结直肠癌是全球第3大癌症死亡原因，具有基因频繁突变的特点。目前的化疗、放疗和手术治疗方案面临着癌症复发和耐药性等挑战。结直肠癌的治疗往往通过促进各种形式的程序性细胞死亡。铁死亡被发现是一种铁依赖性和脂质过氧化物驱动的程序性细胞死亡形式。研究表明，铁死亡是结直肠癌的一种有效治疗策略。然而，需要对结直肠癌中铁死亡的发生、传播和耐药机制有更深入的了解。主要对结直肠癌形成、代谢、治疗中的铁死亡机制及其耐药途径进行综述，并对其未来研究方向进行展望，为改善结直肠癌的治疗方案提供依据。
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在世界范围内，结直肠癌是导致死亡和发病的主要原因，也是第3大癌症死亡原因。2022年，新诊断的癌症病例估计为151 030例[1]。结直肠癌的病因很复杂，其发展可能是环境影响（如饮食接触、吸烟和饮酒）以及致病微生物群、遗传易感性和免疫反应机制的存在和相互作用的综合作用[2,3]。目前对结直肠癌的治疗包括手术、放疗和化疗。然而，并非所有患者对这些疗法都有效。
铁死亡是2012年发现的一种非凋亡和依赖铁的细胞死亡形式[4]。自发现以来，铁死亡具有含有多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的磷脂的氧化、铁依赖性和脂质过氧化物修复机制的丧失3个特征[5]。除了在结直肠癌中的潜在作用外，铁死亡还与其他癌症如乳腺癌、宫颈癌、胃癌、肝细胞癌、肺癌、卵巢癌、前列腺癌和肾癌，以及淋巴瘤和黑色素瘤等的发生有关[6]。研究表明，调节铁中毒细胞死亡途径可以增强治疗大肠癌药物的抗肿瘤作用。同样，使用诱导铁死亡的药物可导致癌症细胞死亡，有望治疗结直肠癌。然而，了解结直肠癌中的铁死亡，以及如何将这些途径和药物用于潜在的临床转化是目前临床上迫切需要的。本文综述了铁死亡在结直肠癌发生中的作用，以及铁死亡诱导剂的应用，旨在探讨癌症中铁死亡的机制及其耐药途径，为靶向铁蛋白途径的治疗提供思考。
结直肠癌具有较高的突变频率，不同患者之间的肿瘤在免疫反应和代谢方面具有高度差异性[7]。最常见的大肠癌激活途径是由肿瘤抑制基因（adenomatous polyposis coli，APC）的失活，随后KRAS和TP53的突变促进肿瘤发展[8]。APC是由糖原合成酶激酶-3β（glycogen synthetase kinase-3β，GSK-3β）和Axin组成的破坏复合体，约80%的散发性结肠癌症会发生APC突变[9]。APC是Wnt/β-连环蛋白（β-catenin）信号传导的负调节因子。β-catenin水平升高会增强原癌基因的转录活性，如髓细胞增生原癌基因（myelocytomatosis，MYC）。APC突变对铁死亡敏感性的影响可能也取决于伴随这些突变的总体代谢的变化，这些都是值得进一步实验确证。
在30%~40%结肠癌中，癌基因（如KRAS）的激活并进一步导致肿瘤进展[10]。KRAS癌基因是结肠直肠癌中最常见的突变之一，而含有这些突变的肿瘤较难治疗。突变型KRAS通过多种机制保护癌症细胞不发生铁死亡。在肿瘤中，KRAS突变与铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1，FSP1）表达增加和铁死亡抗性相关[11]。值得注意的是，FSP1有助于细胞转化和肿瘤发生，抑制FSP1会增强KRAS突变细胞对铁死亡的敏感性。在肺癌中，突变型KRAS还可以调节抑制铁死亡的单不饱和脂肪酸的合成[12]。KRAS可以调节癌症中的谷氨酸分解、线粒体活性氧（reactive oxygen apecies，ROS）生成和葡萄糖摄取，并且这3个过程都对铁死亡有间接影响[13]。
鉴于铁死亡在抗癌免疫应答中的作用增加，促炎代谢产物、铁死亡和KRAS引起的免疫调节之间也可能存在联系，从而导致结直肠癌中的免疫逃逸。KRAS可以诱导趋化因子、细胞因子和信号通路，促进结直肠癌的肿瘤发生[14]。在免疫原性较差的结直肠癌小鼠细胞系中敲除突变KRAS导致免疫应答提高和肿瘤消退[15]。KRAS还可能通过调节缺氧诱导因子-2α（hypoxia-inducible factor-2α，HIF-2α）和酪氨酸激酶（Janus kinase，JAK）信号通路，从而维持结肠癌症生长所需的高铁水平[16]。
