Ferroptosis in cancer therapy

Systemic therapy

传统的细胞毒性和靶向药物通过多种机制发挥作用，一般目的是通过诱导癌细胞死亡来减缓或阻止肿瘤生长，而不影响非转化细胞。然而，对靶向治疗的抵抗仍然是一个难以克服的挑战。越来越多的临床前证据表明，铁死亡的诱导可能是一种有用的治疗策略，可防止对几种癌症疗法的获得性耐药性，如拉帕替尼、埃罗替尼、曲马替尼、达布芬尼和vemurafenib。一些耐药癌细胞表现出EMT的迹象(间充质标志物上调，上皮标志物下调)；因此，它们对铁敏感。铁死亡诱导剂还可以与更传统的药物(如顺铂)协同作用，抑制小鼠头颈癌模型中的肿瘤生长。已知几种已经在临床使用或具有很强临床转化潜力的药物会促进铁死亡(表1)。

Sorafenib

索拉非尼是第一个被批准用于治疗不能切除的HCC、晚期肾细胞癌和分化型甲状腺癌的多酪氨酸激酶抑制剂。索拉非尼在治疗几种恶性肿瘤的临床试验中也被评估为单一疗法或与常规细胞毒性疗法联合使用(表1)。索拉非尼可抑制多种细胞内激酶(RAF、野生型和突变型BRAF)和细胞表面激酶(KIT、FLT3、RET、VEGFR1–3和PDGFRB)。一些研究表明索拉非尼通过靶向培养的前列腺癌细胞或肝癌细胞中的这些激酶来诱导凋亡和自噬。然而，涉及肝、肾、肺或胰腺癌衍生细胞的几项研究表明，索拉非尼的抗癌活性主要依赖于通过抑制系统xc的活性而诱导铁死亡，而不一定依赖于对其激酶靶标的抑制。此外，临床前和临床研究表明NFE2L2及MT1G的靶基因是索拉非尼耐药性的生物标志物和抗性基因。此外，MT1G的敲除通过在人HCC细胞中诱导铁死亡来恢复索拉非尼的抗癌活性。这些信息可能有助于制定克服索拉非尼耐药性的策略。相比之下，高水平的ACSL4，一种铁死亡的促进剂，与HCC细胞对索拉非尼的敏感性呈正相关，提示抗糖尿病药物罗格列酮(ACSL4抑制剂)可能干扰索拉非尼的抗癌活性。然而，在临床环境中，铁死亡和/或细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

柳氮磺吡啶是一种口服抗炎药物，用于治疗炎症性肠病(包括溃疡性结肠炎和克罗恩病)或类风湿性关节炎患者。柳氮磺吡啶及其代谢物(5-氨基水杨酸和磺胺吡啶)的作用机制仍在研究中，可能与淋巴细胞抑制作用(如诱导T细胞死亡或抑制B细胞介导的抗体产生)和白细胞调节作用(如抑制白细胞向炎症部位募集和随后的前列腺素生物合成以及细胞因子产生)有关。除了抗炎活性外，柳氮磺吡啶还可以通过抑制xc系统诱导临床前模型中铁死亡来抑制淋巴瘤和其他癌细胞的生长。柳氮磺吡啶的活性已在临床上作为单一疗法在胶质母细胞瘤患者中进行了研究，并与放射外科在胶质母细胞瘤患者中进行了联合研究(NCT04205357)。然而，在进行性恶性神经胶质瘤患者中，柳氮磺吡啶显示缺乏疗效，并引发严重的神经不良事件。柳氮磺吡啶对xc系统的抑制不仅能抑制半胱氨酸的流入，还能抑制谷氨酸的流出，谷氨酸是一种参与癫痫发作启动和疼痛受体激活的分子。在一项涉及9名神经胶质瘤患者的临床试验中，发现口服柳氮磺吡啶可通过系统xc介导的机制抑制谷氨酸的释放。计划对患有乳腺癌和慢性疼痛的患者进行柳氮磺吡啶一期临床试验(NCT03847311)。在临床前研究中，确定柳氮磺吡啶的抗癌活性是依赖于对系统xc的抑制还是依赖于其抗炎作用可能很困难，因为其药理作用的结构基础尚不清楚。与其他药物一样，柳氮磺吡啶抑制xc系统的最终临床效用将受到靶细胞对这些抑制剂产生适应性耐药性的能力的影响。

