Малая молекула активирует железо в лизосомах раковых клеток и запускает ферроптоз

Ферроптоз — программируемая гибели клетки, при которой происходит зависимое от железа перекисное окисление липидов. При ферроптозе важную роль играет перекисное окисление плазматической мембраны, в то же время в этом процессе задействованы лизосомы, эндоплазматический ретикулум, пероксисомы и митохондрии, однако конкретные вклады разных органелл недостаточно изучены. Любопытно, что к ферроптозу особенно чувствительны раковые клетки, даже если они выработали устойчивость к распространенным лекарствам и не уходят в апоптоз при химиотерапии. Международный коллектив ученых разработал малую молекулу, способную запускать ферроптоз в раковых клетках за счет активации лизосомного железа.

При разработке новой малой молекулы исследователи учли тот факт, что на мембране лекарственно устойчивых раковых клеток широко представлен белок CD44, который участвует в поглощении железа. Соответственно, в раковых клетках повышен уровень железа, которое накапливается в эндосомах и лизосомах. Известно также, что для прохождения ферроптоза раковым клеткам необходимы функциональные лизосомы. Именно лизосомальное железо ученые выбрали в качестве мишени, решив использовать его, чтобы вызвать окисление мембранных липидов и повредить органеллы раковых клеток.

Ученые проверили, в каких органеллах клетки сосредоточена активность уже известных препаратов, которые вызывают ферроптоз или подавляют его. Липрокстатин-1 — супрессор ферроптоза — в различных раковых клетках, а также in vivo детектировался только в эндосомах и лизосомах. Исследователи также определили механизм активности этого соединения, которое способно связываться с железом (III) и восстанавливать его. Синтетические аналоги липрокстатина-1 продемонстрировали измененные свойства: при метилировании ароматических аминогрупп в его составе антиоксидантная активность снизилась, хотя вещество все еще накапливалось в лизосомах, алифатический же аналог вовсе потерял активность, так как перестал попадать в лизосомы.

Малую молекулу, сконструированную в этой работе, авторы назвали фентомицин 1. Как отмечается в комментарии Nature, по принципу действия она подобна химерам, нацеленным на протеолиз (PROTAC) — белковым конструкциям, которые специфически связываются с мишенью и направляют ее на деградацию в протеасоме, так как содержат соответствующую сигнальную последовательность. В новой работе аналогичный подход применен к липидам. Молекула фентомицина-1 состоит из двух частей: из флуоресцентно меченого мармицина — липофильного вещества — и так называемого лиганда Чэна–Уайт, который используется в органическом синтезе. В кислой среде и в присутствии перекиси водорода этот лиганд образует с железом (II) структуру, обладающую высокой реакционной способностью, которая окисляет алифатические С-Н связи в органических веществах. Условия, существующие в лизосоме раковой клетки, хорошо подходят для этой реакции.

Фентомицин-1 (Fento-1) способствует разрушению фосфолипидов мембраны лизосомы и приводит к запуску ферроптоза. Тем самым он препятствует приобретению лекарственной устойчивости клетками с высоким уровнем экспрессии CD44. Credit: Nature (2025). DOI:  10.1038/s41586-025-08974-4 |  CC BY-NC-ND 4.0

Сначала активность фентомицина проверили в бесклеточной системе, в которой присутствовали перекись водорода и растворимая соль железа (II) в кислой среде, а также ненасыщенный фосфолипид, склонный к образованию липосом. В этой системе фентомицин успешно запускал окисление липидов.

В раковых клеточных линиях человека и мыши фентомицин преимущественно накапливался в эндосомах и лизосомах, не затрагивая другие органеллы. Перекисное окисление липидов начиналось уже через час инкубации с клетками, причем активность этого вещества была выше, чем у других известных индукторов ферроптоза.

Активность фентомицина можно было нивелировать с помощью альфа-токоферола (антиоксидант), деферипрона (хелатор железа) и липрокстатина, но не веществ, подавляющих апоптоз или некроптоз. То, что фентомицин запускает именно ферроптоз, подтверждает повышенная экспрессия супрессоров ферроптоза при сублетальных дозах этого вещества молекулы в клетках: активируется экспрессия глутатионпероксидазы GPX4, белка FSP1, цистин-глутаматного антипортера SLC7A11 и SLC3A2. Нокдаун этих белков повышал чувствительность клеток к фентомицину. Помимо этого, в клетках повышалась экспрессия белков, связанных с ферроптозом и лизосомами, снижались уровни CD44 и ферритина — белков, ассоциированных с поглощением и хранением железа.

На следующем этапе ученые проверили активность разных структурных аналогов фентомицина. Фентомицин-2 с увеличенной длиной линкера между двумя его компонентами обладал сниженной активностью. Исследователи объяснили это тем, что для действия фентомицина важна близость двух функциональных структур. При замене мармицина на холестерин активность вещества не изменялась, однако при замене неполярного скаффолда на полярный морфолин оно стала неактивным. Еще один вариант — фентомицин-5 — отличался заменой лиганда Чэна–Уайт на другой лиганд Нордлендера–Костаса, который также активирует железо. Уровень его активности был схож с фентомицином-1, но клетки погибали позднее.

Для проверки фентомицина в релевантных моделях ученые отобрали опухоли, устойчивые к лекарствам и при этом наиболее чувствительные к ферроптозу. Высоким содержанием железа отличались протоковая аденокарцинома поджелудочной, недифференцированная плеоморфная саркома, ангиосаркома, липосаркома и эпителиоидная саркома. В этих опухолевых тканях также чаще встречались популяции клеток с высокой представленностью CD44 на поверхности. В первичных культурах опухолей фентомицин способствовал перекисному окислению липидов и липолизу мембраны, причем этот эффект можно было подавить с помощью ингибиторов ферроптоза.

Как в первичных клетках, так и в органоидах, полученных из проточной аденокарциномы поджелудочной человека, фентомицин-1 показал себя лучше, чем применяемые для химиотерапии препараты. В некоторых случаях наблюдалась его синергия с такими препаратами. Фентомицин-1 подавлял рост линии SUM159 трижды отрицательного рака молочной железы, устойчивой к доксорубицину, и его эффективность повышалась при воздействии на линию HT-1080 фибросаркомы, если ее в течение длительного времени обрабатывали низкими дозами доксорубицина.

Эксперименты in vivo проводили на мышах с метастазами от трижды отрицательного рака молочной железы. У этих мышей метастазы располагались в лимфоузлах. При введения фентомицина-1 в лимфоузлы через день рост опухолей замедлился, улучшились показатели выживаемости.

Таргетирование характерных для рака особенностей метаболизма — заманчивая терапевтическая стратегия. В случае индукции ферроптоза мишенями чаще всего бывают белки — факторы устойчивости к этому виду клеточной гибели. Авторы данного исследования предложили подход, который может открыть путь к новому классу противораковых препаратов, преодолевающих резистентность. Многие лекарственно-устойчивые виды рака активно экспрессируют CD44, чтобы выжить, но эта метаболическая адаптация является уязвимостью, которую можно использовать.

Липидное голодание может подтолкнуть раковые клетки к самоуничтожению