铁死亡与其他类型的程序性细胞死亡不同，因为其机制依赖于活性亚铁离子和磷脂氢过氧化物（PLOOH）的积累[17]。它还依赖于在正常细胞稳态中发挥各种作用的重要蛋白质，从而有助于调节脂质循环、铁代谢和维持氧化还原状态[18]。与癌症密切相关的铁死亡机制有铁代谢、脂质过氧化、氧化还原状态、脂质代谢和氨基酸代谢等。
铁代谢和铁死亡之间的关系是通过观察去铁胺抑制Erastin和RSL3诱导的细胞死亡时而被发现的[19]。通过铁的储存和利用等过程，对铁的含量进行了严格调节。铁通过2种机制增加脂质的过氧化。首先，它可以通过Fenton反应直接氧化脂质，这个反应涉及亚铁离子（Fe2+）或铁离子（Fe3+）与过氧化氢（H2O2）的反应[4]。铁还通过作为酶（如直接氧化脂质的脂氧合酶）的辅因子间接参与脂质过氧化[20]。因此，不稳定Fe2+的增加能够增强细胞对铁死亡的敏感性，而Fe3+被结合到蛋白质中或被铁蛋白储存，降低了铁死亡的敏感性。铁蛋白是由24种多肽组成（轻链或重链）。铁蛋白轻链是铁蛋白活性的主要调节器，并控制Fe2+向Fe3+的氧化。在RAS突变细胞中，通过增加铁摄取和减少铁储存来降低蛋白表达，从而增加对铁死亡的敏感性[19]。
脂质过氧化在铁死亡中的作用已经被揭示，脂质过氧化是铁死亡的重要标志，因此脂氧合酶和乙酰辅酶A合成酶长链家族成员4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）对脂质过氧化的调节是潜在的结直肠癌中的治疗靶点。
研究表明，脂氧合酶（尤其是12/15-脂氧合酶）在脂质过氧化和铁死亡过程中发挥核心作用[21]。研究表明，ACSL4通过上调PUFA的生成和促进PUFA掺入细胞膜，从而促进铁死亡。ACSL4催化花生四酰基或肾上腺酰基（arachidonoyl or adrenoyl，AdA）部分连接，分别产生花生四酰基和AdA酰基辅酶（AdA-coenzyme A，AdA-CoA）衍生物。然后通过溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）将其酯化为花生四酰磷脂酰乙醇胺和肾上腺酰基磷脂酰乙醇胺（adrenoyl phosphatidyl ethanolamine，AdA-PE）。随后，花生四酰磷脂酰乙醇胺和AdA-PE被15-脂氧合酶氧化，生成脂质氢过氧化物，这是铁死亡的直接原因[22]。
氧化还原状态、脂质代谢和氨基酸代谢在铁死亡的调节中也很重要。硫氧还蛋白系统对氧化还原平衡至关重要，它可以保护DNA免受脂质过氧化和氧化应激相关损伤[23]。PUFA中的脂质过氧化发生在特定磷脂上，各种脂质代谢途径参与脂质过氧化和铁死亡。此外，脂肪酸的摄取和释放受到细胞状态的严格调控，这些因素共同决定了细胞中脂肪酸的水平，最终影响了铁死亡的敏感性[24]。
研究表明，氨基酸代谢对铁死亡也至关重要。如半胱氨酸、谷氨酰胺、支链氨基酸（包括亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸）、色氨酸和其他氨基酸（如精氨酸、丝氨酸、甘氨酸、赖氨酸等）的代谢。氨基酸作为基本的营养物质和能量来源，作为葡萄糖、脂质和核苷酸代谢途径的中间体，有助于肿瘤增殖。虽然氨基酸代谢是最近新的癌症治疗策略的目标，但需要充分了解癌症中的氨基酸代谢和铁死亡，这将有助于指导药物开发和癌症治疗。
自从确定谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）作为谷胱甘肽（glutathione，GSH）过氧化物酶4抑制剂RSL3的共价靶点以来，对铁死亡抑制系统的研究不断深入。中和脂质过氧化物有GPX4-GSH、FSP1-泛素、二氢乳清酸脱氢酶-泛素和GTP环水解酶Ⅰ-四氢生物蝶呤4个关键抑制系统[25]。主要讨论2个新出现的系统的潜在的铁死亡抑制功能，即转硫作用途径（transsulfuration pathway，TSP）和甲戊二羟酸途径。
