鐵可催化生物膜中脂質(zhì)的氧化反應(yīng)，進(jìn)而誘發(fā)鐵死亡。明確這一化學(xué)反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)的發(fā)生位點(diǎn)，將有助于設(shè)計(jì)針對(duì)不同疾病狀態(tài)下誘導(dǎo)或抑制鐵死亡的藥物。本研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制劑liproxstatin-1（Lip-1）通過(guò)滅活溶酶體鐵發(fā)揮保護(hù)作用?；诖?，該研究設(shè)計(jì)了雙功能化合物芬托霉素（fentomycin）：該分子既能靶向質(zhì)膜磷脂，又能在內(nèi)吞后激活溶酶體鐵，促進(jìn)磷脂氧化降解并誘發(fā)鐵死亡。fentomycin可有效殺傷原發(fā)性肉瘤和胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞，其作為脂解靶向嵌合體，能選擇性靶向富含鐵的CD44高表達(dá)細(xì)胞亞群——該亞群與轉(zhuǎn)移性疾病和耐藥性密切相關(guān)。進(jìn)一步研究證實(shí)，fentomycin在體內(nèi)同樣能清除CD44高表達(dá)細(xì)胞，并在免疫健全的乳腺癌轉(zhuǎn)移小鼠模型中抑制淋巴結(jié)內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)不僅證明溶酶體鐵可觸發(fā)鐵死亡，更揭示了利用溶酶體鐵氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)治療干預(yù)的可行性，相關(guān)研究成果于2025年5月發(fā)表于《Nature》：Activation of lysosomal iron triggers ferroptosis in cancer。

1. 溶酶體鐵觸發(fā)鐵死亡

研究人員從抑制鐵死亡的分子入手，先確定Lip-1的亞細(xì)胞作用位點(diǎn)，對(duì)含有炔烴的Lip-1合成類似物（命名為cLip-1）在HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞中進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)標(biāo)記，通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)結(jié)合熒光顯微鏡觀察顯示其具有溶酶體靶向性。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，cLip-1能夠延緩因Gpx4基因缺失而誘發(fā)急性腎衰竭的小鼠死亡。在小鼠組織中標(biāo)記cLip-1發(fā)現(xiàn)，該化合物在肝臟和腎臟中富集，并在腎近端小管中與溶酶體標(biāo)志物共定位。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明cLip-1可作為Lip-1的合適替代物，用于研究鐵死亡。核磁共振（NMR）光譜分析和目視檢測(cè)表明，Lip-1能與鐵離子形成復(fù)合物，這些復(fù)合物在溶酶體等酸性環(huán)境（如pH<5）中保持穩(wěn)定，但在較高pH值（pH>12）下會(huì)解離。循環(huán)伏安法實(shí)驗(yàn)表明，Lip-1與去鐵胺（deferoxamine，DFO）均能顯著抑制鐵的氧化還原活性。DFO和Lip-1均可誘導(dǎo)原代人胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）細(xì)胞中的鐵蛋白和鐵調(diào)節(jié)蛋白2（IRP2）發(fā)生降解，這一現(xiàn)象表明，當(dāng)這兩種化合物與溶酶體鐵結(jié)合后，會(huì)耗竭細(xì)胞內(nèi)可利用的鐵池，從而為它們?cè)诟邼舛认庐a(chǎn)生的毒性作用提供理論依據(jù)。使用羥氯喹（HCQ）或巴弗洛霉素A1（Baf-A1）處理可提高溶酶體pH值，并阻止鐵離子從其內(nèi)吞載體上卸載，從而導(dǎo)致游離溶酶體鐵離子池減少，并保護(hù)細(xì)胞免受RSL3（一種谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4的抑制劑，能夠抑制半胱氨酸和谷氨酸酯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，也是一種鐵死亡的激活劑）誘導(dǎo)的膜脂氧化。RSL3處理1小時(shí)，膜脂氧化的信號(hào)主要發(fā)生在溶酶體，但如果延長(zhǎng)處理時(shí)間到4小時(shí)，膜脂氧化的信號(hào)則在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER），這強(qiáng)有力地表明，自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最早起始于溶酶體區(qū)室——該區(qū)域存在具有氧化還原活性的鐵離子，隨后，這一鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散至其他鄰近細(xì)胞器（如ER）的膜脂結(jié)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)共同闡明了溶酶體鐵作為鐵死亡觸發(fā)器的中心作用。

圖1. 溶酶體鐵觸發(fā)鐵死亡

（圖片源自《Nature》）

2. 靶向脂質(zhì)分解嵌合體的開發(fā)

