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【白血病·淋巴瘤】靶向铁稳态治疗白血病的策略转变：从铁螯合到铁过载诱导铁死亡

2022年10月13日

作者：郑湧智, 陈艳欣, 胡建达

来源：白血病·淋巴瘤

铁是生命不可缺少的元素，参与各种重要的生理活动。由于铁的潜在毒性，人体具有严格的铁代谢调节机制来维持体内铁稳态。铁代谢失调及过量铁积累与白血病的发生、发展密切相关。由于铁的促氧化性质及其对DNA的破坏作用，过量的铁会促进白血病的发展，而且白血病细胞比正常细胞需要获得更多的铁来维持快速生长和增殖，即"铁成瘾"。铁螯合剂可清除白血病细胞内的铁，诱导白血病细胞分化和凋亡。然而"铁成瘾"使得白血病细胞更易受铁过载影响，对一种铁离子介导的细胞死亡形式——铁死亡更加敏感。根据白血病细胞和正常细胞对铁的不同需求，通过铁过载来选择性杀死白血病细胞的方法有望成为白血病治疗的新策略，文章就靶向铁稳态治疗白血病的策略进行综述。

近年来，随着分子诊断的进展及治疗方案的优化，白血病的治愈率不断提高，但化疗耐药导致复发难治仍是治疗失败的主要原因。急性淋巴细胞白血病（ALL）耐药的机制极其复杂，既往研究多集中在促进化疗药物介导的肿瘤细胞凋亡，从而解决原发性和获得性凋亡抵抗。但由于凋亡通路存在极其完整的互补代偿机制，导致这方面的探索受到限制。因此，利用非凋亡性细胞死亡来清除耐药的肿瘤细胞成为研究新思路。铁死亡是一种区别于细胞凋亡和细胞坏死的程序性细胞死亡，这一过程依赖铁离子及活性氧诱导脂质过氧化物（LPO）堆积，由Dixon等首先提出。细胞铁代谢与铁死亡密切相关。研究表明，肿瘤细胞对铁的需求高于正常细胞，这种"铁成瘾"使得肿瘤细胞更易受铁过载和活性氧累积的影响。而诱导铁死亡药物对传统细胞毒药物耐药的细胞仍具有较好的敏感性，而且对正常细胞无毒性，因此靶向铁死亡可能成为一种治疗肿瘤耐药有前景的策略。文章阐述铁死亡的分子机制、白血病细胞铁代谢特点，对靶向铁稳态在白血病治疗中的研究进展进行综述。

铁死亡的分子机制

铁死亡主要原因是细胞内过量铁离子通过芬顿反应产生过量活性氧，而环吡酮胺（GPX）4的清除作用减弱，使得活性氧生成与降解的稳态失调。介导铁死亡的机制主要包括经典和非经典途径两种：经典途径通过抑制胱氨酸和（或）谷氨酸反向转运系统（system Xc-）-谷胱甘肽-GPX4轴，导致脂质活性氧积累引发细胞死亡；非经典途径是围绕线粒体和铁代谢直接或间接诱导铁死亡。此外，p53既可通过经典途径抑制system Xc-间接诱导铁死亡，又可通过非经典途径抑制二肽基肽酶4直接导致细胞铁死亡。2019年新发现了独立于system Xc--谷胱甘肽-GPX4轴的铁死亡信号通路，铁死亡抑制蛋白1抑制泛醌转化为泛醇，而后者可清除细胞内的氧自由基，从而抑制铁死亡。因此，造成细胞内铁代谢异常、谷胱甘肽耗竭和活性氧累积的各种分子和信号通路均可调控铁死亡，另外目前还发现多种化合物可诱导或抑制铁死亡发生（图1）。

