實體瘤依靠血液供應來輸送氧氣和營養。隨著腫瘤的生長，這些血管無法為腫瘤的每個部分提供氧氣和營養，從而導致區域缺氧。隨著時間的推移，這種缺氧環境會導致腫瘤細胞內的酸積聚。為了克服這種壓力，癌細胞通過釋放中和環境酸性條件的酶來適應，使癌細胞不僅能够存活，而且最終會擴散到其他器官。其中一種酶稱為碳酸酐酶。
碳酸酐酶是一種金屬酶，其中的IX和XII（CAIX/XII）是缺氧誘導的pH調節酶，可催化二氧化碳可逆性水合為碳酸氫鹽和質子。CAIX還在癌細胞的存活、侵襲以及轉移中發揮關鍵作用。確定由CAIX控制的生存機制以及改善治療反應和限制耐藥性的聯合方法至關重要。
受調控的細胞死亡是癌症治療成功的關鍵决定因素。缺氧會富集對細胞凋亡抵抗的細胞。幸運的是，已經出現了其他受調節的細胞死亡模式，可以用來克服對細胞凋亡的抵抗。鐵死亡是一種鐵依賴性的、非凋亡形式的細胞死亡，由磷脂過氧化作用的毒性積累引起。鐵死亡與細胞代謝狀態密切相關。然而，其中涉及的分子機制尚不清楚。
2021年8月27日，加拿大英屬哥倫比亞腫瘤研究所的研究團隊在Science子刊Science Advances上發表了題為：Genome-wide synthetic lethal screen unveils novel CAIX-NFS1/xCT axis as a targetable vulnerability in hypoxic solid tumors的研究論文。
該研究發現，由腫瘤缺氧誘導的pH調節劑碳酸酐酶IX（CAIX）可以封锁癌細胞發生鐵死亡，確定了CAIX調控細胞生存的分子機制。這一發現將幫助研究人員開發實體瘤治療的新策略。
2021年1月，世界衛生組織（WHO）國際癌症研究署（IARC）發佈了2020年全球最新癌症負擔數據。這項最新預估資料顯示，2020年全球新發癌症病例1929萬例，其中乳腺癌新發病例高達226萬例，超過了肺癌的220萬例，乳腺癌取代肺癌，成為全球第一大癌。
2020年癌症新發病例數前十的癌症類型
研究團隊在缺氧的三陰性乳腺癌（TNBC）細胞中進行了無偏、全基因組CAIX合成致死CRISPR篩選，以識別與CAIX相互作用的基因。受CA9缺失影響的基因顯著富集於RNA代謝、無義介導的衰變、核糖體RNA加工、硒代半胱氨酸合成、硒代氨基酸代謝、三羧酸（TCA）迴圈和電子傳遞途徑。進一步的功能通路網絡分析確定了氧化還原穩態基因，其中，參與鐵硫簇生物發生的基因半胱氨酸脫硫酶（NFS1）受到研究團隊的重視。
接下來，研究團隊對由三陰性乳腺癌隊列組成的小型乳腺腫瘤組織微陣列進行染色，發現CAIX在該陣列中約65%的病例中表達，而NFS1在幾乎所有病例中表達。
以上資料表明CAIX和NFS1在乳腺癌患者的一個子集中表達，那麼共靶向可能對患者有益。於是研究團隊在TNBC癌細胞中同時敲除了CA9和NFS1，發現細胞的鐵水准升高，伴隨著脂質過氧化新增，這是鐵死亡的標誌，表明了癌細胞在CAIX和NFS1雙敲除後發生了鐵死亡。
研究團隊接下來試圖評估將CAIX/XII抑制與限制胱氨酸可用性（NFS1的底物）結合是否會通過抑制胱氨酸谷氨酸反向轉運蛋白xCT導致鐵死亡增强。CAIX/XII抑制本身也很少導致細胞死亡。然而，聯合CAIX/XII抑制和xCT抑制治療導致細胞死亡顯著增加，表明鐵死亡是由組合誘導的細胞死亡的主要模式。
隨後研究團隊在臨床相關模型中共同靶向CAIX/XII和xCT，與在細胞系模型中的發現類似，這種組合導致來自多個患者的類器官細胞死亡顯著增加，優於單獨使用任一化合物的治療。囙此，共同靶向CAIX/XII和xCT會增强鐵死亡，是在藥理學上利用CAIX和NFS1之間合成致死相互作用的有效策略。
在深入的分子機制研究中，研究團隊發現CAIX抑制劑導致了pHi的酸化，CAIX/XII產生的碳酸氫鹽通過碳酸氫鹽轉運蛋白輸入，保護細胞免於鐵死亡，表明pHi調節在調節鐵死亡中很重要。
AMPK信號傳導對於維持代謝穩態至關重要，研究團隊在共同靶向CAIX/XII和xCT後觀察到了AMPK失活，這種失活與AMPK靶標ACC1的磷酸化减少相呼應，表明該組合療法正在啟動ACC1，從而導致鐵死亡增强。以上數據還暗示了AMPK/ACC1/ACSL4軸在共靶向缺氧誘導的CAIX和xCT下游的重要性。
總而言之，這項工作確定了CAIX和NFS1之間的新型合成致死相互作用，xCT的抑制和CAIX/XII抑制是在藥理學上利用這種合成致死相互作用的一種非常有效的替代方法。該研究使人們意識到CAIX在氧化還原穩態和通過pH調節防止鐵死亡中起到重要作用，並將幫助研究人員開發實體瘤治療的新策略。
論文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabj0364
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