Ferroptosis in cancer therapy

Systemic therapy

傳統(tǒng)的細胞毒性和靶向藥物通過多種機制發(fā)揮作用，一般目的是通過誘導癌細胞死亡來減緩或阻止腫瘤生長，而不影響非轉化細胞。然而，對靶向治療的抵抗仍然是一個難以克服的挑戰(zhàn)。越來越多的臨床前證據表明，鐵死亡的誘導可能是一種有用的治療策略，可防止對幾種癌癥療法的獲得性耐藥性，如拉帕替尼、埃羅替尼、曲馬替尼、達布芬尼和vemurafenib。一些耐藥癌細胞表現出EMT的跡象(間充質標志物上調，上皮標志物下調)；因此，它們對鐵敏感。鐵死亡誘導劑還可以與更傳統(tǒng)的藥物(如順鉑)協(xié)同作用，抑制小鼠頭頸癌模型中的腫瘤生長。已知幾種已經在臨床使用或具有很強臨床轉化潛力的藥物會促進鐵死亡(表1)。

Sorafenib

索拉非尼是第一個被批準用于治療不能切除的HCC、晚期腎細胞癌和分化型甲狀腺癌的多酪氨酸激酶抑制劑。索拉非尼在治療幾種惡性腫瘤的臨床試驗中也被評估為單一療法或與常規(guī)細胞毒性療法聯合使用(表1)。索拉非尼可抑制多種細胞內激酶(RAF、野生型和突變型BRAF)和細胞表面激酶(KIT、FLT3、RET、VEGFR1–3和PDGFRB)。一些研究表明索拉非尼通過靶向培養(yǎng)的前列腺癌細胞或肝癌細胞中的這些激酶來誘導凋亡和自噬。然而，涉及肝、腎、肺或胰腺癌衍生細胞的幾項研究表明，索拉非尼的抗癌活性主要依賴于通過抑制系統(tǒng)xc的活性而誘導鐵死亡，而不一定依賴于對其激酶靶標的抑制。此外，臨床前和臨床研究表明NFE2L2及MT1G的靶基因是索拉非尼耐藥性的生物標志物和抗性基因。此外，MT1G的敲除通過在人HCC細胞中誘導鐵死亡來恢復索拉非尼的抗癌活性。這些信息可能有助于制定克服索拉非尼耐藥性的策略。相比之下，高水平的ACSL4，一種鐵死亡的促進劑，與HCC細胞對索拉非尼的敏感性呈正相關，提示抗糖尿病藥物羅格列酮(ACSL4抑制劑)可能干擾索拉非尼的抗癌活性。然而，在臨床環(huán)境中，鐵死亡和/或細胞凋亡在多大程度上有助于索拉非尼的抗癌活性仍不清楚。

Sulfasalazine

柳氮磺吡啶是一種口服抗炎藥物，用于治療炎癥性腸病(包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病)或類風濕性關節(jié)炎患者。柳氮磺吡啶及其代謝物(5-氨基水楊酸和磺胺吡啶)的作用機制仍在研究中，可能與淋巴細胞抑制作用(如誘導T細胞死亡或抑制B細胞介導的抗體產生)和白細胞調節(jié)作用(如抑制白細胞向炎癥部位募集和隨后的前列腺素生物合成以及細胞因子產生)有關。除了抗炎活性外，柳氮磺吡啶還可以通過抑制xc系統(tǒng)誘導臨床前模型中鐵死亡來抑制淋巴瘤和其他癌細胞的生長。柳氮磺吡啶的活性已在臨床上作為單一療法在膠質母細胞瘤患者中進行了研究，并與放射外科在膠質母細胞瘤患者中進行了聯合研究(NCT04205357)。然而，在進行性惡性神經膠質瘤患者中，柳氮磺吡啶顯示缺乏療效，并引發(fā)嚴重的神經不良事件。柳氮磺吡啶對xc系統(tǒng)的抑制不僅能抑制半胱氨酸的流入，還能抑制谷氨酸的流出，谷氨酸是一種參與癲癇發(fā)作啟動和疼痛受體激活的分子。在一項涉及9名神經膠質瘤患者的臨床試驗中，發(fā)現口服柳氮磺吡啶可通過系統(tǒng)xc介導的機制抑制谷氨酸的釋放。計劃對患有乳腺癌和慢性疼痛的患者進行柳氮磺吡啶一期臨床試驗(NCT03847311)。在臨床前研究中，確定柳氮磺吡啶的抗癌活性是依賴于對系統(tǒng)xc的抑制還是依賴于其抗炎作用可能很困難，因為其藥理作用的結構基礎尚不清楚。與其他藥物一樣，柳氮磺吡啶抑制xc系統(tǒng)的最終臨床效用將受到靶細胞對這些抑制劑產生適應性耐藥性的能力的影響。

