综述：铁死亡的新兴机制洞察—癌症治疗的新调节剂

《Cell Biology and Toxicology》：Insights into emerging mechanisms of ferroptosis: new regulators for cancer therapeutics

该综述聚焦铁死亡（Ferroptosis）机制，探讨其在癌症治疗中的应用及中药成分的作用。

　　

### 铁死亡概述
“铁死亡” 概念于 2012 年提出，用于描述小分子铁死亡诱导剂埃拉司丁（Erastin）的抗癌作用，它选择性地根除大鼠肉瘤（RAS）突变的恶性细胞。当细胞内铁稳态和脂质活性氧（ROS）积累达到临界阈值，即铁死亡诱导剂超过抗氧化防御的调节阈值时，铁死亡就会发生。

在铁死亡过程中，细胞内的许多细胞器会发生变化。线粒体在铁死亡时进行结构重塑，内膜密度异常升高，外膜通透性改变，嵴结构解体。氧化磷酸化过程中会积累大量铁离子（Fe²⁺），线粒体产生的 ROS 不仅会诱导线粒体结构损伤，还会破坏细胞氧化还原稳态，促进铁死亡发生。

溶酶体是细胞内铁的储存库，可触发铁死亡。溶酶体膜电位升高是溶酶体依赖性细胞死亡的主要信号事件，铁死亡涉及溶酶体组织蛋白酶 B（CTSB）的释放，CTSB 可通过两种途径诱导铁死亡，一是转运至细胞核导致 DNA 损伤，二是调节溶酶体内铁水平或一氧化氮的产生。

内质网（ER）是脂质过氧化的重要部位，负责细胞内蛋白质合成、加工和脂质分泌。当内质网蛋白质折叠机制不堪重负时，会引发内质网应激，触发未折叠蛋白反应。许多内质网蛋白，如硬脂酰辅酶 A 去饱和酶（SCD）和同型半胱氨酸诱导的内质网蛋白含泛素样结构域 1（HERPUD1），可调节铁死亡敏感性。

过氧化物酶体可通过一氧化氮合酶（iNOS）等促氧化酶产生活性 ROS，还能生成反应性氮（RNS）。过氧化物酶体介导的脂质合成，尤其是醚脂质过氧化，是驱动铁死亡的主要机制之一，通过合成多不饱和醚磷脂（PUFA-ePLs）作为脂质过氧化的底物诱导铁死亡。

高尔基体是细胞分泌物最终加工和包装的场所，高尔基体应激与铁死亡密切相关，高尔基体应激诱导剂可诱导铁死亡，而溶质载体家族 7 成员 11 基因（SLC7A11）、GPX4 的过表达或酰基辅酶 A 合成酶长链家族成员 4（ACSL4）的敲除可逆转这一效应。这些细胞器相互作用，共同调节铁死亡过程。

铁死亡相关通路及机制

根据激活机制不同，铁死亡可分为外源性和内源性过程。外源性途径依赖多种转运体的激活，如胱氨酸和谷氨酸反向转运体（System X_c^-）的抑制和乳铁蛋白的参与；内源性机制则主要由阻断细胞内抗氧化酶如 GPX4 引发。这两条途径协同作用，使细胞内铁和 ROS 积累达到致死剂量，触发铁死亡。

铁死亡的机制主要包括以下三个方面：

• SLC7A11/GPX4 通路（System X_c^-途径）：GPX4 利用谷胱甘肽（GSH）依赖的催化机制，将脂质氢过氧化物中的过氧化物键（-O–O-）还原为羟基（-OH），中和其氧化活性。跨膜蛋白复合物 SLC7A11/SLC3A2（System X_c^-）作为胱氨酸 - 谷氨酸反向转运体，介导细胞外胱氨酸的摄入与细胞内谷氨酸的输出。细胞内胱氨酸被还原酶还原为半胱氨酸，进而合成 GSH，GSH 是 GPX4 的还原辅因子。抑制 System X_c^-会抑制 GSH 的合成，降低 GPX4 活性，削弱细胞抗氧化能力，促进铁死亡。

