影響鐵死亡的信號(hào)通路、代謝調(diào)控及其與癌癥免疫之間的相互作用

本期：鐵死亡！帶您深刻了解這一與眾不同的細(xì)胞死亡方式，你不清楚的鐵死亡標(biāo)志物？誘導(dǎo)鐵死亡的癌癥治療策略？咱們一步步看~

Section.01
鐵死亡：獨(dú)特的，
細(xì)胞代謝性死亡

鐵死亡，一種由鐵依賴性 (磷脂) 脂質(zhì)過氧化驅(qū)動(dòng)的受調(diào)控細(xì)胞死亡形式。2012 年由 Stockwell 及其同事首次描述，已被廣泛認(rèn)可，在植物、真菌和動(dòng)物中普遍存在^[1]。

與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡或細(xì)胞壞死性凋亡等其他細(xì)胞死亡形式不同，鐵死亡的獨(dú)特之處在于它沒有啟動(dòng)信號(hào) (要么沒有與特定生理觸發(fā)因素相關(guān)聯(lián)的明確激活信號(hào),要么這種信號(hào)尚未被發(fā)現(xiàn))，而是依賴于脂質(zhì)過氧化和鐵代謝^[2]。

細(xì)胞死亡：

在概念層面上，受調(diào)控的細(xì)胞死亡通常被細(xì)分為兩類。一類是“細(xì)胞自殺”（cell suicide），包括細(xì)胞凋亡、壞死性凋亡和焦亡等細(xì)胞死亡過程——這些過程由信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)和具有明確發(fā)育作用的執(zhí)行蛋白驅(qū)動(dòng)。另一類是“細(xì)胞破壞”（cell sabotage），包括鐵死亡，可能還有銅死亡和二硫化物死亡。這一類描述的是由代謝失衡引發(fā)的細(xì)胞死亡形式，其中執(zhí)行蛋白的作用尚不明確^[1]。

鐵死亡一直受到多種通路如 System xc^--GSH-GPX4 途徑、鐵代謝途徑、脂代謝途徑、甲羥戊酸途徑，F(xiàn)SP1-CoQ10 和 GCH1-BH4 等的影響, 當(dāng)這些過程受損時(shí),鐵死亡就會(huì)發(fā)生。

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圖 1. 鐵死亡相關(guān)的部分信號(hào)通路及調(diào)控化合物^[2]。
A. System xc^--GSH-GPX4 信號(hào)軸抑制鐵死亡。Erastin，RSL3，ML210 等化合物可抑制該信號(hào)通路，從而激活鐵死亡。B. FSP1-CoQ10 通路通過將 CoQ10 還原為泛醇并催化 CoQ10 的再生而抑制鐵死亡。iFSP1，icFSP1 等 FSP1 抑制劑可誘導(dǎo)鐵死亡。C. GCH1-BH4-DHFR 通路可控制 BH4 (抗氧化劑) 的內(nèi)源性產(chǎn)生以及異常磷脂過氧化，從而抑制鐵死亡。Methotrexate 可抑制 DHFR 從而誘導(dǎo)鐵死亡。D. 甲羥戊酸 (Mevalonate) 途徑的中間體如 7-DHC 和 角鯊烯可抑制鐵死亡。他汀類藥物對(duì) HMG-CoA還原酶的抑制作用可降低 7-DHC 水平，激活鐵死亡。AY9944 對(duì) DHCR7 的抑制作用會(huì)增加其底物7-DHC 水平，從而抑制鐵死亡。
 
Section.02
鐵死亡檢測：生物標(biāo)志物

在臨床環(huán)境中，確定能夠準(zhǔn)確檢測出處于不同細(xì)胞死亡過程中的癌細(xì)胞的特定生物標(biāo)志物至關(guān)重要。

生物標(biāo)志物

通常是指能被客觀測量和評(píng)價(jià)，反映生理或病理過程，以及對(duì)暴露或治療干預(yù)措施產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的指標(biāo)。根據(jù)功能特點(diǎn)的不同，可將與藥物研發(fā)相關(guān)的生物標(biāo)志物分為六種類型：1. 診斷性生物標(biāo)志物 (臨床疾病診斷的重要依據(jù))、預(yù)后性生物標(biāo)志物、預(yù)測性生物標(biāo)志物、藥效學(xué)生物標(biāo)志物 (一種動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo))、安全性生物標(biāo)志物和監(jiān)測性生物標(biāo)志物。其中預(yù)測性生物標(biāo)志物是目前抗腫瘤藥物研發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的生物標(biāo)志物^[3]。

