有关细胞死亡的话题始终“霸占”科研榜的头条，细胞凋亡、焦亡、坏死、铁死亡......各式花样，层出不穷。当然还有近年夺得宠爱的铜死亡，其机制的研究可谓是细胞死亡中又一新的里程碑。小 M 也在第一时间为大家作了详细解析 (详见往期推文：空降"热搜" 铜死亡丨解锁细胞死亡新方式)。那么，对于热度“蹭蹭蹭”的铜死亡，你又了解多少呢？铜是一种不可或缺的过渡金属，其具有氧化还原特性，在线粒体呼吸、抗氧化防御和生物化合物合成中通过提供或接收电子作为许多酶的辅助因子[1]。
铜也是一种必需的微量营养素，人们主要从食物中获取铜，以维持全身铜稳态 (内脏肉和贝类往往是铜含量最丰富的食物来源，成人每天铜摄入量约为 0.8~2.4 mg)。人体主要通过小肠吸收铜，然后通过血液将铜输送到肝脏，多余的铜被排泄到胆汁中并离开身体[2][3][4]。
图 1. 全身和细胞铜代谢示意图[4]
铜的摄取主要通过小肠进行，小肠上皮细胞通过 CTR1/SLC31A1 摄取铜离子，后经过ATOX1 (铜伴侣抗氧化剂 1) 被输送到上皮的另一侧，并通过ATP7A (ATP 酶铜转运 α) 输出到血液中。铜离子通过与蛋白质结合后在血液中被运输。最终铜离子被运送到肝脏，多余的铜被排泄到胆汁中并离开身体。
但正所谓“万事有度，物极必反”，一旦铜浓度超过了维持稳态的阈值，便会导致一系列细胞代谢功能障碍，最终导致细胞死亡，即铜死亡 (Cuproptosis)[5]。早在 1980 年代就已知铜会导致细胞死亡[6]，只是铜离子引起细胞死亡的确切形式一直存在争议，直到 2022 年 3 月，Tsvetkov 等人确定了铜诱导细胞死亡的机制，命名为铜细胞凋亡 (Cuprotosis)，即铜离子的过度积累导致硫辛酰化蛋白异常聚集，干扰线粒体呼吸相关的铁硫簇蛋白，引起蛋白质毒性应激反应，最终导致细胞死亡。至此，铜诱导细胞死亡机制的研究有了新的突破[7]。
此外，除铜螯合剂外，凋亡抑制剂、坏死性凋亡抑制剂、ROS 诱导的细胞死亡抑制剂和铁死亡抑制剂均不能挽救铜诱导的细胞死亡。因此，由铜离子载体引起的细胞死亡是一种由铜过度积累引发的细胞死亡，与已知的细胞死亡模式 (铁死亡、细胞焦亡等) 无关 (图 1)。图 1. 多种细胞死亡模式的对比[3][8][9][10][11]
铜作为细胞信号传导的关键因素，与癌症密切相关，加之铜死亡机制的确立溅起的“科研大水花”，使得铜死亡与癌症的研究愈发火热。
据报道，与正常患者相比，从患有各种类型癌症如乳腺癌、肺癌、胃肠道癌症、口腔癌、胆囊癌、胰腺癌等患者获得的肿瘤组织和/或血清中均出现铜浓度升高，铜积累可导致癌细胞迁移和增殖，促进肿瘤生长[3]。
图 2. 铜和癌症信号通路[4]
铜可直接结合或激活 EGFR、PDK1 或 PI3K 以促进肿瘤发生。铜还影响 MAPK 和自噬途径或间接改变 c-Myc 稳定性以影响肿瘤生长。铜离子间接促进 HIFα 或间接抑制 Notch 通路配体 Jagged1 从而促进血管肿瘤迁移。此外，铜还可以调节 PDE3B 或 S6K1，从而调节肿瘤代谢。
此外，铜与肿瘤细胞中的多个信号通路相关，通过结合和激活多个信号通路中的关键分子影响癌症发生 (图 2)。这也加速了用于抗癌治疗的 Cu 配位化合物的开发。
目前已经提出了两种主要策略：1. 使用 Cu 螯合剂来降低 Cu 的生物利用度。2. 使用 Cu 离子载体将 Cu 递送到细胞中以增加细胞内 Cu 水平。
铜离子载体是一种可逆地结合铜离子的脂溶性分子，可诱导铜细胞凋亡。如 Elesclomol 、双(缩氨基硫脲)类似物 [Cu II (atsm)和 Cu II (gtsm)] 以及Disulfiram (DSF) 可提高细胞内 Cu 水平并发挥抗癌活性。其中，DSF 和 ES 受到的关注最多。迄今为止，铜离子载体已进行了多项临床试验 (表 1)。
