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Metabolic Control by Heat Stress Determining Cell Fate to Ferroptosis for Effective Cancer Therapy

重编程 癌细胞 活性氧 肿瘤微环境 细胞生物学 癌症研究 化学 癌症 氧化应激 细胞凋亡 程序性细胞死亡 细胞 生物 生物化学 肿瘤细胞 遗传学
作者
Shaowei Xie,Wenshe Sun,Chunfu Zhang,Baijun Dong,Jingxing Yang,Mengfei Hou,Liqin Xiong,Biao Cai,Xuesong Liu,Wei Xue
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 7179-7194 被引量:164
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c00380
摘要

Flexible manipulation of the fate of cancer cells through exogenous stimulation-induced metabolic reprogramming could handle the cellular plasticity-derived therapies resistance, which provides an effective paradigm for the treatment of refractory and relapsing tumors in clinical settings. Herein, we demonstrated that moderate heat (45 °C) could significantly regress the expression of antioxidants and trigger specific lipid metabolic reprogramming in cancer cells synergized with iron oxide nanoparticles (Fe3O4 NPs). This metabolic control behavior destroyed the tumor redox homeostasis and produced overwhelming lipid peroxides, consequently sensitizing the tumor to ferroptosis. Based on these findings, a heat-triggered tumor-specific ferroptosis strategy was proposed by the rational design of a polypeptide-modified and 1H-perfluoropentane (1H-PFP)-encapsulated Fe3O4-containing nanoformulation (GBP@Fe3O4). When irradiated by an 808 nm laser, the phase transition of 1H-PFP was triggered by localized moderate heat (45 °C), leading to burst release of Fe3O4in situ to produce potent reactive oxygen species through the Fenton reaction in the tumor microenvironment. Together with the antioxidant inhibition response and distinctive lipid metabolic reprogramming by heat stress, this oxidative damage was amplified to induce tumor ferroptosis and achieve sufficient antitumor effects. Importantly, we confirmed that ACSBG1, an acyl-CoA synthetase, was the key pro-ferroptotic factor in this heat-induced ferroptosis process. Moreover, knockout of this gene could realize cancer cell death fate conversion from ferroptosis to non-ferroptotic death. This work provides mechanistic insights and practical strategies for heat-triggered ferroptosis in situ to reduce the potential side effects of direct ferroptosis inducers and highlights the key factor in regulating cell fate under heat stress.
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