代谢重编程是癌细胞的重要特征。通过饮食调节干预肿瘤生长被视为潜在辅助治疗策略。近些年来，有研究表明Omega-3脂肪酸能抑制小鼠肿瘤生长，海洋食物来源n-3 PUFAs的补充和结直肠癌病人更低的死亡率、更长的无病生存期相关。Omega-3是第一个不饱和键位于碳链甲基端第3位的多不饱和脂肪酸（即n-3 PUFA），是人体生长发育所必需的，例如DHA是脑细胞膜的必需成分。然而n-3 PUFAs的抗肿瘤分子机制仍不明确。有一些研究提出n-3 PUFAs通过脂质过氧化、诱导凋亡等方式发挥抗肿瘤作用。然而这些研究忽视了n-3 PUFAs只对肿瘤细胞的选择性杀伤而不影响正常细胞。

最新研究

2021年6月11日，比利时鲁汶大学的Olivier Feron团队在Cell Metabolism 上发表了题为《Peroxidation of n-3 and n-6 polyunsaturated fatty acids in the acidic tumor environment leads to ferroptosis-mediated anticancer effects》的文章。该研究发现在酸性条件下，肿瘤细胞将PUFAs储存到脂滴（LDs）以降低脂质过氧化水平，而超出细胞累积能力的PUFAs能促进肿瘤细胞对铁死亡的敏感性，诱导细胞铁死亡；使用LDs形成抑制剂或/和铁死亡诱导剂处理细胞能增强PUFAs对肿瘤细胞的细胞毒性；用富含n-3 PUFAs饮食饲喂荷瘤小鼠能显著延缓其肿瘤生长， LDs形成抑制剂或铁死亡诱导剂能增强n-3 PUFAs饮食的的抗肿瘤效果。该研究揭示了PUFAs选择性杀伤肿瘤细胞的生化分子机制，为基于膳食多不饱和脂肪酸的辅助抗肿瘤疗法提供了有力的证据。

n-3和n-6 多不饱和脂肪酸优先在酸适应癌细胞里累积

为了研究PUFAs的作用是否受肿瘤细胞生存环境的影响，作者比较了不同类型肿瘤细胞系的酸性环境适应细胞(6.5细胞)和对应的中性环境适应细胞(7.4细胞)摄取FAs累积到LDs的能力，发现6.5细胞摄取FAs积累LDs的能力更强。有趣的是，作者发现PUFAs处理后的细胞的LDs的大小、数量与PUFAs双键的数量呈正相关。CD36在酸性条件下介导FAs进入细胞，阻断CD36能减少DHA暴露后的LD形成。

接下来作者定量分析了6.5细胞和7.4细胞摄取FAs的能力，发现外源增加相同FA水平时，6.5细胞累积FAs的能力比7.4细胞更强。这种差异在中性脂（NLs）、游离FAs（FFAs）暴露时比磷脂（PLs）暴露时更明显。在n-6 C20:4 (ARA)和n-3 C20:5 (EPA)处理的6.5细胞的NL和FFA组分中观察到较高的C22:4和C22:5代谢产物。这些结果表明，PUFAs在酸性条件下更容易在癌细中累积。

n-3和n-6 PUFAs在酸性环境下表现细胞毒性作用

作者发现，虽然棕榈酸（PA，是饱和脂肪酸）和油酸（OA，是单不饱和脂肪酸）处理对细胞生长没有明显的抑制作用，但PUFAs剂量依赖性地抑制了6.5细胞的生长而不影响7.4细胞的生长。并且生长抑制效应与n-3 PUFAs（DHA、EPA、ALA）和n-6 （DPA、ARA、LA）PUFAs中双键的数量成正比。为了在接近自发酸性肿瘤模型中检测PUFAs的细胞毒性作用，作者使用了FaDu和HCT-116癌细胞的3D肿瘤球来重复上述实验，发现在3D肿瘤球中PUFAs的生长抑制作用也和双键数目成正比；并且PUFAs暴露在前期培养时无细胞毒性，在第5~7天3D肿瘤球中心自发酸性时才有细胞毒性。

PUFAs是否只有在酸性环境下才抑制细胞生长呢？作者调整培养体系的pH发现DHA和DPA的细胞毒性作用随pH的增加而减弱；用碳酸氢盐中和3D肿瘤球产生的H+也能减弱DPA和DHA的细胞毒性。pHLIP酸性显色和碘化丙啶(PI)染色表明，碳酸氢盐处理后，3D肿瘤球中心pH上调、细胞死亡显著减少。这表明酸性环境下PUFA才有细胞毒性。

在酸性条件下，n-3和n-6 PUFAs促进脂质过氧化

自由基或活性氧能引发PUFAs等生物大分子发生脂质过氧化形成丙二醛（MDA）等过氧化物影响细胞结构和功能，导致细胞死亡。那么，酸性条件下PUFAs的脂质过氧化是否有变化呢？作者进行BODIPY 581/591十一酸和丙二醛(MDA)检测后发现，和7.4细胞相比，6.5细胞显示出更高的氧化能力。作者进一步将6.5细胞和7.4细胞暴露于不同的FAs中发现，暴露于PA、OA、LA和ALA时，两种细胞MDA水平相似；暴露于n-3（EPA和DHA）和n-6（ARA和DPA）时，6.5细胞中MDA水平显著增加；阻断CD36后，细胞将DHA氧化为MDA的能力显著降低。