細(xì)胞凋亡、壞死性凋亡和細(xì)胞焦亡，具有明確的信號(hào)傳導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并由特定的執(zhí)行蛋白激活所觸發(fā)，這些執(zhí)行蛋白涉及獨(dú)特的蛋白質(zhì)切割或翻譯后修飾，這些修飾可作為可靠標(biāo)志來識(shí)別每種細(xì)胞死亡機(jī)制。例如，半胱天冬酶切割是細(xì)胞凋亡的標(biāo)志，混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白 (MLKL) 的磷酸化表明是壞死性凋亡，而焦亡蛋白 D 的切割則表示細(xì)胞焦亡。這些特定的生化事件為檢測和監(jiān)測細(xì)胞凋亡過程提供了獨(dú)特且一致的生物標(biāo)志物。

相比之下，鐵死亡是由代謝失衡觸發(fā)，而非由特定的執(zhí)行蛋白激活所致。鐵死亡不表現(xiàn)出諸如染色質(zhì)凝聚或半胱天冬酶 -3 激活等典型的細(xì)胞死亡標(biāo)志。相反，其特征在于線粒體萎縮和線粒體嵴減少。以及，鐵死亡依賴于細(xì)胞內(nèi)的鐵離子水平和脂質(zhì)的過氧化反應(yīng)，通常伴隨著谷胱甘肽 (GSH) 水平的下降以及脂質(zhì)過氧化物的積累。鐵死亡通常通過檢測組織或腫瘤樣本中的脂質(zhì)過氧化副產(chǎn)物 (如 4-羥基壬烯醛 (4-HNE) 和丙二醛) 來確定^[1]。然而，這些指標(biāo)在與鐵死亡無關(guān)的其他氧化應(yīng)激條件下也可能會(huì)產(chǎn)生。

同時(shí)，驅(qū)動(dòng)鐵死亡相關(guān)通路的代謝改變通常與復(fù)雜的細(xì)胞過程網(wǎng)絡(luò)相互關(guān)聯(lián)，并導(dǎo)致廣泛的下游效應(yīng)。這種相互關(guān)聯(lián)性使得發(fā)現(xiàn)特異性和可靠的生物標(biāo)志物變得復(fù)雜^[1]。
 

 
人們已投入大量精力來尋找其他鐵死亡生物標(biāo)志物，包括 COX2、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體和 Hyperoxidized PRDX3 (過氧化 PRDX3)。盡管 COX2 和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體被認(rèn)為可用于檢測鐵死亡，但它們在非鐵死亡條件下也會(huì)上調(diào)，這使其特異性受限。

Hyperoxidized PRDX3 是 PRDX3 的一種翻譯后修飾形式，于 2023 年被 Jin Ye 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是鑒定出的首個(gè)鐵死亡特異性標(biāo)記物，似乎是更具前景。然而，鑒于其最近才被發(fā)現(xiàn)，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證以確認(rèn)其在實(shí)驗(yàn)和臨床環(huán)境中檢測鐵死亡的特異性和可靠性。目前，一種結(jié)合多種鐵死亡指標(biāo)，如 4-HNE、COX2 和 Hyperoxidized PRDX 的多標(biāo)志物方法被認(rèn)為是提高檢測準(zhǔn)確性的最有效策略。

Section.03
靶向鐵死亡：癌癥中的誘導(dǎo)策略

癌癥治療的復(fù)雜性在于腫瘤細(xì)胞的“多面生存能力”——它們能逃避免疫攻擊，或產(chǎn)生耐藥性。鐵死亡作為一種新型的程序性細(xì)胞死亡方式，為癌癥治療開辟了新的視野。近日，發(fā)表在 Nature reviews cancer 的綜述文章 “Decoding ferroptosis for cancer therapy”系統(tǒng)闡述了鐵死亡在癌癥治療中的策略和挑戰(zhàn)^[2]，一起看下！

氧化還原失衡與鐵死亡

KEAP1-NRF2 通路是調(diào)控氧化還原平衡的重要通路，在癌癥中發(fā)揮雙重作用。在癌癥早期，NRF2 活性對(duì)防御氧化損傷有保護(hù)作用，降低癌癥發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。但在晚期腫瘤中，KEAP1 或 NRF2 的突變導(dǎo)致通路維持高活性，抗氧化能力增強(qiáng)，促進(jìn)腫瘤存活，使腫瘤細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)凋亡、鐵死亡等相關(guān)治療方式耐受。