细胞内半胱氨酸是铁死亡的关键代谢产物，它主要通过胱氨酸-谷氨酸逆向转运（cystine-glutamate antiporter，xCT）获得。xCT由亚基SLC7A11和SLC3A2组成，并输入胱氨酸以交换谷氨酸。在细胞内，胱氨酸被还原为半胱氨酸，用于GSH的合成和ROS的解毒[26]。除了胱氨酸的胞外摄取外，半胱氨酸的另一来源是TSP，其中半胱氨酸由胱硫醚-B-合成酶和胱硫醚-γ-裂解酶合成和调节；蛋氨酸被用作硫供体，并通过同型半胱氨酸和胱硫醚中间体转化为半胱氨酸[27]。因此，当通过xCT系统的细胞外摄取被抑制时，TSP提供了半胱氨酸的来源[28]。铁死亡诱导剂（如橡皮素）在谷氨酸交换过程中阻止胱氨酸摄取，这可能对TSP缺陷的癌症细胞有致命作用[29]。
甲戊二羟酸途径是通过调节焦磷酸异戊烯酯（isopentenyl pyrophosphate，IPP）、辅酶Q10、角鲨烯和胆固醇的生成，以多种方式影响铁死亡。IPP在GPX成熟过程中调节硒代半胱氨酸（selenocysteine，Sec）转运RNA。用他汀类药物阻断甲羟戊酸途径3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme，HMG-CoA）还原酶的限速酶会损害GPX4的翻译，从而使细胞对铁死亡敏感[30]。
多不饱和脂肪酸氧化为PLOOHs可导致铁死亡。花生四烯酸是一个关键的PUFA，通过环氧合酶和脂氧合酶代谢形成二十烷类化合物，或通过自氧化生成脂质过氧化物，激活如上述的铁死亡[31]。研究表明，PUFA合成的限速酶，如长链脂肪酸样5（long-chain fatty acids-like 5，ELOVL5）的延伸，驱动了对铁死亡诱导的癌细胞凋亡的敏感性[32]。ELOVL5是花生四烯酸和肾上腺酸代谢的上游。脂质分析显示，高表达水平ELOVL5的间充质胃癌细胞能够合成PUFAs，这可能解释了其铁死亡敏感性[32]。其他报道表明，花生四烯酸也可以直接诱导某些肿瘤细胞的铁死亡[33]。值得注意的是，来源于T细胞的干扰素-γ与花生四烯酸联合诱导免疫原性肿瘤铁死亡，从而作为CD8+ T细胞介导的肿瘤杀伤的一种作用模式[34]。结合先前铁死亡在免疫治疗和放射治疗作用机制中的作用，表明铁死亡耐药可能是结直肠癌在治疗后增殖的关键机制。尽管有这些发现，但目前还没有完全揭示正常细胞和癌细胞是如何差异地调节细胞内的花生四烯酸池。
谷氨酰胺是体内最丰富的氨基酸，为其他氨基酸、脂类和三羧酸中间体的生物合成提供氮，谷氨酰胺酶是这一过程中的限速酶[35]。在氨基酸缺乏的情况下，补充谷氨酰胺诱导铁死亡，这依赖于谷氨酰胺分解，谷氨酰胺酶将谷氨酰胺转化为谷氨酸。Gao等[36]研究揭示了谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）1和GLS2酶都能水解谷氨酰胺，但GLS1是必不可少的，这种差异可以用线粒体ROS增加在铁死亡中的作用来解释。GLS1是一种胞质蛋白，而GLS2定位于线粒体，在线粒体中形成ROS。进一步的研究表明，在半胱氨酸缺乏和Erastin诱导的铁死亡中，线粒体起着关键作用。半胱氨酸缺乏导致线粒体膜电位超极化和脂质过氧化物蓄积。在缺血/再灌注损伤诱导的体外心脏模型中证明了这一点，与治疗组相比，抑制GLS可改善左心室形成压（left ventricular developed pressure，LVDP），减少心肌梗死的数量。
缺氧通常发生在实体肿瘤中，并通过HIF-1α和HIF-2α信号通路调节代谢、氧化还原稳态和细胞增殖[37]。癌细胞对化疗的耐药性与缺氧密切相关，因此表明HIF1/2可能是治疗的潜在靶点。Singhal等[38]研究发现，Cre-脂氧合酶介导的HIF-2α激活导致阿霉素耐药，其方式与HIF信号通路的作用一致。相反，化学诱导HIF-2α可使肠癌细胞对Erastin诱导的铁死亡敏感[39]。此外，线粒体代谢物富马酸二甲酯（dimethyl fumarate，DMF）引起HIF-2α表达的肠癌细胞死亡，并在DMF处理结肠癌细胞系后增加线粒体代谢物的浓度。Li等[37]研究发现，HIF可能是通过转录调节一组基因来限制线粒体代谢和耗氧量，这表明HIF是线粒体相关铁死亡的重要因素。如前所述，缺氧信号传导也与铁代谢相关，而缺氧相关信号传导分子对铁死亡调控的具体作用需要进一步研究。
