Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease（下）

Implications of ferroptosis in disease

尽管铁死亡对生理学的贡献仍不清楚，但它在过多的人类病理状态中的作用已被广泛记录。在本节中，我们将重点关注铁死亡在癌症和缺血再灌注损伤中的作用，这是迄今为止研究得最好的。重要的是，铁死亡的药理学调节已被证明是在各种临床前动物模型中治疗这些疾病的有前途的治疗途径。然而，铁死亡和其他疾病之间的联系也出现了，如方框1所述，这表明铁死亡细胞死亡对健康有广泛的影响。

Ferroptosis in cancer

从该领域一开始，铁死亡就与癌症有关:最初发现铁死亡的化学诱导剂是寻找新的癌症治疗化合物的结果。随后的机制研究表明，许多与癌症相关的基因和信号通路调节铁死亡，如前几节所述。一方面，已经观察到间充质和去分化的癌细胞，其通常对凋亡和普通治疗剂具有抗性，以及所谓的“治疗持续”癌细胞对铁死亡诱导剂高度敏感。从概念上来说，由于铁死亡是一种氧化应激诱导的细胞死亡形式，与细胞代谢密切交织，因此提出癌细胞可能更容易发生铁死亡似乎是合理的，这是由于总体上更活跃的代谢和更高的活性氧负荷。除了这个概念之外，已经表明癌细胞通常需要高铁供应，这可能进一步使它们对铁死亡敏感。然而，癌细胞也可以利用额外的遗传或表观遗传机制来对抗这些代谢和氧化负荷，例如SLC7A11的表达增加或抗氧化转录因子NRF2的上调，从而降低其对铁死亡的易感性。因此，一种特定的癌症是对铁死亡诱导更敏感还是更有抵抗力是由其特定的遗传背景决定的。癌症的基因组学，以及下面讨论的各种其他参数，应该被考虑用于基于铁死亡诱导的癌症治疗。

Ferroptosis sensitivity of cancer cells.

多种癌蛋白、肿瘤抑制因子和致癌信号转导通路可以调节铁死亡。因此，它们在癌症中的变化可以用作生物标志物来预测癌细胞对铁死亡诱导疗法的反应性。以E-钙粘蛋白-NF2-HIPPO-YAP途径为例，结合《癌症基因组图谱》(TCGA)的数据:肿瘤抑制因子E-钙粘蛋白功能缺失突变在乳腺小叶浸润癌(~65%)和弥漫性胃腺癌(~25%)等癌症中是常见事件；NF2功能缺失突变发生在>30%的间皮瘤和所有一组被称为NF2病的良性疾病中；类似地HIPPO成分LATS1/2肿瘤抑制因子的突变也发生在各种癌症中。虽然YAP的遗传突变很少，但在癌症中经常观察到它的过表达和翻译后激活。重要的是，这些基因的恶性突变通常会驱动转移，保护癌细胞免受凋亡，并使它们对常见的癌症治疗更具抵抗力。因此，这些相同的突变使癌细胞对铁死亡敏感的发现揭示了这些恶性细胞的不寻常的“‘ Achille’s heel”，并表明了铁死亡诱导的独特治疗机会。这种机会对胃癌和间皮瘤特别有吸引力，这两种疾病目前都缺乏有效的治疗。除了E-钙粘蛋白-NF2-HIPPO-YAP通路的突变之外，我们预计在不久的将来会发现更多指导铁死亡诱导癌症治疗的生物标志物。

Potential ferroptosis-inducing anticancer therapies. 

基于铁死亡诱导的癌症疗法的开发正在积极进行。在这个领域，已经测试了几种基于纳米粒子的非靶向策略，以释放铁、过氧化物和其他有毒物质来杀死肿瘤细胞。此外，控制铁死亡的多种酶的存在使得靶向方法的开发成为可能。也许最明显的目标是GPX4，因为它在大多数癌细胞系中表达，对它们的存活至关重要。GPX4缺乏经典的小分子结合pocket，可用的GPX4抑制剂共价修饰GPX4的硒代半胱氨酸残基以及其他硒蛋白，这提出了特异性和潜在毒性的问题。这些抑制剂也是高度反应性的，因此不稳定，但这可以通过开发可在细胞内代谢转化为活性形式的掩蔽前药来克服。尽管如此，主要的警告仍然是GPX4对于各种外周组织是必不可少的，例如肾小管细胞和小鼠中的某些神经元亚群，因此靶向GPX4可能会导致实质性的副作用，除非治疗剂可以特异性地输送到肿瘤细胞。

