Nature | 耐药癌细胞的末日铁骑！揭秘溶酶体铁引发的死亡风暴

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引言

那些在化疗或放疗后依然顽强存活的癌细胞，它们就像潜伏下来的“种子”，随时准备卷土重来。正是这些“耐药性持续癌细胞”（drug-tolerant persister cells, dtps）构成了癌症治疗的最大障碍。研究人员一直在寻找它们的致命弱点，希望能找到一种全新的策略将它们彻底清除。5月7日一项发表在《nature》上的重磅研究“activation of lysosomal iron triggers ferroptosis in cancer”，似乎在细胞内部找到了一个令人震惊的“阿喀琉斯之踵”—— 细胞的“小胃”，溶酶体（lysosome）深处的“铁”！

癌细胞有一种特殊的死亡方式，“铁死亡”（ferroptosis），它的核心是细胞膜上的脂质（lipid）被铁催化氧化，导致细胞崩溃。有趣的是，很多耐药癌细胞恰恰对这种死亡方式非常敏感。但问题在于，这团“点燃”脂质氧化的“火”到底最先在哪里烧起来？是线粒体？内质网？还是另有其处？
这项研究通过分子追踪、化学反应分析以及细胞生物学实验，一步步揭示了惊人真相：原来，细胞内触发铁死亡的“第一把火”，就藏在溶酶体里！溶酶体内部酸性环境和富集的活性铁（特别是亚铁离子 iron(ii)），共同构成了一个高效的催化中心，专门氧化膜脂。更炸裂的是，他们基于这一发现，巧妙设计了一个名为fento-1的双功能小分子，它能像精准制导的导弹一样，直奔溶酶体，并在那里激活铁的氧化活性。
实验结果令人振奋：fento-1竟然能高效地杀死那些对传统疗法耐药、并且高表达与铁摄取相关的cd44蛋白的顽固癌细胞！它不仅杀死了这些细胞，甚至可能改变了它们的耐药状态。这一切都指向溶酶体铁——这个细胞深处的“隐秘角落”，可能正是我们期待已久的，能够克服癌症耐药性的全新靶点。
铁死亡 (ferroptosis)
我们熟悉的细胞死亡方式有很多，比如像编程一样有序的凋亡（apoptosis），或者像意外事故一样的坏死（necrosis）。但“铁死亡”（ferroptosis）是一种特殊的程序性细胞死亡方式，核心特征是铁依赖性的脂质过氧化物（lipid peroxides）累积，最终导致细胞膜破裂和细胞死亡。简单来说，就是细胞里的“铁”在特定条件下催化细胞膜上的脂肪（脂质）发生氧化，产生大量有毒的过氧化脂质，膜坏了，细胞也就死了。
为啥这很重要？因为研究发现，很多对传统治疗产生耐药性的癌细胞，反而对铁死亡非常敏感。如果能找到触发癌细胞铁死亡的精确“开关”，就有望克服耐药性，为癌症治疗带来新的希望。
这个“开关”到底在哪里？虽然我们知道铁和脂质氧化是关键，但细胞内有那么多膜结构（比如线粒体 mitochondria、内质网 endoplasmic reticulum, er、溶酶体），“点燃”脂质氧化反应的“第一把火”究竟是在哪个“房间”里烧起来的？这正是困扰研究人员的一个关键问题。
顺藤摸瓜：抗铁死亡分子lip-1的秘密踪迹
为了找到这个“第一把火”的位置，研究人员决定从抑制铁死亡的分子入手。利泊司他汀-1（liproxstatin-1, lip-1）是一个已知的强效铁死亡抑制剂。研究人员对lip-1进行了巧妙的改造，给它装上了一个“可点击的标签”（clickable alkyne-containing analogue），命名为clip-1。这样，他们就可以追踪clip-1进入细胞后的去向。
利用点击化学和荧光显微镜技术，研究人员在多种人类癌细胞系（包括ht-1080纤维肉瘤细胞、人胰腺导管腺癌原代细胞 pdac、肺癌和结肠癌循环肿瘤细胞）以及小鼠乳腺癌细胞（4t1细胞）中观察了clip-1的定位。结果显示：clip-1主要在细胞的溶酶体中富集。即使使用比有效抑制铁死亡浓度更高的clip-1，绝大部分信号仍然集中在溶酶体。在ht-1080细胞中，定量分析显示，clip-1的信号与溶酶体标志物（lamp1和lamp2）的共定位（colocalization）pearson相关系数（pearson's r）平均高达0.8左右，这表明clip-1高度集中在溶酶体中。
