【Nat Commun.】震惊！铁死亡疗法竟是无间道？

 

前言
 

“铁死亡”概念在 2012 年由 Dr. Brent R Stockwell 提出，它是一种铁离子依赖的细胞程序性死亡，生化特征区别于细胞凋亡、坏死、自噬。从机制上简单来说，在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡，此外还表现为抗氧化体系（谷胱甘肽系统）的调控核心酶GPX4的降低。近年来，铁死亡引起了癌症研究界极大的兴趣，各种铁死亡相关的药物或疗法如雨后春笋，但是铁死亡究竟是如何作用于免疫系统，使用铁死亡疗法后对免疫微环境有何影响，这并不清楚。 

近期VIB-UGent 炎症研究中心，Peter Vandenabeele研究团队于2022年7月在Nature Communications杂志上发表题目为“Cancer cells dying from ferroptosis impede dendritic cell-mediated anti-tumor immunity”的文章。该研究揭示了诱导铁死亡后，产生铁死亡的肿瘤细胞会对周围抗原递呈细胞产生抑制作用。
 

 

 

背景介绍
 

铁死亡，指的是一种依赖铁的细胞程序性死亡，其特征是出现细胞内氧化还原平衡被破坏和过度脂质过氧化。最近，铁死亡疗法已经成为一种新兴的抗肿瘤治疗方式，可以避免出现传统的耐药，达到清除已转移肿瘤的目的，目前，铁死亡疗法已经和纳米材料和脂质体等不同技术相融合，在肿瘤治疗领域大放异彩。

 

目前，对于铁死亡研究领域仍有空白，其中最关键的缺失之一便是，尚且不清楚肿瘤细胞铁死亡之后，对免疫系统有何影响，两者是如何“互动”，基于当下现状，有必要发掘铁死亡疗法与免疫治疗之间是否有协作可能。

 

在过去十年里，肿瘤细胞的免疫原性细胞死亡（Immunogenic Cell Death，ICD）已经化身为经典案例，成为了细胞程序性死亡研究的热点，免疫原性细胞死亡能够激起针对于特定肿瘤细胞的细胞毒性T细胞反应，达到根除肿瘤细胞的效果。但是，作者通过研究发现，铁死亡明显区别于其他程序性死亡方式，在诱导铁死亡后，可能会产生免疫耐受的现象。

 

亮点要素
 

1.铁死亡虽然能够使细胞因子和损伤相关的分子模式释放（Damage-associated Molecular Patterns，DAMP ），但是却无法激活抗肿瘤免疫应答。

2.通过条件性敲低的方式，构建了可以控制铁死亡进展分期的iGPX4KD细胞株，并通过实验发现，铁死亡早期亦或是铁死亡晚期的肿瘤细胞，均无法激活抗肿瘤免疫应答。

3.铁死亡早期的肿瘤细胞，能够影响DC细胞成熟，抑制DC细胞对于肿瘤细胞的吞噬。

4.DC细胞吞噬铁死亡细胞后，适应性免疫应答分子表达发现显著变化。

5.铁死亡肿瘤细胞能够抑制DC细胞的可溶性抗原的交叉递呈。

6.铁死亡不仅对肿瘤生长的抑制效应更弱，并且能够降低细胞凋亡引起的抗肿瘤免疫应答。

研究内容
 

01
 

作者首先选用了3种铁死亡诱导药物，分别对应早期、中期、晚期的三期铁死亡进展，并通过体内实验证明，当采用ML162药物诱导的铁死亡细胞作为肿瘤疫苗，并不能显著表现出抗肿瘤活性。而后，通过对于ML162、RSL-3、Erastin三种铁死亡诱导剂处理后的细胞上清进行分析，发现其中具有DAMP和CXCL1、TNF和IFN-β等细胞因子的释放。而对于钙网蛋白的调节，铁死亡诱导后虽然能够上调钙网蛋白的表达，但是与凋亡相比，铁死亡诱导的钙网蛋白高表达主要出现在一些死细胞的胞膜表面。

Fig. 1 Ferroptosis does not induce immunological protection against cancer cells despite the release of DAMP. 