Statins

高胆固醇血症大大增加了患心脏病、中风和包括癌症在内的其他严重疾病的风险。他汀类药物(如氟伐他汀、洛伐他汀和辛伐他汀)是一类通过抑制HMGCR(甲羟戊酸途径中的限速酶，介导胆固醇的合成)来降低血液胆固醇水平的药物。通过减少甲羟戊酸途径中异戊烯基焦磷酸的产生，他汀类药物能够抑制硒蛋白(如GPX4)和CoQ10的生物合成，从而增强铁死亡或选择性诱导间充质细胞的RCD。由于他汀类药物公认的临床安全性，以及肥胖是主要的癌症风险因素，许多临床试验目前正在研究他汀类药物在各种肿瘤类型中作为单一疗法或联合疗法的功效。例如，两项涉及乳腺癌患者的机会之窗临床试验数据表明，阿托伐他汀和氟伐他汀可能对过度表达HMGCR的肿瘤具有抗增殖作用。他汀类药物可提高肝癌患者经动脉化疗栓塞的疗效，提高AML患者伊达比星和阿糖胞苷的疗效，提高多发性骨髓瘤患者沙利度胺、地塞米松和洛伐他汀的疗效。相比之下，接受单剂辛伐他汀的多发性骨髓瘤患者未观察到临床反应。目前很难预测哪些癌症患者将从他汀类药物治疗中受益，因此，对胆固醇调节的铁代谢途径的更深入理解可能有助于在未来的临床研究中适当地识别生物标志物来对患者进行分层。特别是，关于胆固醇调节基因和调节铁死亡的蛋白质的表达水平的信息可能有助于确定最有可能对他汀类药物产生临床反应的患者。

Artemisinins

青蒿素及其衍生物(统称青蒿素)是从中草药黄花蒿中提取的抗疟药。除了在疟疾治疗中的治疗价值外，青蒿素在体外和体内对多种癌细胞类型都具有有效的抗癌特性。青蒿素有一个独特的内过氧化物桥，它被Fe2+激活产生游离自由基。补充铁剂，如全转铁蛋白，增强青蒿素的抗癌特性。除了诱导细胞凋亡之外，青蒿素(尤其是青蒿琥酯和双氢青蒿素)还可以通过促进铁蛋白吞噬从而提高细胞内游离铁的水平来触发癌细胞的铁死亡。一项已完成的一期临床试验(NCT00764036)表明，每日口服剂量高达200毫克的青蒿琥酯对转移性乳腺癌患者是安全的，耐受性良好。其他已完成的一期临床试验表明，晚期实体瘤(NCT02353026)患者对静脉或阴道内青蒿琥酯耐受性良好，包括宫颈上皮内瘤变(NCT02354534)。最后，正在进行的临床试验正在研究青蒿琥酯在结直肠癌患者中的药代动力学和有效性(NCT02633098和NCT03093129)。在临床试验中观察到的青蒿素的最小毒性特征是否能使其促铁死亡活性得到利用仍有待确定。

Cyst(e)inase

胱氨酸(e)酶（e代表半胱氨酸）是一种工程化的酶，能有效地降解小鼠和食蟹猴血清中的半胱氨酸和胱氨酸。随后细胞外胱氨酸(e)的耗竭导致体外和体内前列腺癌和慢性淋巴细胞白血病细胞的细胞死亡。胱氨酸(e)酶介导的胱氨酸(e)耗竭可在小鼠胰腺导管腺癌衍生细胞系和突变型Kras/Tp53驱动的胰腺肿瘤中诱导铁死亡，而不引起明显的毒性，表明可接受的安全性和耐受性。这种方法也抑制EGFR突变非小细胞肺癌细胞株和乳腺癌异种移植物的肿瘤生长。使用胱氨酸(e)酶调节胞外胞胱氨酸(e)水平的策略可以为基于铁死亡的抗癌治疗开辟新的治疗机会，特别是与ROS诱导药物(如阿霉素、吉西他滨、紫杉醇、5-氟尿嘧啶、硼替佐米和三氧化二砷)联合使用。

