型的细胞死亡形式，与传统的细胞凋亡、坏死等概念在生化学、形态学及遗传学方面均不同。该机制与细胞内ROS水平增高密切相关，并且可被铁螯合剂在一定程度上阻断 [2] 。至此，人们将这种铁依赖性、非凋亡形式的调节性细胞死亡称为“铁死亡” [3] 。

1.2. 铁死亡的研究现状

作为一种新发现的细胞死亡形式，10余年来铁死亡的生物学过程、介导途径、调控机制、免疫学特征、诱导剂与抑制剂等方面均已取得长足发展。然而其详细的信号通路和关键的转录调控因子仍然有待进一步探索。除此之外，因为铁死亡机制在癌症的治疗方面有很大的潜在机遇，所以在肿瘤细胞的转移、自噬和耐药等方面的进一步机制研究成为了近年来的热门方向 [4] 。

2. 铁死亡相关机制

2.1. 铁死亡生物学过程

目前研究发现，铁死亡主要与人体中的铁、脂质、氨基酸和谷胱甘肽代谢有关 [5] 。

2.1.1. 铁代谢

有流行病学证据显示摄取铁占比过高的人群肝细胞癌发病的风险增加。生理情况下人体摄入Fe³⁺后会在肠道内经铁还原酶还原成为Fe²⁺便于吸收，进入小肠上皮细胞(IEC)后膜铁转运蛋白1 (FPN1)会把Fe²⁺转运毛细至血管中，并在血管中再次转化为Fe³⁺，与转铁蛋白(TF)嵌合成复合物完成运输，到达目的地后细胞膜外侧的转铁蛋白受体1 (TFR1)与TF-Fe³⁺结合以摄取铁 [6] 。在细胞内铁离子含量过多或抗氧化能力不足时，Fe²⁺会发生芬顿反应(Fenton反应)，该反应会使脂质过氧化物(Lipidperoxide, L-OOH)，产出大量的羟自由基(OH-)，羟自由基可以介导氧化应激反应，进一步大量产生ROS，ROS一旦大量累积，若不能及时清除，就会氧化损伤DNA、蛋白质和细胞膜，最终引发细胞铁死亡 [7] 。

2.1.2. 脂质代谢

有研究显 [8] 不饱和脂肪酸(PUFAs)水平是铁死亡调控的重要一环，脂肪酸合成过程中的许多调控因子同时也都是铁死亡的调控因子。磷脂胆碱酰基转移酶3 (LPCAT3)及酰基辅酶A合成酶长链家族成员4 (ACSL4)是氧化细胞膜磷脂质的生成的中间一环，在这个环节中，花生四烯酸(AA)被ACSL4激活合成PUFAs。在缺乏CoA的情况下，脂质过氧化反应的底物会大量减少，铁死亡的进程将被延缓。磷脂酰乙醇胺(Pes)与PUFAs相关，是铁死亡过程中的一个重要的反应底物。另外有研究显示，抑制ACSL4、LPCAT3、15-LOX均抑制铁死亡。

2.1.3. 氨基酸和谷胱甘肽代谢

人体细胞中有一种重要的抗氧化系统，胱氨酸/谷氨酸转运体(system Xc-)。GPX4与还原型谷胱甘肽共同发挥作用，使H₂O₂和L-OOH反应生成水和醇类，可以抑制自由基的生成，通过这种方法进一步抑制ROS的生成。可以预想到，system Xc-及GPX4可能会成为铁死亡调控机制中的重要靶点 [9] 。

2.2. 铁死亡的诱导剂与抑制剂

铁死亡的诱导剂包括间接抑制GPX4的system Xc-抑制剂，如Erastin、Sulfasalazine、Sorafenib和L-glutamate，直接抑制GPX4 的RSL3、ML162 (molecular libraries 162)、altretamine和FIN56等，以及铁死亡抑制蛋白1 (FSP1)。铁死亡抑制剂包括抑制ROS的ferrostatin-1 (Fer-1)，抑制Fenton反应的去铁胺(deferoxamine, DFO)，激活system Xc-的β-巯基乙醇和细胞内铁螯合剂环匹罗司。除了上述诱导剂与抑制剂，酰基辅酶A合成酶长链家族成员4 (ACSL4)、溶血磷脂酰胆碱酰基转酶3 (LPCAT3)、LOXs等也在铁死亡的过程中催化PUFAs发生双加氧反应，参与了GPX4失活诱导的铁死亡 [10] 。

