L-Buthionine-sulfoximine(L-BSO)的作用機制及在鐵死亡研究中的應(yīng)用

谷胱甘肽（GSH）在細胞內(nèi)扮演著極為重要的角色，在維持細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)、解毒過程、氨基酸轉(zhuǎn)運等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。細胞內(nèi) GSH 的水平受到嚴(yán)格的生物合成調(diào)控，L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO，AbMole，M3865）作為一種高效且特異性的γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-GCS）抑制劑，能夠有效阻斷GSH的生物合成途徑，并誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡（Ferroptosis）。AbMole為全球科研客戶提供高純度、高生物活性的抑制劑、細胞因子、人源單抗、天然產(chǎn)物、熒光染料、多肽、靶點蛋白、化合物庫、抗生素等科研試劑，全球大量文獻專利引用。

一、L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO）的作用機制
谷胱甘肽（GSH）的生物合成是一個涉及兩步酶促反應(yīng)的過程。首先，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-GCS）的催化作用下，谷氨酸和半胱氨酸發(fā)生縮合反應(yīng)，形成 γ-谷氨酰半胱氨酸，這一步反應(yīng)是GSH合成過程中的限速步驟。γ-GCS是一個異二聚體酶，由催化亞基（GCLC）和調(diào)節(jié)亞基（GCLM）組成。隨后，谷胱甘肽合成酶（GS）催化 γ-谷氨酰半胱氨酸與甘氨酸結(jié)合，最終生成GSH^[1]。L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO，AbMole，M3865）能夠特異性地與γ-GCS的活性位點緊密結(jié)合，從而阻斷γ-GCS的正常催化功能。其抑制作用具有高度的特異性和不可逆性。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，L-BSO 的硫代亞胺基部分與γ-GCS底物半胱氨酸的巰基結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，這使得 L-BSO 能夠競爭性地結(jié)合到 γ-GCS 的活性中心。一旦 L-BSO 與 γ-GCS 結(jié)合，便會形成一種穩(wěn)定的復(fù)合物，這種復(fù)合物難以解離，從而持續(xù)抑制 γ-GCS 的活性^[2]。由于γ-GCS活性被抑制，谷氨酸和半胱氨酸無法正常合成γ-谷氨酰半胱氨酸，進而導(dǎo)致GSH生物合成途徑受阻，細胞內(nèi)GSH水平逐漸降低。
二、L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO）的科研應(yīng)用
1. L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO）用于誘導(dǎo)鐵死亡
鐵死亡是一種新型的程序性細胞死亡方式，其特征在于依賴鐵離子的積累以及脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的大量生成。在形態(tài)學(xué)上，鐵死亡細胞表現(xiàn)為線粒體皺縮、線粒體膜密度增加、線粒體嵴減少或消失等。在生物化學(xué)方面，鐵死亡過程中伴隨著細胞內(nèi)鐵離子濃度升高，脂質(zhì)過氧化水平顯著增強，尤其是多不飽和脂肪酸（PUFA）的過氧化^[3]。細胞內(nèi)的谷胱甘肽過氧化物酶 4（GPX4）在抑制鐵死亡過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它能夠利用GSH作為底物，將脂質(zhì)過氧化物還原為相應(yīng)的醇，從而阻斷脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生。L-BSO（L-丁硫氨酸亞砜亞胺，AbMole，M3865） 通過抑制GSH合成，間接誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡。如前所述，L-BSO作用于γ-GCS，導(dǎo)致GSH合成受阻，細胞內(nèi)GSH 水平急劇下降^[4]。GSH 作為GPX4的底物，其水平降低使得GPX4的活性受到抑制^[4]。研究發(fā)現(xiàn)，L-BSO（L-Buthionine-sulfoximine）處理后，細胞內(nèi)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR1）表達上調(diào)，增加了細胞對鐵離子的攝取。過多的鐵離子進入細胞后，通過芬頓反應(yīng)（Fenton reaction）催化過氧化氫產(chǎn)生極具活性的羥自由基，加速脂質(zhì)過氧化過程^[5]。此外，L-BSO處理還可能影響細胞內(nèi)其他一些與鐵死亡相關(guān)的代謝途徑和信號通路。例如，有研究表明L-BSO（L-Buthionine-(S,R)-sulfoximine）處理后，細胞內(nèi)的胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體（system Xc⁻）功能受到抑制，導(dǎo)致細胞對胱氨酸的攝取減少^{[5, 6]}。胱氨酸是合成半胱氨酸的前體物質(zhì)，半胱氨酸又是GSH合成的關(guān)鍵原料。因此，L-BSO（L-丁硫氨酸亞砜亞胺）對system Xc⁻的抑制可進一步加劇細胞內(nèi)GSH的缺乏，促進鐵死亡的發(fā)生。2014年，AbMole的兩款抑制劑分別被西班牙國家心血管研究中心和美國哥倫比亞大學(xué)用于動物體內(nèi)實驗，相關(guān)科研成果發(fā)表于頂刊 Nature 和 Nature Medicine。