• 脂质代谢调节机制：芬顿反应是细胞内氧化应激的核心机制，通过不稳定铁参与产生羟基自由基（?OH），引发脂质自由基形成。脂氧合酶（LOX），如花生四烯酸 15 - 脂氧合酶（ALOX15），可催化含多不饱和脂肪酸的磷脂（PUFA-PL）氧化为磷脂氢过氧化物（PUFA-OOH），促进铁死亡。在 LOX 和芬顿反应的催化下，细胞内 PUFA 发生氧化，产生 ROS。PUFA 衍生的脂质过氧化物的积累是铁死亡的关键触发因素。ACSL4 和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3（LPCAT3）介导 PUFA 掺入膜磷脂的关键步骤，ACSL4 将游离 PUFA 连接到辅酶 A（CoA）上生成 PUFA-CoA，PUFA-CoA 再通过 LPCAT3 生成 PUFA-PL。PUFA-OOH 生成后，GPX4 失活导致 PUFA-OOH 积累，引发脂质过氧化链式反应，最终驱动铁死亡发生。最新研究还发现，PC-PUFA2s 可能是调节铁死亡的潜在诊断和治疗靶点。

• 铁代谢调节途径：细胞外三价铁（Fe³⁺）与转铁蛋白（TF）结合形成 TF-[Fe³⁺]₂-TF 复合物，通过转铁蛋白受体（TFR）介导的内吞作用进入细胞。在微酸性的肿瘤微环境（TME）中，六跨膜前列腺上皮抗原 3（STEAP3）将 Fe³⁺还原为 Fe²⁺，Fe²⁺通过二价金属转运体 1（DMT1）转运到细胞质的不稳定铁池（LIP）中。在 GPX4 失活的情况下，LIP 中的 Fe²⁺过载会触发芬顿反应衍生的 ROS，通过 PUFA-OOH 引发脂质过氧化链式反应，最终导致铁死亡。

铁死亡的发生并非依赖单一途径，这三条相互关联的途径导致细胞内 ROS 和 Fe²⁺异常积累，最终引发铁死亡。

铁死亡的调节途径

许多途径会影响细胞对铁死亡的反应。硫醇依赖的氧化还原途径中，细胞内 GSH 和硫氧还蛋白（TXN）是两个关键的含硫抗氧化系统，同时抑制这两个途径可促使癌细胞发生铁死亡。甲羟戊酸（MVA）途径调节细胞内硒蛋白的生物合成，在硒蛋白 GPX4 的合成中，硒代半胱氨酸（Sec）必须插入其催化中心才能发挥抗氧化活性，抑制 GPX4 活性会导致脂质 ROS 积累。此外，失活 System X_c^-可诱导线粒体膜电位超极化，损害 ROS 清除能力，导致线粒体呼吸功能障碍，使细胞更易发生铁死亡，PUFA 的生成或水解也会影响细胞对铁死亡的敏感性。

常见的铁死亡抑制剂和诱导剂

在铁死亡研究中，针对不同途径的诱导剂和抑制剂是重要工具。目前，铁死亡抑制剂大多处于体外研究阶段，应用于抗肿瘤治疗的较少。常见的铁死亡抑制剂包括罗格列酮和吡格列酮，它们是过氧化物酶体增殖物激活受体 γ（PPARγ）激动剂，通过激活 PPARγ 间接抑制 ACSL4 的表达，降低膜磷脂中 PUFA 的含量，降低细胞对铁死亡的敏感性，对乳腺癌等多种癌症有抑制作用；齐留通可抑制 LOX 活性，氮氧化物如吩恶嗪 - N - 氧基（PHOXNO）可阻断芬顿反应，抑制 ROS 生成，从而抑制铁死亡。

铁死亡诱导剂根据作用靶点可分为四类：

• 靶向 System X_c^-：埃拉司丁和索拉非尼等通过与 SLC7A11/SLC3A2 复合物结合，影响胱氨酸的获取，诱导铁死亡。埃拉司丁还可通过激活 Nrf2 / 血红素加氧酶 1（HO-1）途径诱导宫颈癌细胞内 ROS 积累，触发铁死亡；索拉非尼通过抑制乙肝病毒 X 相互作用蛋白（HBXIP）/SCD 轴在肝癌细胞中触发铁死亡，已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗晚期癌症。治疗类风湿关节炎的药物柳氮磺胺吡啶（SAS）和金诺芬可增加细胞内 Fe²⁺和 ROS 水平，在具有 v-myc 禽髓细胞瘤病毒癌基因神经母细胞瘤衍生同源物（MYCN）扩增的神经母细胞瘤中诱导铁死亡。

• 靶向 GPX4：如 RSL3 可增加 ROS 水平和 TFR 表达，降低 GPX4 表达；ML162 也是典型的 GPX4 抑制剂，可诱导 ROS 快速积累。但近期研究表明，RSL3 和 ML162 并非直接抑制 GPX4，而是作为硫氧还蛋白还原酶 1（TXNRD1）的直接抑制剂，目前它们主要作为研究铁死亡机制的工具药，处于临床前研究阶段。

