鐵可催化生物膜中脂質(zhì)的氧化反應，進而誘發(fā)鐵死亡。明確這一化學反應在細胞內(nèi)的發(fā)生位點，將有助于設計針對不同疾病狀態(tài)下誘導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）通過滅活溶酶體鐵發(fā)揮保護作用?；诖耍?/span>該研究設計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)性肉瘤和胰腺導管腺癌細胞，其作為脂解靶向嵌合體，能選擇性靶向富含鐵的CD44高表達細胞亞群——該亞群與轉(zhuǎn)移性疾病和耐藥性密切相關。進一步研究證實，fentomycin在體內(nèi)同樣能清除CD44高表達細胞，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。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實現(xiàn)治療干預的可行性，相關研究成果于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的亞細胞作用位點，對含有炔烴的Lip-1合成類似物（命名為cLip-1）在HT-1080纖維肉瘤細胞中進行細胞內(nèi)標記，通過點擊化學反應結(jié)合熒光顯微鏡觀察顯示其具有溶酶體靶向性。體內(nèi)實驗表明，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志物共定位。這些數(shù)據(jù)說明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表明，Lip-1能與鐵離子形成復合物，這些復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）下會解離。循環(huán)伏安法實驗表明，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均可誘導原代人胰腺導管腺癌（PDAC）細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，當這兩種化合物與溶酶體鐵結(jié)合后，會耗竭細胞內(nèi)可利用的鐵池，從而為它們在高濃度下產(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，從而導致游離溶酶體鐵離子池減少，并保護細胞免受RSL3（一種谷胱甘肽過氧化物酶4的抑制劑，能夠抑制半胱氨酸和谷氨酸酯轉(zhuǎn)運蛋白，也是一種鐵死亡的激活劑）誘導的膜脂氧化。RSL3處理1小時，膜脂氧化的信號主要發(fā)生在溶酶體，但如果延長處理時間到4小時，膜脂氧化的信號則在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER），這強有力地表明，自由基鏈式反應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，這一鏈式反應會進一步擴散至其他鄰近細胞器（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)鐵死亡的關鍵，那么能否設計一個分子，特異性地靶向并激活溶酶體鐵的氧化活性呢？研究團隊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。在無細胞系統(tǒng)中，fentomycin在與溶酶體相當?shù)膶嶒灄l件下（酸性環(huán)境、H₂O₂、亞鐵離子）增強了鐵誘導的脂質(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導致HT-1080細胞中鐵死亡抑制因子GPX4和SLC7A11等水平升高；誘導4-羥基壬烯醛（4-HNE）（4-HNE能夠引發(fā)細胞損傷，其產(chǎn)生是鐵死亡的典型標志）的產(chǎn)生。延長fentomycin處理時間會上調(diào)激素敏感脂肪酶（HSL）并伴隨溶血磷脂和甘油的增加，說明氧化磷脂觸發(fā)了細胞膜重塑。fentomycin誘導的細胞死亡可被公認的鐵死亡抑制劑（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效。這些數(shù)據(jù)共同表明，通過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誘導癌癥中的鐵死亡

接下來，評估溶酶體鐵激活在疾病相關模型中的影響。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，并且過表達CD44的癌細胞亞群中鐵負荷水平更高。對新鮮分離的PDAC和肉瘤組織細胞的研究顯示，與CD44低表達的癌細胞亞群相比，CD44高表達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可介導癌細胞通過內(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)性腫瘤獲得的細胞中，fentomycin誘導膜脂氧化和脂解，這種效應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高表達細胞數(shù)量，這同樣被鐵死亡抑制劑拮抗。在原代PDAC細胞和人PDAC衍生類器官中，與標準治療藥物相比，fentomycin對細胞活力的影響更顯著。這些CD44高表達細胞在溶酶體中還表現(xiàn)出更強的亞鐵離子依賴性氧化還原活性，并且在體外實驗中，fentomycin能夠改變細胞活力，而這一效應可被鐵死亡抑制劑Lip-1所拮抗。在4T1細胞荷瘤小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)fentomycin治療可顯著抑制腫瘤生長，對殘留腫瘤的進一步分析表明，fentomycin能誘導膜脂氧化和溶血磷脂的產(chǎn)生，并且對CD44高表達癌細胞亞群的作用明顯強于CD44低表達亞群。這些數(shù)據(jù)說明fentomycin通過靶向CD44高表達細胞亞群中更豐富的溶酶體亞鐵離子，在體內(nèi)誘導鐵死亡。

圖3. fentomycin誘導癌癥中的鐵死亡

（圖片源自《Nature》）

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