Immunotherapy

使用免疫检查点抑制剂(ICIs)的免疫疗法已经彻底改变了癌症患者的临床管理。免疫抑制素主要通过激活有效细胞毒性T细胞驱动的抗肿瘤免疫反应而起作用。目前批准的ICIs靶向CTLA4，PD-1及其配体PD-L1。细胞毒性T细胞驱动的免疫可以诱导癌细胞的铁死亡(图4)。例如，抗PD-L1抗体促进肿瘤细胞中脂质过氧化依赖性铁死亡，并且铁死亡抑制剂liproxstatin 1降低这些药物的抗癌活性。此外，抗PD-L1抗体和铁死亡激活剂(如erastin、RSL3和胱氨酸酶)在体外和体内协同诱导肿瘤生长抑制。从机制上讲，细胞毒性T细胞释放的IFNγ激活JAK-stat1途径，该途径下调SLC7A11和SLC3A2的表达，并导致癌细胞铁死亡。黑色素瘤患者SLC3A2表达减少与ICIs疗效增加一致。鉴于STAT1可以被许多配体激活，在接受免疫治疗的癌症患者中，其他细胞因子在触发铁死亡方面是否具有与IFNγ相似的作用仍有待确定。如果存在这种作用，掺入STAT1铁死亡激活剂将极大地扩展铁死亡策略在肿瘤治疗中的临床应用。值得注意的是，转化生长因子β1可以通过SMAD信号介导的SLC7A11的转录抑制和ZB1的激活促进铁死亡。

细胞死亡过程中损伤相关分子模式（DAMPs）的释放在抗肿瘤免疫中具有双重作用。丹皮的释放可以介导免疫原性细胞死亡，从而刺激抗肿瘤免疫151。然而，DAMPs促进支持肿瘤生长的炎症反应。事实上，在特定情况下，铁死亡可能具有促进肿瘤生长的作用(图4)。HMGB1由铁死亡敏感性癌细胞释放，并通过结合AGER促进巨噬细胞的炎症反应。HMGB1-AGER途径的遗传和药理学阻断限制了这种铁死亡介导的炎症反应。此外，KRAS- G12D可在铁死亡期间由胰腺癌细胞在外泌体中释放，并可被巨噬细胞吸收。这种摄取是由AGER介导的，最终导致巨噬细胞极化为M2表型并刺激肿瘤生长。除了这些蛋白质之外，某些非蛋白质阻尼(如ATP、宿主DNA和脂质介质)可能会产生一个复杂的网络，在铁死亡期间调节抗肿瘤免疫。不同于SLc7a11清除介导的胰腺肿瘤抑制，胰腺中Gpx4的条件性缺失通过铁营养损伤诱导的DNA释放和随后通过局势细胞中的STING激活炎症来促进突变Kras驱动的小鼠肿瘤发生。缺铁对肿瘤免疫的长期影响取决于癌细胞和各种免疫细胞亚群之间的相互作用。例如，淋巴系统通过增加依赖于ACSL3的多不饱和脂肪酸的产生，从而促进肿瘤转移，保护黑色素瘤细胞免于铁死亡。（以上内容均来自以前读过的文章）

Radiotherapy

放射疗法直接诱导癌细胞铁死亡的发现挑战了传统理论，即放射疗法主要诱导DNA损伤导致下游的细胞凋亡(图5)。ATM是DNA修复系统的核心组成部分，在暴露于细胞毒性化疗或放疗后被激活。ATM介导的SLC7A11下调是放疗诱导的癌细胞铁死亡的原因，当放疗与ICIs(抗PD-L1或抗CTLA4抗体)联合用于皮下肿瘤模型时，这种抗癌作用增强。染色体ATM发生在某些肿瘤类型中(例如，45%的套细胞淋巴瘤和8%的前列腺癌中发现胚胎发生突变)，并可能与预后不良有关。然而，这些突变如何影响这些肿瘤对铁死亡的反应尚不清楚。除了下调SLC7A11之外，放疗还上调ACSL4，从而增加脂质合成和随后的氧化损伤，从而诱导铁死亡敏感性。被辐射的肿瘤细胞释放的微粒具有进一步增强放射治疗的能力，部分是通过传播铁信号或增加与氧化应激相关的蛋白质表达。DNA损伤激活cGAS途径，导致铁死亡的诱导，因此这种或其他DNA传感器途径的激活可能在增强放疗诱导的铁死亡中具有相似的作用。涉及铁死亡和细胞凋亡的信号转导途径之间的最终相互作用，以及放疗期间这种串扰的调节，是一个重要的正在进行的研究领域。从毒性的角度来看，另一个有趣的问题是铁死亡抑制剂是否能保护非恶性细胞免受辐射损伤。