Elesclomol：可将 Cu 带到线粒体，过量的铜会促进脂化蛋白的聚集和 Fe-S 簇蛋白的不稳定，从而导致蛋白毒性应激并最终导致细胞死亡[7]。Elesclomol 作为候选药物，已被证明可以增强紫杉醇 (Paclitaxel) 在难治性实体瘤患者和 IV 期转移性黑色素瘤患者中的治疗效果。在由晚期黑色素瘤患者组成的 III 期临床试验中，与乳酸脱氢酶 (LDH) 水平高的患者相比，Elesclomol 治疗对 LDH 水平较低的患者 (较低的 LDH 水平代表高线粒体代谢状态) 具有更强的抗肿瘤活性。再次验证了 Elesclomol 对高水平脂酰化 TCA 酶和过度活跃的线粒体呼吸率的细胞更敏感 (详见往期推文：空降"热搜" 铜死亡丨解锁细胞死亡新方式)[3]。 
图 3. 针对癌症中铜细胞凋亡的两种潜在治疗策略[4]
a. Cu 离子载体 Elesclomol 被认为会在表达高水平脂化线粒体酶或处于过度活跃呼吸状态的癌细胞中诱导铜凋亡。b. Disulfiram 与 Cu 结合选择性靶向具有高 ALDH 表达的癌细胞。
Disulfiram (DSF)：和 Elesclomol 原理一样，DSF 也可以将铜输送到细胞中，诱导铜凋亡。DSF 可以穿过 BBB，在胶质母细胞瘤患者的临床试验中具有抗癌和/或化疗增敏作用。DSF 和 Cu 治疗还可以降低肿瘤抑制基因 PTEN 的表达并激活人类乳腺癌中的 AKT 信号传导。此外，DSF 可抑制醛脱氢酶 (ALDH)，选择性靶向并杀死 ALDH+ 癌症干细胞，从而降低肿瘤复发的风险。铜离子载体可与 TKI、PI 等靶向治疗药物联合使用，应用于线粒体代谢状态高的肿瘤[3]。Cu bis (thiosemicarbazone)：对于双 (氨基硫脲) 类似物，Cu II (atsm) 在携带结肠癌肿瘤的仓鼠中具有抗癌活性。Cu II (gtsm) 在体外对前列腺癌细胞发挥肿瘤杀伤作用，并显著降低原位小鼠模型中的前列腺癌负担[3]。
除了铜离子载体，使用螯合剂消耗 Cu 已被证明可以通过抑制多种动物模型的病变血管形成来延迟癌症转移。
其中，TTM 的研究最为广泛。使用 TTM 降低 Cu 水平会影响 MEK1/2 激酶的活性和 BRAF 驱动的肿瘤发生，从而减少异种移植的 BRAFV600E 肿瘤的生长。TTM 还可以抑制 Cu 伴侣蛋白，抑制 Cu 向 LOX 等铜酶的输送。此外，在恶性间皮瘤的 II 期试验中发现，TTM 具有抗血管生成作用，可延缓 I 期或 II 期间皮瘤患者的疾病进展[3]。
对于 Trientine，其可以抑制 IL-8 的表达，在肝细胞癌中表现出抗肿瘤作用。Trientine 还可以降低 CD31 表达并抑制内皮细胞增殖。而 D-penicillamine 则可以抑制 LOX 的活性，从而导致胶原蛋白交联形成受损、VEGF 表达减少，延缓体内胶质母细胞瘤的进展[3]。
此外，铜死亡相关基因与肿瘤微环境之间也具有相关性，铜还可以调节 PD-L1 的表达，这为铜死亡与肿瘤免疫疗法提供了新的思路。
本期小 M 为大家介绍了铜在人体的正常代谢，铜死亡作为一种新的死亡方式与其他细胞死亡的区别，铜死亡与癌症的联系及临床研究现状。是不是让您对铜死亡有了更进一步的了解~关注收藏，不要辜负小 M 的用心整理哦~
| Elesclomol (STA-4783) 是一种有效的铜离子载体，可促进铜死亡 (cuproptosis)。Elesclomol 特异性结合铁氧还蛋白 1 (FDX1) α2/α3 螺旋和 β5 链，抑制 FDX1 介导的 Fe-S 簇生物合成。 |
| Disulfiram (Tetraethylthiuram disulfide) 是特异性的乙醛脱氢酶 1 型 (ALDH1) 抑制剂，对酒精具有急性敏感性。Disulfiram + Cu2+可增加细胞内 ROS 水平，引发卵巢癌干细胞凋亡。 |
| Cu(II)GTSM 是一种细胞通透性铜复合物，可显著抑制 GSK3β。Cu(II) GTSM 抑制 Amyloid-β 寡聚体 (AβOs)，降低 tau 磷酸化。Cu(II) GTSM 可以被作为一种潜在的抗癌和抗菌剂。 |
