细胞的铁死亡
细胞死亡可大致分为凋亡和非凋亡途径，在过去几十年里关于细胞死亡形式的机制得到了广泛的研究。铁死亡就是一种新近发现的非凋亡性细胞死亡机制，在这一过程中，细胞中发生铁富集现象，最终造成脂质过氧化诱导细胞死亡。由于肿瘤具有抗凋亡的性质，因此这种非凋亡的细胞死亡途径对于肿瘤治疗来说意义重大。然而，为了实现肿瘤的铁死亡疗法，对铁物质的的直接递送往往会对正常组织造成不良的过敏反应。因此，发展非铁基的类铁死亡策略或许能为高效精确的铁死亡癌症治疗带来新的思路。
无需铁物质的类铁死亡
在铁基物质诱导的铁死亡中，肿瘤区域过度表达的过氧化氢与二价铁离子发生芬顿反应产生具有细胞毒性的活性氧（ROS）。活性氧进一步导致不饱和脂肪酸过氧化形成脂质过氧化物（LOOH），促进铁死亡的发生。而在同时，肿瘤过表达的内源性谷胱甘肽不仅会清除ROS，还会激活防御性谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），抵抗生物膜上的脂质过氧化，最终抑制铁死亡。因此，清除GSH能够同时强化ROS和沉默GPX4的表达，最终实现高效铁死亡治疗。中国科学院上海硅酸盐研究所的林翰博士、施剑林院士等人制备了一种杂化CoMoO4-磷钼酸纳米片（CPMNS），并基于此提出了非铁基类铁死亡策略。在这一策略中，通过加速五价钼离子-六价钼离子转变，实现GSH清除能力的提升和ROS爆炸，可使脂质过氧化物富集从而发挥高效铁死亡和化疗作用。作者认为，在纳米催化医学中这一类铁死亡的策略设计将会非常有助于癌症治疗的发展。相关工作以“A nonferrous ferroptosis-like strategy for antioxidant inhibition–synergized nanocatalytic tumor therapeutics”为题发表在Science Advances。
一、CPMNSs的制备及其性能测定
CPMNSs是通过溶剂热的方法进行制备，该纳米材料具有典型的片层形貌，其横向尺寸在340纳米左右而厚度在3.9纳米左右。比色测定法发现，CPMNSs与过氧化氢的反应几乎无法使亚甲基蓝变色，与此同时在碳酸氢根的存在下，CPMNSs与过氧化氢反应却能几乎完全使亚甲基蓝变色，这说明生理性的碳酸氢根可促使二价钴离子介导的类芬顿反应的发生。
DTNB是一种可特异性识别硫醇基团在412纳米处吸收峰的探针，因此研究利用其检验材料对GSH的清除效果。实验发现，50μg ml−1的CPMNSs在反应3小时后可消耗64.2%的GSH，同时XPS谱显示在消耗清除GSH的过程中还伴随着从六价钼离子到五价钼离子的还原行为。而随后将这一清除过GSH的CPMNSs再与过氧化氢反应可发现五价钼离子又发生氧化恢复成六价钼离子，同时五价钼离子也催化分解过氧化氢产生单线态氧这一活性氧物种（图1）。因此，GSH与CPMNSs之间的氧化还原反应以及可逆的五价钼离子-六价钼离子转变不仅能够清除GSH，还可连续不断地产生单线态氧实现ROS杀伤肿瘤。
图1 ROS产生和GSH清除实验
二、铁死亡分析以及LPO评价
为了阐释CPMNSs可实现铁死亡诱导肿瘤细胞死亡的作用，研究利用铁死亡相关抑制剂进行实验。实验发现，铁死亡抑制剂Lip-1、特异的铁螯合剂和钴离子螯合剂能够很大程度上减缓CPMNSs造成的细胞损伤，说明CPMNSs介导的细胞死亡主要源自于铁死亡（图2）。对于脂质过氧化（LPO）的强化，作者解释道主要存在着两种主要途径，一是二价钴离子介导的类芬顿反应和五价钼离子驱动的Russell机制大幅提升ROS产量；二是GSH清除导致GPX4失活，进而阻止LPO的还原。
图2 胞内铁死亡评价和分析
鉴于CPMNSs在细胞实验中表现出的优异性能，作者还进一步评价了LPO性能。典型的LPO过程涉及到了三个阶段：首先是ROS攻击不饱和脂质形成脂质自由基；随后氧气的存在会导致脂质过氧自由基（peroxyradical）的形成；最终，LOOH断裂形成更小的含有丙二醛的分子副产物。在CPMNSs与细胞共孵育的过程中，研究检测到CPMNSs的增加以及孵育时间的增长可提高丙二醛的含量，特别是150 μg ml−1的CPMNSs所能产生的丙二醛是对照组的3.4倍之多，表明CPMNSs诱导铁死亡过程中产生了大量的LPO。
三、活体铁死亡抗癌实验
如图3所示，在活体实验中，CPMNSs可通过静脉注射或者瘤内注射的方式进行治疗。为了验证材料的铁死亡作用，在阳性对照组中铁螯合剂DFOM会额外注射进入小鼠体内。小鼠肿瘤生长曲线显示，瘤内注射的CPMNSs可有效抑制肿瘤的生长，其抗肿瘤作用是瘤内注射CPMNSs+DFOM小鼠的1.9倍。免疫荧光和免疫组化切片也显示，CPMNSs在肿瘤内可大幅提高ROS水平，同时GPX4的活性也可以被CPMNSs有效抑制。
图3 活体铁死亡实验
结论：简而言之，作者基于GSH消耗、ROS产量提升和GPX4失活提出了一种利用非铁基药剂实现的协同肿瘤类铁死亡策略。CPMNSs纳米平台与肿瘤内过表达的GSH之间的氧化还原反应可导致并发的GSH清除、六价钼离子到五价钼离子的还原以及钴离子的释放。其中，GSH的清除可促使GPX4的失活，钼离子的还原反应则可以通过与过氧化氢反应触发单线态氧的产生，而二价钴离子在生理性碳酸氢根的辅助下可与过氧化氢发生类芬顿反应产生羟基自由基。在这些反应 的推动下，LPO被有效强化从而实现肿瘤细胞的铁死亡并抑制肿瘤的生长。作者认为，这一研究不仅提出了一种有效的铁死亡策略，也为强化由ROS造成的肿瘤氧化损伤提供了抗氧化调节途径。
文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj8833
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