1 肿瘤细胞铁代谢调控蛋白的异常表达

铁是人体不可缺少的微量元素, 参与多种体内重要的生命代谢过程, 在DNA合成、电子传递、运输氧等过程中扮演重要角色。参与三羧酸循环的多数酶都含有铁或是需要铁的参与而发挥作用。铁有2价铁和3价铁2种氧化态，铁离子在2种价态之间的相互转换会产生对细胞有害的活性氧^[1]，因此在体内铁的水平受到严密的调控。肿瘤细胞表现出对铁的需求增加，参与铁代谢调控的蛋白也会发生相应的改变^[2]。

在人体正常状态下，通过饮食摄入的铁，在血液循环中以3价铁的形式与转铁蛋白(transferrin, Tf)结合，每个Tf可与2个3价铁结合，Tf通过与细胞表面表达的转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1, TfR1)结合，将铁转运到周围组织中进一步利用，Tf-3价铁-TfR复合物通过内吞进入细胞内，在核内体酸性环境下，3价铁被还原为2价铁, 并通过2价金属离子转运体1(divalent metal transporter 1, DMT1)转出核内体，形成不稳定铁池(labile iron pool, LIP)，这部分铁参与组成多种蛋白的活性部分，这些蛋白是体内重要代谢环节的催化酶，包括参加DNA合成及三羧酸循环的关键酶。多余的2价铁以铁蛋白的形式储存，2价铁还可以通过细胞膜表面的跨膜蛋白--铁转运蛋白(ferroportin)转出细胞外，铜蓝蛋白等氧化酶参与此铁流出过程，将2价铁重新氧化为3价铁与Tf结合。

肿瘤细胞通过改变调控铁代谢蛋白的表达，增加铁摄入，降低肿瘤细胞内储存铁的含量，减少铁流失，使更多的铁被动员起来被肿瘤细胞代谢所利用。肿瘤患者出现贫血，一方面是由于体内大量的铁被肿瘤细胞代谢所消耗，另一方面是由于肿瘤患者体内慢性炎症状态释放多种炎症因子，抑制红细胞的生成同时促进红细胞凋亡所致^[3]。

1.1 血清铁蛋白(serum ferritin, SF)

铁蛋白(ferritin, Fn)是细胞内多余铁的储存形式，Fn由铁蛋白重链(ferritin heavy chain, FTH)和铁蛋白轻链(ferritin light chain, FTL)2种亚基组成，Fn生成受铁调节蛋白1(iron regulatory protein 1, IRP1)和铁调节蛋白2(iron regulatory protein 2, IRP2)的调控，其在转录后水平抑制Fn生成，增加TfR1表达，使肿瘤细胞内铁代谢更佳旺盛，达到促进增殖的目的。p53基因是一种抑癌基因，能够抑制IRP的活性，使细胞膜表面TFR1表达降低，促进细胞内Fn的合成，通过限制细胞铁代谢来抑制生长^[4]。

Fn和核因子κB (NF-κB)信号密切相关，NF-κB是参与包括炎症和肿瘤许多过程的一种转录因子，能够诱导Fn生成，Fn表达的增加抑制氧化应激，使依赖氧化应激激活的凋亡JNK (JUN N-terminal kinase)信号通路中断，抗击肿瘤坏死因子(TNF-α)所致的细胞凋亡。在对肝星状细胞的研究^[5]中发现：上游信号的激活或是细胞外Fn也会活化NF-κB通路。因此Fn与NF-κB相互作用，在肿瘤的发生发展过程中至关重要。

SF检测是临床上应用最广泛的用来评估铁含量的方法，测量的是从细胞泄漏到血清的那一小部分Fn，可以反映细胞铁含量及膜损伤^[6]，同时也能反应人体铁的总含量。肿瘤患者SF较正常人增高的原因在于来源增加或是清除障碍：①许多实体肿瘤具有合成和分泌Fn的功能，从而使SF的浓度升高^[7]。②肿瘤在生长过程中，组织损伤或坏死，使细胞内储存的Fn释放入血。③恶性肿瘤所致贫血及铁离子在网状内皮系统的蓄积所致Fn合成增加。④肿瘤或其他原因所致肝功受损时，影响体内Fn的清除，从而导致SF浓度的增加。⑤炎症或感染时所释放的炎症介质促进Fn合成，导致SF增高^[8-9]。