3. 肝细胞癌的分子机制研究现状

肝细胞癌是一种世界范围内流行的恶性肿瘤疾病，我国是肝细胞癌高发国家，肝细胞癌的早期发现与早期治疗是我国保障人民生命安全的重要举措之一 [11] 。肝细胞癌的发生及发展是多阶段的，其病因与详细发病机制尚待进一步研究，目前已明确的是该病是多基因变异及多因素共同作用的结果。大量研究表明，肝细胞癌的发生及发展与多种基因和蛋白的异常表达有密切关系，研究其相关分子机制对其诊断与药物治疗上具有重大意义 [12] 。

3.1. VEGF/Ang2-RTK-PI-3K-AKT-mTOR/NF-κB/MDM2信号通路

有研究认为HCC是一种血管性肿瘤，即肿瘤的侵袭、转移及进展很大程度上依赖肿瘤血管的形成。肝癌组织缺氧可促进VEGF及Ang2高表达，肝癌及肝硬化患者的VEGF及Ang2水平升高可激活RTK-PI-3K-AKT通路，从而导致血管生成及内皮细胞增殖、迁移 [13] 。

3.2. HGF-c-Met信号通路

有研究发现在c-Met前体蛋白(pro-Met)肝癌细胞中转变为自活化体p190MetNC而无法转变为正常的c-Met蛋白(p190Metαβ)。p190MetNC可独立持续激活PI-3K、p38-MAPK通路以促进肝癌组织血管形成及细胞增殖、转移。HGF刺激引起的c-Met通路激活增强了肝癌细胞的自我更新能力和干细胞样特征，使细胞中的某些干细胞相关基因表达升高，并且上调了肝癌细胞中肝癌干细胞(LCSCs)的比例 [14] 。

3.3. EGF/PDGF-RTK-Ras-Raf-MAPK

目前普遍认为Ras/MAPK信号转导通路对HCC的发展起着关键作用，有50%~100% HCC患者该通路活化。

3.4. IL-6-JAK2-STAT3信号通路

白细胞介素-6 (IL-6)在肝癌组织中的高水平表达与基因OCT4/NANOG的高表达显著相关。IL-6基因敲除可降低致癌剂DEN诱导肿瘤生成的能力。

3.5. Wnt/β-catenin信号通路

有研究发现30%~70%HCC患者中存在β-catenin细胞质内聚集及核内转移。有证据显示沉默β-catenin基因可能会引起细胞周期和cyclin B1、C蛋白质的表达下调。

3.6. Hippo信号通路

Hippo信号通路中的关键效应因子是YAP，Mst1/2 (蛋白激酶)与辅助因子Sav1结合，磷酸化并激活抑癌蛋白Lats1/2。活化的Lats1/2再磷酸化YAP，磷酸化的YAP会滞留在细胞质。当Hippo信号通路受到抑制时，非磷酸化的YAP能够从细胞质进入细胞核，激活细胞增生与抗凋亡相关基因的转录。在肝脏中，YAP能够促进HCC的发生和转移。

3.7. Hedgehog信号通路

Hedgehog信号通路参与早期胚胎发育时机体对称性和极性的形成。该通路生理情况下大部分时候处于静息状态，但在HCC中则会出现Hedgehog通路异常激活。若使用Hedgehog阻断抗体阻断通路可以使3株HCCs细胞周期阻滞于G0/G1期，并诱导肝癌细胞凋亡。

3.8. 磷脂酰肌醇蛋白聚糖(glypican-3, GPC-3)信号通路

GPC-3是一种蛋白聚糖，被认为可能通过Wnt/β-catenin信号通路参与HCC的发展。研究表明GPC-3在健康人、肝硬化、肝炎患者血清中无表达或低表达，仅在HCC患者血清中高表达，有研究发现GPC-3增加了SK-Hep-1肝癌细胞的迁移及侵袭能力。可以预见，在近年来寻找替代AFP的更敏感更特异的肝癌标记物趋势中GPC-3值得获得更多关注。

3.9. Notch信号通路

Notch信号通路通过2种机制参与肝癌细胞的转移：1) 通过调控细胞骨架蛋白Fascin-1来改变肝癌细胞的骨架结构使得胞膜表面的突起增多，增强肝癌细胞的运动能力并降低细胞的黏附性，导致肿瘤细胞的侵袭力增强。2) 通过调控COX-2/PGE2/Snail/E-cadherin通路来参与肝癌细胞的迁移过程：上皮钙黏蛋白(E-cadherin)是一种Ca²⁺依赖性跨膜糖蛋白，是胞间黏附的主要作用蛋白。Notch信号通路可以抑制E-cadherin的表达从而降低胞间黏附以增强肿瘤细胞侵袭力 [15] 。

