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鐵死亡Club編委會| 審校
研究背景
鐵死亡（Ferroptosis）是Dixon等人在2012年發(fā)現(xiàn)的一種依賴鐵的調(diào)節(jié)性細胞死亡形式（regulated cell death, or RCD），在形態(tài)學(xué)和機制上不同于細胞凋亡 (Apoptosis)和其他類型RCD。形態(tài)上，發(fā)生鐵死亡的細胞以線粒體皺縮和線粒體嵴減少為特征；機制上，細胞膜上脂質(zhì)過氧化物的致命積累是鐵死亡的主要原因，涉及到細胞內(nèi)鐵死亡執(zhí)行和鐵死亡防御系統(tǒng)之間的對抗（圖1）。
近年來，鐵死亡引起了癌癥研究界的極大興趣，其在腫瘤生物學(xué)和癌癥治療中的研究已經(jīng)取得了實質(zhì)性進展。一方面，多種與癌癥相關(guān)的信號通路可通過調(diào)控鐵死亡來發(fā)揮作用；另一方面，癌細胞獨特的新陳代謝、高負荷的活性氧（reactive oxygen species, or ROS）和特定的突變史等特征，使其對鐵死亡具有內(nèi)在易感性，從而暴露出某些癌癥類型中可靶向的脆弱點。值得注意的是，鐵死亡被確立為多種癌癥療法引發(fā)的關(guān)鍵細胞死亡反應(yīng)，包括放療，免疫治療，化療和靶向治療，并且鐵死亡誘導(dǎo)劑與這些癌癥療法聯(lián)合具有巨大潛力。總而言之，靶向鐵死亡已成為一種有前途的癌癥治療策略，并為難治性癌癥提供了新的治療機會。
新成果
2022年3月25日，美國MD安德森癌癥中心甘波誼團隊（雷光博士為第一作者，甘波誼教授為通訊作者）在Nature Reviews Cancer雜志 (2020 IF: 60.7) 上發(fā)表了名為Targeting ferroptosis as a vulnerability in cancer的綜述，總結(jié)了目前對鐵死亡調(diào)控機制的理解，深入分析了鐵死亡在腫瘤生物學(xué)中的機制，討論了在癌癥治療中如何靶向鐵死亡這個脆弱點，并強調(diào)了未來研究的幾個關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。
研究重點
1.鐵死亡的先決條件和防御系統(tǒng)
鐵死亡執(zhí)行的關(guān)鍵是含多不飽和脂肪酸（PUFA）的phospholipids（PUFA-PLs）的鐵催化過氧化，當(dāng)超過鐵死亡防御系統(tǒng)的緩沖能力時，可導(dǎo)致細胞膜上脂質(zhì)過氧化物的致命積累，隨后膜破裂，導(dǎo)致細胞鐵死亡。PUFA-PL的合成和過氧化、鐵代謝（不穩(wěn)定鐵池增加）和線粒體代謝（產(chǎn)生ROS，ATP和/或PUFA-PL）構(gòu)成了驅(qū)動鐵死亡的主要先決條件（圖1）。鐵死亡防御機制涉及細胞抗氧化系統(tǒng)來直接中和脂質(zhì)過氧化物，主要包括位于細胞質(zhì)和線粒體的GPX4–GSH系統(tǒng)，位于細胞質(zhì)的FSP1–CoQH2系統(tǒng)，位于線粒體的DHODH–CoQH2系統(tǒng)，以及GCH1–BH4 系統(tǒng)等（圖1）。
圖1
2.鐵死亡逃逸為腫瘤推波助瀾
鐵死亡是一種關(guān)鍵的腫瘤抑制機制。一些抑癌基因（例如p53，BAP1，KEAP1和ARF）和致癌信號通路（例如PI3K-AKT-mTOR，RAS，NEDD4, DJ1和PDK4）可以分別促進或抑制鐵死亡而發(fā)揮相應(yīng)作用。腫瘤已經(jīng)進化出至少三種機制來逃避鐵死亡，從而促進了腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移。
(1) 限制PUFA-PL的合成和過氧化：例如鈣依賴性磷脂酶A2β (iPLA2β)在多種癌癥中過表達，脂肪因子chemerin在腎癌中的上調(diào)，以及癌細胞暴露于淋巴環(huán)境和高膽固醇血癥；