• 靶向辅酶 Q10（CoQ10）的消耗：iFSP1 可作为铁死亡抑制蛋白 1（FSP1）的抑制剂，减少 CoQ10 的生成，增加免疫浸润；他汀类药物可抑制 3 - 羟基 - 3 - 甲基戊二酰辅酶 A（HMGR）还原酶，阻碍甲羟戊酸途径中异戊烯焦磷酸（IPP）的生成，进而阻碍 GPX4 和 CoQ10 等硒蛋白的生物合成。例如，辛伐他汀通过抑制 HMGR 表达，破坏 MVA 途径，下调 GPX4，诱导三阴性乳腺癌细胞发生铁死亡。

• 靶向游离 Fe²⁺或过量 PUFA：FINO2 可间接抑制 GPX4 的功能，直接氧化铁，最终通过多种途径引起广泛的脂质过氧化，引发铁死亡。

天然产物衍生的铁死亡调节剂

中药在癌症辅助治疗中应用广泛，可增强化疗反应，克服耐药性，还在免疫调节方面发挥重要作用。目前发现许多从中药中提取的天然化合物可通过调节铁死亡抑制肿瘤发展。这些天然化合物根据结构特征可分为萜类、黄酮类和其他类。

• 萜类：乌头碱（AC）主要来源于中药乌头，是一种二酯二萜生物碱，具有镇痛、抗癌等作用，但对心脏和神经系统有害。AC 可通过 SLC7A11/GPX4 信号通路导致 GSH 耗竭、ROS 积累，诱导铁死亡，还可干扰细胞内铁稳态，抑制细胞生长。穿心莲内酯（AD）来源于穿心莲，具有抗炎、抗病毒、抗肿瘤等特性。AD 可上调铁死亡相关基因的表达，在多发性骨髓瘤细胞中，通过刺激 P38 和阻断 P38/Nrf2/HO-1 途径诱导铁死亡，还可促进非小细胞肺癌细胞发生铁死亡，抑制其生长和扩散。Arnicolide D（ARD）是从鹅不食草中提取的倍半萜内酯，可诱导结肠癌细胞周期停滞，通过增加细胞内 ROS 水平、降低 NF-κB 蛋白水平抑制其活性，还可通过下调 GPX4 表达，增加 Fe²⁺和丙二醛（MDA）积累，诱导铁死亡，发挥抗肿瘤作用。青蒿素（ART）是从青蒿中提取的倍半萜内酯内过氧化物，其及其半合成衍生物在癌症和疟疾治疗中具有重要作用。青蒿琥酯可通过抑制 Nrf2-ARE 途径诱导肝纤维化组织中活化的肝星状细胞（HSCs）发生铁死亡，减轻肝纤维化；双氢青蒿素（DHA）可增强人纤维肉瘤细胞对铁死亡的敏感性，在胶质瘤细胞中通过 PERK/ATF4/HSPA5 途径调节铁死亡。Curcumenol（CUR）是从莪术挥发油中分离出的抗癌双环倍半萜，由于水溶性差，生物利用度有待提高。CUR 可通过下调长链非编码 RNA H19（lncRNA H19）的表达，降低 FTH1 的转录活性，减少 GPX4 的表达，使 ROS 和 Fe²⁺异常积累，通过 lncRNA H19/miR-19b-3p/FTH1 途径诱导铁死亡，发挥抗癌作用。雷公藤甲素（TPL）是雷公藤的主要活性成分，属于环氧二萜内酯化合物，具有免疫调节、抗肿瘤等功能，但存在严重副作用。TPL 可刺激脂质过氧化，积累过量铁，降低 GSH 水平，抑制 Nrf2/HO-1 途径或直接结合 SLC7A11 下调 SLC7A11/GPX4 轴，诱导铁死亡。GSDME 基因敲除可抑制 TPL 介导的恶性细胞毒性，为减轻治疗相关并发症提供了新的治疗范式。熊果酸（UA）和齐墩果酸（OA）是天然的五环三萜类化合物，具有抗炎和抗癌功能，还可作为化妆品原料。它们是中华猕猴桃（ACP）的主要抗肿瘤成分，通过降低 GPX4 和 SLC7A11 的表达，促进 ROS 生成，诱导铁死亡，抑制胃癌细胞的增殖和迁移。

