综述：胶质母细胞瘤的铁死亡治疗模式：分子机制、耐药逆转和屏障克服

《Genes & Diseases》：Ferroptosis therapeutic modalities for glioblastoma: Molecular mechanisms, resistance reversal, and barrier overcoming

　　

铁死亡是一种由脂质过氧化驱动的铁依赖性调节性细胞死亡方式，在机制上不同于凋亡、坏死性凋亡和焦亡。形态学上，铁死亡与线粒体改变相关，包括膜密度增加和线粒体浓缩。靶向铁死亡可能为解决肿瘤异质性和规避凋亡耐药提供治疗机会。胶质母细胞瘤（GBM）是一种高度恶性、难治性脑肿瘤，具有独特的代谢状态和氧化应激情况，这可能使其特别容易受到基于铁死亡的干预措施的影响。GBM的标准治疗包括最大安全切除，随后进行放疗和替莫唑胺（TMZ）治疗；然而，持久疗效常常受到对治疗诱导的细胞死亡耐药性的限制。因此，确定逆转化疗和放疗耐药性的靶点，以及开发克服血脑屏障（BBB）的递送策略，对于改善治疗结果至关重要。新出现的证据表明，铁死亡影响化疗耐药性和放疗耐药性，并可被用于增强靶向药物递送。本综述总结了GBM中铁死亡研究的最新进展，重点包括通路调控、自噬依赖性铁死亡机制、克服放化疗耐药性的方法、新兴疗法以及基于纳米医学的血脑屏障穿透性递送策略。研究人员还讨论了当前基于铁死亡的GBM治疗所面临的挑战、知识空白和未来方向。

细胞铁死亡的机制
铁死亡的基本形式
铁死亡是一种由铁依赖性、非凋亡形式的调节性细胞死亡，于2012年由Dixon等人首次描述并命名。与凋亡、坏死和自噬不同，铁死亡依赖于细胞内铁，并表现出特征性的形态学、生化和遗传学特征。铁死亡由铁积累启动，促进脂质过氧化和氧化应激，最终导致质膜完整性丧失和特征性的线粒体变化。核心决定因素包括脂质氢过氧化物解毒功能受损、多不饱和脂肪酸（PUFA）丰度增加以及氧化还原活性铁池升高。细胞O₂稳态以细胞类型依赖的方式维持生理氧化还原反应并支持组织稳定性；铁死亡相关的脂质过氧化破坏了这种平衡。活性自由基氧化铁硫簇，传播脂质过氧化，并损害电子传递。脂质在膜中发挥结构和功能作用，参与能量储存和信号传导。由于细胞器是膜结合的，且关键过程发生在膜上，其性质取决于脂质组成。因此，即使微小的脂质变化也可能破坏膜完整性和细胞稳态。PUFA中的双烯丙基亚甲基基团使得含PUFA的磷脂（PUFA-PLs）极易受到铁和活性氧（ROS）催化的过氧化作用。PUFA-PLs在细胞器和质膜中的富集进一步增加了这种脆弱性，因此即使PUFA-PL丰度的适度上升也可能促进脂质过氧化物积累，损害膜完整性，并触发铁死亡。膜中脂质过氧化物的积累最终损害膜完整性，并导致铁死亡。

