抗癌新发现：这类饮食能引发癌细胞的自毁

铁死亡（Ferroptosis）是一种铁依赖性的，区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式，为铁依赖性脂质过氧化物的积累所导致，最早由哥伦比亚大学的 Brent R.Stockwell 教授于 2012 年提出。铁死亡的主要机制是，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。死亡主要发生机制有：

• 基于 GSH 消耗的 GPX4 失活：如前所述，GPX4 酶在细胞内是唯一一个用于脂质体过氧化物还原的 GPX（谷胱甘肽过氧化物酶）。GPX4 作用体现于，GPX4 可以使得脂质过氧化的过氧键转变为羟基，失去其过氧化物的活性。基于 GPX4 的酶的活性，主要靶标有：System Xc-体系（负责将 GSH 的合成原料半胱氨酸转运至胞内）、谷氨酸-半胱氨酸连接酶、谷胱甘肽 s-转移酶、ND 脱氢酶、(半胱氨酸) 消耗等等。

• GPX4 失活：如 1 所述，除了间接作用于激活 GPX4 酶的 GSH，还可以直接消除 GPX4。如 GPX4 抑制剂、鲨烯合酶、HMG-CoA 还原酶。

• 铁离子输入与铁离子还原：向细胞中输入铁离子，并且保证铁离子以二价铁的形式大量存在，二价铁离子通过芬顿反应可启动脂质体过氧化。

谷胱甘肽在铁死亡过程中发挥了重要作用，谷胱甘肽是人体内的抗氧化剂，其能抑制谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX-4）的活性抑制脂质过氧化作用，进而抑制铁死亡的过程。由于谷胱甘肽直接由含硫氨基酸半胱氨酸生成，因而通过饮食限制半胱氨酸和甲硫氨酸的摄入（半胱氨酸和蛋氨酸剥夺 CMD）即可限制人体内谷胱甘肽的生成，进而促进癌细胞的铁死亡达到控制肿瘤增长。

最近 Nature Communications 发表的一篇研究就是通过限制半胱氨酸和甲硫氨酸的摄入控制肿瘤增长，研究聚焦的胶质母细胞瘤是一种原发于脑部的恶性肿瘤，该肿瘤的治疗抵抗和氧化应激与谷胱甘肽的代谢氧化应激密切相关。

CMD 可诱导胶质瘤细胞发生铁死亡

研究首先进行了对体外培养的脑胶质瘤细胞进行了试验。药物 RSL3 为谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX-4）的抑制剂，研究发现 RSL3 对 5 种类型胶质瘤细胞系的活性均呈现出剂量依赖性敏感性，RSL3 剂量越高胶质瘤细胞活性越低（上图 a），加入铁死亡抑制剂 FER-1 可抑制 RSL3 作用，恢复保持瘤细胞活性（上图 b+c 土黄色），而 RSL3 联合半胱氨酸和蛋氨酸剥夺（CMD）可增强 RSL3 作用（上图 b 蓝色+c 黑色）。因而体外研究表明，谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX-4）能抑制脑胶质瘤细胞活性，其作用机制通过铁死亡发挥作用，而半胱氨酸和蛋氨酸剥夺（CMD）后能增强 RSL3 对肿瘤细胞的抑制作用。

CMD 对脑胶质瘤小鼠代谢功能的改变

通过对 MG1 和 MG3 2 种类型脑胶质瘤小鼠经 CMD 处理 24 小时后 1000 多种代谢产物分析结果发现，半胱氨酸/蛋氨酸代谢、甘氨酸-丝氨酸-脯氨酸代谢、牛磺酸/次牛磺酸代谢、丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢和硒化合物代谢受到 CMD 的显著影响（p＜0.05）；代谢物调查显示氧化和还原型谷胱甘肽均有减少（p＜0.05）。对 MG3 脑瘤细胞小鼠经 CMD 处理 48 h 时检测发现 CMD 显著降低次牛磺酸、甲硫氨酸的浓度，在 24 小时观察到谷氨酸降低，在 48 小时观察到氧化还原型谷胱甘肽、谷氨酸和次牛磺酸/牛磺酸降低，而相关氨基酸和代谢物显著增加。

CMD 对脑胶质瘤小鼠生存率的影响

小鼠的动物实验首先分两组，小鼠在 MG3 脑胶质瘤细胞注入移植后的 7 天，分别选择对照组饮食（0.43% w/w 蛋氨酸，0.40% w/w 胱氨酸）和 CMD 饮食（0.15%w/w 蛋氨酸，0% w/w 胱氨酸），研究结果发现虽然 CMD 的饮食导致小鼠的体重减轻有显著影响，但 CMD 小鼠的生存率（OS）显著优于对照组（上图 b）。接下来测试的 CMD 饮食与 RSL3 治疗的协同作用将小鼠分为 4 组：对照组饮食（0.43% w/w 蛋氨酸，0.40% w/w 胱氨酸）±RSL3 治疗和 CMD 饮食（0.15%w/w 蛋氨酸，0% w/w 胱氨酸）±RSL3 治疗，研究结果发现，CMD+RSL3 治疗组生存时间最长并显著优于对照组，RSL3 治疗组次之，CMD 饮食第三，对照饮食组生存最差（上图 c 和 d）。

继续对实验小鼠进行脂质组、代谢组和蛋白质组的变化分析，CMD 饮食后，包括乙酰甲硫氨酸，腺苷同型半胱氨酸，半胱氨酸，氧化谷胱甘肽和甲硫氨酸在内的多种代谢物在肿瘤体积中的浓度降低。甲硫氨酸在第 2 天呈下降趋势，在第 4 天显著下降，而氧化型谷胱甘肽虽在 CMD 的第 2 天显示下降，但在第 4 天这种差异变化缩小，这提示小鼠体内可能存在代偿机制。CMD 饮食或对照饮食的代谢物分析显示，次牛磺酸和氧化/总谷胱甘肽水平下降，半胱甘氨酸水平下降。定量代谢物途径分析显示牛磺酸/次牛磺酸代谢、谷胱甘肽代谢、精氨酸代谢、三羧酸循环和脂肪酸延伸/降解的显著改变（p < 0.10）。蛋白组学分析发现，与对照组相比，CMD 组中富集的其他基因/蛋白质组并影响了免疫抑制。

总结

体外培养基和小鼠实验证实，限制半胱氨酸和甲硫氨酸的摄入（半胱氨酸和蛋氨酸剥夺 CMD）通过铁死亡机制发挥抗肿瘤作用，CMD 影响脑胶质瘤的活性并延长脑胶质瘤小鼠生存，这种饮食方式还能增强 GPX-4 抑制剂抗肿瘤效果。但 CMD 饮食抑制了免疫并对小鼠体重减轻产生显著影响，因而其安全性问题还需进一步探索。

作者：毛阳；排版：月月

参考文献：

Upadhyayula PS, Higgins DM, Mela A, Banu M, Dovas A, Zandkarimi F, Patel P, Mahajan A, Humala N, Nguyen TTT, Chaudhary KR, Liao L, Argenziano M, Sudhakar T, Sperring CP, Shapiro BL, Ahmed ER, Kinslow C, Ye LF, Siegelin MD, Cheng S, Soni R, Bruce JN, Stockwell BR, Canoll P. Dietary restriction of cysteine and methionine sensitizes gliomas to ferroptosis and induces alterations in energetic metabolism. Nat Commun. 2023 Mar 2;14(1):1187. doi: 10.1038/s41467-023-36630-w. PMID: 36864031; PMCID: PMC9981683.