综述：靶向铁死亡和铜死亡在胃肠道癌症中的治疗策略：分子机制、代谢脆弱性和治疗干预

本综述系统探讨了胃肠道癌症中两种新兴的细胞死亡方式——铁死亡（Ferroptosis）和铜死亡（Cuproptosis）的分子机制及其交互作用。文章深入剖析了二者共享的代谢节点（如谷胱甘肽（GSH）代谢）和线粒体功能，并评估了从小分子诱导剂到纳米平台及免疫治疗联用等多种治疗策略。该综述为克服胃肠道恶性肿瘤的治疗抵抗提供了以代谢为中心的新型协同治疗范式，具有重要的临床转化前景。

　　

靶向铁死亡和铜死亡在胃肠道癌症中的治疗策略：分子机制、代谢脆弱性和治疗干预

引言

胃肠道（GI）恶性肿瘤，包括肝细胞癌（HCC）、胆道癌（BTC）、胃癌（GC）、结直肠癌（CRC）、胰腺导管腺癌（PDAC）和食管癌（ESCC），是全球癌症相关死亡的主要原因之一。尽管诊断和治疗手段有所进步，但由于肿瘤异质性、晚期诊断以及对常规化疗、靶向治疗甚至免疫治疗的普遍抵抗，其总体生存率仍不理想。因此，靶向非凋亡的调节性细胞死亡（RCD）通路，如铁死亡和铜死亡，成为克服GI癌症治疗抵抗的新兴策略。

机制核心

铁死亡：铁依赖的脂质过氧化级联反应

铁死亡是一种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡形式，其在形态学、生物化学和遗传学上不同于凋亡、坏死和自噬。其核心执行过程涉及细胞膜中多不饱和脂肪酸（PUFAs）的广泛脂质过氧化，并受到System Xc^–-谷胱甘肽（GSH）-谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）轴的严格调控。

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  促死亡臂：多不饱和脂肪酸（PUFAs）是脂质过氧化的主要底物。酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）负责激活游离PUFAs生成相应的酰基辅酶A，随后溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）将这些激活的PUFAs掺入膜磷脂分子中，显著增加膜对过氧化损伤的敏感性。脂质过氧化可通过酶促（如脂氧合酶LOXs）和非酶促途径启动。关键的铁离子（Fe²⁺）通过芬顿反应催化生成高反应性的羟基自由基，启动并传播脂质过氧化的链式反应。通过核受体辅激活因子4（NCOA4）介导的铁蛋白自噬（ferritinophagy）降解铁蛋白，释放大量铁离子，扩大不稳定铁池（LIP），为芬顿反应提供充足催化剂。
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  促生存臂：细胞内的抗氧化网络是抵抗铁死亡的关键防线。其中最经典的是System Xc^–（由SLC7A11和SLC3A2亚基组成）负责摄取胞外胱氨酸，后者在细胞内还原为半胱氨酸，为GSH生物合成提供关键原料。GSH是GPX4必不可少的还原辅因子，GPX4是一种独特的硒酶，能利用GSH将膜磷脂上形成的脂质氢过氧化物（PLOOH）高效还原为无毒的相应脂质醇（PLOH），直接终止脂质过氧化链式反应。此外，还存在GSH非依赖的平行防御通路，如铁死亡抑制蛋白1（FSP1）-辅酶Q10（CoQ10）轴。FSP1是一种膜定位的NAD(P)H依赖性氧化还原酶，可将氧化型CoQ10（泛醌）还原为其还原形式（泛醇），后者作为一种有效的亲脂性自由基捕获抗氧化剂，直接在膜内清除脂质过氧自由基。另一条通路由GTP环水解酶1（GCH1）及其产物四氢生物蝶呤（BH4）介导，不仅能提供内在抗氧化活性，还能通过促进内源性CoQ10的产生和调节脂质重塑来构建强大的抗铁死亡屏障。
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  线粒体的作用：线粒体在铁死亡调控网络中扮演复杂角色，既是信号放大器，也拥有独立的防御系统。它是细胞内活性氧（ROS）的主要来源，电子传递链（mtETC）运行过程中不可避免地“泄漏”超氧阴离子和其他ROS，显著加剧细胞整体氧化应激水平，与芬顿反应驱动的脂质过氧化协同放大铁死亡信号。线粒体作为关键代谢通路（如三羧酸（TCA）循环、脂肪酸β-氧化、铁硫（Fe-S）簇生物合成）的交叉点，其代谢状态直接与铁死亡核心要素相关联。线粒体拥有特定的铁死亡防御机制，如GPX4的线粒体亚型（mGPX4）负责消除线粒体内膜的脂质过氧化物。此外，定位于线粒体内膜的二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）也能将线粒体膜上的CoQ10还原为泛醇，独立于经典通路抵抗铁死亡。

