Nature | 耐葯癌細胞的末日鐵騎！揭秘溶酶體鐵引發的死亡風暴

分類：動漫
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引言

那些在化療或放療後依然頑強存活的癌細胞，它們就像潛伏下來的「種子」，隨時準備捲土重來。正是這些「耐藥性持續癌細胞」（drug-tolerant persister cells, dtps）構成了癌症治療的最大障礙。研究人員一直在尋找它們的致命弱點，希望能找到一種全新的策略將它們徹底清除。5月7日一項發表在《nature》上的重磅研究「activation of lysosomal iron triggers ferroptosis in cancer」，似乎在細胞內部找到了一個令人震驚的「阿喀琉斯之踵」—— 細胞的「小胃」，溶酶體（lysosome）深處的「鐵」！

癌細胞有一種特殊的死亡方式，「鐵死亡」（ferroptosis），它的核心是細胞膜上的脂質（lipid）被鐵催化氧化，導致細胞崩潰。有趣的是，很多耐葯癌細胞恰恰對這種死亡方式非常敏感。但問題在於，這團「點燃」脂質氧化的「火」到底最先在哪裡燒起來？是線粒體？內質網？還是另有其處？
這項研究通過分子追蹤、化學反應分析以及細胞生物學實驗，一步步揭示了驚人真相：原來，細胞內觸發鐵死亡的「第一把火」，就藏在溶酶體里！溶酶體內部酸性環境和富集的活性鐵（特別是亞鐵離子 iron(ii)），共同構成了一個高效的催化中心，專門氧化膜脂。更炸裂的是，他們基於這一發現，巧妙設計了一個名為fento-1的雙功能小分子，它能像精準制導的導彈一樣，直奔溶酶體，並在那裡激活鐵的氧化活性。
實驗結果令人振奮：fento-1竟然能高效地殺死那些對傳統療法耐葯、並且高表達與鐵攝取相關的cd44蛋白的頑固癌細胞！它不僅殺死了這些細胞，甚至可能改變了它們的耐葯狀態。這一切都指向溶酶體鐵——這個細胞深處的「隱秘角落」，可能正是我們期待已久的，能夠克服癌症耐藥性的全新靶點。
鐵死亡 (ferroptosis)
我們熟悉的細胞死亡方式有很多，比如像編程一樣有序的凋亡（apoptosis），或者像意外事故一樣的壞死（necrosis）。但「鐵死亡」（ferroptosis）是一種特殊的程序性細胞死亡方式，核心特徵是鐵依賴性的脂質過氧化物（lipid peroxides）累積，最終導致細胞膜破裂和細胞死亡。簡單來說，就是細胞里的「鐵」在特定條件下催化細胞膜上的脂肪（脂質）發生氧化，產生大量有毒的過氧化脂質，膜壞了，細胞也就死了。
為啥這很重要？因為研究發現，很多對傳統治療產生耐藥性的癌細胞，反而對鐵死亡非常敏感。如果能找到觸發癌細胞鐵死亡的精確「開關」，就有望克服耐藥性，為癌症治療帶來新的希望。
這個「開關」到底在哪裡？雖然我們知道鐵和脂質氧化是關鍵，但細胞內有那麼多膜結構（比如線粒體 mitochondria、內質網 endoplasmic reticulum, er、溶酶體），「點燃」脂質氧化反應的「第一把火」究竟是在哪個「房間」里燒起來的？這正是困擾研究人員的一個關鍵問題。
順藤摸瓜：抗鐵死亡分子lip-1的秘密蹤跡
為了找到這個「第一把火」的位置，研究人員決定從抑制鐵死亡的分子入手。利泊司他汀-1（liproxstatin-1, lip-1）是一個已知的強效鐵死亡抑製劑。研究人員對lip-1進行了巧妙的改造，給它裝上了一個「可點擊的標籤」（clickable alkyne-containing analogue），命名為clip-1。這樣，他們就可以追蹤clip-1進入細胞後的去向。