Statins

高膽固醇血癥大大增加了患心臟病、中風和包括癌癥在內的其他嚴重疾病的風險。他汀類藥物(如氟伐他汀、洛伐他汀和辛伐他汀)是一類通過抑制HMGCR(甲羥戊酸途徑中的限速酶，介導膽固醇的合成)來降低血液膽固醇水平的藥物。通過減少甲羥戊酸途徑中異戊烯基焦磷酸的產生，他汀類藥物能夠抑制硒蛋白(如GPX4)和CoQ10的生物合成，從而增強鐵死亡或選擇性誘導間充質細胞的RCD。由于他汀類藥物公認的臨床安全性，以及肥胖是主要的癌癥風險因素，許多臨床試驗目前正在研究他汀類藥物在各種腫瘤類型中作為單一療法或聯合療法的功效。例如，兩項涉及乳腺癌患者的機會之窗臨床試驗數據表明，阿托伐他汀和氟伐他汀可能對過度表達HMGCR的腫瘤具有抗增殖作用。他汀類藥物可提高肝癌患者經動脈化療栓塞的療效，提高AML患者伊達比星和阿糖胞苷的療效，提高多發(fā)性骨髓瘤患者沙利度胺、地塞米松和洛伐他汀的療效。相比之下，接受單劑辛伐他汀的多發(fā)性骨髓瘤患者未觀察到臨床反應。目前很難預測哪些癌癥患者將從他汀類藥物治療中受益，因此，對膽固醇調節(jié)的鐵代謝途徑的更深入理解可能有助于在未來的臨床研究中適當地識別生物標志物來對患者進行分層。特別是，關于膽固醇調節(jié)基因和調節(jié)鐵死亡的蛋白質的表達水平的信息可能有助于確定最有可能對他汀類藥物產生臨床反應的患者。

Artemisinins

青蒿素及其衍生物(統(tǒng)稱青蒿素)是從中草藥黃花蒿中提取的抗瘧藥。除了在瘧疾治療中的治療價值外，青蒿素在體外和體內對多種癌細胞類型都具有有效的抗癌特性。青蒿素有一個獨特的內過氧化物橋，它被Fe2+激活產生游離自由基。補充鐵劑，如全轉鐵蛋白，增強青蒿素的抗癌特性。除了誘導細胞凋亡之外，青蒿素(尤其是青蒿琥酯和雙氫青蒿素)還可以通過促進鐵蛋白吞噬從而提高細胞內游離鐵的水平來觸發(fā)癌細胞的鐵死亡。一項已完成的一期臨床試驗(NCT00764036)表明，每日口服劑量高達200毫克的青蒿琥酯對轉移性乳腺癌患者是安全的，耐受性良好。其他已完成的一期臨床試驗表明，晚期實體瘤(NCT02353026)患者對靜脈或陰道內青蒿琥酯耐受性良好，包括宮頸上皮內瘤變(NCT02354534)。最后，正在進行的臨床試驗正在研究青蒿琥酯在結直腸癌患者中的藥代動力學和有效性(NCT02633098和NCT03093129)。在臨床試驗中觀察到的青蒿素的最小毒性特征是否能使其促鐵死亡活性得到利用仍有待確定。

Cyst(e)inase

胱氨酸(e)酶（e代表半胱氨酸）是一種工程化的酶，能有效地降解小鼠和食蟹猴血清中的半胱氨酸和胱氨酸。隨后細胞外胱氨酸(e)的耗竭導致體外和體內前列腺癌和慢性淋巴細胞白血病細胞的細胞死亡。胱氨酸(e)酶介導的胱氨酸(e)耗竭可在小鼠胰腺導管腺癌衍生細胞系和突變型Kras/Tp53驅動的胰腺腫瘤中誘導鐵死亡，而不引起明顯的毒性，表明可接受的安全性和耐受性。這種方法也抑制EGFR突變非小細胞肺癌細胞株和乳腺癌異種移植物的腫瘤生長。使用胱氨酸(e)酶調節(jié)胞外胞胱氨酸(e)水平的策略可以為基于鐵死亡的抗癌治療開辟新的治療機會，特別是與ROS誘導藥物(如阿霉素、吉西他濱、紫杉醇、5-氟尿嘧啶、硼替佐米和三氧化二砷)聯合使用。

