Ferroptose, ein in der Zeitschrift „Cell“ veröffentlichter Artikel gibt Ihnen einen Einblick in dieses aktuelle Forschungsgebiet

The National Nature Foundation projects and the amount of money winning the bid in this direction are rising year by year, and the relevant research papers are also repeatedly topping the CNS! (Figure 1)

Brent R. Stockwell, der Autor des Ursprungs von Ferroptose, hat zum 10-jährigen Jubiläum von Ferroptose einen Bericht über den Forschungsfortschritt geschrieben, der in der Zeitschrift „Cell“ mit einem hohen Impact Factor von 66,85(2022) veröffentlicht wurde. Die Projekte von National Nature Foundation und es gibt immer mehr in dieser Richtung vergebene Zuschläge von Jahr zu Jahr, und die entsprechenden Forschungsarbeiten stehen auch immer wieder an der Spitze der CNS!(Abbildung 1)

Abbildung 1. Schlüsselereignisse und Entwicklungen in der Literatur

 zum Thema Eisentod im Laufe der Zeit

Ferroptose ist eine eisenabhängige Form des Zelltods durch Lipidperoxidation. Das kann in Zellkulturen beurteilt werden, dadurch dass es getestet wird, ob Eisenchelatoren und lipophile Antioxidantien den Zelltod hemmen.

I. Drei wichtige Forschungsbereiche der Ferroptose bilden die Grundlage - Stoffwechselsmechanismen, Kontrolle reaktiver Sauerstoffspezies, Eisenregulierung.

1. Aminosäure- und Lipidstoffwechselmechanismen bilden die Grundlage für Ferroptose.

Reduziertes oxidiertes Cystin führt zu Glutathion(GSH)-abhängigem Zelltod und kann durch eine Vitamin-E-Behandlung verhindert werden. Phospholipide(PLs), ein Schlüsselbestandteil von Membranen, können als notwendiges Peroxidsubstrat für Ferroptose wirken, wenn sie in Membranlipiden vorhanden sind.

2. Die Forscher haben die biologische Bedeutung der oxidativen Schädigung von Biomolekülen aufgeklärt.

System Xc- fungiert als Anti-Transporter für zugeführtes Cystin, eine wichtige Aminosäurekomponente von GSH, die „oxidative Stress“ durch Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid verhindert. Glutathionperoxidase 4 (GPX4), ein Selenprotein, ist ein zentraler Inhibitor der Ferroptose und wirkt als GSH-abhängige Peroxidase, um die Oxidation von Lipiden in Membranen zu bekämpfen. Erastin induziert Ferroptose, dadurch dass es den Empfang von Cystin durch System Xc- blockiert, was zu Cys- und GSH-Verarmung führt. Und das molekulare Ziel von RSL3 ist GPX4, das eine nicht-apoptotische Form des oxidativen Zelltods kontrolliert.

3. Die Bedeutung von Eisen und Eisenregulierung

Fenton berichtete, dass Eisensalze mit Peroxiden reagierten und Hydroxyl-Radikale bildeten und schlug auch die Reaktion vor, die heute seinen Namen trägt (Fe 2+ + HOOH → Fe 3+ + OH - + OH). Der Hauptmechanismus des Eisentransports in Form von Transferrin(Tf). Zusammen mit der Entdeckung des Eisenexportproteins Ferroportin haben die Studien den Grundstein für unser Verständnis der Eisenhomöostase gelegt.

Ⅱ. Ferroptosemechanismus

Abbildung 2. Mechanismus der Ferroptose

● Die Inaktivierung von Acyl-Coenzym A (CoA) Synthetase Langkettige Familie Mitglied 4(ACSL4) und Lysophosphatidylcholin-Acyltransferase 3(LPCAT3) machte die Zellen resistent gegen zwei verschiedene GPX4-Inhibitoren - RSL3 und ML162. Eine Überexpression von ACSL4 ist empfindlich gegenüber Ferroptose. Die ACSL-Enzymfamilie ist für die Ferroptose ziemlich wichtig, und die Aktivierung von Fettsäuren zu CoA-Estern ist ein entscheidener regulatorischer Schritt bei der Ferroptose. Selbst die PUFA-Biosynthese ist ein Mittel zur Regulierung der Suszeptibilität für Ferroptose: durch Aktivierung der Adenosinmonophosphat-aktivierten Proteinkinase(AMPK) wird eine Resistenz gegen Ferroptose vorangetrieben und durch die Kontrolle der Acetyl-CoA-Carboxylase(ACC) wird PUFA-Biosynthese eingeschränkt. Zusammenfassend sind PUFA-haltige, membranlokalisierte Lipide Treiber der Ferroptose, darunter PL, Etherlipide und andere Glycerin-abgeleitete Lipide.