与靶向GPX4不同，通过抑制系统xc来限制细胞半胱氨酸可用性的方法非常有希望，因为小鼠Slc7a11敲除不会导致主要病理生理改变，并且SLC3A2和/或SLC7A11的表达与黑色素瘤和胶质瘤患者的临床结果呈负相关。事实上，通过抑制xc系统来抑制各种类型癌症中的肿瘤生长和肿瘤转移的研究——无论是药理学上的还是遗传学上的——在小鼠模型中提供了非常有希望的结果，显示出有效性和低毒性。与正常组织相比，各种肿瘤对系统xc-抑制的脆弱性更高，这可能是由于肿瘤细胞中更活跃的代谢和其他变化，使它们对持续的氧化应激更主观，因此更依赖系统xc-功能来解毒活性氧。显然，为了应用基于系统xc–抑制的疗法，需要对患者肿瘤组织进行仔细的分层，以检查系统xc–表达(例如，SLC7A11过表达可能表明癌细胞对胱氨酸成瘾，以清除ROS)和其他生物标志物，这些生物标志物决定了肿瘤对系统xc–抑制的敏感性。

与Slc7a11的缺失类似，Fsp1的敲除不会导致胚胎死亡或明显的病理生理过程，这表明针对FSP1的治疗窗很宽。此外，FSP1在大量癌细胞系中大量表达，并且是860个癌细胞系82中与对GPX4抑制剂的抗性相关的最高等级的基因。缺乏GPX4的癌细胞可以被FSP1特异性抑制剂iFSP1有效杀死，而在充足GPX4的癌细胞中，iFSP1与RSL3协同诱导铁死亡。因此，FSP1抑制剂可能会进入临床，特别是对治疗耐药的肿瘤或表现出去分化特征的肿瘤。

铁死亡诱导治疗也可以与其他治疗方法结合，免疫检查点阻断和放射治疗是潜在的选择。将免疫检查点阻断与其他疗法相结合已经得到积极的研究。一个基本原理是，这些其他疗法可以在肿瘤组织中诱导免疫原性细胞死亡，以增强免疫检查点阻断的效力。有趣的是，最近有证据表明，用抗PD-L1抗体进行免疫检查点阻断治疗可以增强铁死亡诱导治疗。具体来说，抗PD-L1抗体刺激CD8+ T细胞分泌IFNγ，如上所述，这抑制了靶癌细胞中的系统xc-活性，从而使它们对铁死亡敏感。因此，免疫疗法与铁死亡诱导相结合是一种有前途的治疗方法，因为这两种治疗方式相互增强，导致协同的抗癌效果。关于辐射，最近的证据表明，它可以单独诱导铁死亡，也可以与铁死亡诱导剂和免疫疗法协同作用，提供潜在有效的治疗组合区域。在细胞死亡、脂质过氧化、与铁死亡相关的基因表达变化和脂质组学变化的水平上，以及在细胞系和患者来源的异种移植癌模型和新分离的患者神经胶质瘤切片培养物中观察到这种敏化效应。此外，发现细胞质辐射而非细胞核辐射与铁死亡诱导剂协同作用，这表明在这些治疗方案中，辐射通过其消耗谷胱甘肽和诱导脂质过氧化的作用而不是其典型的DNA损伤效应来促进细胞死亡。通过放射治疗和免疫治疗的结合，也提高了对铁死亡的敏感性。在这种情况下，辐射与免疫疗法协同下调SLC7A11，由DNA损伤激活激酶ATM和IFNγ介导。最后，辐射已被证明可上调癌症中的ACSL4，导致脂质过氧化和铁死亡敏感性升高。这里涉及的机制尚不清楚，但可能涉及介导辐射反应和铁死亡的转录调节因子的激活，如p53和BAP1。因此，辐射的铁死亡效应可能是由多种机制介导的，并且可能依赖于环境。值得注意的是，铁死亡被认为是一些辐射不良事件的原因，如肺纤维化和粒细胞-巨噬细胞造血祖细胞的死亡。

Ferroptosis in ischaemic damage

缺血后再灌注可导致受影响器官的大量细胞死亡和炎症反应，导致毁灭性疾病，包括脑中风、缺血性心脏病和肝、肾损伤。值得注意的是，缺血性心脏病仍然是全世界死亡率最高的疾病。强有力的证据表明，铁死亡是与缺血-再灌注损伤相关的细胞死亡的主要原因，至少部分是由于缺血诱导的氧化应激。这些发现表明抑制铁死亡是治疗缺血性损伤相关疾病的潜在治疗方法。

Contribution to ischaemic cell death in the brain and the heart.

