辣椒素可诱导铁死亡,或为 NSCLC 提供新的治疗策略
肺癌是全中国死亡率最高的癌种之一,而非小细胞肺癌(NSCLC)作为其最主要的分型,威胁着人们的健康与寿命。医药专家们针对肺癌进行了大量的基础研究,同时也研发了众多靶向药,但疾病的变化总是领先一步,迫切需要更多新的药物和治疗策略来应对。
辣椒常被用作中餐的调味品之一,它的主要成分是辣椒素。辣椒素具有包括抗氧化、抗炎、预防心血管疾病、保护胃肠道黏膜在内的多种医疗功能。已有大量研究表明辣椒素在体外对多种恶性肿瘤具有抗癌作用,体内研究也证实辣椒素具有抗肿瘤作用。而且辣椒素的抗增殖和细胞毒作用只集中在恶性癌细胞上,对正常细胞没有任何损害,副作用更小。但背后具体的分子机制仍不清楚。来自山西医科大学附属人民医院的科学家们评估了辣椒素在NSCLC细胞中的作用,进一步证实其功能并探索了背后的潜在机制。
辣椒素通过铁死亡依赖的方式抑制 A549 和 NCI-H23 的细胞活力
他们借助A549和NCI-H23人肺腺癌细胞系,通过MTT分别研究了辣椒素(图1 A)对这两个细胞系的影响。结果表明,100 μM、200 μM 和 300 μM 辣椒素在 24 小时和 48 小时均能够显著降低 A549 的细胞活力,而 50 μM 辣椒素对 A549 细胞没有明显抗增殖作用。辣椒素 (200 μM) 可降低 A549 细胞的活力并在 48 小时达到 IC50(图1 B)。此外,50 μM、100 μM、200 μM 和 300 μM 辣椒素在 24 小时和 48 小时均显著降低了 NCI-H23 的细胞活力,并且 NCI-H23 细胞在 48 小时与 100 μM 辣椒素达到 IC50(图1 C)。ferrostatin-1和辣椒素一起对细胞进行处理48小时后,A549和NCI-H23的细胞活力几乎不受影响,这与单独使用辣椒素对比明显。此外,细胞凋亡抑制剂 Z-VAD-FMK 不能缓解辣椒素诱导的 A549 和 NCI-H23 细胞活力下降(图1 D,E)。
图1. 辣椒素诱导 A549 和 NCI-H23 细胞的铁死亡。
辣椒素诱导 A549 和 NCI-H23 细胞的铁死亡
根据以上结果,他们选择使用浓度为200 µM的辣椒素处理A549细胞48h及浓度为100 µM的辣椒素处理NCI-H23细胞48h作为后续研究,处理后,与对照组相比,A549 和 NCI-H23 细胞中的总铁水平和二价铁离子水平显著升高(图 2 A,B,D,E)。辣椒素+ferrostatin-1组细胞中的总铁和二价铁水平与辣椒素组相比显著降低(图 2 A、B、D、E)而辣椒素组细胞中的 GSH 水平显著降低,但在 ferrostatin-1 联合处理 A549 和 NCI-H23 细胞后,这种现象被消除(图 2 C,F)。
图2. A549和NCI-H23细胞中总铁水平、Fe 2+水平和GSH水平的变化。
辣椒素影响 SLC7A11 和 GPX4 的 mRNA 和蛋白水平
为了寻找辣椒素诱导铁死亡的分子机制,他们选择了来自铁死亡途径的两个关键信号 SLC7A11 和 GPX4 作为研究目标。这项研究使用实时 PCR 技术来检测用辣椒素处理的 A549 和 NCI-H23 细胞中 SLC7A11 和 GPX4 的 mRNA 水平。如图 3A所示,辣椒素处理后 的A549 细胞中 SLC7A11 和 GPX4 mRNA 水平显著降低,而 ferrostatin-1 可以逆转这一作用。同样,辣椒素导致 NCI-H23 细胞中 SLC7A11 和 GPX4 表达水平发生显著变化, ferrostatin-1 也有相同的逆转作用(图 3 B)。此外,与对照组相比,A549和NCI-H23细胞 中 SLC7A11 和 GPX4 的蛋白质水平在辣椒素组中明显下调,使用ferrostatin-1 可消除这种影响(图 4A,B)。
图3. 通过实时PCR分析SLC7A11和GPX4的表达。
图4. 通过Western印迹分析分析SLC7A11和GPX4的表达。
总结与讨论
肺癌作为恶性肿瘤之一,在中国的相关发病率和死亡率最高。然而在目前的治疗方案下,肺癌的 5 年生存率仅为 18%。其中NSCLC是最常见的肺癌病理类型,但只有约20%的NSCLC患者有手术机会。手术外的其他疗法副作用也比较大,因此寻找新的NSCLC患者治愈策略迫在眉睫。科学家们研究了不同辣椒素浓度对 A549 和 NCI-H23细胞(NSCLC 细胞系)的作用,并通过MTT法确定了辣椒素对A549细胞48 h的IC50值为200 μM,对NCI-H23细胞的IC50值为100 μM和24 h。此外,铁死亡和细胞凋亡是细胞死亡的重要形式,在使用 ferrostatin-1 和 Z-VAD-FMK 后,他们进一步证实辣椒素对 A549 和 NCI-H23 细胞的抗增殖作用主要是源于铁死亡而非细胞凋亡。其中铁死亡与总铁水平和二价铁水平有关。实验结果显示辣椒素处理后 A549 和 NCI-H23 细胞中总铁和二价铁的含量显著增加,再次证实铁死亡是辣椒素诱导A549和NCI-H23细胞死亡的原因。
为了进一步探讨辣椒素对A549和NCI-H23细胞的抗增殖作用的分子机制,他们观察了参与铁死亡过程的关键蛋白SLC7A11和GPX4的变化。SLC7A11 促进 GSH 的合成,抵消细胞中的氧化应激状态,并抑制癌细胞中的铁死亡。实时荧光定量 PCR 和蛋白质印迹分析实验的结果证实,与对照组相比,辣椒素处理后 的A549 和 NCI-H23 细胞中 SLC7A11 和 GPX4 水平显著降低。辣椒素介导的 SLC7A11 和 GPX4 下调在调节 A549 和 NCI-H23 细胞的铁死亡中起到关键作用。而检测了GSH 水平发现 在辣椒素处理后,A549 和 NCI-H23 细胞中的GSH 水平大幅降低。由此推测辣椒素可能通过调节SLC7A11/GPX4轴诱导A549和NCI-H23细胞的铁死亡。
这些研究证实辣椒素作为一种潜在的抗癌剂,具有铁死亡诱导的抗增殖作用,或许可以用于治疗 NSCLC,从而为 NSCLC 患者提供新的治疗策略。
参考文献:
Liu XY, Wei DG, Li RS. Capsaicin induces ferroptosis of NSCLC by regulating SLC7A11/GPX4 signaling in vitro. Sci Rep. 2022 Jul 14;12(1):11996.
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