● Einfach ungestättigte Fettsäuren (MUFA), wie Ölsäure, benötigen ACSL3 für ihre Anti-Ferroptose-Wirkungen.

● Das Multidrug-Resistenzgen MDR1 erhöht die Empfindlichkeit gegenüber Ferroptose, dadurch dass es den Verlust von GSH verursacht, während das Cys-katabole Enzym Cys-Dioxygenase 1 (CDO1) die Empfindlichkeit gegenüber Ferroptose erhöht, indem es Cys abbaut und dann GSH verbraucht.

● Verbindung FIN56 induziert den Abbau von GPX4 und erhöht die Empfindlichkeit gegenüber Ferroptose durch übermäßige Erschöpfung von Coenzym Q10(CoQ10) im Mevalonatweg.

● GPX4 kontrolliert unabhängig die Lipid-ROS-Akkumulation. Aber in den letzten Jahren wurden drei Systeme zur Hemmung der Ferroptose identifiziert, die nicht von GPX4 abhängig sind. Ferroptose-Suppressorprotein 1 (FSP1)/CoQ 10, Dihydroorotische Säure-Dehydrogenase (DHODH) und GTP-Cyclisierungshydrolase 1 (GCH1)/Tetrahydrobiopterin(BH4) hemmen die Ferroptose unabhängig von GPX4. Zellen mit hoher Expression von GCH1 oder DHODH waren resistenter gegen Ferroptose, während Zellen mit niedriger Expression empfindlicher gegenüber Ferroptose waren.

● Die Aminosäureoxidase Interleukin-4-induzierte-1(IL4i1), die ursprünglich in B-Zellen als ein auf IL-4-Induktion reagierendes Gen identifiziert wurde, produziert den Metaboliten Indol-3-pyruvat(In3Py), der den Ferroptose-Abfangmechanismus über freie Radikale und ein auf die Abwäschung der Ferroptose abgestimmtes Genexpressionsprofil hemmt.

● Die Peroxidation von PUFA-haltigen Lipiden wird durch einen intrazellulären Eisenpool angetrieben, und aktives Eisen löst die Fenton-Reaktion aus, die die Bildung von Lipidperoxiden initiiert, die Substrate für die Fenton-Reaktion sind, dadurch dass sie die Lipidperoxidation sowie die Produktion eisenabhängiger Enzyme wie Arachidonsäure-Lipoxygenasen(ALOXs) auslösen. Diese Lipidperoxide sind Substrate für die Fenton-Reaktion. 15-Lipoxygenase kann mit PE-bindendem Protein 1 (PEBP1) komplexiert werden, um das Substrat des Enzyms spezifisch von freier PUFA zu PUFA-PL zu katalysieren. Darüber hinaus erfordert p53-abhängige Ferroptose 12-Lipoxygenase. Cytochrom P450 Oxidoreduktase(POR) trägt auch zur Lipidperoxidation während der Ferroptose bei. Das bedeutet, dass einige eisenhaltige Enzyme die Fähigkeit haben, die Lipidperoxidation zu fördern, die zu Ferroptose führt.

● Andere Mechanismen, die den Eisengehalt in der Zelle kontrollieren, beeinflussen die Empfindlichkeit der Zelle gegenüber Ferroptose: Die Eisenabgabe durch Ferroportin oder Prominin-2(prom2)-vermittelte Ferritin-Polyvesikel(MVB) erhöht die Resistenz der Zelle gegenüber Ferroptose, da diese das Eisen in der Zelle aufbraucht, um die Fähigkeit zur Lipidperoxidation zu verringern.

● Erastin und RSL 3 stellen die ersten beiden Klassen von Eisen-Tod auslösenden Verbindungen dar, die wirken, dadurch dass sie die Cystinaufnahme über System Xc- bzw. GPX4 hemmen. FIN56 induziert den Abbau von GPX4 als Verbindung der dritten Klasse. FINO2 stellt die vierte Klasse von Ferroptose auslösenden Verbindungen dar und FINO2 oxidiert Fe(II) zu Fe(III): Eisenchelatbildner hemmen seine letale Aktivität wirksamer. Die breitere Verteilung oxidierter Lipide, die nach der Behandlung von Zellen mit FINO2 festgestellt wurde als nach der Behandlung mit Erastin, deutet darauf hin, dass FINO2 in einer Fenton-Reaktion mit Fe(II) reagiert und Alkoxyradikale produziert, die direkt die Lipidperoxidation einleiten.