2. L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO）用于細胞實驗
L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO，AbMole，M3865）可在多種腫瘤和非腫瘤細胞系中誘導(dǎo)細胞鐵死亡。如肝癌細胞系HepG2、肺癌細胞系A(chǔ)549等，給予處理后，均觀察到細胞內(nèi)GSH水平下降、GPX4活性降低、脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物增加以及典型的鐵死亡形態(tài)學(xué)改變，表明L-BSO能夠有效地誘導(dǎo)這些細胞發(fā)生鐵死亡^[7]。L-BSO（L-Buthionine-(S,R)-sulfoximine）還可以用于研究細胞的遷移和侵襲能力。在乳腺癌細胞T47D的研究中，L-BSO處理的細胞顯示出降低的遷移和侵襲能力^[8]。

3. L-BSO在動物模型中的應(yīng)用
L-Buthionine-sulfoximine（L-BSO，AbMole，M3865）在動物模型實驗中被廣泛用于研究鐵死亡和氧化應(yīng)激對生理和病理過程的影響。在一項研究中，使用L-BSO處理卵巢癌細胞系OVCAR-3裸鼠腫瘤移植瘤模型。研究發(fā)現(xiàn)，L-BSO處理5天（Oral administration），能夠顯著降低腫瘤細胞內(nèi)的GSH水平（降低96%），而對骨髓和胃腸道黏膜的GSH水平降低較少。在該模型中，L-BSO預(yù)處理后給予烷化劑Melphalan（L-PAM），顯著提高了小鼠的中位生存時間（增加了72%），表明L-BSO能夠增強腫瘤對烷化劑的敏感性，其機制涉及L-BSO對GSH合成的抑制^[9]。在另一項研究中，研究者設(shè)計了一種基于鐵的金屬-有機框架（MOF）納米平臺，共載L-BSO和Oxaliplatin（OXA），用于在4T1乳腺癌移植瘤小鼠中增強腫瘤細胞的鐵死亡^[10]。此外，L-BSO（L-丁硫氨酸亞砜亞胺）還能用于氧化應(yīng)激與高血壓動物模型的研究，在Sprague-Dawley大鼠模型中，通過飲用水給予30 mM的L-BSO，持續(xù)2周。結(jié)果顯示，L-BSO處理的大鼠肝臟組織中總谷胱甘肽（GSH）含量減少了近5倍，動脈血壓顯著升高。L-BSO處理的大鼠尿液中亞硝酸鹽和硝酸鹽（NOx）排泄量顯著減少，7周后NOx水平恢復(fù)到基線^[11]。這表明L-BSO誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激可能通過影響一氧化氮（NO）的代謝并參與上述大鼠高血壓的形成^[11]。