Nanotherapy

纳米粒子药物递送是围绕使用纳米粒子递送和控制治疗剂释放的工程技术来预测的，从而改善药物的药代动力学特性。携带化学物质或生物材料的纳米粒子的使用将提供改善现有铁死亡诱导剂的功效以及开发用于治疗癌症的新诱导剂的可能性。例如，含有荧光素A的铁死亡诱导剂在水中的溶解性差，对小鼠有毒性。当用两亲性可降解的对酸碱度敏感的纳米载体递送荧光素A时，可以避免这种不利的药理学特征。在白血病细胞异种移植模型中，erastin类似物IKE在聚乙二醇-聚(乳酸-羟基乙酸共聚物)纳米颗粒中递送时，其抗肿瘤活性增强。此外，在异种移植模型中，超小的二氧化硅纳米颗粒可以通过增加细胞内铁的释放和积累来引发铁死亡，从而抑制肿瘤生长。然而，纳米粒子对人类健康的长期影响仍需仔细评估。

Perspectives

铁死亡反应受表观遗传、转录、转录后和翻译后机制的复杂网络调节。靶向调节肿瘤细胞铁死亡的途径是一种新兴的抗癌策略，因为恶性细胞通常依赖致癌和/或存活信号，这使得它们特别容易发生铁死亡。例如，有利于肿瘤生长的因素(如铁积累、脂肪酸合成、增强的自噬流量和EMT)增加了许多癌症类型中对铁死亡的易感性，如胰腺癌、乳腺癌、非小细胞肺癌和黑色素瘤。尽管铁死亡研究快速增长，但仍有几个挑战有待解决。

Basic oncology

什么是铁死亡的效应分子？

除了不同的初始和中间信号，典型的RCD途径也应该有效应分子。大多数RCD效应物是蛋白酶(如半胱天冬酶和MLKL酶，分别参与细胞凋亡和坏死)或成孔蛋白(如gasdermin D，参与焦亡)。脂质过氧化对铁死亡至关重要，但细胞毒性是由该反应本身的产物介导还是也需要脂质过氧化下游的信号分子仍有待确定。我们假设与未知蛋白质形成加合物，然后导致膜通透性孔的形成，介导脂质过氧化的致死效应。

如何定义铁死亡和非铁死亡RCD的相互作用？

每一种新发现的RCD形式，包括铁死亡，都有其独特的特征；然而，更深入的研究表明，铁死亡的一些特征并不是这种形式的RCD独有的。例如，铁死亡的信号(脂质过氧化)和调节因子(如GPX4和SLC7A11)也可以调节其他类型的非铁死亡形式。因此，根据单一信号或分子事件来区分不同形式的RCD可能是不可能的。相反，要明确区分不同的RCD类型，就必须确定一系列生物化学和遗传变化。能够促进RCD形式之间转换的干预措施可能能够克服对细胞死亡的抵抗和/或通过诱导免疫原性细胞死亡有利地调节肿瘤微环境。

如何定义癌症代谢重编程对铁死亡的影响？

癌细胞中的代谢和能量产生网络被重新编程，以支持和实现在次优条件下的快速增殖、持续生长和存活。肿瘤细胞(包括癌症干细胞)的代谢重编程是如何与癌细胞特异性铁死亡反应相结合的尚不清楚。基因工程小鼠模型和人类癌症器官样模型是评估代谢重编程和相关因素对铁死亡影响的有价值的临床前工具。