铜死亡：铜过载导致的线粒体蛋白毒性应激

铜死亡是一种新发现的、由铜过载触发的独特的调节性细胞死亡形式，其核心机制不同于已知的凋亡、铁死亡或坏死性凋亡。其根本原因是过量铜离子直接靶向并破坏三羧酸（TCA）循环中的关键蛋白，引发不可承受的蛋白毒性应激和代谢崩溃的级联事件，最终导致细胞死亡。

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  启动与执行：细胞内铜浓度由铜转运蛋白严格调控，SLC31A1（CTR1）是主要的铜进口蛋白，而ATP7A和ATP7B负责将多余铜泵出细胞以维持稳态。当铜稳态被打破，大量铜离子进入细胞，铜死亡通路即被激活。铁氧还蛋白1（FDX1）在此过程中扮演关键的上游调控角色。作为一种线粒体[2Fe-2S]蛋白，FDX1具有双重功能：不仅能高效地将二价铜离子（Cu²⁺）还原为更具反应性的一价铜离子（Cu⁺），还是蛋白质硫辛酰化过程所必需的。蛋白质硫辛酰化（将硫辛酸共价连接到特定蛋白的赖氨酸残基上）是铜死亡的关键前提，它为铜离子提供了直接靶点。
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  核心事件：铜死亡的核心执行事件是Cu⁺直接与TCA循环中硫辛酰化蛋白组分的结合。最关键的目标蛋白是二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（DLAT），即丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物的E2亚基。过量的Cu⁺与DLAT上的硫辛酸部分结合，导致其不可逆的寡聚化和聚集。这种蛋白质聚集直接诱导线粒体严重功能障碍：首先，它引发强烈的蛋白毒性应激，大量错误折叠和聚集的蛋白质在线粒体基质中积累，超出其自身处理能力；其次，该过程进一步导致铁硫（Fe-S）簇蛋白的丢失和降解。Fe-S簇蛋白是线粒体电子传递链（ETC）复合体和TCA循环中许多关键酶的重要辅因子，它们的缺失严重损害线粒体呼吸，阻断ATP产生，导致细胞能量危机。更致命的是，ETC的崩溃加剧了电子泄漏，导致ROS爆发性产生，使细胞陷入严重的氧化应激状态。

共享代谢枢纽的精准协同

尽管铁死亡和铜死亡是由不同金属离子驱动、具有不同执行机制的细胞死亡形式，但它们在细胞水平通过多个分子节点相互交织，形成复杂的调控网络。这两种通路在细胞代谢、细胞器功能稳态和上游信号传导层面存在显著交叉对话，其相互作用主要体现在共享代谢枢纽、细胞器应激共同平台以及重叠的上游调控通路。

