林君/马平安/丁彬彬《ACS Materials Letters》：半胱氨酸耗竭引发铁死亡及焦亡用于强化胰腺癌治疗

KRAS基因在肿瘤细胞生长以及血管生成等过程的信号传导通路中起着重要调控作用，正常的KRAS基因可抑制肿瘤细胞生长，而一旦发生突变，它就会持续刺激细胞生长，打乱生长规律，从而导致肿瘤的发生。有超过90%的胰腺癌在KRAS基因片段发生突变，这使得胰腺癌细胞具有高度增殖和过表达活性氧 (ROS) 的特性。为了缓解氧化应激，胰腺癌细胞通常会上调对半胱氨酸的摄取，表现出强烈的半胱氨酸依赖性。因此，半胱氨酸作为潜在的胰腺癌治疗靶点，获得了广泛关注。传统的治疗方法是使用可靶向胱氨酸转运蛋白xCT的小分子药物或siRNA，从而限制胱氨酸的摄取以达到降低胞内半胱氨酸水平的目的。但是小分子或siRNA存在的易失活、稳定性差、可控程度低等缺点限制了其进一步应用。

基于此，中国科学院长春应用化学研究所林君研究员/马平安研究员和丁彬彬副研究员团队报道了一种全新的靶向半胱氨酸的治疗策略，他们利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修饰的氧化铜纳米粒子（^PVPCuO NPs）对半胱氨酸的高反应活性，成功实现了半胱氨酸耗竭引发的氧化还原失衡诱导的胰腺癌细胞焦亡和铁死亡。相关工作以“Cysteine Depletion-Initiated Redox Imbalance Evokes Ferroptosis and Pyroptosis for Enhanced Pancreatic Cancer Therapy”为题发表在期刊ACS Materials Letters上。

团队通过水热反应制备了聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 改性的氧化铜纳米粒子(^PVPCuO NPs)。在体外实验中，^PVPCuO NPs表现出对半胱氨酸的反应活性，通过消耗氧气方式将半胱氨酸氧化，同时产生羟基自由基 (•OH)。过往报道指出，Cu²⁺也有类似的氧化作用，于是作者比较了^PVPCuO NPs和Cu²⁺对半胱氨酸的反应活性，结果表明，相较于游离Cu²⁺，^PVPCuO NPs有更高的半胱氨酸氧化速率。进一步地，作者验证了半胱氨酸的氧化产物为胱氨酸，此外，^PVPCuO NPs还表现出对谷胱甘肽 (GSH) 的氧化活性及过氧化物酶活性 (图1)。

图1. ^PVPCuO NPs的体外活性。

细胞实验证实^PVPCuO NPs对人胰腺癌细胞PANC-1有显著毒性，同时在细胞内产生大量ROS和线粒体损伤。去铁胺 (DFO) 作为铁死亡抑制剂缓解了^PVPCuO NPs对PANC-1细胞的毒性，表明^PVPCuO NPs可诱导铁死亡。进一步的实验验证了细胞内GPX4蛋白表达减少，NADPH、GSH和硫氧还蛋白 (TXN) 含量降低，脂质过氧化产物丙二醛 (MDA) 增加，证实了细胞内剧烈脂质过氧化的发生。此外，使用多种小分子抑制剂交叉验证了^PVPCuO NPs在细胞内的铁死亡机制，细胞毒性主要原因来自半胱氨酸消耗，GSH的氧化不是PANC-1细胞死亡的主要原因。作者同时发现，^PVPCuO NPs处理后的细胞有鼓泡肿胀的特征，且伴随细胞内容物ATP，LDH和IL-1β等的释放和cleaved-caspase-1/GSDMD-N的表达增加，这表明^PVPCuO NPs诱导了caspase-1/GSDMD-N介导的细胞焦亡 (图2)。

图2. 细胞实验。

体内肿瘤治疗实验结果表明，^PVPCuO NPs显著抑制了肿瘤发展，体内切片结果显示^PVPCuO NPs诱导了体内肿瘤细胞的铁死亡和焦亡。此外^PVPCuO NPs没有引起小鼠明显的体重下降和器官损伤，表明^PVPCuO NPs具有良好的生物安全性 (图3)。

图3. 活体肿瘤实验。

综上，本工作报道了一种可引起半胱氨酸耗竭诱发铁死亡和焦亡的纳米材料用于强化胰腺癌治疗。耗竭的半胱氨酸限制了GSH和TXN的产生，导致GPX4下调，同时，累积的胱氨酸使NADPH耗竭，这和氧化过程产生的•OH共同引起剧烈脂质过氧化导致铁死亡。此外，氧化过程产生的Cu²⁺联合剧烈氧化还原失衡激活了caspase-1/GSDMD-N介导的细胞焦亡，共同强化了半胱氨酸耗竭的胰腺癌治疗 (图4)。本工作加深了氧化还原失衡与细胞死亡机制的理解，为以半胱氨酸为靶标的肿瘤治疗策略提供了新的见解。

图4. 本工作机理图。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c00048