三、范例詳解
1. J Control Release. 2022 Jul;347:55-67.
南方醫(yī)科大學(xué)、廣東醫(yī)科大學(xué)的科研團隊在上述論文中開發(fā)了一種 “蛋黃-殼” 狀納米系統(tǒng)（Bi₂S₃@mBiₓMnᵧOz，即BmB）。該納米系統(tǒng)經(jīng)PEG化并負載阿霉素（Doxorubicin，DOX）后形成 PBmB-DOX，可實現(xiàn)腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性生物活性物質(zhì)釋放。Bi₂S₃納米棒核心能沉積更多輻射能量，提高腫瘤細胞對輻照的敏感性。該納米系統(tǒng)的殼層可催化H₂O₂生成O₂緩解腫瘤缺氧，并通過谷胱甘肽（GSH）耗竭介導(dǎo)GPX4失活，及Mn離子誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激引起腫瘤細胞的鐵死亡，同時GSH 刺激的殼層降解有助于自增強 T₁-MR成像。由AbMole提供的L-BSO（L-Buthionine-sulfoximine，AbMole，M3865）在本文中作為谷氨酰半胱氨酸合成酶生物合成抑制劑，用于預(yù)處理4T1細胞，以探究GSH在PBmB誘導(dǎo)的化學(xué)動力學(xué)中的作用。實驗顯示，經(jīng)L-BSO預(yù)處理后再與PBmB共孵育的細胞，其ROS產(chǎn)生的綠色熒光明顯弱于僅用PBmB處理的細胞，表明GSH豐富的環(huán)境可激活 PBmB 誘導(dǎo)的CDT，L-BSO通過減少GSH從而抑制了該過程^[12]。
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參考文獻及鳴謝
[1] A. Bansal, M. C. Simon, Glutathione metabolism in cancer progression and treatment resistance, The Journal of cell biology 217(7) (2018) 2291-2298.
[2] J. P. Fruehauf, S. Zonis, M. al-Bassam, et al., Selective and synergistic activity of L-S,R-buthionine sulfoximine on malignant melanoma is accompanied by decreased expression of glutathione-S-transferase, Pigment cell research 10(4) (1997) 236-49.
[3] X. Jiang, B. R. Stockwell, M. Conrad, Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease, Nature reviews. Molecular cell biology 22(4) (2021) 266-282.
[4] Xiang Xu, Fang Wang, Rengan Luo, et al., Hijacking cysteine metabolism for reversing hydrogen sulfide production in enhanced ferroptosis therapy, 490(000) (2024).
[5] Wan Seok Yang, Brent R. %J Trends in cell biology Stockwell, Ferroptosis: Death by Lipid Peroxidation, 26(3) (2015) 165-176.
[6] R. Albano, N. J. Raddatz, J. Hjelmhaug, et al., Regulation of System xc(-) by Pharmacological Manipulation of Cellular Thiols, Oxidative medicine and cellular longevity 2015 (2015) 269371.
[7] C. Dos Reis Oliveira, J. C. Pereira, A. Barros Ibiapina, et al., Buthionine sulfoximine and chemoresistance in cancer treatments: a systematic review with meta-analysis of preclinical studies, Journal of toxicology and environmental health. Part B, Critical reviews 26(8) (2023) 417-441.
[8] E. H. Mustafa, H. T. Mahmoud, M. Y. Al-Hudhud, et al., 2-deoxy-D-Glucose Synergizes with Doxorubicin or L-Buthionine Sulfoximine to Reduce Adhesion and Migration of Breast Cancer Cells, Asian Pacific journal of cancer prevention : APJCP 16(8) (2015) 3213-22.
[9] R. F. Ozols, K. G. Louie, J Plowman, et al., Enhanced melphalan cytotoxicity in human ovarian cancer in vitro and in tumor-bearing nude mice by buthionine sulfoximine depletion of glutathione, 36(1) (1987) 147-153.
[10] Iron-based metal-organic framework co-loaded with buthionine sulfoximine and oxaliplatin for enhanced cancer chemo-ferrotherapy via sustainable glutathione elimination %J Journal of nanobiotechnology, 21(1)  265.
[11] N. D. Vaziri, Y. Ding, Z. Ni, Compensatory up-regulation of nitric-oxide synthase isoforms in lead-induced hypertension; reversal by a superoxide dismutase-mimetic drug, The Journal of pharmacology and experimental therapeutics 298(2) (2001) 679-85.
[12] M. Hou, K. Zhu, H. Hu, et al., Rapid synthesis of 'yolk-shell'-like nanosystem for MR molecular and chemo-radio sensitization, Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society 347 (2022) 55-67.