这提示研究人员，lip-1发挥抗铁死亡作用的“主战场”可能就在溶酶体。
为了进一步验证clip-1在体内的行为，研究人员在一个小鼠模型中进行了实验。这个模型小鼠经过基因改造，体内抑制铁死亡的关键酶gpx4（glutathione peroxidase 4）被敲除，会导致急性肾损伤，这是一种与铁死亡相关的疾病。研究人员给这些小鼠注射clip-1。结果显示，与对照组相比，接受clip-1治疗的小鼠生存期显著延长。例如，对照组小鼠的中位生存天数约为11.8天，而接受clip-1治疗组的中位生存天数延长到约13.7天，生存曲线的差异具有统计学意义（p=0.004）。进一步分析小鼠组织中的clip-1定位，发现它在肾脏的近端小管细胞（proximal tubules）中大量富集，并且与溶酶体标志物很好地共定位。
这些体内外证据都强烈表明，lip-1通过影响溶酶体内的某种机制来抑制铁死亡。
揭秘溶酶体：细胞内的“铁锅”？
溶酶体是细胞内负责降解和回收废物的小囊泡，内部环境呈酸性（ph值约5）。同时，溶酶体在细胞铁代谢中扮演着重要角色，负责接收通过内吞（endocytosis）进入细胞的大部分铁。酸性环境和丰富的铁，这听起来就像一个潜在的化学反应釜。研究人员猜测，溶酶体中的铁是不是正是点燃脂质过氧化链式反应的“第一把火”？
为了验证这个想法，他们首先深入研究了lip-1与铁的相互作用。通过核磁共振（nmr）滴定实验，研究人员观察到lip-1与铁离子（特别是铁(iii)）混合后，lip-1的核磁共振信号发生了显著变化，包括信号加宽和靠近氮原子的质子信号向低场移动。这表明lip-1能够与铁发生配位（coordination），特别是通过其结构中的氮原子上的孤对电子。这些变化在酸性条件下（模拟溶酶体环境）依然存在，进一步支持lip-1能在溶酶体内与铁结合。
接着，他们利用循环伏安法（cyclic voltammetry）这种电化学技术，研究了lip-1对铁离子氧化还原性质的影响。结果表明，lip-1确实能够改变铁离子的氧化还原电位（redox potential），使其不易参与氧化反应。作为对比，经过结构修饰、降低与铁结合能力或溶酶体定位能力的lip-1类似物，对铁离子氧化还原电位的改变作用减弱，抑制脂质氧化的能力也随之下降。
更直接的证据来自细胞实验。研究人员使用了两种能够提高溶酶体ph值、阻止溶酶体释放铁的药物：羟氯喹（hydroxychloroquine, hcq）和巴菲尔德霉素a1（bafilomycin-a1, baf-a1）。用这些药物处理癌细胞后，细胞内可螯合的铁离子（特别是活性亚铁离子 iron(ii)）水平降低，并且显著抑制了铁死亡诱导剂rsl3（一个gpx4抑制剂）引起的膜脂质氧化。这与lip-1的作用非常相似，进一步支持了溶酶体铁是触发脂质氧化的关键。
而当用rsl3诱导铁死亡时，研究人员通过特异性探针（如liperfluo或bodipy 665/676）发现，脂质氧化最先发生的区域正是溶酶体。处理rsl3 1小时后，氧化脂质的信号主要与溶酶体标志物共定位；但如果延长处理时间到4小时，氧化脂质的信号则更多地出现在内质网（er）等其他膜结构上。这强有力地表明，溶酶体内的铁催化了脂质过氧化反应的起始，然后过氧化链式反应可能扩散到细胞内其他膜结构。
综合这些证据，研究人员得出结论：溶酶体中的活性铁是细胞启动铁死亡的“第一站”。
以毒攻毒：设计靶向溶酶体铁的“死亡分子”fento-1
既然溶酶体铁是触发铁死亡的关键，那么能否设计一个分子，特异性地靶向并激活溶酶体铁的氧化活性，从而诱导癌细胞发生铁死亡呢？特别是那些对传统治疗耐药、又富集溶酶体铁的狡猾癌细胞？