铁死亡的敏感性调控机制
癌细胞对铁死亡的耐药性主要通过强大的抗氧化防御维持。该防御系统的核心组分是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），它需要足够的谷胱甘肽（GSH）来解毒脂质过氧化物。GSH由半胱氨酸（Cys）等前体合成，其可用性通过系统X_c^-的输入得到支持。癌细胞常上调该轴以缓冲与快速增殖和高代谢需求相关的氧化应激。系统X_c^-是一种异二聚体跨膜反向转运体，由轻链xCT（SLC7A11）和重链4F2hc（SLC3A2）组成，两者非共价结合。它输入细胞外胱氨酸以交换细胞内谷氨酸的输出。输入的胱氨酸被还原为Cys，后者用于GSH生物合成。利用GSH作为还原当量，GPX4将磷脂氢过氧化物（PUFA-OOH）还原为相应的醇（PUFA-OH），从而终止脂质过氧化链反应。铁死亡抑制蛋白1（FSP1）通过在线粒体辅酶Q（CoQ）抗氧化网络内与经典GSH依赖性GPX4通路平行运作，提供了一种不依赖GSH的铁死亡防御。在质膜上，FSP1利用NAD(P)H将辅酶Q10（泛醌）还原为泛醇（CoQH2），后者清除脂质过氧化物并限制磷脂过氧化，从而抑制铁死亡。这种平行通路可能解释为何某些肿瘤对GPX4抑制表现出有限的敏感性。酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）将长链脂肪酸（特别是PUFA）激活为酰基辅酶A衍生物，并是PUFA掺入膜磷脂的关键决定因素。通过生成花生四烯酰辅酶A（AA-CoA）和相关PUFA-CoA中间体，ACSL4促进铁死亡。当GPX4活性不足时，这些PUFA-CoA物种被掺入磷脂中，并经历铁催化过氧化，形成脂质过氧化物，在膜中积累并损害膜完整性。ACSL4在磷脂生物合成和重塑过程中促进PUFA（包括花生四烯酸（AA）和肾上腺酸（AdA））掺入磷脂酰乙醇胺（PE）。通过以含PUFA的磷脂富集膜，ACSL4可以维持膜流动性，同时增加对ROS介导过氧化的敏感性。ACSL4或相关酶的缺失会减少脂质过氧化的底物，并赋予铁死亡耐药性；相反，补充花生四烯酸或其他PUFA可以使细胞对铁死亡敏感。

GBM铁死亡中的铁和脂质代谢
铁代谢
转铁蛋白受体1（TfR1）与血液中携带铁离子的转铁蛋白结合，通过内吞作用将铁转运入细胞。c-Myc、Ras和缺氧诱导因子α（HIF-1α）上调TFR1表达。铁死亡受细胞内铁失调的强烈影响。铁蛋白是由轻链（FTL）和重链（FTH1）亚基组成的多聚复合物，具有互补的铁处理活性，并作为细胞内铁可用性的中心缓冲剂。FTH1具有铁氧化酶活性，迅速将剧毒的二价铁离子（Fe²⁺）氧化为安全的三价铁离子（Fe³⁺）并将其储存在蛋白质腔内。FTH1有助于隔离过量铁并限制不稳定铁池，从而减少ROS形成和铁介导的毒性；当细胞需求增加时，铁可以从铁蛋白中动员。IRP2活性降低，连同Tf和TfR1表达增加，可以破坏铁稳态并增加细胞内不稳定铁池，这是铁死亡的关键驱动因素。在缺铁条件下，IRP–IRE结合增加。IRP与铁蛋白mRNA的5′-UTR IRE结合抑制铁蛋白翻译，而与TfR1 mRNA的3′-UTR IRE结合稳定转录本，从而限制铁储存并增强铁摄取。相反，铁补充减少IRP与IRE的结合，逆转这些效应。最近的研究将核受体共激活因子4（NCOA4）作为铁死亡的调节因子。在GBM中，较低的NCOA4表达与较高的恶性程度、较差的预后和减少的免疫细胞浸润相关。作为一种选择性自噬货物受体，NCOA4将铁蛋白靶向溶酶体进行降解（铁蛋白自噬），从而释放氧化还原活性铁并促进铁死亡。