(2)限制不穩(wěn)定鐵池：例如半胱氨酸脫硫酶NFS1在肺癌中過表達，CDGSH含鐵硫域蛋白2（CISD2）在頭頸部癌癥中過表達，以及Frataxin在癌癥中上調(diào)，都可通過調(diào)節(jié)鐵硫簇（ISCs）來抑制不穩(wěn)定鐵池；
(3)上調(diào)自身的鐵死亡防御系統(tǒng)：例如NRF2上調(diào)以增強GPX4-GSH系統(tǒng)，某些抑癌基因失活或者致癌性KRAS激活對SLC7A11的上調(diào)，GCH1在多種癌癥類型中過表達，以及角鯊烯在角鯊烯單氧酶（SQLE）缺乏的間變淋巴瘤激酶（ALK）陽性的間變性大細胞淋巴瘤中的累積。
3.癌癥中的鐵死亡脆弱性（圖2）
(1)癌細胞的代謝特征賦予的鐵死亡脆弱性：處于特定細胞狀態(tài)的難治性癌細胞對鐵死亡格外敏感，例如PUFA-PL的合成在處于間質(zhì)狀態(tài)的癌細胞中增強，并使這類細胞強烈依賴GPX4來解毒脂質(zhì)過氧化物而生存；因此間質(zhì)狀態(tài)癌細胞對鐵死亡誘導(dǎo)十分脆弱。類似地，耐藥性黑色素瘤細胞的去分化亞群也顯示出對鐵死亡的脆弱性，可能是因為PUFA的積累和低水平的GSH。此外，由于獨特的代謝特征，某些癌癥類型也天生易受到鐵死亡的影響，例如不飽和醚磷脂（PUFA-ePLs）在腎透明細胞癌和非神經(jīng)內(nèi)分泌性小細胞肺癌中的增多，和三陰性乳腺癌中豐富的PUFA水平、升高的不穩(wěn)定鐵池和減弱的GPX4-GSH防御系統(tǒng)?？傊退幖毎拇x改變以及某些癌癥的先天代謝特征引發(fā)的鐵死亡脆弱性，為治療這些難治性癌癥提供了新機會（圖2a）。
(2) 癌細胞的基因突變賦予的鐵死亡脆弱性：雖然抑癌基因失活通常會抑制鐵死亡，但某些抑癌基因的突變也可以賦予癌細胞對鐵死亡的脆弱性。例如，E-cadherin-NF2-Hippo信號軸突變可以增強YAP或TAZ的轉(zhuǎn)錄活性，從而上調(diào)一些促鐵死亡基因的表達，使癌細胞對鐵死亡誘導(dǎo)敏感。類似地，腎透明細胞癌細胞中VHL缺失可通過穩(wěn)定HIFs- HILPDA軸促進PUFA的合成，從而使癌細胞對鐵死亡脆弱。此外，某些癌基因活化也可以使癌細胞對鐵死亡脆弱，例如EGFR突變的非小細胞肺癌和IDH1突變的腫瘤。總之，這些特定突變賦予的鐵死亡脆弱性提供了潛在的治療靶點（圖2b）。
(3)鐵死亡防御系統(tǒng)失衡賦予的鐵死亡脆弱性：鐵死亡防御系統(tǒng)主要分為GPX4依賴性和GPX4非依賴性兩部分，一個部分的低表達或失活使癌細胞高度依賴另一部分進行鐵死亡防御，因此對另一部分失活所誘發(fā)的鐵死亡極度敏感。這種針對不平衡的鐵死亡防御系統(tǒng)的治療策略將類似于合成致死的策略，例如，F(xiàn)SP1、DHODH或GCH1低表達的癌細胞通常更容易受到GPX4抑制劑的影響；相反，GPX4低表達的癌細胞更依賴FSP1或DHODH來防御鐵死亡，因此對FSP1或DHODH失活更敏感。這也表明，鐵死亡防御系統(tǒng)基因的表達水平可以作為生物標(biāo)志物進行探索，以選擇出最適合患者的鐵死亡誘導(dǎo)劑進行癌癥治療（圖2c）。
圖2
4.腫瘤微環(huán)境中的鐵死亡
腫瘤微環(huán)境（TME），特別是其中的免疫細胞，對癌細胞鐵死亡有重要影響。CD8+細胞毒性T細胞是TME中抗腫瘤免疫的主要執(zhí)行者，它分泌的IFNγ通過下調(diào)SLC7A11的表達來抑制癌細胞對胱氨酸的吸收，從而促進腫瘤中的脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。免疫檢查點抑制劑聯(lián)合胱氨酸酶協(xié)同促進了腫瘤鐵死亡并增強了抗腫瘤免疫反應(yīng)，表明鐵死亡在T細胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫中非常重要。值得注意地，鐵死亡的癌細胞可以釋放一些免疫刺激信號以促進樹突狀細胞的成熟，并提高巨噬細胞對鐵死亡癌細胞的吞噬效率，進一步增強CD8+T細胞對腫瘤的浸潤，這也表明鐵死亡可能是一種免疫原性細胞死亡（immunogenic cell death，or ICD）。