| Penicillamine (D-(-)-Penicillamine) 是 penicillin 的代谢降解产物，可作为重金属螯合剂使用。Penicillamine 增加游离铜，增强氧化应激。Penicillamine 可用于威尔逊氏病、类风湿关节炎和半胱氨酸尿症的研究。 |
| Tetrathiomolybdate 是一种口服有效的抗铜剂，能够降低体内铜含量。Tetrathiomolybdate 对小鼠胶原诱导关节炎具有保护作用。Tetrathiomolybdate 还抑制血管生成，对恶性胸膜间皮瘤也有抗血管生成作用。 |
[1] Festa RA, et al. Copper: an essential metal in biology. Curr Biol. 2011;21(21):R877-R883. [2] Ge EJ, et al. Connecting copper and cancer: from transition metal signalling to metalloplasia. Nat Rev Cancer. 2022;22(2):102-113.[3] Chen L, et al. Copper homeostasis and cuproptosis in health and disease. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):378. [4] Xie J, et al. Cuproptosis: mechanisms and links with cancers. Mol Cancer. 2023;22(1):46. Published 2023 Mar 7. [5] Cobine PA, et al. Getting out what you put in: Copper in mitochondria and its impacts on human disease. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 2021;1868(1):118867. [6] Halliwell B, et al. Oxygen toxicity, oxygen radicals, transition metals and disease. Biochem J. 1984;219(1):1-14. [7] Tsvetkov P, et al. Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science. 2022;375(6586):1254-1261. [8] Wang Y, Zhang L, Zhou F. Cuproptosis: a new form of programmed cell death. Cell Mol Immunol. 2022;19(8):867-868. [9] Jiang X, et al. Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22(4):266-282. [10] Wei X, et al. Role of pyroptosis in inflammation and cancer. Cell Mol Immunol. 2022;19(9):971-992. [11] Bertheloot D, et al. Necroptosis, pyroptosis and apoptosis: an intricate game of cell death. Cell Mol Immunol. 2021;18(5):1106-1121. 
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