• 黄酮类：芹菜素（API）是一种生物黄酮成分，存在于多种植物和草药中，具有抗肿瘤作用，可调节多种信号通路影响细胞凋亡、自噬、坏死和铁死亡。API 可抑制 NCI-H929 细胞增殖，导致 ROS 水平升高、GSH 消耗、p62、HO-1 和铁蛋白表达增加，关闭 SLC7A11 和 GPX4，诱导铁死亡；在癫痫脑的荧光成像中，API 可减轻髓过氧化物酶（MPO）介导的氧化应激，抑制神经元细胞的铁死亡。黄芩苷（BA）主要来源于黄芩根，是一种黄酮类化合物，具有抗炎、抗菌等功能。BA 可通过上调 GPX4、下调转铁蛋白受体 1（TFR1），抑制细胞内 ROS 积累和铁过载，抑制 RSL3 诱导的黑色素细胞铁死亡；还可通过调节 GPX4-ACSL3/ACSL4 轴抑制铁死亡，减轻心肌缺血 / 再灌注损伤。藤黄酸（GNA）是藤黄属植物中的黄酮类化合物，具有很强的抗癌和抗炎活性，可抑制肺癌血管生成。GNA 可通过促进 p53 的表达，抑制 SLC7A11 和 GPX4 的活性，使黑色素瘤细胞发生铁死亡；在骨肉瘤中，通过调节不稳定 LIP 改变铁代谢，导致 GSH 耗竭、ROS 生成和脂质过氧化，诱导铁死亡和细胞凋亡；还可抑制膀胱肿瘤细胞的生长和转移。山奈酚（KA）是从山奈根茎中分离出的黄酮苷元，具有抗炎、抗癌等特性。KA 可通过抑制 ROS 生成，下调诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和环氧化酶 - 2（COX-2）的 mRNA 表达发挥抗癌作用；还可通过激活 Nrf2/SLC7A11/GPX4 信号轴抑制铁死亡，减轻 ROS 积累，防止 GSH 耗竭。木犀草素（LUT）是一种常见的黄酮类化合物，具有抗肿瘤、抗炎等功能，可减缓恶性细胞生长，导致细胞周期停滞。LUT 可增强 HO-1 表达，激活不稳定铁池中的血红素降解和积累，消耗细胞内 GSH，增加脂质过氧化程度和 Fe²⁺，诱导肾癌细胞发生铁死亡，发挥抗癌作用。葛根素（PUE）是从葛根中提取的异黄酮衍生物，可用于治疗癌症和心血管疾病。PUE 可清除脂质 ROS，防止心肌细胞发生铁死亡；通过上调 GPX4 和铁蛋白，下调 ACSL4、TFR 和 Fe²⁺，抑制铁死亡，发挥心脏保护作用；还可通过触发 AMPK/PGC1α/Nrf2 轴减轻氧化应激诱导的铁死亡。联合使用葛根芩连汤（GQD）和抗 PD-1 可下调 PD-1 水平，增加 IL-2 和 IFN-γ 的表达，为结直肠癌治疗提供了新途径。槲皮素（QUE）是一种具有多种生物学效应的黄酮醇成分，被认为是具有抗癌、抗氧化等作用的药物。QUE 可通过降低 MDA 和 ROS 水平，增加 GSH 水平，降低激活转录因子 3（ATF3）的表达，提高 GPX4 的生成，防止细胞发生铁死亡；还可通过转录因子 EB 和 ROS 依赖的铁死亡溶酶体激活，导致 p53 依赖的非小细胞肺癌细胞死亡。

• 其他类：白藜芦醇（RSV）是一种非黄酮类多酚有机化合物，具有强大的镇痛和抗癌作用。RSV 可通过增加细胞内 ROS、MDA 和 Fe²⁺积累，下调 SLC7A11，诱导铁死亡，抑制肿瘤生长；在实体腺癌中，通过降低 GPX4 和 SLC7A11 的表达，增加 TFRC 和 ACSL4 的表达，增强 CD8⁺T 细胞的细胞毒性，触发铁死亡，实现抗肿瘤目标；此外，RSV 还可抑制促炎细胞因子水平，恢复氧化还原稳态，抑制铁死亡，减轻心肌损伤。红景天苷（SAI）主要来源于红景天根，是一种苯乙醇分子，具有抗肿瘤、免疫调节等特性。SAI 可通过减少 Fe²⁺积累，抑制细胞和线粒体的脂质过氧化，恢复 GPX4 依赖的抗氧化能力，改善线粒体功能，抑制细胞铁死亡，减轻阿霉素诱导的心肌病；还可通过激活 Nrf2 信号，影响 SLC7A11 和 GPX4 的产生，调节 ROS，抑制铁死亡。丹参酮（TAN）含有多种菲醌成分，是丹参的主要活性成分，其中丹参酮 IIA（TAN IIA）活性最突出，具有抗癌和心血管保护作用。TAN IIA 可通过增加脂质过氧化，降低细胞内 GSH 水平，上调前列腺素内过氧化物合酶 2（Ptgs2）和 ChaC 谷