图1 铁死亡的发生机制及调控因子（注：IFN-γ为干扰素γ；System Xc-为胱氨酸/谷氨酸反向转运系统；NRF2为核因子E2相关因子2；OTUB1为卵巢肿瘤结构域，泛素醛结合1；BAP1为BRCA1相关蛋白1；GLS为谷氨酰胺酶；OXPHOS为氧化磷酸化；HMG-CoA为β-羟-β-甲戊二酸单酰辅酶A；DFO为去铁胺；DFOM为去铁敏；CPX为环吡酮胺；ACC为乙酰辅酶A羧化酶；DPI为二苯基氯化碘盐；NADP为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸；NADPH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸；GSR为谷胱甘肽还原酶；GSH为还原型谷胱甘肽；GSSG为氧化型谷胱甘肽；GPX4为谷胱甘肽过氧化物酶4；MUFA-CoA为单不饱和脂肪酸辅酶A；ACSL为酰基辅酶A合成酶长链家族成员；PL-MUFA为磷脂-单不饱和脂肪酸；MDM2为鼠双微体2；MDMX为鼠双微体X；PPARα为过氧化物酶体增殖物激活受体α；BH4为四氢生物蝶呤；GCH1为三磷酸鸟苷环化水解酶1；PUFA为多不饱和脂肪酸；YAP为Yes相关蛋白；LPCAT3为溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3；POR为细胞色素p450氧化还原酶；LOX为脂氧合酶；PL-PUFA-OOH为含有磷脂的氧化多不饱和脂肪酸；FSP1为铁死亡抑制蛋白1）

白血病细胞的铁代谢特点

白血病细胞中铁代谢发生明显的改变，不仅包括细胞铁摄取、储存和流出的变化，还包括铁转运蛋白-铁调素调节轴的失调，这些均与白血病的发生、发展密切相关。此外，在整个化疗过程中多次输入红细胞可加重白血病患者的全身铁超载，引起活性氧累积，而后者会增加脱氧核糖核酸双链断裂和修复错误，促进造血干细胞的恶性转化。此外，铁超载通过触发邻近的自然杀伤细胞、CD4+ T细胞和CD8+ T细胞的凋亡，同时增加调节性T细胞比例，使白血病细胞免疫逃避。

靶向铁稳态治疗白血病的策略

急性白血病患者的铁代谢失调，导致白血病的发展和进展，因此研究者对靶向铁代谢的治疗方法进一步进行研究，包括铁螯合剂、靶向铁代谢相关蛋白和基于高细胞内铁水平诱导铁死亡（图2）。

图2 靶向白血病细胞铁代谢的治疗策略

铁螯合剂或靶向铁代谢相关蛋白的铁剥夺诱导白血病细胞分化、凋亡和细胞周期停滞。活性氧的产生参与了诱导细胞分化的过程。铁螯合剂还可通过铁独立调节多种信号通路或恢复移植物抗白血病效应（GVL）来发挥抗白血病作用。抗体依赖细胞介导的细胞毒性作用（ADCC）还参与了靶向铁代谢相关蛋白的抗白血病作用。铁代谢相关的蛋白靶向给药系统或铁基纳米粒子可以选择性地将治疗剂输送到白血病细胞中，以增强抗白血病活性。此外，铁基纳米粒子提高了铁催化的活性氧水平，导致细胞毒性增加。铁沉积诱导剂扰乱基于细胞内高水平铁的氧化还原平衡，从而在白血病细胞中诱导铁沉积。

通过铁螯合等消耗细胞内铁策略抗白血病

自20世纪90年代初以来，铁螯合剂和调节铁代谢相关蛋白（如TFR1）显示出一定的抗白血病疗效。铁螯合剂（如去铁胺）通过降低不稳定铁池（LIP），阻碍活性氧的产生和抑制铁依赖性酶（如核糖核苷酸还原酶），发挥抗白血病活性。另外，体外实验显示，铁螯合剂能使白血病细胞对常规化疗药物（如阿糖胞苷）或去甲基化药物（如地西他滨）的敏感性增加，但也有研究显示出矛盾的结果。白血病治疗中常用铁螯合剂及其作用机制见表1。

表1白血病治疗中常用的铁螯合剂及其作用机制

除了铁螯合剂，细胞内铁的消耗可以通过靶向铁代谢相关蛋白来实现。作为一种对细胞铁摄取至关重要的受体，转铁蛋白受体（TFR）可消耗白血病细胞内铁。抑制性和非抑制性抗TFR单克隆抗体均可导致转铁蛋白结合位点减少，并随后抑制转铁蛋白摄取，从而通过缺铁抑制白血病细胞的生长。A24是一种针对TFR1的单克隆抗体，竞争性地抑制转铁蛋白与TFR1的结合，并在受体被降解的溶酶体区室中诱导TFR1内吞作用，可通过消耗细胞内铁来抑制白血病细胞的增殖并诱导其分化。除了细胞内铁的缺乏，抗人TFR1单克隆抗体JST-TFR09通过直接细胞毒性作用和ADCC表现出双活性。但TFR不只在白血病细胞中特异性表达，它也在多种正常组织（如红细胞）中表达，因此反复使用抗TFR抗体可能导致贫血，这就限制了其在临床中的应用。