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  共享代谢节点：最核心、最直接的交叉节点是细胞谷胱甘肽（GSH）/半胱氨酸代谢轴。GSH在两条通路中都起关键抑制作用：它既是GPX4发挥功能抑制脂质过氧化的必需辅因子，也是螯合过量铜离子以缓解其毒性的重要缓冲剂。因此，任何导致GSH耗竭的因素都会同时削弱细胞对这两种死亡形式的抵抗力。
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  线粒体平台：线粒体是铁死亡-铜死亡交叉对话的第二个关键平台，充当“反应器”，两条通路的死亡信号在此相互放大和传递。铜死亡的核心事件（如DLAT聚集）直接导致TCA循环停滞和Fe-S簇蛋白降解。Fe-S簇蛋白的降解直接释放其铁离子，扩大不稳定铁池（LIP），并导致ETC功能崩溃，产生大量ROS，为脂质过氧化提供强大推动力。反之，铁死亡过程中发生的大量脂质过氧化严重损害线粒体膜完整性，导致线粒体功能障碍，使其对铜离子毒性更加敏感。
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  上游调控：这两种死亡通路共享一些上游主调控转录因子，如NRF2和p53。NRF2是细胞抗氧化应激反应的中心调控因子。对于铁死亡，NRF2的靶基因包括GSH合成酶和铁蛋白（FTH1）。对于铜死亡，NRF2的靶基因也包括GSH合成所需酶类和金属硫蛋白（MTs），后者可直接螯合铜。因此，NRF2激活可降低细胞对铁死亡和铜死亡的敏感性。相反，p53主要起促死亡作用，可通过抑制SLC7A11转录来促进铁死亡，并通过下调SLC7A11合成间接削弱细胞对铜死亡的防御。
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  免疫原性细胞死亡（ICD）：这两种死亡模式的一个关键功能交叉点是它们诱导免疫原性细胞死亡（ICD）的能力，从而将内在的细胞死亡信号转化为外在的抗肿瘤免疫反应。当肿瘤细胞发生铁死亡或铜死亡时，会释放一系列损伤相关分子模式（DAMPs），如高迁移率族蛋白B1（HMGB1）、ATP和钙网蛋白（CRT）。这些DAMPs作为“危险信号”被免疫系统识别，导致树突状细胞（DCs）的募集和激活，促进其成熟和抗原呈递。成熟的DCs随后激活细胞毒性T淋巴细胞（CTLs），最终引发对肿瘤的特异性免疫攻击。

胃肠道癌症中的代谢脆弱性

共享的代谢重编程创造可利用的脆弱性

为满足无限增殖的需求并适应恶劣的肿瘤微环境，胃肠道（GI）肿瘤细胞系统性地重塑其代谢网络。这些代谢适应构成了治疗上可 exploit 的“代谢脆弱性”。对特定代谢途径的依赖是这种脆弱性的特征。破坏这些途径会损害细胞稳态，并使细胞对调节性细胞死亡（包括铁死亡或铜死亡）敏感。

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  脂质重编程与过氧化风险：细胞膜的脂质组成是决定对铁死亡敏感性的物理基础。与正常细胞相比，高增殖性的GI肿瘤细胞必须合成大量生物膜，这迫使它们重编程脂质代谢途径。一方面，为避免高代谢活性和氧化应激诱导的脂质过氧化，肿瘤细胞通常上调单不饱和脂肪酸（MUFAs）的合成，该过程主要由硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）催化。另一方面，将多不饱和脂肪酸（PUFAs）掺入细胞膜对于铁死亡的执行至关重要。因此，调控PUFA代谢的关键酶（如ACSL4和LPCAT3）的表达和活性的变化直接影响肿瘤细胞的“可燃性”。
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  氨基酸成瘾与氧化还原防御：许多GI肿瘤严重依赖以GSH为中心的抗氧化系统，而GSH合成完全依赖于特定氨基酸的供应。肿瘤细胞对胱氨酸/半胱氨酸的需求急剧增加，导致它们经常过表达胱氨酸/谷氨酸逆向转运体System Xc^–以确保充足的GSH池。这种对单一转运体（SLC7A11）的过度依赖提供了一个清晰的治疗窗口。同样，肿瘤细胞对谷氨酰胺的“渴求”不仅是为了补充TCA循环，也是为了获得GSH合成所需的谷氨酸骨架以及产生NADPH来中和ROS。
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  金属离子稳态失调：铁和铜是数百种细胞内酶的必要辅因子，对DNA复制、能量代谢和信号转导至关重要。为满足其加速的增殖速率，GI肿瘤细胞必须上调这些金属离子的摄取和利用。然而，这些金属离子本身在氧化还原反应中具有催化活性，其细胞内浓度必须精确控制以避免严重毒性。肿瘤细胞通过上调转铁蛋白受体增加铁摄取，但也必须增强其铁存储（铁蛋白）和输出能力，以防止不稳定铁池过度扩大引发芬顿反应和铁死亡。同样，对铜的依赖（铜增生）可以促进血管生成，但也使细胞面临铜过载的风险。
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  线粒体完整性与质量控制：尽管“瓦博格效应”是GI肿瘤能量代谢的一个标志，但这并不意味着线粒体功能的丧失，而是其重塑。肿瘤细胞仍然依赖线粒体执行必要的生物合成和氧化还原平衡功能，这使得它们高度依赖线粒体质量控制（MQC）机制，如线粒体自噬，来清除功能失调的细胞器。这种对MQC的依赖本身就是一种脆弱性。
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  对抗氧化系统的依赖：为在高氧化应激的微环境中生存，GI肿瘤细胞普遍激活其内源性抗氧化防御系统。以KEAP1-NRF2信号轴为中心的转录程序是它们最重要的生存机制之一。在许多GI肿瘤中，由于致癌突变或持续的氧化应激，NRF2通路被组成性激活，导致大量抗氧化基因（包括GSH合成酶、硫氧还蛋白系统和GPX4）的过表达，从而构建了强大的抗铁死亡屏障。