多项研究已经确定了铁死亡在神经元死亡中的作用，包括中风和其他脑损伤。使用大鼠海马切片培养的离体实验表明，谷氨酸诱导的神经元兴奋毒性细胞死亡可以被自由基捕获抗氧化剂ferrostatin1阻断(ReF.1)。由于谷氨酸诱导的神经毒性与中风和各种神经退行性疾病有关，并且高浓度的细胞外谷氨酸可通过抑制系统xc功能诱导铁死亡，铁死亡可能是这些脑疾病的发病机制之一。一直以来，对小鼠的遗传学研究证实，条件性Gpx4缺失可导致类似神经退化的症状。此外，铁螯合剂和亲脂性自由基捕获抗氧化剂已经在不同的实验系统中被测试用于减轻中风和神经退化。

铁死亡在缺血性心脏病中的作用也被广泛研究。在模拟小鼠心脏缺血-再灌注损伤的离体系统中，已经表明铁螯合剂和谷氨酰胺解酶抑制剂显著减轻了心肌细胞死亡，减少了心脏组织的损伤并改善了其功能，表明了铁死亡靶向治疗缺血性心脏病的潜在治疗价值。最近，一项体内小鼠模型研究进一步证实了这一观点。

为了设计可行的针对缺铁性贫血的疗法来治疗中风和缺血性心脏损伤等致命疾病，需要考虑许多重要因素。例如，这两种疾病都可能非常严重，只允许很短的干预时间窗；因此，是否可以及时应用铁死亡靶向治疗，从而足够迅速地发挥作用？此外，由于有多种铁死亡监测途径，缺血再灌注可能通过选择性破坏其中一种监测途径在不同器官中诱导铁死亡，我们能否开发出特异性铁死亡抑制剂，既能有效治疗某种疾病，又能对其他器官产生最小的副作用？

Roles in ischaemia–reperfusion injury associated with organ transplantation.

除了大脑，也许肾脏是成年哺乳动物中对铁死亡最敏感的器官；近端肾小管细胞的存活取决于功能性GPX4，这些细胞在缺血-再灌注情况下易发生细胞死亡，这是肾移植的常见并发症。一直以来，铁调抑制剂在小鼠缺血-再灌注损伤模型、诱导性全身Gpx4缺失的遗传模型和叶酸诱导的急性肾损伤模型中均可减轻肾小管细胞死亡和急性肾衰竭。这些研究还表明，由于这种细胞死亡的促炎性质，铁死亡导致先天免疫系统的激活，这可能通过介导移植排斥进一步损害移植的成功。另一个经常移植的器官是肝脏。GPX4肝细胞特异性消融的小鼠新生时死亡，而高膳食维生素E可以弥补肝脏Gpx4的缺乏。此外，自由基捕获抗氧化剂的使用保护肝实质免受缺血-再灌注损伤。最后，铁死亡也与心脏移植有关。总之，铁死亡抑制剂可能是支持各种器官移植成功的有效药物。

Potential targets for blocking ferroptosis in ischaemia–reperfusion injury.

铁死亡网络中有几个潜在的治疗干预点，尽管每个干预点都有其自身的风险和成功情况。鉴于铁死亡是由磷脂过氧化作用驱动的，一种策略是引入防止过氧化过程的试剂，例如，通过施用亲脂性自由基捕获抗氧化剂，如liproxstatin 1，防止脂质过氧自由基的增多。这些药物在铁死亡的细胞模型中非常有效，在一些体内环境中也是有效的。在考虑进行人体试验之前，它们的药理特性需要进一步改善。一种相关的方法是施用化学上抗过氧化的多不饱和脂肪酸，例如通过在通常容易过氧化的双烯丙基碳上掺入氘。这种氘化多不饱和脂肪酸已被证明是铁死亡和各种慢性铁死亡相关退行性疾病的有效抑制剂，尽管其效力低于铁抑制素1和liproxstatin 1。类似地，单不饱和脂肪酸的供应已被证明可抑制铁死亡，并可作为一种潜在的治疗方法。

阻断脂质过氧化的第二种策略是消耗不稳定的铁库，例如通过使用铁螯合剂，或者抑制驱动脂质过氧化的酶。已经在许多临床适应症中探索了铁螯合剂，但是由于这些试剂潜在的非靶效应，更重要的是，铁的基本生物功能，铁螯合剂存在安全问题。负责产生PUFA-PLs和PLOOHs的靶向酶，如ACSL4、LPCAT3、LOXs和POR，可能是可行的，并且作为确定的分子靶标，从以靶标为中心的药物发现的角度来看，它们是优选的。然而，它们在各种组织中也有其他功能，使潜在的治疗结果复杂化。