此外，在一些免疫抑制細胞中誘導(dǎo)鐵死亡也可以增強抗腫瘤免疫力，例如通過抑制GPX4或者ASAH2在調(diào)節(jié)性T（Treg）細胞，髓源性抑制細胞（MDSCs），以及M2樣表型腫瘤相關(guān)巨噬細胞（M2-like TAMs）中誘導(dǎo)鐵死亡。然而，一些證據(jù)也表明鐵死亡誘導(dǎo)（尤其是GPX4抑制劑）可能會損害CD8+T細胞和濾泡輔助T細胞（Tfh），從而損害抗腫瘤免疫力并促進腫瘤發(fā)展（圖3）。
圖3
5.在癌癥治療中靶向鐵死亡
鐵死亡誘導(dǎo)劑在癌癥治療中顯示出了巨大潛力，并且納米材料的開發(fā)使得在腫瘤局部誘導(dǎo)鐵死亡成為可能。此外，鐵死亡誘導(dǎo)劑可以通過增強多種癌癥療法介導(dǎo)的鐵死亡來提高這些療法的療效。
(1)利用癌細胞對鐵死亡的脆弱性
如前所述，鐵死亡在某些癌癥類型中代表了一種脆弱性，通過誘導(dǎo)鐵死亡來針對這些脆弱性為癌癥治療提供了機會。值得注意的是，在幾種癌癥類型中（如肺癌和乳腺癌），癌細胞似乎比其相應(yīng)的正常上皮細胞對鐵死亡更敏感。這表明，存在適當(dāng)?shù)闹委煷翱?，可以在腫瘤中選擇性地誘導(dǎo)鐵死亡，而不影響正常組織。
(2) 使鐵死亡抵抗腫瘤對鐵死亡重新敏感
如前所述，不同的鐵死亡逃逸機制賦予了癌細胞的鐵死亡抗性，因此破壞驅(qū)動鐵死亡逃逸的機制可以使這類癌細胞或腫瘤對鐵死亡重新敏感。由某些具有致癌活性的基因介導(dǎo)的鐵死亡抵抗可以通過抑制基因本身的蛋白產(chǎn)物表達或活性來克服，也可以通過靶向其下游效應(yīng)物來逆轉(zhuǎn)鐵死亡抵抗?？偟膩碚f，針對賦予鐵死亡抗性的關(guān)鍵致癌途徑是癌癥治療的一個重要戰(zhàn)略。
(3) 鐵死亡誘導(dǎo)劑聯(lián)合常規(guī)癌癥療法
通過鐵死亡誘導(dǎo)劑增強一些常規(guī)療法介導(dǎo)的鐵死亡也是一個重要策略。癌細胞可以上調(diào)SLC7A11或GPX4的表達以對抗放療誘導(dǎo)的鐵死亡，因此，以SLC7A11或GPX4為靶點的鐵死亡誘導(dǎo)劑可以增敏放療。吉西他濱（一種化療藥物）也可以誘導(dǎo)GPX4的表達和活性，因此抑制GPX4可以通過增強吉西他濱誘導(dǎo)的鐵死亡而增加腫瘤對吉西他濱的敏感性。同樣，靶向SLC7A11的鐵死亡誘導(dǎo)劑可以使癌細胞對化療（如順鉑和多柔比星）和免疫檢查點抑制劑敏感。
值得注意的是，對于一些具有內(nèi)源性或獲得性治療抵抗的癌癥，鐵死亡誘導(dǎo)劑可以恢復(fù)其對常規(guī)療法的敏感性。例如靶向SLC7A11或者GPX4的鐵死亡誘導(dǎo)劑可以使p53或KEAP1突變的腫瘤，以及獲得性放射抵抗的癌細胞，對放療重新敏感。此外，靶向SLC7A11的鐵死亡誘導(dǎo)劑可以使順鉑抵抗的頭頸部鱗癌，多西他賽抵抗的卵巢癌對這些化療藥物重新敏感。同樣地，特異性抑制劑也可以與常規(guī)療法相結(jié)合，以恢復(fù)這些療法誘導(dǎo)的鐵死亡并逆轉(zhuǎn)治療抗性。例如，抑制TYRO3可以逆轉(zhuǎn)PD-1/PD-L1治療的抗性，而抑制MT1G可以恢復(fù)索拉非尼的療效。
因此，腫瘤對放療、化療、免疫治療和其他靶向治療的耐藥性與鐵死亡抵抗有關(guān)，這種表型可以通過用鐵死亡誘導(dǎo)劑或其他抑制劑恢復(fù)鐵死亡而得到逆轉(zhuǎn)。值得注意的是，鐵死亡誘導(dǎo)劑與常規(guī)治療的結(jié)合，在正常細胞中引起的毒性作用似乎相對有限，并且在臨床前模型中顯示出良好的耐受性。目前正在進行幾項臨床試驗，以測試鐵死亡誘導(dǎo)劑對癌癥患者的療效和安全性。
展望未來