肿瘤患者SF测定值较正常人升高，在肿瘤的诊断中，SF起到类似于肿瘤标志物的作用。对接受ABVD (阿霉素、博来霉素、长春花碱和氮烯唑胺)化疗方案治疗的霍奇金淋巴瘤患者研究^[10]显示：SF≥350μg·L^-1的患者较SF < 350μg·L^-1的患者肿瘤分期晚，而且其完全缓解率、无疾病进展生存期和总生存期均于低SF < 350 μg·L^-1组，随着肿瘤负荷的增大SF明显增加, 表明SF可以作为反映霍奇金淋巴瘤患者预后的一个新指标。

1.2 Tf和Tf受体(TfR)

Tf能够与游离的Fe³⁺结合，然后再与细胞表面的TfR结合, 通过内吞作用将铁运输到细胞内。肿瘤组织自身可合成Tf，促进细胞增殖^[11]。正常情况下Tf饱和度约为30%，当由于反复输血、骨髓抑制和无效红细胞生成等因素导致其大于35%时，游离铁被释放到血浆中，成为非Tf结合铁，其中有一部分与蛋白结合非常疏松，被称为不稳定血浆铁，正常情况下非Tf结合铁和不稳定血浆铁不应出现在血浆中，当其在血浆中水平明显增加时，便可以通过离子通道进入细胞内，成为不稳定细胞铁，从而导致细胞损伤。

TfR是一种跨膜糖蛋白，有TfR1和TfR2 2种。TfR2正常情况下主要在肝细胞表达，体内高铁水平不会降低其表达。TfR1的亲和力更高，在多数细胞表达，当细胞内铁水平高时其表达降低，从而较少铁进入细胞内。相关研究^[12-13]表明：TfR1在许多肿瘤细胞高表达，包括乳腺癌、白血病、淋巴瘤、膀胱癌、肺癌和神经胶质瘤等，与正常细胞比较，TfR1高表达的肿瘤细胞铁吸收速度增加，从而促进肿瘤增殖。

1.3 铁转运蛋白

铁转运蛋白是一种铁流出泵，铁转运蛋白的表达水平部分是通过与其结合的铁调素来调节的, 在巨噬细胞、肝细胞、胚胎合体滋养层细胞和肠上皮的基底膜细胞表达丰富，其将铁转运出细胞外。当循环铁和细胞内储存铁增加时，肝脏即生成铁调素降低机体血清铁的水平。铁转运蛋白在乳腺癌细胞低表达，从而使细胞内LIP表达增加，通过促进代谢加速肿瘤增殖，铁转运蛋白低表达提示预后不佳^[14]。在肿瘤患者异常铁代谢调控中最重要的是铁转运蛋白-铁调素调节轴。

1.4 铁调素

铁调素是在肝脏合成的肽类激素，抑制肠黏膜细胞和巨噬细胞将铁释放到血浆，铁调素结合铁转运蛋白使其转出铁的作用减弱^[15-16]。铁调素可降低血清铁，使铁滞留在网状内皮系统的巨噬细胞，由此所致的铁剥夺能够抵抗炎症，同时也能起到抗击肿瘤的作用。对体外培养的肝癌细胞研究^[16]显示：激活抑癌基因p53能够增加铁调素表达，通过剥夺铁起到抗肿瘤的作用，这一机制也参与肿瘤相关贫血的形成。铁调素的表达主要受转铁蛋白饱和度、骨髓活跃度和缺氧调控，Tf和TfR2结合后，使肝脏生成更多铁调素，炎症时通过炎症因子的释放，如IL-6增加铁调素生成^[17]，缺氧、贫血和红细胞生成增加会降低铁调素的表达^[18]，促进铁吸收及储存铁的释放。在炎症、感染或是肿瘤状态下，铁被转移到肝细胞或巨噬细胞内储存，减少被肿瘤细胞或其他微生物的应用。

1.5 铁反应蛋白(iron response protein, IRP)

IRP通过在转录后水平调节Fn及TfR的表达来调控细胞的铁代谢，IRPs包括IRP1和IRP2, TfR和Fn mRNA上的高度保守的非翻译区(untranslated region, UTR)与IRPs相结合的位点被称为铁反应元件(iron response elements, IREs), 当细胞内铁超载时，IRPs与TfR mRNA 3′端UTR的IREs结合活力下降，导致TfR mRNA不稳定而发生降解，通过减少TfR的表达降低细胞摄取铁的量。此时IRPs与Fn mRNA 5′端UTR的IRE结合力也下降，导致Fn mRNA的翻译增加，促进Fn的合成，降低细胞内游离铁。但是在活体研究^[19-20]中发现：IRP1和IRP2的作用并不一致，IRP1的过表达抑制肿瘤生长，而IRP2过表达则促进肿瘤生长，其机制未完全明确，可能与IRP2、MYC及MAPK信号的激活促进肿瘤生长有关。