例如，肺腺癌的一個(gè)遺傳亞群的特征是 KEAP1-NRF2 通路中的突變。與此同時(shí)，F(xiàn)SP1 等下游效應(yīng)子在 KEAP1-NRF2 信號(hào)軸中也參與鐵死亡的抵抗，聯(lián)合抑制 FSP1 與 NRF2 可以協(xié)同誘導(dǎo)鐵死亡，顯示出潛在的聯(lián)合治療策略^[4]。
 
圖 2. 雙重靶向 NRF2 和 FSP1 是誘導(dǎo)鐵死亡的有效策略^[4]。
A. A549 細(xì)胞經(jīng) siNRF2 轉(zhuǎn)染 48 小時(shí)后，再用 RSL3 (0.5 μM) 和 iFSP1 (3 μM) 處理 16 小時(shí)，通過檢測 LDH 的釋放來評(píng)估細(xì)胞死亡。B. A549 細(xì)胞經(jīng) RSL3 (1 μM) 和 iFSP1 (3 μM) 處理 45 分鐘后，使用C-11 BODIPY (2.5 μM) 檢測脂質(zhì)過氧化水平。

癌癥代謝與鐵死亡

1. 半胱氨酸代謝

在 System xc^--GSH-GPX4 途徑中，半胱氨酸供給會(huì)影響 GSH 合成，進(jìn)而影響 GPX4 對(duì)脂質(zhì)過氧化的抑制作用。而在多種癌癥類型中，p53 或突變的 BAP1 會(huì)抑制 SLC7A11 (System xc^- 中負(fù)責(zé)胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)的功能亞基) 的表達(dá)，從而限制胱氨酸的攝取，導(dǎo)致谷胱甘肽耗竭，增強(qiáng)鐵死亡敏感性^[5]。
 
圖 3. p53 促進(jìn)癌細(xì)胞鐵死亡^[5]。
A. MEF 細(xì)胞經(jīng) Erastin (4 μM，8 h) 處理后的顯微鏡圖像。B. Erastin (4 μM，0-24 h) 誘導(dǎo)細(xì)胞死亡 (PI 染色)。C. 野生型 MEF 細(xì)胞經(jīng) Erastin 處理后的透射電鏡圖像。D. MEF 細(xì)胞經(jīng) Erastin 和不同程序性細(xì)胞死亡抑制劑處理 8 小時(shí)后細(xì)胞死亡百分比。Fer-1: 鐵死亡抑制劑；3-MA: 自噬抑制劑；Necrostatin-1: 壞死性凋亡抑制劑；Z-VAD-FMK：凋亡抑制劑。

2. 脂質(zhì)代謝

DHCR7 及其底物 7-DHC 在調(diào)控癌細(xì)胞鐵死亡中發(fā)揮重要作用。7-DHC 保護(hù)磷脂免受氧化，抑制鐵死亡，增加腫瘤侵襲性 (見圖 1D)，抑制 7-DHC 的生物合成可增強(qiáng)癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性，并抑制腫瘤生長。

此外，脂質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，KRAS 突變型肺癌中特有的脂質(zhì)譜依賴于脂肪酸合成酶 (FASN)，抑制 FASN 可以誘導(dǎo)鐵死亡。同時(shí)，在透明細(xì)胞腎癌中，HIF-2α 通過促進(jìn)多不飽和脂肪酸積累使細(xì)胞易感于脂質(zhì)過氧化。缺氧環(huán)境下，HIF-1α 增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的抵抗，靶向 HIF-1α 以改善缺氧并誘導(dǎo)鐵死亡，可為實(shí)體瘤提供新的治療策略^[6]。
 
圖 4. HIF-1α 通過促進(jìn)乳酸生成和激活 SLC1A1 驅(qū)動(dòng)實(shí)體瘤對(duì)鐵死亡的抵抗^[6]。

3. 維生素與微生物代謝物

維生素 K 環(huán)氧化物還原酶復(fù)合物亞基 1 樣蛋白 1 (VKORC1L1) 可通過還原維生素 K 來對(duì)抗脂質(zhì)過氧化，抑制鐵死亡，且機(jī)制獨(dú)立于 GSH-GPX4 通路。此外，腸道微生物代謝物如反式 -3- 吲哚丙烯酸 (IDA) 通過 AHR-ALDH1A3 軸抑制鐵死亡，促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生。因此，靶向 IDA-AHR-ALDH1A3 軸是一種有前景的結(jié)直腸癌治療策略。