铁死亡中的脂质代谢
脂质过氧化可通过非酶促反应和酶催化途径进行。酶促途径生成脂质氢过氧化物，涉及脂氧合酶、NADPH氧化酶（NOX）、环氧化酶和细胞色素P450等酶。铁饥饿中脂质代谢的核心途径涉及ACSL4激活PUFA，随后通过LPCAT3掺入磷脂，并由脂氧合酶催化产生脂质过氧化物。以ACSL4/LPCAT3为主的PUFA代谢途径驱动膜磷脂过氧化，而以SCD1/ACSL3依赖的MUFA代谢途径通过改变膜脂组成抑制该过程。这些途径共同构成调控铁死亡的主要框架。脂肪酸合成关键酶（如FASN和ACLY）在GBM中上调，从而驱动脂肪酸从头合成。该过程由转录因子SREBP全局调控，在GBM中通过致癌通路包括磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）和表皮生长因子受体（EGFR）激活，而被肿瘤抑制通路肝激酶B1（LKB1）–AMP激活蛋白激酶（AMPK）负调控。磷脂酰乙醇胺结合蛋白1（PEBP1）作为15-LO的支架蛋白，调节其氧合酶活性和底物偏好，促进膜掺入的PUFA-PE的氧化。抑制PEBP1/15-LO复合物可以反而激活脂质来源的死亡信号通路，抵消铁死亡。Yu等人报道，磷酸化酶激酶催化亚基γ2（PHKG2）的过表达在体内外抑制肿瘤生长并增加脂质过氧化。机制上，PHKG2磷酸化蛋白磷酸酶1调节亚基3B（PPP1R3B），从而解除对蛋白磷酸酶1（PP1）的抑制，并增加PP1依赖性核因子红细胞2相关因子2（NRF2）的去磷酸化。

GBM当前的诊断和治疗方法及铁死亡的特征
GBM的诊断和治疗现状
根据2007年WHO中枢神经系统肿瘤分类，胶质瘤大致分为星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、室管膜瘤和混合性胶质瘤，并根据恶性程度分为I–IV级。GBM对应于IV级星形细胞瘤，其特征是高度侵袭性生长、强血管生成和对多模式治疗的耐药性。异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变——主要是IDH1（R132，细胞质/过氧化物酶体）和IDH2（R172，线粒体）——是胶质瘤分类的核心，并通过改变代谢、表观遗传学和氧化还原稳态促进肿瘤发生。IDH突变在低级别和继发性胶质瘤中频繁发生，但在同级别IDH野生型肿瘤中罕见；当存在时，它们与更好的预后相关，并为WHO分级提供信息。相反，最具侵袭性的IV级实体通常缺乏IDH突变，而是显示EGFR扩增、TERTp突变和独特的染色体畸变。其他分子决定因素，如MGMT启动子甲基化，预测新诊断病例中更好的TMZ反应；在IDH野生型肿瘤中，同时存在的TERTp突变和MGMT甲基化可能进一步识别出预后更佳的亚组。标准治疗包括最大安全手术切除，随后进行外照射放疗（60 Gy分30次）联合同步和辅助TMZ，报告的中位总生存期为14.6个月，2年生存率为26.5%。尽管采用这种激进方案，约90%的WHO IV级肿瘤在2年内局部复发。