(1) GPX4抑制劑對靶向癌癥中鐵死亡脆弱性至關(guān)重要，GPX4共價抑制劑ML210及其最近設(shè)計的衍生物（如JKE-1674）比RSL3和ML162更具選擇性；然而，大多數(shù)這些抑制劑在動物模型中表現(xiàn)出不良（或不明確）的藥理特性，限制了其臨床轉(zhuǎn)化的潛力。開發(fā)和優(yōu)化具有更好的藥代動力學(xué)和選擇性的GPX4靶向藥物，仍然是在癌癥治療中采用GPX4抑制的主要障礙。在這方面，目前有幾種具有GPX4抑制活性的體內(nèi)穩(wěn)定的抗癌藥物，如withaferin A和altretamine，可能為解決這個問題提供了一個替代方案。此外，藥物抑制GPX4是否能選擇性地殺死腫瘤而不引起正常組織的廣泛毒性和病人難以忍受的副作用也有待確定。
(2) 除了癌細胞，TME中促進或抑制抗腫瘤免疫的免疫細胞，也可能易受到鐵死亡的影響。因此，如何平衡癌細胞、抗腫瘤免疫細胞和免疫抑制細胞的鐵死亡脆弱性，仍然是一個關(guān)鍵的障礙。要解決這個問題，重要的是要全面了解癌細胞和各種免疫細胞對鐵死亡的不同敏感度和內(nèi)在機制。
(3) 需要開發(fā)能準確預(yù)測腫瘤對鐵死亡誘導(dǎo)反應(yīng)的生物標(biāo)志物，特別是那些可以直接在患者體液和活檢標(biāo)本中檢測的生物標(biāo)志物，這對篩選適合鐵死亡誘導(dǎo)劑治療的癌癥患者，并明確最佳方案至關(guān)重要。
(4) 對鐵死亡機制的更深入了解將繼續(xù)為在癌癥中靶向鐵死亡提供關(guān)鍵的見解。例如，細胞膜GPX4是否能在線粒體內(nèi)大量定位并抑制線粒體脂質(zhì)過氧化仍有待澄清。另一個關(guān)鍵問題是，質(zhì)膜上的脂質(zhì)過氧化是否代表最后的步驟，或者是否還有其他尚不清楚的下游步驟來觸發(fā)質(zhì)膜破裂和鐵死亡。了解這些基本問題可能有助于確定癌癥治療的新目標(biāo)。
通訊作者和第一作者簡介
1 ? 論文通訊作者甘波誼教授任職于美國德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心，并擔(dān)任放射與癌癥代謝中心主任。長期從事腫瘤代謝、鐵死亡、腫瘤治療等方向研究 (https://www.mdanderson.org/research/departments-labs-institutes/labs/gan-laboratory.html)，在Nature、Cancer Cell、Nature Cell Biology、Nature Communications、PNAS、Cell Research等雜志發(fā)表文章70多篇，引用19,000次。主持NIH、CPRIT等機構(gòu)的多個研究項目，擔(dān)任眾多國際知名學(xué)術(shù)期刊評委。甘波誼教授團隊近年在國際知名雜志, 如 Nature, Nature Cell Biology, Cell Research, Nature Communications, 以通訊作者發(fā)表多篇論文闡述鐵死亡和胱氨酸代謝與腫瘤發(fā)生及治療的關(guān)系 (1-9)。實驗室歡迎對鐵死亡和腫瘤代謝及其應(yīng)用研究感興趣的博士后、研究生加入。通訊郵箱：bgan@mdanderson.org
2 ? 論文第一作者雷光博士，2018年作為研究生加入MD Anderson Cancer Center 甘波誼教授實驗室從事鐵死亡研究。雷博士以第一作者在Cell Research，Nature Communications，Oncogene，Protein & Cell等國際知名雜志發(fā)表文章多篇，專注于鐵死亡和相關(guān)代謝通路在腫瘤放療和靶向治療中的機制和臨床轉(zhuǎn)化研究。
References
1.Zhang Y, Shi J, Liu X, Feng L, Gong Z, Koppula P, Sirohi K, Li X, Wei Y, Lee H, Zhuang L, Chen G, Xiao ZD, Hung MC, Chen J, Huang P, Li W, Gan B. BAP1 links metabolic regulation of ferroptosis to tumour suppression. Nat Cell Biol. 2018;20(10):1181-92.