Immunotherapy

使用免疫檢查點抑制劑(ICIs)的免疫療法已經徹底改變了癌癥患者的臨床管理。免疫抑制素主要通過激活有效細胞毒性T細胞驅動的抗腫瘤免疫反應而起作用。目前批準的ICIs靶向CTLA4，PD-1及其配體PD-L1。細胞毒性T細胞驅動的免疫可以誘導癌細胞的鐵死亡(圖4)。例如，抗PD-L1抗體促進腫瘤細胞中脂質過氧化依賴性鐵死亡，并且鐵死亡抑制劑liproxstatin 1降低這些藥物的抗癌活性。此外，抗PD-L1抗體和鐵死亡激活劑(如erastin、RSL3和胱氨酸酶)在體外和體內協(xié)同誘導腫瘤生長抑制。從機制上講，細胞毒性T細胞釋放的IFNγ激活JAK-stat1途徑，該途徑下調SLC7A11和SLC3A2的表達，并導致癌細胞鐵死亡。黑色素瘤患者SLC3A2表達減少與ICIs療效增加一致。鑒于STAT1可以被許多配體激活，在接受免疫治療的癌癥患者中，其他細胞因子在觸發(fā)鐵死亡方面是否具有與IFNγ相似的作用仍有待確定。如果存在這種作用，摻入STAT1鐵死亡激活劑將極大地擴展鐵死亡策略在腫瘤治療中的臨床應用。值得注意的是，轉化生長因子β1可以通過SMAD信號介導的SLC7A11的轉錄抑制和ZB1的激活促進鐵死亡。

細胞死亡過程中損傷相關分子模式（DAMPs）的釋放在抗腫瘤免疫中具有雙重作用。丹皮的釋放可以介導免疫原性細胞死亡，從而刺激抗腫瘤免疫151。然而，DAMPs促進支持腫瘤生長的炎癥反應。事實上，在特定情況下，鐵死亡可能具有促進腫瘤生長的作用(圖4)。HMGB1由鐵死亡敏感性癌細胞釋放，并通過結合AGER促進巨噬細胞的炎癥反應。HMGB1-AGER途徑的遺傳和藥理學阻斷限制了這種鐵死亡介導的炎癥反應。此外，KRAS- G12D可在鐵死亡期間由胰腺癌細胞在外泌體中釋放，并可被巨噬細胞吸收。這種攝取是由AGER介導的，最終導致巨噬細胞極化為M2表型并刺激腫瘤生長。除了這些蛋白質之外，某些非蛋白質阻尼(如ATP、宿主DNA和脂質介質)可能會產生一個復雜的網絡，在鐵死亡期間調節(jié)抗腫瘤免疫。不同于SLc7a11清除介導的胰腺腫瘤抑制，胰腺中Gpx4的條件性缺失通過鐵營養(yǎng)損傷誘導的DNA釋放和隨后通過局勢細胞中的STING激活炎癥來促進突變Kras驅動的小鼠腫瘤發(fā)生。缺鐵對腫瘤免疫的長期影響取決于癌細胞和各種免疫細胞亞群之間的相互作用。例如，淋巴系統(tǒng)通過增加依賴于ACSL3的多不飽和脂肪酸的產生，從而促進腫瘤轉移，保護黑色素瘤細胞免于鐵死亡。（以上內容均來自以前讀過的文章）

Radiotherapy

放射療法直接誘導癌細胞鐵死亡的發(fā)現挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論，即放射療法主要誘導DNA損傷導致下游的細胞凋亡(圖5)。ATM是DNA修復系統(tǒng)的核心組成部分，在暴露于細胞毒性化療或放療后被激活。ATM介導的SLC7A11下調是放療誘導的癌細胞鐵死亡的原因，當放療與ICIs(抗PD-L1或抗CTLA4抗體)聯合用于皮下腫瘤模型時，這種抗癌作用增強。染色體ATM發(fā)生在某些腫瘤類型中(例如，45%的套細胞淋巴瘤和8%的前列腺癌中發(fā)現胚胎發(fā)生突變)，并可能與預后不良有關。然而，這些突變如何影響這些腫瘤對鐵死亡的反應尚不清楚。除了下調SLC7A11之外，放療還上調ACSL4，從而增加脂質合成和隨后的氧化損傷，從而誘導鐵死亡敏感性。被輻射的腫瘤細胞釋放的微粒具有進一步增強放射治療的能力，部分是通過傳播鐵信號或增加與氧化應激相關的蛋白質表達。DNA損傷激活cGAS途徑，導致鐵死亡的誘導，因此這種或其他DNA傳感器途徑的激活可能在增強放療誘導的鐵死亡中具有相似的作用。涉及鐵死亡和細胞凋亡的信號轉導途徑之間的最終相互作用，以及放療期間這種串擾的調節(jié)，是一個重要的正在進行的研究領域。從毒性的角度來看，另一個有趣的問題是鐵死亡抑制劑是否能保護非惡性細胞免受輻射損傷。