● Drei Hauptmechanismen der Resistenz gegen Ferroptose wurden identifiziert - der antioxidative Regulator NRF2, der Transsulfurierungsweg und das mechanistische Ziel von Rapamycin(mTOR).

Ⅲ. Physiologische Funktion der Ferroptose

Abbildung 3. Physiologische Funktionen der Ferroptose

Ein entscheidender Fortschritt in der Suche nach biologischen Prozessen, die an der Ferroptose beteiligt sind, war die Entdeckung von Markern zur Detektion der Ferroptose. Da die Ferroptose durch eisenabhängige Lipidperoxidation ausgelöst wird, ist die Detektion solcher Lipidperoxidationsereignisse während der Ferroptose von großer Bedeutung (Abbildung 4). Außerdeem zeigen Mitochondrien während der Ferroptose typischerweise eine geschrumpfte, dichte Morphologie, und spezifische Veränderungen der Genexpression können nachgewiesen werden. Die Hochregulierung von TfR1 und die Bewegung zur Plasmamembran kennzeichnen eisentote Zellen. Mit diesen Markern wurden viele der natürlichen physiologischen Funktionen dieser alten Form des Zelltods entdeckt.

Abbildung 4. Marker der Ferroptose

Ⅳ. Pathologischer Huntergrund im Zusammenhang mit Ferroptose

Neben den oben beschriebenen normalen physiologischen Funktionen der Ferroptose ist Ferroptose auch mit vielen Pathologien verbunden(Abbildung 5).

Abbildung 5. Rolle von Organellen und Organen bei der Ferroptose

1. Eisenüberladungskrankheit

Ein kürzlich veröffentlichter Bericht zeigte, dass Mäuse, die mit einer eisenreichen Diät gefüttert wurden, und Mäuse mit Mutationen, die mit vererbter Hämochromatose in Zusammenhang stehen, Leberschäden in Markern der Ferroptose entwickelten, die durch Ferrostatin-1-Inhibitoren umgekehrt werden konnten.

2. Organschäden

Eine kürzlich veröffentlichte Studie berichtet, dass das Multiorganversagen(MODS) bei schwerkranken Patienten auf Intensivstationen(ICUS) häufig vorkommt und mit Ferroptose in Verbindung steht. Die Plasmawerte von katalysiertem Eisen und Malondialdehyd (ein Marker der Lipidperoxidation) bei 176 schwerkranken erwachsenen Patienten waren positiv mit den SOFA-Scores(Beurteilung des sequentiellen Organversagens) korreliert. Außerdem führte die Verabreichung von Eisensulfat an Mäuse zu Multiorganschäden, wobei die Marker für Schäden an Niere,Leber, Muskeln, Herz und Plasma anstiegen. Diese Schäden wurden durch Inhibitoren der Ferroptose (z.B. Vitamin E) abgeschwächt. Deshalb kann die Hemmung der Ferroptose eine praktikable Strategie zur Vorbeugung von Multiorganschäden in einer Intensivbehandlung sein.

3. Retinale Degeneration

Retinale Pigmentepithelzellen degenerieren und sterben bei Netzhauterkrankungen(z.B. altersbedingte Makuladegeneration). Preußischblaue Nanopartikel können den Tod dieser Zellen hemmen.

4. Neurodegeneration

Zahlreiche Berichte haben Ferroptose mit einer Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen verknüpft, darunter die Huntington-Krankheit(HD), die Alzheimer-Krankheit(AD), PD und die amyotrophe Lateralsklerose(ALS). Eine präklinische und klinisch wirksame ALS-Behandlung, CuII(atsm), hemmt die Ferroptose.

5. Infektionskrankheiten

HCV-Infektion ist eine Hauptursache für Lebererkrankungen, und die Replikation des Hepatitis-C-Virus wird durch die Aktivierung der Ferroptose in Wirtszellen begrenzt.

Das schwere akute Atemwegssyndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) kann während einer Infektion Ferroptose aktivieren.

Die Infektion mit M. marinae bei Zebrafischen wird durch Hämoxygenase 1 (HMOX1) gehemmt, die durch die Behandlung mit Ferrostatin 1 die Verfügbarkeit von Eisen in Häm reguliert.

Ferroptose verstärkt die Infektion mit Pseudomonas aeruginosa.