系统X_c^-/GSH/GPX4轴是调控GBM铁死亡的核心通路
SLC7A11的调控是铁死亡的早期决定因素
在GBM的系统X_c^-/GSH/GPX4轴中，系统X_c^-是由SLC7A11和SLC3A2两个亚基组成的主要Cys/Glu反向转运体。GSH是GPX4的必需底物，GPX4通过将脂质过氧化物（L-OOH）还原为无毒脂质醇（L-OH）来抑制铁死亡。SLC7A11是抑制铁死亡并维持GBM恶性进展的抗氧化防御系统的核心。这个关键蛋白可以被SRY相关HMG-box基因2（SOX2）增强，SOX2是一种直接上调SLC7A11的关键转录因子，从而加强铁死亡阻断。类似地，新发现的分子钾电压门控通道亚家族A成员1（KCNA1）在过表达时提高SLC7A11表达，进一步增强GBM细胞活力和侵袭性。在应激条件下，SLC7A11转录主要由两个转录因子驱动：激活转录因子4（ATF4）和NRF2，两者经常协同作用。Ye等人证明ATF4和NRF2结合SLC7A11启动子，并在应激期间协同调控其转录。值得注意的是，这种铁死亡保护轴可以被Sirtuin 3（SIRT3）抑制减弱。机制上，它通过线粒体Fe²⁺和ROS积累增强线粒体自噬，同时下调ATF4和铁调节蛋白1（IRP1），从而降低SLC7A11活性。TMZ处理显著上调GBM细胞中富含脯氨酸的延伸样受体激酶（PERK）/真核起始因子2α（eIF2α）/ATF4轴，而ATF4抑制有效抑制迁移和侵袭。在响应TMZ时，鞘氨醇激酶1（SPHK1）被转录诱导，表明破坏ATF4–SPHK1轴可减弱侵袭表型和TMZ耐药性。除了上述调控轴，SLC7A11在GBM中还受其他调控机制支配。高吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）表达将色氨酸代谢转向犬尿氨酸（Kyn），后者激活芳烃受体（AhR）并驱动其核转位。AhR随后结合脂肪量和肥胖相关蛋白（FTO）启动子以抑制其转录。FTO降低导致m6A去甲基化酶活性下降，提高SLC7A11 3′-UTR上的m6A水平并增加mRNA稳定性，从而提升SLC7A11蛋白表达。同时，特异性蛋白1（SP1）介导的转录激活上调LINC01088，后者作为支架招募泛素特异性蛋白酶7（USP7）和解旋酶样转录因子（HLTF）。USP7去泛素化HLTF，稳定该蛋白并促进其招募至SLC7A11启动子，从而增强SLC7A11转录。通过这些不同的AhR–FTO–m6A和LINC01088–USP7–HLTF轴，SLC7A11表达被放大，加强Cys输入和GSH合成，抑制脂质过氧化，抑制铁死亡，并推动GBM进展。

GPX4通过多个通路被正调控
GPX4在GBM中通过多种趋同机制上调。叉头框蛋白P3（FOXP3）通过双重模式增强GPX4表达。首先，它直接结合GPX4启动子刺激转录。其次，它反式激活linc00857，后者作为miR-1290的分子海绵，解除miR-1290介导的GPX4 mRNA抑制。这些效应共同阻断铁死亡，促进GBM细胞增殖和肿瘤生长。这定义了一个FOXP3–linc00857–miR-1290–GPX4轴，该轴是GBM铁死亡耐药性的核心。另外，补体成分5a受体1（C5aR1）激活驱动细胞外信号调节激酶（ERK1/2）信号，以提升甲基转移酶样3（METTL3）表达和稳定性，增强GPX4 mRNA的m6A甲基化，从而升高GPX4水平。核受体蛋白核受体亚家族4组A成员1（NR4A1）通过转录激活Xc-和GPX4来抑制铁死亡，从而促进GBM进展。同时，SLC10A3通过信号转导和转录激活因子3（STAT3）–GPX4信号轴调控STAT3转录和磷酸化状态，进一步影响GBM中的铁死亡。基于其抗铁死亡作用，GPX4过表达还通过多种协调机制阻碍GBM生长。它诱导G1/G0期阻滞，增加细胞表面积和硬度，并将迁移转变为异常亚扩散模式，共同降低运动性并抑制肿瘤增殖。

ACSL4/FADS2脂质代谢通路
ACSL4是GBM中铁死亡执行的关键上游调节因子，决定了GBM细胞对铁死亡的敏感性。脂肪酸去饱和酶2（FADS2）在肿瘤坏死核心中的表达与肿瘤生长密切相关。Wang整合蛋白质组和基因组数据，描绘了GBM中铁死亡调节因子的异常表达模式。分析显示，ACSL4降低和FADS2增加分别与EGFR和IDH1突变亚型相关，并共同削弱铁死亡。PUFA-PL丰度与ACSL4和FADS2紧密相关。EGFR和IDH1突变病例显示ACSL4降低和FADS2升高。ACSL4催化PUFA与CoA结合，促进PUFA掺入膜磷脂，并是铁死亡易感性的关键决定因素。FADS2调控PUFA合成，这两种酶共同作用于GBM中抑制铁死亡。此外，热休克蛋白27（HSP27）缺乏促进亚铁离子摄取并增强ACSL4稳定性，从而在GBM胶质细胞系中促进铁诱导的细胞死亡。