既然溶酶體鐵是觸發(fā)鐵死亡的關(guān)鍵，那么能否設(shè)計(jì)一個(gè)分子，特異性地靶向并激活溶酶體鐵的氧化活性呢？研究團(tuán)隊(duì)將熒光親脂性天然產(chǎn)物馬爾霉素A（marmycin A）與合成的White-Chen配體相結(jié)合，并將其命名為fentomycin。在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中，fentomycin在與溶酶體相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下（酸性環(huán)境、H₂O₂、亞鐵離子）增強(qiáng)了鐵誘導(dǎo)的脂質(zhì)體氧化。fentomycin的自身熒光特性顯示，其在低溫條件下與CD44共同定位于細(xì)胞膜上，重現(xiàn)了母體化合物marmycin A的光物理性質(zhì)。相比之下，在生理溫度條件下，fentomycin和marmycin A被發(fā)現(xiàn)靶向溶酶體區(qū)室，而含炔烴的White-Chen（cWhite-Chen）配體在酸性環(huán)境下能激活亞鐵離子的催化氧化活性。與膜脂氧化現(xiàn)象一致，亞致死劑量的fentomycin導(dǎo)致HT-1080細(xì)胞中鐵死亡抑制因子GPX4和SLC7A11等水平升高；誘導(dǎo)4-羥基壬烯醛（4-HNE）（4-HNE能夠引發(fā)細(xì)胞損傷，其產(chǎn)生是鐵死亡的典型標(biāo)志）的產(chǎn)生。延長(zhǎng)fentomycin處理時(shí)間會(huì)上調(diào)激素敏感脂肪酶（HSL）并伴隨溶血磷脂和甘油的增加，說(shuō)明氧化磷脂觸發(fā)了細(xì)胞膜重塑。fentomycin誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡可被公認(rèn)的鐵死亡抑制劑（包括鐵螯合劑和抗氧化劑）所拮抗，但凋亡或壞死性凋亡抑制劑則無(wú)效。這些數(shù)據(jù)共同表明，通過(guò)藥物手段激活溶酶體鐵可以觸發(fā)鐵死亡，而fentomycin正是作為一種“脂解靶向嵌合體”發(fā)揮作用。

圖2. 靶向脂質(zhì)分解嵌合體的開發(fā)

（圖片源自《Nature》）

3. fentomycin誘導(dǎo)癌癥中的鐵死亡

接下來(lái)，評(píng)估溶酶體鐵激活在疾病相關(guān)模型中的影響。為此，我們研究了不同癌癥類型原發(fā)腫瘤組織中鐵的含量，包括PDAC、多種人類肉瘤亞型以及自發(fā)性乳腺癌轉(zhuǎn)移的小鼠模型。電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）分析顯示，與同一患者癌旁非癌組織相比，癌組織的總鐵含量更高，并且過(guò)表達(dá)CD44的癌細(xì)胞亞群中鐵負(fù)荷水平更高。對(duì)新鮮分離的PDAC和肉瘤組織細(xì)胞的研究顯示，與CD44低表達(dá)的癌細(xì)胞亞群相比，CD44高表達(dá)亞群中具有氧化還原活性的溶酶體亞鐵離子水平更高。這一結(jié)果與先前的研究發(fā)現(xiàn)一致，即CD44可介導(dǎo)癌細(xì)胞通過(guò)內(nèi)吞作用攝取鐵，從而獲得藥物耐受的持續(xù)存留表型。在從新鮮分離的人原發(fā)性腫瘤獲得的細(xì)胞中，fentomycin誘導(dǎo)膜脂氧化和脂解，這種效應(yīng)被鐵死亡抑制劑拮抗，值得注意的是，fentomycin還可減少PDAC和未分化多形性肉瘤（UPS）中的CD44高表達(dá)細(xì)胞數(shù)量，這同樣被鐵死亡抑制劑拮抗。在原代PDAC細(xì)胞和人PDAC衍生類器官中，與標(biāo)準(zhǔn)治療藥物相比，fentomycin對(duì)細(xì)胞活力的影響更顯著。這些CD44高表達(dá)細(xì)胞在溶酶體中還表現(xiàn)出更強(qiáng)的亞鐵離子依賴性氧化還原活性，并且在體外實(shí)驗(yàn)中，fentomycin能夠改變細(xì)胞活力，而這一效應(yīng)可被鐵死亡抑制劑Lip-1所拮抗。在4T1細(xì)胞荷瘤小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)fentomycin治療可顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)，對(duì)殘留腫瘤的進(jìn)一步分析表明，fentomycin能誘導(dǎo)膜脂氧化和溶血磷脂的產(chǎn)生，并且對(duì)CD44高表達(dá)癌細(xì)胞亞群的作用明顯強(qiáng)于CD44低表達(dá)亞群。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明fentomycin通過(guò)靶向CD44高表達(dá)細(xì)胞亞群中更豐富的溶酶體亞鐵離子，在體內(nèi)誘導(dǎo)鐵死亡。

圖3. fentomycin誘導(dǎo)癌癥中的鐵死亡

（圖片源自《Nature》）

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