二碘氧嗪（Ditrioxzin）与2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose）协同作用，通过同时靶向过氧化物还原酶3（peroxiredoxin 3）和糖酵解过程，诱导胃癌细胞发生氧化还原依赖性的代谢危机

《Toxicology and Applied Pharmacology》：Ditrioxzin synergizes with 2-deoxy- d-glucose to induce redox-dependent metabolic crisis in gastric cancer through dual targeting of peroxiredoxin 3 and glycolysis

胃癌治疗|线粒体功能抑制|Prx3靶向|代谢危机协同治疗|高安全性策略

　　

孙楠|潘露露|史晓静|刘颖|范晓霞|刘世琳|马永成

华中农业大学食品科学与技术学院，中国武汉430070

摘要

新兴证据表明，同时抑制糖酵解和线粒体功能是一种有效的抗癌策略。在这里，我们报告了一种合成的ent-香叶烷二萜类化合物Ditrioxzin（DTO），它通过靶向过氧化物还原酶3（Prx3）选择性地破坏线粒体氧化还原平衡，导致过氧化氢（H?O?）积累，从而降低线粒体膜电位（MMP）并损害胃癌细胞中的氧化磷酸化（OXPHOS）。DTO与糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）联合使用，通过双重代谢阻断作用耗尽ATP。体外研究表明，DTO对胃癌细胞具有选择性细胞毒性（IC??为3.82–6.10 μM），但对正常胃上皮细胞（GES-1）无害。机制上，DTO直接与Prx3结合，使H?O?水平升高（在8 μM时升高超过3倍），氧化线粒体过氧化物还原酶，并引发依赖氧化还原的线粒体功能障碍。DTO/2-DG联合治疗通过ROS依赖途径促进ATP耗尽和细胞凋亡（69.6% vs 24.1% DTO单独使用），这种效应可被N-乙酰半胱氨酸消除。在体内实验中，DTO（10 mg/kg）和2-DG（500 mg/kg）联合使用可显著抑制肿瘤生长（66%，P < 0.001），且不会导致体重减轻或肾脏/心脏的组织病理学变化。我们的发现表明DTO是一种新型的Prx3靶向剂，可与2-DG协同作用诱导代谢危机，为胃癌提供了一种高安全性的治疗策略。

引言

肿瘤细胞会经历显著的能量代谢重编程，以支持其不受控制的增殖，这一现象被认为是癌症的一个新兴特征（Martínez-Reyes和Chandel，2021）。最具代表性的代谢重编程是Warburg效应，即尽管有足够的氧气供应，癌细胞仍优先选择有氧糖酵解而非线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）（Pavlova等人，2022）。这种代谢转换不仅为大分子合成提供原料，还塑造了肿瘤微环境（Le等人，2010）。针对代谢途径已成为一种有前景的治疗策略，已开发出多种糖酵解抑制剂，如2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）、己糖激酶II（HKII）抑制剂和乳酸脱氢酶A（LDHA）抑制剂（Le等人，2010；Tataranni和Piccoli，2019；Luengo等人，2017）。然而，这些药物的临床转化受到代谢适应性的阻碍——这是癌细胞能够逃避单一途径抑制的核心机制（Cheng等人，2012；Ashton等人，2018；Tufail等人，2024）。

代谢灵活性使癌细胞能够在治疗压力下在糖酵解和OXPHOS之间切换。例如，2-DG抑制糖酵解会触发线粒体呼吸的补偿性上调（Cheng等人，2012），而OXPHOS抑制剂如寡霉素则通过AMPK介导的信号通路促进糖酵解（Niu等人，2023）。这种适应性可塑性源于肿瘤的代谢异质性（Tong等人，2020）——包括肿瘤间（例如，乳腺癌细胞更依赖脂质代谢）和肿瘤内（例如，缺氧区域偏好糖酵解，而血管周围区域依赖OXPHOS）。这种异质性解释了为什么针对单一代谢途径的单一疗法往往效果有限。临床上，2-DG单药治疗在晚期癌症中的部分反应率仅为12%，约60%的患者在4周内出现耐药性（Vander Heiden，2011）。同样，线粒体复合物I抑制剂IACS-01075在非小细胞肺癌中的反应率也低于5%（Ashton等人，2018）。