1.6 共济蛋白

共济蛋白是由核基因编码，在线粒体中发挥功能的蛋白，与费氏共济失调密切相关，共济蛋白功能的紊乱导致线粒体内铁的蓄积，从而产生活性氧引起氧化损伤。小鼠体内共济蛋白基因的敲除使线粒体功能受损，导致肝癌的发生^[21]。共济蛋白的过表达能增加有氧代谢，所以推测共济蛋白通过将代谢方式转化为有氧糖酵解来抑制肿瘤形成，但是其中的机制并未完全明确，可能通过其他机制，例如抑制DNA氧化损伤或促进DNA修复等^[22]。

1.7 脂质运载蛋白2(lipocalin 2, LCN2)

LCN2是一种参与铁摄取旁路途径的蛋白，在乳腺癌、肝癌和胰腺癌组织中表达增加。LCN2结合铁载体，铁载体是熟知的细菌或真菌摄取铁的低分子量铁结合配体。血液中的铁循环是依赖于LCN2儿茶酚复合体，儿茶酚是哺乳动物合成的一种铁载体，LCN2儿茶酚复合体与细胞表面受体24p3R结合参与铁的摄取。乳腺癌细胞过度表达的LCN2促进肿瘤细胞增殖。在肿瘤小鼠模型的研究^[23]中发现：LCN2的低表达能降低肿瘤的发生及转移风险。研究^[23-24]显示：在结直肠癌和肝癌等肿瘤患者中，LCN2过表达缩短患者的总生存期及无病生存期，是预后不良的指标。

1.8 缺氧诱导因子

缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF)能够调控低氧诱导的众多基因表达，包括血管内皮生长因子和促红素等。HIF由1个α亚基和1个β亚基组成，α亚基有HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α共3种亚型，在常氧条件下，α亚基被快速羟化、泛素化和蛋白水解化降解。HIFα以氧气、酮戊二酸、抗坏血酸和铁作为底物，在脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylase, PHD)催化作用下羟化，因此在低氧及细胞内铁水平降低的情况下，HIFα不被羟化，从而不被降解较为稳定。肿瘤组织中HIF活性增强，HIFα的表达上调与肿瘤增殖有关联^[25]。HIF1促进TfR1表达，增加铁的摄取，此外HIF1还能促进血红素加氧酶1(haem oxygenase 1, HO1)的表达，将血红素降解为胆绿素、一氧化碳和铁，从而使细胞内铁增加。HIF1还能促进铜蓝蛋白高表达，从而使铁氧化并与Tf结合。HIF的活化通过多种途径促进肿瘤细胞的铁蓄积。

肿瘤细胞常常表现出对铁的需求增加，参与铁调控的蛋白也会发生相应的改变。铁调控相关蛋白在肿瘤的发生发展过程中起着重要作用，然而其具体机制有待进一步研究。如何通过干预肿瘤细胞铁代谢来抑制肿瘤生长，将成为肿瘤治疗中的新思路。

2 铁代谢的调控为肿瘤治疗提供新途径 2.1 铁过载增强肿瘤细胞内活性氧杀伤肿瘤细胞

铁过载能导致活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生增加，ROS对细胞的作用与其浓度有关。研究^[26]表明：高浓度的ROS引起细胞凋亡，而低水平的ROS会导致粥样硬化等血管疾病。在小鼠模型^[27]中发现：减少抗氧化剂如维生素C和维生素A的摄入能够抑制肿瘤增殖和转移。越来越多的研究^[28]致力于开发能够特异性增加肿瘤细胞内活性氧浓度的药物，当浓度达到致死水平后，能特异性地导致肿瘤细胞凋亡而对非肿瘤细胞损伤小，从而提高化疗疗效。博来霉素通过与铁络合成复合物，先使DNA解链，通过把电子从2价铁转到氧分子，产生ROS，引起DNA链断裂，从而起到抗肿瘤的作用。目前，利用ROS诱导肿瘤细胞凋亡的新药研究较多，但是如何控制肿瘤细胞内ROS的浓度，以及如何调节体内抗氧化酶的活性，使药物的抗肿瘤作用最佳，同时毒副作用最小，仍是一个亟需解决的问题。