研究人员设计了一个双功能小分子，命名为fento-1。它的设计理念是将一个能够靶向细胞膜并被内吞进入溶酶体的“导航”部分，与一个能够激活铁离子催化氧化反应的“弹头”部分连接起来。导航部分使用了天然产物marmycin，已知它可以富集在细胞膜并内吞；弹头部分则使用了一个名为chen-white配体（chen-white ligand）的合成分子，它在酸性环境下能激活亚铁离子（iron(ii)）的催化氧化活性。
他们推测，fento-1进入细胞后，marmycin部分会将它带到溶酶体，溶酶体的酸性环境会促进chen-white配体与溶酶体内的亚铁离子结合，形成一个具有强大氧化活性的催化中心，从而近距离地“点燃”溶酶体膜脂质的氧化。
体外实验证实了fento-1的设计思路。荧光成像显示，fento-1像marmycin一样，主要富集在细胞的溶酶体中，与溶酶体标志物（如lysotracker）高度共定位。而单独使用chen-white配体或marmycin，则没有这种特异性定位。
重要的是，fento-1在细胞实验中表现出强大的细胞杀伤能力，对多种人鼠癌细胞系和原代细胞有效，而单独的marmycin或chen-white配体效果甚微。脂质组学（lipidomics）分析进一步确认，fento-1能够剂量依赖性地促进膜磷脂的氧化，产生的氧化磷脂（oxidized phospholipids）甚至比已知的强效铁死亡诱导剂（如erastin, rsl3）还要多。特别是在处理fento-1仅1小时后，从ht-1080细胞中分离出的溶酶体富集组分就显示出显著的磷脂氧化。
这些数据证明，fento-1成功地将“靶向”与“催化”结合，在溶酶体局部激活铁的氧化活性，导致膜脂质氧化。
fento-1：耐药癌细胞的克星？
研究发现，对传统治疗产生耐药性的癌细胞（dtps）通常具有一些特殊“体质”，比如它们往往是cd44 high（高表达cd44蛋白）的。cd44是一个细胞表面糖蛋白，与细胞干性（stemness）和转移（metastasis）有关，它也是细胞摄取铁的重要途径。高表达cd44使得这些细胞能够摄取更多铁，这有助于它们改变细胞状态、增强适应性，但同时也让它们对铁死亡更加脆弱。
研究人员检测了来自人类胰腺导管腺癌（pdac）、分化差的多形性肉瘤（ups）、脂肪肉瘤（liposarcoma）、血管肉瘤（angiosarcoma）等多种癌症组织以及小鼠乳腺癌转移灶的铁含量。结果显示，癌组织的总铁含量普遍高于正常组织。更重要的是，在癌细胞亚群中，cd44 high的细胞比cd44 low的细胞含有更多的铁。例如，在新鲜分离的人类pdac和肉瘤原代肿瘤细胞中，cd44 high细胞亚群的活性溶酶体铁（iron(ii)）水平显著高于cd44 low亚群。这与cd44介导铁内吞、导致铁在溶酶体富集的研究一致。
正是这种“高cd44、高溶酶体铁”的特点，让这些顽固的癌细胞暴露在fento-1的火力之下。
细胞实验证实了fento-1对cd44 high细胞的偏向性杀伤。在来自人pdac和ups的新鲜分离的肿瘤细胞中，fento-1显著降低了cd44 high细胞的比例。而用已知的铁死亡抑制剂（如lip-1、去铁酮 deferiprone）共同处理，可以部分阻止fento-1对cd44 high细胞的杀伤作用。
进一步的实验表明，fento-1能够有效清除对传统化疗药物（如阿霉素 doxorubicin）产生耐药性的dtp癌细胞。在体外培养中，经过阿霉素处理后幸存的sum159乳腺癌dtp细胞，对fento-1表现出高度敏感性，能够被fento-1有效杀灭。而长期暴露在低剂量阿霉素下获得耐药性的ht-1080细胞，表现出更高的cd44和铁蛋白（ferritin）水平，并呈现出更强的间充质（mesenchymal）特征。这种“间充质状态”与许多癌细胞的耐药性和转移能力有关。然而，当用fento-1处理这些获得耐药性的ht-1080细胞时，它们不仅死亡，剩余细胞的cd44和铁蛋白水平下降，间充质标志物表达也降低。这表明，fento-1不仅杀灭了耐药细胞，还可能改变了细胞状态，使其向非间充质状态转变，从而降低对传统治疗的耐药性。
