Science子刊：周子健/陈小元团队开发铁死亡监测方法

化疗药物导致的急性心肌损伤（ACI）和急性肾损伤（AKI）是肿瘤患者在化疗过程中常见的并发症，通常伴有较高的致死率。研究表明，在初期阶段（incipient stage）对化疗药物导致的ACI/AKI进行实时干预可以最大程度地逆转损伤器官的恶化进程。因此，近年来，针对药物性ACI/AKI的早期诊断以及综合评估方案的探索吸引了广泛的关注。

铁死亡（Ferroptosis）是一种铁依赖性的脂质过氧化物驱动的细胞死亡形式，具有两个鲜明的特征：不稳定活性铁（Fe2+）离子的蓄积以及脂质过氧化物的超载。研究发现铁死亡与化疗药物导致的ACI/AKI的始动环节密切相关，使用铁死亡抑制剂可以有效的缓解相关病情。但是，由于缺乏基于铁死亡机制的活体分子影像探针，对于铁死亡机制在损伤器官早期演进中的作用过程仍然不明确，以及对于铁死亡抑制剂的疗效监测存在挑战。

近日，厦门大学周子健研究员团队联合新加坡国立大学陈小元教授，在 Science Advances 期刊发表了题为：Ferroptosis MRI for Early Detection of Anticancer Drug-Induced Acute Cardiac/Kidney Injuries 的研究论文。

该研究利用青蒿素与活性铁（Fe2+）离子特异性反应后的大分子效应和滞留效应，设计并构建了自增强型活性铁池靶向MRI探针Art-Gd，实现了化疗药物导致的ACI/AKI的早期诊断和铁死亡抑制剂治疗的疗效监测。

图1. 自增强型活性铁池靶向MRI探针（Art-Gd）对药物性ACI/AKI的早期诊断

首先，作者以双氢青蒿素为原料，通过三步合成法得到Art-Gd探针。并通过电子顺磁共振、NMR弛豫弥散和梯度幻影成像实验证明了Art-Gd探针自增强效应。其作用机制主要为：青蒿素（Art）分子与Fe2+离子特异性反应形成碳氧自由基结构与细胞中的蛋白或细胞膜发生非特异性结合，形成的大分子复合物延长了分子旋转相关时间，增强了纵向弛豫率。

图2 (A) Art-Gd探针结构和作用机制。（B，C）Art-Gd探针能够对阿霉素诱导48小时后的ACI小鼠进行成像，早于心肌肌钙蛋白的变化。（D，E）Art-Gd探针能够对顺铂诱导24小时后的AKI小鼠进行成像，早于肾小球滤过率的变化。

接着，作者构建了阿霉素（DOX）诱导的ACI小鼠模型。48小时之后，对模型鼠静脉注射Art-Gd探针进行MRI显像。结果表明，ACI小鼠左心室壁上的MRI信号增强，而在正常小鼠对应区域信号变化不明显。该结果预示着铁死亡（活性铁Fe2+）特异性探针可在心肌损伤区域富集，其中可能的机制是探针靶向受损区域中的活性铁Fe2+并在反应后潴留在左心室壁上。值得注意的是，作者发现在造模72小时后，ACI小鼠血液中与心肌损伤相关的临床检测指标（cTn、CK-MB和LDH）才出现显著性上升。因此，在DOX诱导的ACI小鼠模型中，使用探针可以比临床诊断指标至少提前24小时检测出ACI。

随后，作者构建了另一种具有典型铁死亡特征的AKI小鼠模型。在成像之前，作者通过WB实验证明在顺铂（CDDP）诱导24小时后，模型鼠肾脏组织中铁转运蛋白受体1和铁储存蛋白出现明显上调，而铁输出蛋白和GPX4水平出现显著性下调，这预示着活性铁离子（Fe2+）的蓄积。基于此，作者在CDDP诱导24小时后对模型小鼠静脉注射Art-Gd探针进行MRI成像。结果显示在模型鼠肾盂和肾实质区域有明显的信号增强，而在正常小鼠对应区域信号变化不明显。这可能是由于探针与肾损伤区域中活性铁离子（Fe2+）响应，产生了大分子效应和滞留效应，实现自增强MRI造影成像。为了进一步研究探针在AKI早期诊断的潜力，作者测定CDDP诱导后不同时间点肾损伤指标（sCr、BUN和GFR），结果发现这些指标直到72小时才出现显著性差异。因此，这表明在CDDP诱导的AKI模型中，使用探针可以比临床诊断指标至少提前48小时检测AKI。 最后，鉴于探针优越的成像性能，作者使用探针实时评估了两种作用机制不同的铁死亡抑制剂在治疗AKI时的肾脏保护效应，一种是脂质过氧化物抑制剂Ferrostatin-1，另一种是铁离子螯合剂DFO。在14天的监测周期中，影像结果显示DFO相比Ferrostatin-1能够提供更长效的肾脏保护作用。血清学和组织学对影像结果进行了验证。 综上所述，作者针对药物性ACI/AKI的早期诊断和实时干预的临床难题，从青蒿素独特的抗疟机制中获得灵感，构建特异性靶向活性铁池的自增强型分子影像探针Art-Gd，实现了对药物性ACI和AKI的早期诊断和疗效监测。更重要的是，该探针可能在其他铁死亡相关疾病的早期诊断和药物评价方面也具有潜在的应用价值。 厦门大学博士生曾繁天为论文第一作者，厦门大学周子健研究员和新加坡国立大学陈小元教授为论文共同通讯作者。