铁死亡是一种由脂质过氧化驱动并依赖铁离子的细胞死亡方式,在肿瘤治疗研究中受到持续关注,而可用于体内有效诱导铁死亡的小分子工具仍较缺乏。近日,西湖大学邹贻龙和杨丹团队完成了题为《Mitochondria-targeted tetraoxanes initiate lipid peroxidation to drive ferroptosis and tumor suppression》的研究,他们设计并合成了含1,2,4,5-四氧杂环己烷和线粒体靶向基团的WMK-1与WMK-2,这类代谢性脂质过氧化引发剂能够直接启动膜脂质过氧化,并在多种癌细胞和动物肿瘤模型中产生抑瘤效果。
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研究团队把四氧杂环己烷作为可被Fe2+激活的自由基发生基团,又将季铵盐或三苯基膦基团连接到分子上,使WMK-1和WMK-2优先富集在线粒体,他们在构效关系分析中比较了多种连接臂和疏水基团,最终得到活性较高的候选化合物。WMK-1进入细胞后主要定位在线粒体,Fe2+存在时产生碳中心自由基,进而氧化心磷脂和线粒体膜中的多不饱和脂肪酸,脂质过氧化信号从线粒体向外扩展,细胞呼吸和氧化磷酸化随之受损。研究团队还观察到WMK-1可导致线粒体肿胀和嵴断裂,膜完整性下降后细胞死亡,Lip-1能够逆转这一过程,MitoTEMPO和MitoQ也有明显保护作用,非靶向DecylQ保护效果较弱。
在机制层面,WMK-1诱导的细胞死亡与经典GPX4抑制剂引发的铁死亡存在差别,它不需要以GPX4活性受抑为前提,对ACSL4扰动和长链多不饱和脂肪酸补充的敏感性也较低,视黄醇不能提供有效保护。研究团队发现WMK-1毒性依赖不稳定Fe2+,DMT1/SLC11A2参与铁转运,敲低SLC11A2或使用DMT1阻断剂可降低细胞敏感性,饮食补铁会增强其体内抑瘤效果。α-硫辛酸能够选择性抑制WMK-1引起的死亡,脂质组和代谢组还显示酰基肉碱积累、多不饱和磷脂减少以及溶血磷脂增加,这些变化与线粒体膜脂质过氧化和代谢重编程一致。
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体内实验中,WMK-1和WMK-2经腹腔给药后表现出良好的生物利用度,在MDA-MB-231、SU-DHL-6、A2780、HCT 116、MC-38和B16-F10等模型中抑制肿瘤生长,卵巢癌PDX模型的中位生存期由2.9个月延长到6.0个月。研究团队还发现,WMK-1处理后的肿瘤中4-HNE和超氧化PRDX3水平升高,维生素E或Lip-1共处理能够减弱药效,高铁饮食则增强药效。WMK-1与PD-1抗体联合使用时,B16-F10肿瘤抑制率超过70%,肿瘤微环境中DKK1和IL-1α等细胞因子释放增加,并且WMK-1在有效剂量下未引起明显体重下降和严重器官毒性,脑暴露和外周神经病变评估也显示较宽的安全窗口。
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