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Angew. Chem. :镓诱发铁死亡的一种协同机制2023-09-30
镓化合物很早就被用于抗癌研究,在生物医学中的应用仅次于铂药。长期以来,镓的抗癌活性被认为源于它与和铁离子(Fe3+)在电荷和离子半径等性质上的结构相似性。由于镓具有氧化还原惰性,与铁离子(Fe3+)的竞争,抑制剂含铁金属酶(如核酸还原酶)的活性,干扰了铁离子(Fe3+)的代谢和稳态,导致细胞死亡(Gallium (III) Complexes in Cancer Chemotherapy, Eur. J. Inorg. Chem., 2022, e202100953)。随着研究的不断深入,镓诱导的抗肿瘤活性可能比简单地靶向铁结合位点更复杂。除了与铁离子直接替换,也可能间接影响铁稳态。尤其是与有机配体结合时,尽管增强了其生物利用度和生物相容性,但是如何干扰铁代谢或细胞氧化还原稳态还有待进一步发现。因此,深入研究镓和铁稳态及与其他细胞过程之间的关系对镓药物的设计和开发至关重要。

先前的研究发现镓以盐或复合物的形式可以释放线粒体ROS,导致金属硫蛋白和血红素加氧酶-1(HMOX-1)的表达。由于这些与“铁死亡”相关的氧化还原稳态失调的现象出现在“铁死亡”名词提出之前,研究人员并未直接将这些生物现象与“铁死亡”关联。近年来,有多家团队先后报道了镓配合物诱导铁死亡的例在,然而镓在铁死亡中扮演的角色仍需进一步的阐明。北京大学张俊龙课题组与合作者报道了首例可靶向蛋白质二硫化物异构酶(PDI)的Gasalen配合物(Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59,20147-20153)。PDI处于内质网(ER)中,通过巯基二硫化物交换对ER氧化还原稳态变化作出反应,是多种肿瘤细胞的标志蛋白。最近,该课题组发现Gasalen配合物通过协同机制诱导细胞铁死亡,并通过与多不饱和脂肪酸联合治疗,大大增强了肿瘤治疗效果(图1)。

 

 

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图 1:镓通过协同机制诱导细胞铁死亡

从抗癌机制上来说,一方面,带正电荷的平面型镓配合物通过镓的轴向配位点结合线粒体内膜表面带负电荷的磷脂,改变膜的通透性,破坏电子传递链(ETC),导致呼吸链复合物的含铁辅基(如铁卟啉)释放。同时,诱导负责铁卟啉降解的卟啉氧化酶1(HMOX-1)表达量升高,分解铁卟啉,释放铁离子,导致芬顿反应的发生和脂质过氧化物的生成。(图2)

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图 2: 镓改变线粒体膜的通透性,并诱导铁释放

另一方面,镓配合物作为蛋白二硫键异构酶(PDI)的抑制剂,通过抑制PDI,从而破坏跟细胞硫稳态息息相关的谷胱甘肽系统。具体来说,镓配合物下调了负责胱氨酸摄取的SLC7A11蛋白和负责脂质过氧化物清除的GPX4蛋白,减少了细胞中谷胱甘肽含量,削弱了细胞抗氧化能力,加剧了细胞铁死亡。(图3)

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图 3: 镓通过抑制蛋白二硫键异构酶破坏还原性谷胱甘肽系统

除此之外,作者通过在小鼠饮食中加入外源性的多不饱和脂质,增强肿瘤对铁死亡的敏感度,从而与协同诱导细胞铁死亡,大大增强了治疗效果。

本工作提供了镓配合物诱导铁死亡的新案例,研究了金属镓的配位能力在诱导铁死亡中的重要作用。同时,镓配合物作为一个整体,也通过抑制蛋白二硫键异构酶,破坏还原性谷胱甘肽系统,协同诱导铁死亡,为金属药物的研究开阔了思路。

文信息

Gallium Triggers Ferroptosis through a Synergistic Mechanism,

Xin-Xin Peng,[a] Hang Zhang,[a] Ruijing Zhang[b], Ze-Hao Li, Zi-Shu Yang,Jing Zhang, Song Gao, and Jun-Long Zhang*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202307838