6. Autoimmunerkrankungen

Symtemischer Lupus erzthematodes(SLE) ist eine Autoimmunerkrankung, die mit der Aktivierung von Ferroptose in Neutrophilen assoziiert ist. Asthma, das mit einer Überaktivierung der Immunreaktion kommt, kann daher durch Ferroptose in den Epithelzellen der Atemwege ausgelöst oder verschlimmert werden, wenn diese immunogene mitochondriale DNA freisetzen. Wenn Ferroptose in Neutrophilen oder Atemwegsepithelezellen auftritt, führt sie zu einer übermäßigen Immunaktivierung, was zu Autoimmunerkrankungen führt.

7. Tumore

Obwohl Ferroptose als Tumorsuppressormechanismus fungiert, kann der Verlust der Ferroptose die Tumorentstehung vorantreiben. Selenoproteine sind Vorhersagefaktoren für das Krebsrisiko und Selen ist in Tumorgewebe erhöht. Das deutet auf eine erhöhte GPX4-Konzentration und -Aktivität bei der Tumorentstehung hin.

Ⅴ. Therapeutische Anwendungen der Ferroptose

Derzeit ist die Überwachung der Lipidperoxidation eine Möglichkeit, das Vorhandensein von Ferroptose zu erkennen. Zu den Methoden zur Detektion der Lipidperoxidation gehören die Verwendung eines Thiobarbitursäure-reaktiven Substanzen(TBARS)-Assays zur Detektion von oxidierten oder Lipidperoxidationsprodukten von Isoprostane durch LC-MS/MS, C11-BODIPY-Fluoreszenzsonden und Antikörper, die mit Antikörpern reagieren, die Addukte erkennen, die durch Lipidperoxidationsprodukte gebildet werden, wie den Anti-HNE-FerAb-Antikörper, den HNEJ-1-Antikörper und den Anti-Malondialdehyde-Addukt 1F83-Antikörper, den 3F3-FMA-Antikörper und andere Anti-TfR1-Antikörper. Einige Gene, wie CHAC1, PTGS2, SLC7A11 und ACSL4, werden während der Ferroptose induziert, während RGS4 während der Ferroptose herunterregiliert wird. Die veränderte Expression dieser Gene kann durch qPCR als Indikator für Ferroptose nachgewiesen werden.

1. Förderer der Ferroptose

Als eine Form des Zelltods könnte Ferroptose potenziell dazu genutzt werden,  problematische Zelltypen wie Krebszellen, Entzündungszellen oder aktivierte Fibroblasten zu eliminieren. Vier breite Mechanismen wurden zur Induktion der Ferroptose identifiziert: (1) Hemmung von System Xc-, (2) Hemmung/Abbau/Inaktivierung von GPX4, (3) Abbau von reduktivem CoQ10 und (4) Induktion durch Lipide: Peroxidation durch Überladung mit Peroxiden, Eisen oder mehrfach ungesättigten Fettsäuren.

● Die Hemmung von System Xc- ist ein wirksamer Mechanismus zur Induktion der Ferroptose - viele struktuell unterschiedliche niedermolekulare Inhibitoren dieses Anti-Trankslokator-Proteins wie Erastin, Sulfasalazin und Glu hemmen das System Xc- und induzieren die Ferroptose.

● Die Reduktion von Cystein entfernt extrazelluläre Substrate von System Xc- und induziert ebenfalls Ferroptose.

● Die Inaktivierung von Genen odder die Hemmung bzw. der Abbau von GPX4 durch kleine Moleküle induziert auch Ferroptose.

● Die Hemmung der CoQ10-Biosynthese über den Mevalonatweg und die Inaktivierung von CoQ10-Reduktasen(z.B. AIFM2/FSP1 oder DHODH) induziert Ferroptose.

● Ferroptose kann durch die Behandlung mit überschüssigen Eisen, PUFA oder Peroxiden(wie tBOOH oder FINO2) induziert werden.

2. Ferroptose-Inhibitoren

● Ferrostatin-1 und Liproxstatin als freie Radikalfänger zur Hemmung der verbreitung von Lipidperoxidation.

● Das Cholesterinsenkende Medikament Probucol hemmt die Ferroptose und ist in einem Glu-Toxizitätsmodell wirksam.

● Nekrostatin-1(nec-1) ist ein RIPK1-Inhibitor, der Nekroptose hemmt.

● Die Verabreichung von Selen hemmt die Ferroptose während eines Schlaganfalls.

● Das mitochondrial zielgerichtete Stickstoffmonoxid XJB-5-131 hemmt Apoptose und Ferroptose.