不同的调控网络决定GI癌症中的细胞死亡敏感性

靶向铁死亡和铜死亡的疗法的临床应用需要一种背景特异性的理解，超越共同的代谢脆弱性。诱导这些死亡通路的功效取决于每种GI癌症类型独特的分子景观、致癌驱动因素和肿瘤微环境。

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  胃癌（GC）：铁死亡的调控具有多层级、多通路的抑制网络特征。转录水平上，GATA4和GATA6等转录因子可调节包括铁死亡在内的多种细胞表型相关基因。YY1通过调节p53信号通路抑制GC细胞铁死亡。信号转导层面，经典的PI3K/AKT通路通过下游AKT/GSK3β/NRF2轴发挥作用。自噬也起关键作用，NCOA4介导的铁蛋白自噬是诱导铁死亡的关键上游事件，而NPR1则通过抑制PARL介导的线粒体自噬依赖性铁死亡来促进顺铂耐药。铜死亡的调控同样精细，特别是在RNA加工和翻译后修饰水平。PTBP3通过异常剪接其靶基因COX11的前体mRNA，产生功能受损的短转录本，使肿瘤细胞逃避铜死亡。METTL16在铜应激下在赖氨酸229（K229）发生乳酸化修饰，增强其m6A甲基转移酶活性，特异性催化核心铜死亡因子FDX1 mRNA的m6A修饰，从而调控其表达并执行铜死亡程序。整合素亚基ITGAV参与调节两种细胞死亡通路，表明肿瘤微环境的信号可能作为上游总开关，协调细胞对两种不同金属离子诱导的代谢应激的反应。
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  结直肠癌（CRC）：其调控网络深受其独特分子背景（如KRAS和BRAF突变状态）以及肠道微生物组直接参与的影响。致癌信号通路在CRC逃避铁死亡中起核心作用。在BRAF V600E突变型CRC中，通过PLK1信号轴上调GPX4来实现对BRAF/EGFR抑制剂的适应性抵抗。Wnt信号通路通过其受体LGR4转录上调SLC7A11，从而抑制铁死亡并导致耐药。肠道微生物组直接影响铁死亡过程，如Peptostreptococcus anaerobius的代谢产物吲哚-3-丙酸（IDA）激活AHR信号通路上调ALDH1A3，增强FSP1依赖的CoQ10合成通路抑制铁死亡；而Lactobacillus plantarum产生的γ-亚麻酸（γ-LA）则通过诱导线粒体损伤促进铁死亡。翻译后修饰作为调节铁死亡的分子开关，化疗激活的MAPK信号导致ERK介导的RFNG蛋白磷酸化，后者入核抑制p53功能，最终上调SLC7A11表达。组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）在赖氨酸412的乳酸化修饰直接将细胞代谢状态（乳酸水平）与铁死亡相关基因的表观遗传调控联系起来。铜死亡的调控也受到表观遗传学和