Nanotherapy

納米粒子藥物遞送是圍繞使用納米粒子遞送和控制治療劑釋放的工程技術來預測的，從而改善藥物的藥代動力學特性。攜帶化學物質或生物材料的納米粒子的使用將提供改善現有鐵死亡誘導劑的功效以及開發(fā)用于治療癌癥的新誘導劑的可能性。例如，含有熒光素A的鐵死亡誘導劑在水中的溶解性差，對小鼠有毒性。當用兩親性可降解的對酸堿度敏感的納米載體遞送熒光素A時，可以避免這種不利的藥理學特征。在白血病細胞異種移植模型中，erastin類似物IKE在聚乙二醇-聚(乳酸-羥基乙酸共聚物)納米顆粒中遞送時，其抗腫瘤活性增強。此外，在異種移植模型中，超小的二氧化硅納米顆?？梢酝ㄟ^增加細胞內鐵的釋放和積累來引發(fā)鐵死亡，從而抑制腫瘤生長。然而，納米粒子對人類健康的長期影響仍需仔細評估。

Perspectives

鐵死亡反應受表觀遺傳、轉錄、轉錄后和翻譯后機制的復雜網絡調節(jié)。靶向調節(jié)腫瘤細胞鐵死亡的途徑是一種新興的抗癌策略，因為惡性細胞通常依賴致癌和/或存活信號，這使得它們特別容易發(fā)生鐵死亡。例如，有利于腫瘤生長的因素(如鐵積累、脂肪酸合成、增強的自噬流量和EMT)增加了許多癌癥類型中對鐵死亡的易感性，如胰腺癌、乳腺癌、非小細胞肺癌和黑色素瘤。盡管鐵死亡研究快速增長，但仍有幾個挑戰(zhàn)有待解決。

Basic oncology

什么是鐵死亡的效應分子？

除了不同的初始和中間信號，典型的RCD途徑也應該有效應分子。大多數RCD效應物是蛋白酶(如半胱天冬酶和MLKL酶，分別參與細胞凋亡和壞死)或成孔蛋白(如gasdermin D，參與焦亡)。脂質過氧化對鐵死亡至關重要，但細胞毒性是由該反應本身的產物介導還是也需要脂質過氧化下游的信號分子仍有待確定。我們假設與未知蛋白質形成加合物，然后導致膜通透性孔的形成，介導脂質過氧化的致死效應。

如何定義鐵死亡和非鐵死亡RCD的相互作用？

每一種新發(fā)現的RCD形式，包括鐵死亡，都有其獨特的特征；然而，更深入的研究表明，鐵死亡的一些特征并不是這種形式的RCD獨有的。例如，鐵死亡的信號(脂質過氧化)和調節(jié)因子(如GPX4和SLC7A11)也可以調節(jié)其他類型的非鐵死亡形式。因此，根據單一信號或分子事件來區(qū)分不同形式的RCD可能是不可能的。相反，要明確區(qū)分不同的RCD類型，就必須確定一系列生物化學和遺傳變化。能夠促進RCD形式之間轉換的干預措施可能能夠克服對細胞死亡的抵抗和/或通過誘導免疫原性細胞死亡有利地調節(jié)腫瘤微環(huán)境。

如何定義癌癥代謝重編程對鐵死亡的影響？

癌細胞中的代謝和能量產生網絡被重新編程，以支持和實現在次優(yōu)條件下的快速增殖、持續(xù)生長和存活。腫瘤細胞(包括癌癥干細胞)的代謝重編程是如何與癌細胞特異性鐵死亡反應相結合的尚不清楚?；?b>因工程小鼠模型和人類癌癥器官樣模型是評估代謝重編程和相關因素對鐵死亡影響的有價值的臨床前工具。