2.Lee H, Zandkarimi F, Zhang Y, Meena JK, Kim J, Zhuang L, Tyagi S, Ma L, Westbrook TF, Steinberg GR, Nakada D, Stockwell BR, Gan B. Energy-stress-mediated AMPK activation inhibits ferroptosis. Nat Cell Biol. 2020;22(2):225-34.
3.Lei G, Zhang Y, Koppula P, Liu X, Zhang J, Lin SH, Ajani JA, Xiao Q, Liao Z, Wang H, Gan B. The role of ferroptosis in ionizing radiation-induced cell death and tumor suppression. Cell research. 2020;30(2):146-62.
4.Liu X, Olszewski K, Zhang Y, Lim EW, Shi J, Zhang X, Zhang J, Lee H, Koppula P, Lei G, Zhuang L, You MJ, Fang B, Li W, Metallo CM, Poyurovsky MV, Gan B. Cystine transporter regulation of pentose phosphate pathway dependency and disulfide stress exposes a targetable metabolic vulnerability in cancer. Nat Cell Biol. 2020;22(4):476-86.
5.Koppula P, Zhuang L, Gan B. Cystine transporter SLC7A11/xCT in cancer: ferroptosis, nutrient dependency, and cancer therapy. Protein Cell. 2021;12(8):599-620.
6.Lei G, Mao C, Yan Y, Zhuang L, Gan B. Ferroptosis, radiotherapy, and combination therapeutic strategies. Protein Cell. 2021.
7.Lei G, Zhang Y, Hong T, Zhang X, Liu X, Mao C, Yan Y, Koppula P, Cheng W, Sood AK, Liu J, Gan B. Ferroptosis as a mechanism to mediate p53 function in tumor radiosensitivity. Oncogene. 2021;40(20):3533-47.
8.Mao C, Liu X, Zhang Y, Lei G, Yan Y, Lee H, Koppula P, Wu S, Zhuang L, Fang B, Poyurovsky MV, Olszewski K, Gan B. DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer. Nature. 2021;593(7860):586-90.
9.Zhang Y, Swanda RV, Nie L, Liu X, Wang C, Lee H, Lei G, Mao C, Koppula P, Cheng W, Zhang J, Xiao Z, Zhuang L, Fang B, Chen J, Qian SB, Gan B. mTORC1 couples cyst(e)ine availability with GPX4 protein synthesis and ferroptosis regulation. Nature communications. 2021;12(1):1589.