癌癥免疫學(xué)和鐵死亡

研究表明，鐵死亡通過多種途徑影響癌癥免疫，既可能促進(jìn)腫瘤逃逸，也能提升免疫治療效果。例如：

• 鐵死亡細(xì)胞釋放 DAMPs 引發(fā)壞死性炎癥，從而影響抗腫瘤免疫。
• 鐵死亡細(xì)胞釋放 PGE2，抑制樹突狀細(xì)胞和 NK 細(xì)胞等細(xì)胞的功能，導(dǎo)致免疫逃逸。
• 活化的 CD8⁺ T 細(xì)胞可以通過增強(qiáng)癌細(xì)胞中的脂質(zhì)過氧化來促進(jìn)鐵死亡，具有潛在的抗腫瘤效應(yīng)。
• 活化 T 細(xì)胞分泌的 IFNγ 下調(diào) System x_c^- 增加腫瘤細(xì)胞中的鐵死亡，從而增強(qiáng) T 細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫。
• GPX4 保護(hù) Treg 細(xì)胞免受鐵死亡，其缺失會(huì)導(dǎo)致免疫耐受破壞，靶向 GPX4 可增強(qiáng)抗腫瘤防御能力。

圖 5. 從鐵死亡的角度看腫瘤免疫相互作用^[2]。

Section.04
小結(jié)

今天，小 M 帶著大家一起學(xué)習(xí)了來自 Nature 子刊的重磅綜述，該綜述探討了鐵死亡在癌癥治療中的潛力和挑戰(zhàn)。文章重點(diǎn)介紹了影響鐵死亡的信號(hào)通路、代謝調(diào)控及其與癌癥免疫之間的相互作用。同時(shí)，提出了激活鐵死亡作為治療策略的雙刃劍效應(yīng)、靶向藥物遞送的必要性以及臨床應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，為未來癌癥研究指明了方向。
 

產(chǎn)品推薦

RSL3 (HY-100218A) 谷胱甘肽過氧化物酶 4 (GPX4) 的抑制劑，可誘導(dǎo)鐵死亡

Erastin (HY-15763) System xc- 抑制劑，誘導(dǎo)鐵死亡。Erastin 的鐵死亡誘導(dǎo)機(jī)制與 ROS 和鐵依賴性信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)。

iFSP1 (HY-136057) FSP1 抑制劑，誘導(dǎo)過表達(dá) FSP1 的 GPX4 敲除細(xì)胞發(fā)生鐵死亡

Brequinar (HY-108325) DHODH 抑制劑，IC50 值為 5.2 nM，在缺乏 GPX4 的條件下誘導(dǎo)鐵死亡

BODIPY 581/591 C11 (HY-D1301) 用于脂質(zhì)過氧化物檢測的比率型熒光探針，BODIPY 581/591 C11 本身為紅色熒光，與脂質(zhì)結(jié)合后會(huì)產(chǎn)生綠色熒光。

FerroOrange (HY-D1913) Fe2+ 橙色熒光探針 (Ex/Em: 542/572 nm) ，用于檢測細(xì)胞內(nèi) Fe2+ 的含量及分布情況。

 

[1] Mao C, et al. Exploiting metabolic cell death for cancer therapy. Nat Rev Cancer. 2025 Oct 15. 
[2] Wahida A, et al. Decoding ferroptosis for cancer therapy. Nat Rev Cancer. 2025 Dec;25(12):910-924. 
[3] 生物標(biāo)志物在抗腫瘤藥物臨床研發(fā)中應(yīng)用的技術(shù)指導(dǎo)原則.
[4] Kim, et al. FSP1 confers ferroptosis resistance in KEAP1 mutant non-small cell lung carcinoma in NRF2-dependent and -independent manner. Cell Death Dis. 14, 567 (2023).
[5] Jiang L, et al. Ferroptosis as a p53-mediated activity during tumour suppression. Nature. 2015 Apr 2;520(7545):57-62.
[6] Yang Z, et al. HIF-1α drives resistance to ferroptosis in solid tumors by promoting lactate production and activating SLC1A1. Cell Rep. 2023 Aug 29;42(8):112945.