利用點擊化學和熒光顯微鏡技術，研究人員在多種人類癌細胞系（包括ht-1080纖維肉瘤細胞、人胰腺導管腺癌原代細胞 pdac、肺癌和結腸癌循環腫瘤細胞）以及小鼠乳腺癌細胞（4t1細胞）中觀察了clip-1的定位。結果顯示：clip-1主要在細胞的溶酶體中富集。即使使用比有效抑制鐵死亡濃度更高的clip-1，絕大部分信號仍然集中在溶酶體。在ht-1080細胞中，定量分析顯示，clip-1的信號與溶酶體標誌物（lamp1和lamp2）的共定位（colocalization）pearson相關係數（pearson's r）平均高達0.8左右，這表明clip-1高度集中在溶酶體中。
這提示研究人員，lip-1發揮抗鐵死亡作用的「主戰場」可能就在溶酶體。
為了進一步驗證clip-1在體內的行為，研究人員在一個小鼠模型中進行了實驗。這個模型小鼠經過基因改造，體內抑制鐵死亡的關鍵酶gpx4（glutathione peroxidase 4）被敲除，會導致急性腎損傷，這是一種與鐵死亡相關的疾病。研究人員給這些小鼠注射clip-1。結果顯示，與對照組相比，接受clip-1治療的小鼠生存期顯著延長。例如，對照組小鼠的中位生存天數約為11.8天，而接受clip-1治療組的中位生存天數延長到約13.7天，生存曲線的差異具有統計學意義（p=0.004）。進一步分析小鼠組織中的clip-1定位，發現它在腎臟的近端小管細胞（proximal tubules）中大量富集，並且與溶酶體標誌物很好地共定位。
這些體內外證據都強烈表明，lip-1通過影響溶酶體內的某種機制來抑制鐵死亡。
揭秘溶酶體：細胞內的「鐵鍋」？
溶酶體是細胞內負責降解和回收廢物的小囊泡，內部環境呈酸性（ph值約5）。同時，溶酶體在細胞鐵代謝中扮演著重要角色，負責接收通過內吞（endocytosis）進入細胞的大部分鐵。酸性環境和豐富的鐵，這聽起來就像一個潛在的化學反應釜。研究人員猜測，溶酶體中的鐵是不是正是點燃脂質過氧化鏈式反應的「第一把火」？
為了驗證這個想法，他們首先深入研究了lip-1與鐵的相互作用。通過核磁共振（nmr）滴定實驗，研究人員觀察到lip-1與鐵離子（特別是鐵(iii)）混合後，lip-1的核磁共振信號發生了顯著變化，包括信號加寬和靠近氮原子的質子信號向低場移動。這表明lip-1能夠與鐵發生配位（coordination），特別是通過其結構中的氮原子上的孤對電子。這些變化在酸性條件下（模擬溶酶體環境）依然存在，進一步支持lip-1能在溶酶體內與鐵結合。
接著，他們利用循環伏安法（cyclic voltammetry）這種電化學技術，研究了lip-1對鐵離子氧化還原性質的影響。結果表明，lip-1確實能夠改變鐵離子的氧化還原電位（redox potential），使其不易參與氧化反應。作為對比，經過結構修飾、降低與鐵結合能力或溶酶體定位能力的lip-1類似物，對鐵離子氧化還原電位的改變作用減弱，抑制脂質氧化的能力也隨之下降。
更直接的證據來自細胞實驗。研究人員使用了兩種能夠提高溶酶體ph值、阻止溶酶體釋放鐵的藥物：羥氯喹（hydroxychloroquine, hcq）和巴菲爾德黴素a1（bafilomycin-a1, baf-a1）。用這些藥物處理癌細胞後，細胞內可螯合的鐵離子（特別是活性亞鐵離子 iron(ii)）水平降低，並且顯著抑制了鐵死亡誘導劑rsl3（一個gpx4抑製劑）引起的膜脂質氧化。這與lip-1的作用非常相似，進一步支持了溶酶體鐵是觸發脂質氧化的關鍵。
而當用rsl3誘導鐵死亡時，研究人員通過特異性探針（如liperfluo或bodipy 665/676）發現，脂質氧化最先發生的區域正是溶酶體。處理rsl3 1小時後，氧化脂質的信號主要與溶酶體標誌物共定位；但如果延長處理時間到4小時，氧化脂質的信號則更多地出現在內質網（er）等其他膜結構上。這強有力地表明，溶酶體內的鐵催化了脂質過氧化反應的起始，然後過氧化鏈式反應可能擴散到細胞內其他膜結構。
綜合這些證據，研究人員得出結論：溶酶體中的活性鐵是細胞啟動鐵死亡的「第一站」。
以毒攻毒：設計靶向溶酶體鐵的「死亡分子」fento-1
