Discovery of a Potent Glutathione Peroxidase 4 Inhibitor as a Selective Ferroptosis Inducer
1.논문 제목: Discovery of a Potent Glutathione Peroxidase 4 Inhibitor as a Selective Ferroptosis Inducer
2.저자명: Congjun Xu, Zhanghong Xiao, Jing Wang, Hualu Lai, Tao Zhang, Zilin Guan, Meng Xia, Meixu Chen, Lingling Ren, Yuanfeng He, Yuqi Gao, Chunshun Zhao
3.Publish: September 10, 2021
5.Abstract: Potent and selective ferroptosis regulators promote an intensive understanding of the regulation and mechanisms underlying ferroptosis, which is highly associated with various diseases. In this study, through a stepwise structure optimization, a potent and selective ferroptosis inducer was developed targeting to inhibit glutathione peroxidase 4 (GPX4), and the structure−activity relationship (SAR) of these compounds was uncovered. Compound 26a exhibited outstanding GPX4 inhibitory activity with a percent inhibition up to 71.7% at 1.0 μM compared to 45.9% of RSL-3. At the cellular level, 26a could significantly induce lipid peroxide (LPO) increase and effectively induce ferroptosis with satisfactory selectivity (the value of 31.5). The morphological analysis confirmed the ferroptosis induced by 26a. Furthermore, 26a significantly restrained tumor growth in a mouse 4T1 xenograft model without obvious toxicity.
6.한글 초록 요약본: 강력하고 선택적인 ferroptosis 조절제는 여러 질환과 밀접한 관련이 있는 ferroptosis의 조절 및 기전을 심층적으로 이해하는 데 도움을 줌. 본 연구에서는 단계적인 구조 최적화를 통해 glutathione peroxidase 4(GPX4)를 억제하는 강력하고 선택적인 ferroptosis inducer를 개발하고, 이들 화합물의 structure-activity relationship을 규명함. Compound 26a는 1.0 μM에서 최대 71.7%의 우수한 GPX4 억제 활성을 보였으며, 이는 RSL-3의 45.9%보다 높은 수치임. 세포 수준에서 26a는 lipid peroxide를 유의하게 증가시키고, selectivity value 31.5의 만족스러운 선택성으로 ferroptosis를 효과적으로 유도함. 형태학적 분석에서도 26a에 의해 ferroptosis가 유도됨을 확인함. 또한 26a는 뚜렷한 독성을 유발하지 않으면서 mouse 4T1 xenograft model의 종양 성장을 유의하게 억제함.
7.한글 논문 요약본
7-1 Introduction: Ferroptosis는 철 의존적인 lipid peroxide 축적으로 발생하는 조절성 세포사멸로, 암세포의 약물 내성을 극복할 수 있는 새로운 치료 전략으로 주목받고 있음. GPX4는 세포막의 lipid hydroperoxide를 제거해 ferroptosis를 억제하는 핵심 항산화 효소이며, 여러 암에서 과발현되어 유망한 항암 표적으로 평가됨. 대표적인 GPX4 inhibitor인 RSL-3는 ferroptosis 연구에 널리 사용되지만, 억제 효능과 ferroptosis 선택성이 충분하지 않고 GPX4 inhibitor의 structure–activity relationship도 명확하지 않음. 이에 본 연구는 RSL-3를 lead compound로 사용해 단계적인 구조 최적화를 수행하고, GPX4 억제력과 ferroptosis 선택성이 개선된 새로운 화합물을 발굴하고자 함
7-2 Method: 연구진은 RSL-3 구조에 scaffold hopping과 bioisosteric replacement를 적용해 21a–26c 계열 화합물을 설계·합성함. Methyl ester를 amide로 변경하고 linker 길이와 amide 치환기를 비교한 뒤, indole scaffold와 benzoate 부분을 다양한 aromatic heterocycle로 치환하여 활성이 우수한 구조를 탐색함. 합성 화합물의 세포독성은 4T1, MCF-7, HT1080 세포에서 MTT assay로 평가하고, HT1080 세포에서 Ferrostatin-1 병용 전후 IC50 차이를 이용해 ferroptosis 선택성을 산출함. GPX4 억제 활성은 효소 및 세포 기반 assay로 확인함. 최종 후보 26a의 기전은 Ferrostatin-1, NAC, GSH rescue assay, MDA 및 C11-BODIPY 기반 lipid peroxidation 측정, ROS 분석, 세포 내 GSH 측정과 TEM 관찰로 검증함. In vivo 효능과 안전성은 4T1 xenograft mouse model에서 26a를 15 또는 30 mg/kg 투여한 후 종양 성장, 혈액 생화학 지표 및 주요 장기 조직을 분석하여 평가함.
7-3 Result: 초기 SAR 분석에서 amide nitrogen과 benzene ring이 직접 연결된 구조가 carbon linker를 가진 구조보다 우수한 활성을 보였고, N-phenethyl 구조의 22c가 후속 최적화 후보로 선정됨. 이후 benzo[b]thiophene scaffold를 가진 23d가 높은 ferroptosis 선택성과 GPX4 억제력을 나타냈으며, benzoate 부분에 oxazole과 같은 5-membered heterocycle을 도입했을 때 활성이 더욱 향상됨. 최종 화합물 26a는 1.0 μM에서 GPX4 활성을 71.7% 억제하여 RSL-3의 45.9%보다 강한 효과를 보임. HT1080 세포에서 26a의 IC50는 약 0.15 μM이었으며, Ferrostatin-1 병용 시 약 4.73 μM로 증가해 ferroptosis selectivity value가 31.5로 나타남. 이는 RSL-3의 3.1보다 현저히 높은 수치임.
26a는 세포 내 GPX4 활성을 감소시키고 MDA, lipid peroxide 및 total ROS를 증가시켰으며, 이러한 변화는 Ferrostatin-1에 의해 억제됨. 세포 내 GSH는 소폭만 감소했으므로, 26a는 GSH depletion보다는 GPX4의 직접적인 기능 억제를 통해 lipid peroxide를 축적시키는 것으로 해석됨. TEM에서는 mitochondria 크기 감소, outer membrane 손상, cristae 감소 및 membrane density 증가 등 ferroptosis의 특징적인 형태 변화가 확인됨. 4T1 xenograft model에서는 15 mg/kg과 30 mg/kg 투여 시 tumor growth inhibition이 각각 33.2%와 55.1%로 나타남. 체중, 간·신장 기능 지표 및 주요 장기 조직에서는 뚜렷한 독성이 확인되지 않음.
7-4 Conclusion: 본 연구는 RSL-3를 기반으로 단계적인 구조 최적화를 수행하여 새로운 chloroacetamide 계열 GPX4 inhibitor인 26a를 개발함. 26a는 RSL-3보다 높은 GPX4 억제력과 ferroptosis 선택성을 보였으며, GPX4 기능을 억제해 lipid peroxide와 ROS를 축적시키고 ferroptosis를 유도함. 또한 동물모델에서 용량 의존적으로 종양 성장을 억제하면서 명확한 전신 독성을 보이지 않음. 따라서 26a는 GPX4-regulated ferroptosis 연구를 위한 선택적 chemical probe이자, ferroptosis 기반 항암제 개발을 위한 유망한 lead compound로 제시됨.
8.대표 Fiure
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