2.2 降低铁蛋白克服化疗耐药

铁不仅可通过产生ROS影响肿瘤的治疗，还能影响肿瘤细胞对化疗药物的耐药^[29]，降低Fn的表达会增加乳腺癌细胞对化疗药物阿霉素和卡氮芥的敏感性。对神经胶质瘤的小鼠模型研究^[30]发现：通过FTH siRNA降低FTH表达，增加了肿瘤细胞化疗药物的敏感性。当给耐药的卵巢癌细胞加入铁螯合剂后，肿瘤细胞对铂类抗肿瘤药物的耐受性降低，药物的细胞毒性增强。研究^[29]显示：体外培养的白血病K562系细胞，加入铁螯合剂后白血病细胞内的铁含量明显降低，抑制多药耐药基因1(multidrug resistance-1, MDR1)、早期生长因子蛋白1(early growth response gene-1, EGR1)、FTH和MDR1编码糖蛋白(P-glycoprotein, P-gp)的表达，使MDR1 mRNA的合成降低了约70%，FTH mRNA的合成降低了约50%，P-gp蛋白的合成降低了约30%。低表达的FTH能够降低药物运输能力，使肿瘤细胞对化疗药物产生的ROS损伤更敏感，因此降低耐药性。EGR1能促使正常细胞进入增殖期，调控细胞增殖和分化，作为转录因子的EGR1还能和MDR1启动子结合，调节MDR1的转录，EGR1表达的降低导致MDR1 mRNA的合成减少^[29]。通过上述机制，加入铁蛋白处理后的体外培养的白血病细胞，对化疗药物的耐药性降低。

2.3 去铁治疗肿瘤

去铁治疗可以促进肿瘤细胞凋亡、抗增殖、抑制转移、抗血管生成及抗肿瘤细胞MDR。许多研究^[31]证实：铁螯合剂有抗肿瘤的作用，如神经母细胞瘤、肝癌、乳腺癌、卵巢癌和白血病等，有望成为一种治疗肿瘤的新策略。铁螯合剂主要是通过以下机制发挥抗肿瘤作用^[32]：①核苷酸还原酶是DNA合成的限速酶，铁是维持核苷酸还原酶活性的重要成分，铁螯合剂能够结合铁离子，从而降低核苷酸还原酶活性，抑制肿瘤细胞的增殖^[33]。②铁螯合剂能够剥夺细胞内铁，影响细胞周期进程，抑制肿瘤细胞生长。③铁螯合剂诱导P53蛋白的表达，从而抑制肿瘤细胞增殖。④降低MDR1的表达，增加化疗药物的细胞毒性。⑤N-myc下游调节基因1(N-myc downstream-regulated gene-1, Ndrgl)在抑制肿瘤的进展及转移中起着重要的作用；研究^[34]表明：铁螯合剂能上调Ndrg1基因的表达，起到抗肿瘤转移的作用。⑥铁螯合剂能够靶向AKT、ERK、JNK、p38、STAT3、TGF-β和Wnt信号通路，起到抑制细胞增殖的作用^[35]。

2.4 以TfR为靶点进行肿瘤的靶向治疗

在正常细胞中，TfR表达水平低，而肿瘤细胞由于快速生长对铁的需求量增加，TfR的表达水平明显增加，且Tf与肿瘤细胞表面TfR的亲和力是正常细胞表面的10~100倍。因此TfR抗体已被用于抑制肿瘤生长，TfR单克隆抗体可抑制体外肿瘤细胞的生长^[36]，利用Tf携带抗肿瘤药物作用于TFR高表达的肿瘤细胞起到抗肿瘤作用，这种靶向治疗能够降低传统化疗药物对正常细胞的毒性，是一种高效且不良反应少的新兴抗肿瘤治疗。但TfR的稳定性、高效性和靶向性还有待进一步研究，Tf-TfR介导的纳米给药途径，其制备技术工艺仍不成熟，相信随着这些问题的解决，以TfR为靶点的靶向治疗将在肿瘤的靶向治疗方面有更广阔的应用前景。

3 展望

微量元素铁与肿瘤有着密切的关系，铁过载会增加肿瘤发病风险，促进肿瘤细胞增殖和转移，影响放化疗对肿瘤细胞的杀伤作用。同时肿瘤患者体内铁代谢亦存在异常，通过靶向肿瘤患者体内异常表达的铁代谢相关蛋白，将为肿瘤治疗提供新思路，但其中更深入的机制尚未完全明确，仍然需要更进一步的研究，从而更好地指导肿瘤的临床诊断与治疗。