Clinical oncology

針對鐵死亡的臨床試驗最佳候選藥物是什么？

如前所述，幾種藥物(包括索拉非尼、柳氮磺吡啶、他汀類和青蒿素)在臨床前模型中具有抑制作用。其中，他汀類藥物似乎是臨床試驗的良好候選藥物，盡管不同類型的他汀類藥物在誘導或增強鐵死亡方面可能具有不同的效力。初步發(fā)現表明，他汀類藥物可以提高多種癌癥患者的整體生存率，如CRC患者。需要在大量患者中進行隨機對照試驗，以確認他汀類藥物治療惡性疾病的安全性和實用性，同時根據預測性生物標志物選擇患者。理論上，直接針對鐵代謝途徑的藥物的開發(fā)可能會擴大腫瘤學的治療手段。最有可能的情況是，這種治療腫瘤的藥物將與其他抗癌療法結合使用，如免疫療法(用ICIs、腫瘤靶向單克隆抗體、過繼性T細胞轉移和/或針對腫瘤相關抗原的疫苗)或放射療法，這可能導致誘導混合型RCD來抑制腫瘤生長。鐵死亡激活劑可導致骨髓損傷，這也是細胞毒性療法的一個重要毒性。在臨床腫瘤學中，降低促進鐵死亡的藥物的毒性或非靶效應仍然是一個挑戰(zhàn)。

什么腫瘤類型或患者群體更適合促鐵死亡治療？

可以將三個標準(鐵水平、基因表達和突變)結合起來，以評估哪些患者最有可能受益于誘導鐵死亡治療。富鐵腫瘤(如HCC、PDAC、乳腺癌和非小細胞肺癌)可能對促進鐵死亡的藥物特別敏感。不同的鐵死亡調節(jié)劑在腫瘤中具有不同的基因表達水平(補充圖2)。例如，SLC7A11抑制劑可能對過度表達該靶標的特定類型的癌癥特別有效，例如食道癌和多形性膠質母細胞瘤。類似地，在許多具有高水平的FTH1和/或FTL表達的癌癥類型(如PDAC和卵巢癌)中誘導鐵蛋白受體依賴性鐵死亡可能是有希望的。癌癥基因組為識別驅動腫瘤生長的突變提供了藍圖，并構成了真正的治療目標，因此，整合的遺傳信息可能有助于區(qū)分腫瘤是否對特定的促鐵死亡藥物有反應。在這種情況下，對決定對不同RCD模式的易感性的基因表達進行綜合評價可能是值得的。例如，如果在特定腫瘤中檢測到低水平的促凋亡基因但高水平的促鐵死亡基因，患者可能從促鐵死亡藥物中比從促凋亡藥物中受益更多。此外，基于特定腫瘤的脆弱性，可以使用不同的鐵死亡誘導劑來靶向內在或外在的鐵死亡途徑。最終，對腫瘤細胞適應和產生耐藥性的機制有了更全面的了解，這將為最大限度地提高專業(yè)治療效果的新方法鋪平道路。

如何識別對促鐵劑治療有反應的生物標志物？

通過對血液、尿液、糞便和/或腫瘤組織樣本的分析，識別與反應性相關的生物標志物，將指導定制治療計劃的制定。BODIPY 581/591 C11是一種用于監(jiān)測活細胞中脂質氧化的熒光指示劑，而硫代巴比妥酸活性物質可用于測量細胞、組織和體液中的脂質過氧化產物。此外，某些基因和蛋白質，如PTGS2、CHAC1、ACSL4和TFRC，在臨床前模型中被表征為鐵死亡標記物，盡管它們的臨床意義仍不清楚。除腫瘤的組織病理學染色外，血液中的鐵、脂質、代謝物和免疫介質應作為治療反應和促鐵死亡毒性的預測性生物標志物(單獨或組合)進行評估。此外，使用最新的可用技術，如液體活檢、高維細胞術、單細胞組學、代謝組學和高分辨率成像來監(jiān)測腫瘤異質性(包括核磁共振來測量局部鐵的豐度)，可能會指導使用促進鐵死亡的療法。顯然，這種努力將需要艱苦和密切的多學科合作，以最終達到臨床實踐。

Conclusions

在過去的5年里，基礎和臨床研究人員對研究鐵亡在癌癥中的作用以及利用這些積累的知識來改善癌癥預防、診斷、預測和治療的興趣越來越大。鐵死亡在腫瘤生物學和治療中具有復雜且高度依賴環(huán)境的作用?？拱┎呗钥赡苁菑碗s的，并依賴于持續(xù)的研究來更好地理解鐵死亡的調節(jié)機制和信號通路。尋找有助于檢測和跟蹤人類鐵死亡的生物標志物將是未來幾年的一個活躍研究領域。

完結，撒花。。