诱导铁死亡的调节因子可通过调节多种代谢途径，直接或间接地影响GPX4的活性，导致细胞内抗氧化能力的下降和脂质ROS的积累，最终导致铁死亡性细胞死亡。此外，癌细胞对代谢中间体的需求增加，这些中间体是能量产生维持其快速增殖所必需的，从而导致ROS的产生。癌细胞通过增强其抗氧化防御机制来响应高ROS水平，以抵抗细胞死亡[40]。研究表明，铁暴露激活了ROS和核因子-E2相关因子2（nuclearfactor erythroidderived 2-like 2，Nrf2）的产生，导致SLC7A11和GPX4的上调。这对铁诱导的脂质过氧化起反作用，从而致使结直肠癌细胞避免了铁死亡[41]。因此，靶向Nrf2可能是诱导结直肠癌铁的一种可行策略。
在结直肠癌的研究中，靶向铁死亡可能是一个很有前景的治疗方法。这已经在体外实验中表明，使用RSL3可以抑制GPX4，增加结直肠癌细胞中ROS的生成[42]。GPX4和SLC7A11仍然是诱导结直肠癌铁死亡的主要靶点，而且几种铁死亡诱导剂和抑制剂已经在各种结直肠癌研究中进行了评价，如RSL3等。RSL3通过抑制GPX4和激活ROS来抑制结直肠癌，从而降低细胞生长[43]。2-亚氨基-6-甲氧基-2H-色烯-3-碳硫酰胺（2-imino-6-methoxy-2H-chromene- 3-carbothioamide，IMCA）在体外能降低结直肠癌细胞的活力，并在体内抑制肿瘤生长。这主要是因为IMCA能降低SLC7A11的表达和消耗半胱氨酸和GSH。阿帕替尼通过上调ACSL4和ECOVL6的表达，降低肿瘤中GPX4的表达，促进HCT116细胞的铁死亡，同时GPX4和铁蛋白重链（ferritin heavy chain 1，FTH1）中的表达下调[43]。
然而，许多研究已经使用天然产物或美国食品药品监督管理局批准的药物组合来靶向结直肠癌中的铁死亡。如研究人员使用缺氧反应纳米激发子促进脂质过氧化来探索治疗触发的肿瘤免疫，从而缓解GPX4介导的抑制来促进铁死亡[44]。绿原酸和米托蒽醌共同刺激，从而激活肿瘤免疫，它们同时抑制xCT系统和GPX4通路[44]。这导致了脂质过氧化物的蓄积，从而促进了铁引发的肿瘤细胞损伤。
虽然针对铁死亡的疗法主要针对的是癌细胞，但肿瘤微环境中的有益细胞群，如免疫细胞，也容易发生铁死亡。如研究表明，在CD8+ T细胞中可以检测到大量的脂质过氧化物，这些过氧化物来源于肿瘤，并确定铁死亡是肿瘤特异性CD8+ T细胞的代谢特点。GPX4抑制剂降低了CD8+ T细胞的杀伤力和细胞数量，但对癌细胞存活没有影响，很可能是CD36介导的PUFA摄取促进了这种敏感性[45]。除CD8+ T细胞外，铁死亡还会影响巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞。此外，癌细胞的铁死亡削弱了树突状细胞的成熟和抗原呈递，限制适应性抗肿瘤免疫反应。肿瘤浸润中性粒细胞的铁死亡也具有类似的效果，其中含氧脂质的释放削弱了CD8+ T细胞的杀伤活性。总的来说，铁死亡诱导剂在肿瘤微环境中的作用可能取决于特定癌症类型的整体细胞结构。
越来越多的证据表明，铁死亡可能在结直肠癌治疗中发挥作用。此外，已经发现了几个可能具有潜在结直肠癌治疗应用价值的分子靶点，如GPX4、SLC7A11、ACSL4和TP53。然而，它们通过各种信号机制对铁死亡的不同作用仍然未知。此外，对其他癌症类型的研究表明，铁死亡可以调节炎症和免疫反应，而这在结直肠癌中尚未得到研究。
随着关于铁死亡、炎症和免疫之间的联系的研究越来越多，前列腺素E2、羟基二十碳四烯酸和GPX4受到了相当多的关注。不可否认，需要更多的工作来深入了解铁死亡性结直肠癌细胞在抗肿瘤免疫中的免疫调节作用。虽然在阐明致癌信号如何驱动结直肠癌增殖方面已经取得了实质性的进展，但关于这如何驱动或改变对铁死亡的易感性却比较少。此外，新型铁死亡药物与其他调节细胞和分子途径的小分子，包括脂质过氧化、线粒体呼吸和氧化还原状态，为这些药物未来的临床试验带来了希望。但是，仍需要继续研究来了解KRAS突变如何直接影响结直肠癌和铁死亡的代谢，这可能是改善结直肠癌治疗方案的一个有前景的策略之一。
所有作者均声明不存在利益冲突