既然溶酶體鐵是觸發鐵死亡的關鍵，那麼能否設計一個分子，特異性地靶向並激活溶酶體鐵的氧化活性，從而誘導癌細胞發生鐵死亡呢？特別是那些對傳統治療耐葯、又富集溶酶體鐵的狡猾癌細胞？
研究人員設計了一個雙功能小分子，命名為fento-1。它的設計理念是將一個能夠靶向細胞膜並被內吞進入溶酶體的「導航」部分，與一個能夠激活鐵離子催化氧化反應的「彈頭」部分連接起來。導航部分使用了天然產物marmycin，已知它可以富集在細胞膜並內吞；彈頭部分則使用了一個名為chen-white配體（chen-white ligand）的合成分子，它在酸性環境下能激活亞鐵離子（iron(ii)）的催化氧化活性。
他們推測，fento-1進入細胞後，marmycin部分會將它帶到溶酶體，溶酶體的酸性環境會促進chen-white配體與溶酶體內的亞鐵離子結合，形成一個具有強大氧化活性的催化中心，從而近距離地「點燃」溶酶體膜脂質的氧化。
體外實驗證實了fento-1的設計思路。熒光成像顯示，fento-1像marmycin一樣，主要富集在細胞的溶酶體中，與溶酶體標誌物（如lysotracker）高度共定位。而單獨使用chen-white配體或marmycin，則沒有這種特異性定位。
重要的是，fento-1在細胞實驗中表現出強大的細胞殺傷能力，對多種人鼠癌細胞系和原代細胞有效，而單獨的marmycin或chen-white配體效果甚微。脂質組學（lipidomics）分析進一步確認，fento-1能夠劑量依賴性地促進膜磷脂的氧化，產生的氧化磷脂（oxidized phospholipids）甚至比已知的強效鐵死亡誘導劑（如erastin, rsl3）還要多。特別是在處理fento-1僅1小時後，從ht-1080細胞中分離出的溶酶體富集組分就顯示出顯著的磷脂氧化。
這些數據證明，fento-1成功地將「靶向」與「催化」結合，在溶酶體局部激活鐵的氧化活性，導致膜脂質氧化。
fento-1：耐葯癌細胞的剋星？
研究發現，對傳統治療產生耐藥性的癌細胞（dtps）通常具有一些特殊「體質」，比如它們往往是cd44 high（高表達cd44蛋白）的。cd44是一個細胞表面糖蛋白，與細胞乾性（stemness）和轉移（metastasis）有關，它也是細胞攝取鐵的重要途徑。高表達cd44使得這些細胞能夠攝取更多鐵，這有助於它們改變細胞狀態、增強適應性，但同時也讓它們對鐵死亡更加脆弱。
研究人員檢測了來自人類胰腺導管腺癌（pdac）、分化差的多形性肉瘤（ups）、脂肪肉瘤（liposarcoma）、血管肉瘤（angiosarcoma）等多種癌症組織以及小鼠乳腺癌轉移灶的鐵含量。結果顯示，癌組織的總鐵含量普遍高於正常組織。更重要的是，在癌細胞亞群中，cd44 high的細胞比cd44 low的細胞含有更多的鐵。例如，在新鮮分離的人類pdac和肉瘤原代腫瘤細胞中，cd44 high細胞亞群的活性溶酶體鐵（iron(ii)）水平顯著高於cd44 low亞群。這與cd44介導鐵內吞、導致鐵在溶酶體富集的研究一致。
正是這種「高cd44、高溶酶體鐵」的特點，讓這些頑固的癌細胞暴露在fento-1的火力之下。
細胞實驗證實了fento-1對cd44 high細胞的偏向性殺傷。在來自人pdac和ups的新鮮分離的腫瘤細胞中，fento-1顯著降低了cd44 high細胞的比例。而用已知的鐵死亡抑製劑（如lip-1、去鐵酮 deferiprone）共同處理，可以部分阻止fento-1對cd44 high細胞的殺傷作用。