 

02
 

Fig. 2 Ferroptotic cells are not immunogenic regardless of the stage of cell death.

 

03
 

作者使用ML162、RSL-3、Erastin诱导肿瘤细胞铁死亡后，与DC细胞进行共孵育，发现均可以提高DC细胞的成熟度。为了细化实验步骤，他又用iGPX4的细胞模型进行双重验证，发现在肿瘤细胞发生铁死亡早期，不仅不能促进DC细胞成熟，反而会抑制DC细胞的活力。另外暴露了一个很有意思的现象，ML162诱导的早期铁死亡，能够抑制DC细胞对于细胞因子的释放，这是铁死亡细胞明显区别于UV诱导细胞细胞凋亡的区别。除此以外，铁死亡区别于凋亡，当细胞存活时，磷脂酰丝氨酸并不会外翻，影响DC细胞对于肿瘤细胞的识别。而DC细胞与早期铁死亡细胞共培养后，也会导致DC细胞脂滴堆积，影响DC细胞功能。
 

 

Fig. 3 Initial ferroptosis impairs the maturation of dendritic cells.

 

04
 

作者将带有荧光的Jurkat细胞进行铁死亡诱导，后跟BMDC细胞进行共培养，通过流式分选的方式,筛选吞噬铁死亡细胞后的DC细胞，进行转录组测序，结果表示，吞噬铁死亡细胞后，DC细胞中与适应性免疫反应相关的基因受到了明显影响，如NFKB家族基因，趋化因子和细胞因子等。综合整体变化，发生铁死亡的肿瘤细胞对DC细胞的抗原递呈能力有显著影响。

 

Fig. 4 Engulfment of ferroptotic cells by DC suppresses expression of genes associated with adaptive immune response.

 

05
 

抗原交叉递呈，指的是MHC 分子对抗原的提呈存在交叉提呈现象，即MHC I 类分子也能提呈外源性抗原，而内源性抗原也能通过MHC II 类途径加以提呈。作者通过DC细胞吞噬铁死亡细胞，并将DC细胞与OT1小鼠（该CD8+T细胞能够特异性识别OVA抗原）的CD8+T细胞进行共孵育，发现会抑制T细胞的增殖，即铁死亡细胞的外源性抗原影响DC细胞MHC I对于CD8+T细胞的激活。
 

Fig. 5 Ferroptotic cells impair dendritic cells ability to perform antigen cross-presentation.

 

06
 

首先，作者使用过表达OVA抗原的小鼠胚胎成纤维细胞作为疫苗，先进行免疫反应后再进行皮下成瘤，发现铁死亡与凋亡和坏死相比，几乎完全没有起到预防肿瘤增殖及延长荷瘤小鼠生存期的作用。他换了一种方式，使用了负载OVA抗原的cDC1细胞进行皮下注射，证明仍然无法对肿瘤生长起到有效影响。最后，作者使用米托蒽醌诱导细胞凋亡，发现当加入铁死亡细胞与凋亡细胞进行共同免疫时，能够显著抑制由凋亡细胞疫苗带来的抗肿瘤效果，至此，本项研究全部结束。
 

 

Fig. 6 Ferroptosis is less potent in controlling the tumor growth compared to apoptosis and necroptosis and diminishes the immunogenicity of apoptosis.

 

结尾

文章证明，铁死亡并不像我们假想的那样，是一种免疫原性细胞死亡，恰相反，肿瘤细胞出现铁死亡现象之后，能够从DC细胞成熟、细胞因子及趋化因子分泌、抗原递呈功能等多方面抑制抗肿瘤免疫反应。该项研究探索了铁死亡与肿瘤免疫之间的混沌区，尤其在体外研究DC抗原递呈及免疫杀伤的技术手段，值得我们深入学习探讨。
 

 

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