线粒体在癌症中具有双重作用：既是活性氧（ROS）生成的主要场所，也是生物能量代谢的中心（Shadel和Horvath，2015）。生理上，ROS水平受到抗氧化系统（包括过氧化物还原酶Prxs、硫氧还蛋白和谷胱甘肽）的严格调控（Liu等人，2023）。然而，由于代谢亢进，癌细胞通常表现出基线ROS水平升高，同时上调抗氧化防御机制以应对氧化应激（Glorieux和Buc，2024）。这种“氧化还原悖论”可以被利用于治疗：例如，通过抑制Prxs破坏线粒体氧化还原平衡会导致过氧化氢（H?O?）过度积累、线粒体膜电位（MMP）降低和生物能量崩溃[12,15]。

天然ent-香叶烷二萜类化合物，如oridonin，已被证明可以通过生成ROS和抑制Prx活性来诱导线粒体应激（Ma等人，2019；Ma等人，2013；Shi等人，2017；Zhu等人，2019）。我们之前的研究表明，Jaridonin这种ent-香叶烷衍生物通过破坏氧化还原平衡选择性地杀死癌细胞（Ma等人，2013；Ma等人，2015）。基于此，我们假设Ditrioxzin（DTO）这种新型合成ent-香叶烷类似物可以：1. 靶向线粒体Prxs以诱导氧化还原失衡并损害OXPHOS；2. 与糖酵解抑制剂2-DG协同作用，克服代谢灵活性，从而实现能量代谢的双重抑制。本研究旨在表征DTO在胃癌细胞中的作用机制，并评估DTO/2-DG联合疗法的体外和体内疗效，为氧化还原-代谢双重靶向策略提供临床前证据。

试剂、抗体和化合物

针对PARP（9532S）和Caspase-3（D3R6Y）的一抗来自Cell Signaling Technology（波士顿，MA）。针对Prx1（A13524）和Prx3（A18022）的抗体来自Abclonal（武汉，中国）。针对β-actin（sc-8432）的抗体购自Santa Cruz Biotechnology, Inc.（加州圣克鲁兹）。辣根过氧化物酶偶联的二抗来自Zhongshan Golden Bridge Biotech Inc.（北京，中国）。FITC-Annexin V/PI凋亡检测试剂盒来自...

DTO在胃癌细胞中的选择性抑制效力

DTO是一种天然产物Jaridonin的衍生物（图1A），先前已被证明具有细胞毒性（Ma等人，2013；Ma等人，2015）。通过使用不同的胃癌细胞系SNU-1、NCI-N87、HGC-27、SGC-7901以及人正常胃上皮细胞系GES-1，测试了DTO的抑制效力。如图1B所示，经过24小时处理的四种胃癌细胞系的IC??值在3.82 μM到6.10 μM之间变化。

讨论

新兴证据突显了靶向癌症代谢的治疗潜力，但单一途径的抑制往往受到代谢灵活性的限制（Finley，2023；Stine等人，2022）。本研究表明，合成的ent-香叶烷二萜类化合物DTO通过抑制Prx3选择性地损害胃癌细胞的线粒体生物能量代谢，并与糖酵解抑制剂2-DG协同作用，实现OXPHOS和糖酵解的双重抑制。机制上，DTO诱导的Prx3...

CRediT作者贡献声明

孙楠：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据管理。潘露露：数据可视化、正式分析。史晓静：资源获取。刘颖：结果验证、正式分析。范晓霞：数据可视化、实验设计。刘世琳：指导、概念构建。马永成：撰写——审稿与编辑、指导、数据管理、概念构建。

资助

本工作得到了河南省自然科学基金（编号：222300420573）、郑州大学培训基金（编号：JC21851050）、国家自然科学基金（编号：81502952）和河南省医学科学技术研究计划（编号：LHGJ20240158）的财政支持。

未引用的参考文献

Cheng等人，2019 Sun等人，2021 Wang等人，2021

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢郑州大学药学院Yu Ke博士合成并提供化合物DTO。