4. 铁死亡在肝细胞癌中的研究现状

4.1. p62-Keap1-Nrf2通路调节铁死亡

该通路在对HCC细胞铁死亡进程有着重要作用。Nrf2是抗氧化反应的关键调节部分。在未激活时Keap1及Nrf2在细胞质中发生反应使Nrf2被降解。当氧化反应时，p62会激活Nrf2同时抑制Keap1，加强铁蛋白重链1 (FTH1)在肝癌细胞中储存和运输Fe²⁺，铁死亡过程受到抑制。临床实验上已有用药物诱导Nrf2激活，同时调节HCC细胞的基本氧化还原状态的案例，成功减轻了肝细胞癌对肝细胞破坏。在HCC治疗的探索上该通路显得尤为重要 [16] 。

4.2. p53信号通路调控铁死亡

p53是最近几年来成为了肿瘤免疫治疗探索中最炙手可热的抑癌基因之一。目前已经发现该通路是通过诱发细胞凋亡来抑制HCC的。P53基因可抑制二肽基-肽酶-4 (DPP4)活性来阻断铁死亡。也可通过促进细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子1A(CD-KN1A/p21)高表达来抑制铁死亡。此外，还有实验发现p53基因突变的小鼠易发生癌变。

4.3. 重组人CDGSH铁硫结构域1 (CISD1)调控铁死亡

铁死亡过程中线粒体会发生一定的形态变化。CISD1位于外线粒体膜的一种内含铁离子的蛋白质，发挥负调控铁死亡的作用。而铁硫簇是CISD1的重要组成部分，可以抑制线粒体摄取铁离子、抑制脂质过氧化，通过这种方式避免铁死亡发生。其中LYRM4基因发挥了重要的作用。这些证实了CISD1可预防HCC患者线粒体损伤，说明靶向抑制CISD1来诱导铁死亡具有可行性，可成为治疗HCC新的导向。

4.4. 金属硫蛋白1(MT-1G)调控铁死亡

MT-1G是一种新型的可监测HCC预后的手段。其对铁死亡为负性调控作用，是索拉非尼的耐药靶点。该调控因子会增强肝癌细胞对索拉非尼的耐药性，致使预后不佳。接受索拉非尼治疗的HCC患者血清中，如MT-1G高表达，则预示着预后较差，总生存率降低。可以设法通过降低MT-1G水平以耗竭GSH、增加脂质过氧化，并协同索拉非尼来促进肿瘤细胞铁死亡发生，改善预后。

4.5. HCC细胞脂质代谢调控铁死亡

ACSL4参与的脂类合成和能量代谢也是肿瘤铁死亡进程中的重要一环，脂质代谢紊乱失调可推进铁死亡的发展。目前认为ACSL4有可能成为铁蛋白酶活性检测的潜在靶点。下调对铁死亡起正调控作用的ACSL4因子对Erastin所致HepG2细胞的铁死亡有抑制作用，并与之所介导5-羟基二十碳四烯酸(5-HETE)脂肪毒性发生有关。这种脂毒性可通过脂质中间体累积引起细胞死亡及炎症反应。低密度脂蛋白二十二碳六烯酸(LDL-DHA)有抗肿瘤的效果，这种效果也是通过铁死亡过程实现的。在LDL-DHA的作用下，肝癌细胞会发生GPX4蛋白失活、Lipid-OOH积聚、G-SH耗竭等现象。LDL-DHA还可以直接降解GPX4，消耗细胞中的GSH。但是目前LDL-DHA介导铁死亡的详细机制尚不明确，可能成为下一个研究热点方向。

5. 总结与展望

铁死亡作为新发现的细胞死亡形式，近年来成为一个火热的研究方向。目前在其机制方面已经有了基本的研究，但在临床转化方面尚未有明朗的局势，在与凋亡、坏死、自噬等其他细胞死亡形式和铁死亡的分子转换机制方面亟需进一步的探索我们发现铁死亡既可以被一些方法诱导，也可以被一些手段监测，这提示我们可能在临床上利用铁死亡来诊断、监测HCC，因此对铁死亡在HCC中的作用进行深度研究和总结对研究HCC的新型治疗靶点与策略具有重大意义。针对该领域的深入研究有助于我们从一种新的方向理解HCC发病机制，并为临床利用铁死亡调控治疗HCC提供潜在可能性 [17] 。

文章引用

马文豪,周 瀛. 铁死亡机制在肝细胞癌中的研究进展
Research Progress on the Mechanism of Ferroptosis in Hepatocellular Carcinoma[J]. 临床医学进展, 2023, 13(12): 19967-19972. https://doi.org/10.12677/ACM.2023.13122812

参考文献