酸性条件下n-3和n-6PUFAs通过铁死亡产生细胞毒性

n-3和n-6 PUFAs在酸性癌细胞中诱导细胞死亡的机制是什么呢？作者用铁死亡诱导剂处理3D肿瘤球发现，DPA和DHA的细胞毒性作用增强，但是PA依然无细胞毒性。作者还发现，酸性条件下，GPX4 和SLC7A11等铁死亡标志物显著上调；外源PUFAs处理不能诱导GPX4和SLC7A11表达水平的进一步上调。这表明GPX4和SLC7A11的上调是由6.5癌细胞自身氧化应激引起的。

那么细胞铁死亡是不是因为细胞氧化应激能力下降引起的呢？作者发现6.5细胞中的二氢叶酸还原酶（DHFR）和铁死亡抑制蛋白-1（FSP-1）的下调，这也表明铁死亡易感性是细胞自由基处理能力不足引起的。作者使用维生素E和铁死亡抑制剂处理6.5细胞，发现它们可以防止DPA或DHA引起的细胞死亡和3D肿瘤球解体，显著降低MDA水平。这提示，酸性条件下PUFAs能增加细胞对铁死亡的易感性。

抑制脂滴的形成可以增加PUFAs脂质过氧化

上述结果提示癌细胞可能通过形成LDs储存过量的PUFAs以避免脂质过氧化引发的细胞铁死亡，这是可能肿瘤细胞一种自我保护机制。为了进一步研究细胞对PUFAs的利用方式，作者首先检测了不同脂肪酸（FAs）的耗氧率（OCR），发现在6.5细胞中PUFAs的氧化代谢显著降低，且与双键的数量成比例；既使使用饱和脂肪酸（SFAs）和PUFAs的混合物，6.5细胞的OCR也显著降低。这表明，6.5细胞通过将PUFAs储存到LDs降低了降解水平。

那么抑制LDs形成可以增强酸性条件下脂质氧化吗？作者发现抑制LDs形成的二酰基甘油酰基转移酶抑制剂(DGAT1i和DGAT2i)能有效预防6.5细胞中LD的形成，且DGAT1i效果更强。MDA检测发现，DGTAi能显著增加6.5细胞的MDA水平，而对7.4细胞无显著影响。这说明酸性条件下DGATi抑制LDs形成后PUFAs的脂质过氧化水平增加。

DGAT抑制剂增强了酸性条件下PUFAs的细胞毒性作用

接下来，作者评估了DGATi对PUFAs细胞毒性影响，发现DGAT1i可以增强DPA和DHA对6.5细胞的细胞毒性，而不影响7.4细胞；3D肿瘤球模型中，敲除DGAT1或用DGATi抑制剂均能增加DPA和DHA的细胞毒性。此外，DGAT1i还能降低DHA发挥细胞毒性的浓度；并且DGAT1i和DGAT2i联用疗效更明显。用铁死亡抑制剂能抑制DGATi对DHA和DPA对肿瘤球的细胞毒性强化作用。上述结果表明，用DGATi抑制PUFAs的LDs累积能选择性促进酸适应癌细胞的铁死亡。

n-3 PUFA饮食可抑制小鼠肿瘤生长，与DGATi或铁死亡诱导剂联用可进一步延缓肿瘤生长

为了进一步评估PUFAs在体内的作用，作者用富含OA对照或DHA的等热量饲料喂养小鼠。作者发现，相对于OA饮食的小鼠，DHA饮食小鼠血清中循环脂质显著富集。此外，DHA饮食显著降低了小鼠的体重，而DGATi处理不影响小鼠的体重和食物摄入。对小鼠解剖发现，DHA饮食显著降低了小鼠白色脂肪组织（WAT）重量和肥胖指数，并且稍微增加了小鼠棕色脂肪重量。

观察OA或DHA饮食后荷瘤的小鼠的肿瘤生长情况发现，DHA饮食显著延迟了肿瘤生长速度，并显著延长了小鼠的生存。DGATi能增强DHA饮食的效果。定量检测发现DHA饮食小鼠的肿瘤中n-3 PUFAs比例显著上调。同时，PUFAs代谢副产物MDA和4-HHE水平显著增加，这表明肿瘤中氧化水平的增加。

最后，作者用铁死亡诱导剂或抑制剂处理DHA饮食的荷瘤小鼠，发现DHA饮食可以促进铁死亡诱导剂的抗肿瘤作用，显著延长了荷瘤小鼠的生存期。反之，DHA饮食联合铁死亡抑制剂促进了小鼠肿瘤生长。这表明n-3 PUFAs可以通过上调铁死亡途径延缓肿瘤生长。

总 结

n-3 PUFAs饮食因其明显的益处被视为一种有潜力的抗肿瘤辅助疗法，然而n-3 PUFAs抗肿瘤的生化分子机制仍不清楚。作者发现酸性条件中肿瘤细胞通过将过量n-3 和n-6 PUFAs累积到LDs中，降低脂质过氧化带来的危害和细胞对铁死亡的敏感性，抑制LDs形成和/或用铁死亡诱导处理细胞能增强n-3和n-6 PUFAs的细胞毒性。动物实验表明，n-3 PUFAs能有效延缓肿瘤生长、延长小鼠生存，LDs形成抑制剂或铁死亡诱导剂能增强n-3 PUFAs的抗肿瘤作用。本研究揭示了PUFAs选择性杀伤肿瘤细胞的机制，为基于n-3 PUFAs饮食的辅助抗肿瘤疗法提供了证据。

文/阿司匹林 SHFA

责编/Jane

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.05.016