基于NRF2的抗氧化网络
NRF2是一种主要的抗氧化转录因子，上调关键酶——包括GPX4、GSH和血红素加氧酶1（HO-1）——从而抑制脂质过氧化和铁死亡。上游，Sirtuin 1（SIRT1）通过去乙酰化稳定并激活NRF2，进一步抑制铁死亡。相反，在SIRT3过表达的头颈部鳞状细胞癌中，SIRT3将ROS维持在一个维持增殖和侵袭表型的范围内。这种状态阻止细胞死亡并促进肿瘤发生。值得注意的是，苍术内酯通过在体外和体内提升SIRT3表达发挥强效抗肿瘤作用。由于SIRT1在NRF2上游运作，靶向该轴可能瓦解抗氧化防御并使细胞对铁死亡敏感。尽管NRF2和HO-1通常在正常细胞中作为抑制铁死亡的保护性通路发挥功能，但TMZ耐药的GBM采用了一种不同的机制。在这种情况下，神经前体细胞表达发育下调蛋白4-1（NEDD4-1），一种E3泛素连接酶，降解10号染色体缺失的磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN），从而激活AKT/NRF2/HO-1级联。这种激活增强抗氧化能力并抑制铁死亡。NRF2在GBM中异常激活，驱动GSH合成，抑制铁死亡，通过血管内皮生长因子（VEGF）增强血管生成，并赋予治疗耐药性。NRF2还上调膜联蛋白A1（ANXA1），促进肿瘤相关巨噬细胞招募及其M2极化，从而加剧免疫抑制微环境。相反，circMAN1A2过表达抑制肿瘤生长，增强TMZ敏感性，并降低NRF2/ANXA1表达，而端粒酶相关蛋白1（TEP1）逆转这些效应。在基础条件下，NRF2被kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）隔离，后者作为E3泛素连接酶的适配器，介导NRF2泛素化和蛋白酶体降解。该过程将NRF2维持在低水平并限制抗氧化基因过表达。在暴露于氧化应激、亲电试剂或化学预防剂后，NRF2逃避KEAP1介导的抑制并避免降解。NRF2随后迅速积累并转位至细胞核。在细胞核中，NRF2与小Maf蛋白形成异二聚体，结合抗氧化反应元件（ARE），并驱动抗氧化酶（如HO-1、NQO1、GPX）和解毒基因的表达，从而加强细胞氧化还原稳态。在GBM中，NRF2–KEAP1轴作为促进增殖和赋予铁死亡耐药性的开关发挥作用。在TMZ治疗期间，耐药肿瘤表现出升高的NRF2和降低的KEAP1，伴随GSH和过氧化氢酶增加。这些变化减轻氧化应激并促进药物耐药性。TRIM25（三结构域蛋白25）是TRIM家族成员，通过KEAP1介导的泛素化途径促进NRF2核转位，进一步增强抗氧化防御。该机制抑制TMZ诱导的氧化损伤和铁死亡。药理学上，siRNA介导的KEAP1抑制解除NRF2的抑制，激活NRF2通路，并放大抗氧化基因表达。TRIM25通过泛素化降解KEAP1，激活NRF2通路，增强细胞抗氧化能力，从而诱导GBM对TMZ耐药。同时，TRIM25是GBM中电压依赖性阴离子通道2（VDAC2）依赖性铁死亡的关键负调节因子。长链非编码RNA小核仁RNA宿主基因12（SNHG12）以p53依赖性方式上调，并直接抑制TRIM25活性。机制上，SNHG12与TRIM25相互作用，阻断TRIM25介导的KEAP1泛素化及随后的KEAP1蛋白酶体降解。这种阻断抑制NRF2抗氧化反应，并最终减弱TRIM25介导的TMZ耐药性和铁死亡耐药性。

基于铁死亡的GBM治疗药物
靶向SLC7A11/系统X_c^-的药物
诱导铁死亡是通过靶向X_c^-/GSH/GPX4轴克服GBM耐药性的有前景策略，该轴是抑制脂质