通过铁过载诱导铁死亡逆转血液肿瘤化疗耐药

尽管铁螯合剂可作为白血病抗肿瘤策略，但近年来更多研究显示，通过增加铁过载诱导铁死亡，从而逆转肿瘤耐药性可能是更优的策略。因此增加癌细胞LIP，可能会克服肿瘤细胞重塑的抗氧化防御，从而诱导铁死亡。铁死亡关键调节因子GPX的转录水平与急性髓系白血病（AML）预后差有关，并与氧化应激反应、炎症和免疫应答相关。铁死亡诱导剂（如erastin）可通过诱导铁死亡，增强RAS突变的髓系白血病细胞株HL60对常规化疗药物（如阿糖胞苷或多柔比星）的敏感性，其机制可能与高迁移率族蛋白B1胞质易位、RAS-JNK-p38途径和TfR1上调有关。酪啡肽是蒲黄花粉提取物中的主要黄酮类化合物，作用于AML细胞后，通过促进AMP激活蛋白激酶信号的激活，触发AML细胞自噬，使铁蛋白降解、活性氧积累，同时伴有线粒体功能障碍，最终导致细胞铁死亡，从而防止AML的进展。Probst等使用RSL3处理ALL细胞株，可导致细胞死亡，加入脂质过氧化抑制剂Fer-1或脂氧合酶后可抑制这种细胞死亡，且铁螯合剂去铁胺可逆转RSL3触发的细胞死亡，这些结果表明ALL细胞对RSL3诱导的铁死亡敏感。Sagasser等研究报道，铁-萨洛芬复合物通过铁死亡或坏死显示出体外抗白血病特性。ferumoxytol（feraheme）是一种美国食品药品管理局（FDA）批准的用于治疗慢性肾病患者缺铁的静脉注射铁纳米颗粒，在体外和带有低膜铁转运蛋白（FPN）表达白血病细胞的小鼠模型中显示了抗白血病作用。铁死亡诱导剂索拉非尼已被临床批准用于治疗伴FLT3-ITD突变AML，其机制可能与诱导AML细胞铁死亡有关。以上研究结果均显示，靶向铁死亡在白血病，尤其是耐药复发难治白血病治疗中的巨大前景。

然而，目前主要集中在基础实验阶段，仍有许多问题亟待解决，铁死亡的生物学功能包括哪些？为什么在进化上保守？临床上如何快速检测铁死亡水平？如在临床前和临床癌症环境中，铁死亡诱导的特异性是什么？如何控制潜在的不良影响？基因突变谱在多大程度上影响对铁死亡的敏感性？如何利用表观基因组编辑使白血病细胞对铁死亡诱导剂更加敏感？

小结

由于白血病细胞存在"铁成瘾"，靶向铁死亡成为有前景的抗白血病策略之一。许多研究表明，通过调节铁死亡诱导因子水平、细胞内活性氧产生和消亡的平衡以及调控铁代谢稳态能增加白血病细胞对铁死亡的敏感性，从而达到杀死白血病细胞的作用。但靶向铁死亡调节剂的化合物在临床前和临床环境中是否具有高特异性和引起最小的不良反应，以及哪种肿瘤更倾向于被诱发铁死亡仍有待阐明。总之，对肿瘤发生机制和铁死亡在肿瘤中作用的深入理解将为肿瘤的诊断和治疗干预创造新的机会，然而铁死亡在血液肿瘤中的研究仍处于起步阶段，尚不成熟，需要进一步的体外实验验证铁死亡对血液肿瘤细胞的作用及机制，期望将来能有更多相关研究，为血液系统肿瘤的治疗提供新思路。

参考文献

郑湧智, 陈艳欣, 胡建达. 靶向铁稳态治疗白血病的策略转变：从铁螯合到铁过载诱导铁死亡 [J] . 白血病·淋巴瘤, 2022, 31(7) : 441-444. DOI: 10.3760/cma.j.cn115356-20210512-00116.

排版编辑：Luna