Clinical oncology

针对铁死亡的临床试验最佳候选药物是什么？

如前所述，几种药物(包括索拉非尼、柳氮磺吡啶、他汀类和青蒿素)在临床前模型中具有抑制作用。其中，他汀类药物似乎是临床试验的良好候选药物，尽管不同类型的他汀类药物在诱导或增强铁死亡方面可能具有不同的效力。初步发现表明，他汀类药物可以提高多种癌症患者的整体生存率，如CRC患者。需要在大量患者中进行随机对照试验，以确认他汀类药物治疗恶性疾病的安全性和实用性，同时根据预测性生物标志物选择患者。理论上，直接针对铁代谢途径的药物的开发可能会扩大肿瘤学的治疗手段。最有可能的情况是，这种治疗肿瘤的药物将与其他抗癌疗法结合使用，如免疫疗法(用ICIs、肿瘤靶向单克隆抗体、过继性T细胞转移和/或针对肿瘤相关抗原的疫苗)或放射疗法，这可能导致诱导混合型RCD来抑制肿瘤生长。铁死亡激活剂可导致骨髓损伤，这也是细胞毒性疗法的一个重要毒性。在临床肿瘤学中，降低促进铁死亡的药物的毒性或非靶效应仍然是一个挑战。

什么肿瘤类型或患者群体更适合促铁死亡治疗？

可以将三个标准(铁水平、基因表达和突变)结合起来，以评估哪些患者最有可能受益于诱导铁死亡治疗。富铁肿瘤(如HCC、PDAC、乳腺癌和非小细胞肺癌)可能对促进铁死亡的药物特别敏感。不同的铁死亡调节剂在肿瘤中具有不同的基因表达水平(补充图2)。例如，SLC7A11抑制剂可能对过度表达该靶标的特定类型的癌症特别有效，例如食道癌和多形性胶质母细胞瘤。类似地，在许多具有高水平的FTH1和/或FTL表达的癌症类型(如PDAC和卵巢癌)中诱导铁蛋白受体依赖性铁死亡可能是有希望的。癌症基因组为识别驱动肿瘤生长的突变提供了蓝图，并构成了真正的治疗目标，因此，整合的遗传信息可能有助于区分肿瘤是否对特定的促铁死亡药物有反应。在这种情况下，对决定对不同RCD模式的易感性的基因表达进行综合评价可能是值得的。例如，如果在特定肿瘤中检测到低水平的促凋亡基因但高水平的促铁死亡基因，患者可能从促铁死亡药物中比从促凋亡药物中受益更多。此外，基于特定肿瘤的脆弱性，可以使用不同的铁死亡诱导剂来靶向内在或外在的铁死亡途径。最终，对肿瘤细胞适应和产生耐药性的机制有了更全面的了解，这将为最大限度地提高专业治疗效果的新方法铺平道路。

如何识别对促铁剂治疗有反应的生物标志物？

通过对血液、尿液、粪便和/或肿瘤组织样本的分析，识别与反应性相关的生物标志物，将指导定制治疗计划的制定。BODIPY 581/591 C11是一种用于监测活细胞中脂质氧化的荧光指示剂，而硫代巴比妥酸活性物质可用于测量细胞、组织和体液中的脂质过氧化产物。此外，某些基因和蛋白质，如PTGS2、CHAC1、ACSL4和TFRC，在临床前模型中被表征为铁死亡标记物，尽管它们的临床意义仍不清楚。除肿瘤的组织病理学染色外，血液中的铁、脂质、代谢物和免疫介质应作为治疗反应和促铁死亡毒性的预测性生物标志物(单独或组合)进行评估。此外，使用最新的可用技术，如液体活检、高维细胞术、单细胞组学、代谢组学和高分辨率成像来监测肿瘤异质性(包括核磁共振来测量局部铁的丰度)，可能会指导使用促进铁死亡的疗法。显然，这种努力将需要艰苦和密切的多学科合作，以最终达到临床实践。

Conclusions

在过去的5年里，基础和临床研究人员对研究铁亡在癌症中的作用以及利用这些积累的知识来改善癌症预防、诊断、预测和治疗的兴趣越来越大。铁死亡在肿瘤生物学和治疗中具有复杂且高度依赖环境的作用。抗癌策略可能是复杂的，并依赖于持续的研究来更好地理解铁死亡的调节机制和信号通路。寻找有助于检测和跟踪人类铁死亡的生物标志物将是未来几年的一个活跃研究领域。

完结，撒花。。