有趣的是，长期暴露在低剂量fento-1下的ht-1080细胞，反而表现出较低的cd44和铁蛋白水平，以及下调的间充质标志物，这提示细胞对fento-1的适应机制可能是降低溶酶体铁的靶向。
将“死亡分子”送入战场：体内抗肿瘤效果
成功的药物最终需要通过体内的考验。研究人员使用了一个模拟癌症转移的小鼠模型——将4t1乳腺癌细胞植入小鼠的淋巴结（lymph node），因为淋巴结转移是影响患者预后和生存的重要因素，而转移的癌细胞通常对铁死亡具有抵抗性。他们首先发现，尽管淋巴液中的总铁水平低于血液和血清，但在小鼠淋巴结肿瘤中分离出的癌细胞里，cd44 high亚群的铁含量仍然高于cd44 low亚群，并且活性溶酶体铁水平也更高。
研究人员通过淋巴内注射的方式，每隔一天给带有淋巴结肿瘤的小鼠注射fento-1。结果显示，与对照组相比，fento-1治疗显著抑制了肿瘤生长。例如，在其中一个实验中，到第10天时，对照组小鼠的肿瘤直径平均接近1.5厘米，而fento-1治疗组的平均肿瘤直径仅约0.5厘米。以肿瘤大小作为生存终点（即肿瘤直径达到2.0厘米时处死小鼠），fento-1治疗显著提高了小鼠的生存期。而且，治疗过程中小鼠的体重没有明显变化，表明fento-1的毒副作用相对较低。
对治疗后残留肿瘤的分析发现，fento-1在体内同样诱导了膜脂质氧化和溶酶体磷脂的降解，特别是溶酶体磷脂（如溶血磷脂 lysophospholipids）。并且，这种作用在cd44 high癌细胞亚群中更为明显。与治疗前的肿瘤相比，fento-1治疗后残留肿瘤中的cd44 high细胞亚群比例显著下降。
这些体内实验结果强有力地支持了fento-1通过靶向cd44 high富铁癌细胞亚群、激活溶酶体铁来诱导铁死亡，从而抑制肿瘤生长和清除耐药细胞的能力。
溶酶体铁：癌症治疗的新靶点与策略
这项研究为我们揭示了一个重要的科学发现：细胞内“点燃”铁死亡脂质过氧化反应的“第一把火”，极有可能发生在溶酶体中，并且是由溶酶体内的活性铁所催化。这一发现不仅深化了我们对铁死亡机制的理解，更重要的是，它将溶酶体铁确定为一个潜在的、可药物靶向的治疗靶点。
在此基础上，研究人员成功设计并验证了fento-1这一新型双功能小分子。fento-1巧妙地利用了许多耐药癌细胞cd44高表达、从而富集溶酶体铁的特点，将激活铁催化氧化的“弹头”精准送往这些细胞的“铁锅”——溶酶体，在细胞深处引发脂质氧化，从而杀灭顽固的耐药癌细胞。
这项研究不仅展示了fento-1在体外和体内对多种癌症模型（特别是耐药性持续癌细胞和转移性肿瘤）的强大治疗潜力，还提示了一种全新的癌症治疗策略：结合对癌细胞状态的理解，设计靶向特定细胞状态（如高cd44、高溶酶体铁）的药物。通过精细调控溶酶体铁的氧化活性，我们可以更精准地攻击癌细胞的弱点，甚至可能改变癌细胞的耐药状态，从而提高治疗效果，克服癌症治疗的巨大挑战。
总而言之，这项nature研究不仅为铁死亡领域贡献了关键性的发现，更提供了一个极具前景的治疗概念：靶向溶酶体铁，有望成为清除耐药性持续癌细胞、抑制肿瘤转移的新利器。细胞内的“铁锅”不再只是废物处理厂，它可能是未来癌症治疗的“终结战场”。

参考文献

cañeque, t., baron, l., müller, s. et al. activation of lysosomal iron triggers ferroptosis in cancer. nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08974-4

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