進一步的實驗表明，fento-1能夠有效清除對傳統化療藥物（如阿黴素 doxorubicin）產生耐藥性的dtp癌細胞。在體外培養中，經過阿黴素處理後倖存的sum159乳腺癌dtp細胞，對fento-1表現出高度敏感性，能夠被fento-1有效殺滅。而長期暴露在低劑量阿黴素下獲得耐藥性的ht-1080細胞，表現出更高的cd44和鐵蛋白（ferritin）水平，並呈現出更強的間充質（mesenchymal）特徵。這種「間充質狀態」與許多癌細胞的耐藥性和轉移能力有關。然而，當用fento-1處理這些獲得耐藥性的ht-1080細胞時，它們不僅死亡，剩餘細胞的cd44和鐵蛋白水平下降，間充質標誌物表達也降低。這表明，fento-1不僅殺滅了耐葯細胞，還可能改變了細胞狀態，使其向非間充質狀態轉變，從而降低對傳統治療的耐藥性。
有趣的是，長期暴露在低劑量fento-1下的ht-1080細胞，反而表現出較低的cd44和鐵蛋白水平，以及下調的間充質標誌物，這提示細胞對fento-1的適應機制可能是降低溶酶體鐵的靶向。
將「死亡分子」送入戰場：體內抗腫瘤效果
成功的藥物最終需要通過體內的考驗。研究人員使用了一個模擬癌症轉移的小鼠模型——將4t1乳腺癌細胞植入小鼠的淋巴結（lymph node），因為淋巴結轉移是影響患者預後和生存的重要因素，而轉移的癌細胞通常對鐵死亡具有抵抗性。他們首先發現，儘管淋巴液中的總鐵水平低於血液和血清，但在小鼠淋巴結腫瘤中分離出的癌細胞里，cd44 high亞群的鐵含量仍然高於cd44 low亞群，並且活性溶酶體鐵水平也更高。
研究人員通過淋巴內注射的方式，每隔一天給帶有淋巴結腫瘤的小鼠注射fento-1。結果顯示，與對照組相比，fento-1治療顯著抑制了腫瘤生長。例如，在其中一個實驗中，到第10天時，對照組小鼠的腫瘤直徑平均接近1.5厘米，而fento-1治療組的平均腫瘤直徑僅約0.5厘米。以腫瘤大小作為生存終點（即腫瘤直徑達到2.0厘米時處死小鼠），fento-1治療顯著提高了小鼠的生存期。而且，治療過程中小鼠的體重沒有明顯變化，表明fento-1的毒副作用相對較低。
對治療後殘留腫瘤的分析發現，fento-1在體內同樣誘導了膜脂質氧化和溶酶體磷脂的降解，特別是溶酶體磷脂（如溶血磷脂 lysophospholipids）。並且，這種作用在cd44 high癌細胞亞群中更為明顯。與治療前的腫瘤相比，fento-1治療後殘留腫瘤中的cd44 high細胞亞群比例顯著下降。
這些體內實驗結果強有力地支持了fento-1通過靶向cd44 high富鐵癌細胞亞群、激活溶酶體鐵來誘導鐵死亡，從而抑制腫瘤生長和清除耐葯細胞的能力。
溶酶體鐵：癌症治療的新靶點與策略
這項研究為我們揭示了一個重要的科學發現：細胞內「點燃」鐵死亡脂質過氧化反應的「第一把火」，極有可能發生在溶酶體中，並且是由溶酶體內的活性鐵所催化。這一發現不僅深化了我們對鐵死亡機制的理解，更重要的是，它將溶酶體鐵確定為一個潛在的、可藥物靶向的治療靶點。
在此基礎上，研究人員成功設計並驗證了fento-1這一新型雙功能小分子。fento-1巧妙地利用了許多耐葯癌細胞cd44高表達、從而富集溶酶體鐵的特點，將激活鐵催化氧化的「彈頭」精準送往這些細胞的「鐵鍋」——溶酶體，在細胞深處引發脂質氧化，從而殺滅頑固的耐葯癌細胞。
這項研究不僅展示了fento-1在體外和體內對多種癌症模型（特別是耐藥性持續癌細胞和轉移性腫瘤）的強大治療潛力，還提示了一種全新的癌症治療策略：結合對癌細胞狀態的理解，設計靶向特定細胞狀態（如高cd44、高溶酶體鐵）的藥物。通過精細調控溶酶體鐵的氧化活性，我們可以更精準地攻擊癌細胞的弱點，甚至可能改變癌細胞的耐葯狀態，從而提高治療效果，克服癌症治療的巨大挑戰。
總而言之，這項nature研究不僅為鐵死亡領域貢獻了關鍵性的發現，更提供了一個極具前景的治療概念：靶向溶酶體鐵，有望成為清除耐藥性持續癌細胞、抑制腫瘤轉移的新利器。細胞內的「鐵鍋」不再只是廢物處理廠，它可能是未來癌症治療的「終結戰場」。

參考文獻

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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