【铜死亡速览】抗癌新宠，一「铜」天下 !

铜作为生命所必需的微量金属之一，在体内含量的调节十分微妙——铜过少会影响铜结合酶的基础功能，而铜过多则会使细胞不堪重负甚至死亡。这提示我们，细胞内铜的集中增加可以用于选择性地杀死癌细胞。铜在癌症治疗中的潜力值不容小觑，下面我们来看看铜的具体抗癌机制吧。

 

·    一、生也「铜」，亡也「铜」   ·
 

对于细胞而言，铜的固有氧化还原特性既有利又有潜在的毒性，Cu(II)  和 Cu(I)   是铜的两种氧化态，其中 Cu(I) 是细胞胞质溶胶还原环境中的主要形式。铜是人体中调节细胞功能的酶中的必需辅因子，能介导一系列重要的细胞功能，包括线粒体呼吸、抗氧化防御以及激素、神经递质和色素的生物合成，但同时铜储备的失调会导致氧化应激和细胞毒性。

 

▲系统和细胞铜稳态概述

同样作为近些年新概念的 「Cuproplasia」可翻译为铜增生，其定义为依赖于铜的细胞生长和增殖。一些研究报告称，与正常组织相比，多种恶性肿瘤中的铜含量更高。  铜还能够促进血管生成，这在肿瘤进展和转移中是必不可少的。此外，越来越多的证据表明，铜可以激活许多血管生成因子，如血管生成素（hAng）、血管内皮生长因子 (VEGF)、成纤维细胞生长因子 1 (FGF1)、白细胞介素 1 (IL-1) 等。很明显，铜的动态平衡失调在癌症中起着突出的作用（尽管研究人员还在争论它是肿瘤发生的原因还是结果）。  综上，铜在癌症的发生发展中起着关键作用，因此对铜的研究意义重大，它可能成为具有潜力的抗癌靶点。

 

·    二、「铜」之抗癌策略    ·

下面我们一起来看一下铜在抗癌疗法中的四大机制。 1. 铜配合物铜结合化合物在治疗癌症方面具有巨大潜力，但该领域正处于早期发展阶段，缺乏选择性是该领域的主要挑战之一。因此，能够选择性靶向癌细胞的新型铜结合化合物备受追捧。  与铜结合的化合物包括不同类别的铜配合物，例如铜螯合剂和铜离子载体。两者的不同之处在于它们的作用机制：铜螯合剂抑制铜增生，降低细胞内铜浓度；而铜离子载体诱导铜死亡，增加细胞内（特别是线粒体）铜水平并导致细胞死亡。
 

▲铜螯合剂和铜离子载体示意图

 

作为抗癌离子载体，研究较多的二乙基二硫代氨基甲酸酯 (DTC) 是双硫仑 (DSF) 的活性形式。大量研究表明，由于 DSF 的活性形式是 DTC 的铜复合物，因此 DSF 与铜一起使用可显著增强其抗癌作用。  但值得注意的是，长期使用包括铜离子载体在内的铜结合化合物会扰乱基本金属的稳态，因此会对接受治疗的患者造成严重的副作用。当前研究人员们正在致力于提高铜离子载体选择性（如纳米药物输送系统）以使下一代铜离子载体获得更加精准的靶向效果。

 

2. 铜的氧化应激抗癌策略

提高恶性组织中的铜浓度是一种有效的肿瘤杀伤方法，其杀伤作用主要依赖于铜离子过量引发的氧化应激。氧化应激可以定义为氧化-抗氧化平衡的紊乱，表现为稳态的 ROS 浓度短暂或长期增强。Fenton 反应是金属催化产生 ROS 最常见的反应之一，该反应的金属催化剂通常为过渡金属，如铁 (II)、铬 (III)、钴 (II) 和镍 (II)。铜诱导的高浓度 ROS 对线粒体是致命的，进而导致线粒体功能障碍，加速细胞凋亡。此外，铜配合物插入 DNA 后，利用基于铜的 Fenton 反应产生的羟基自由基氧化分解 DNA 螺旋结构，可对 DNA 造成损伤。

▲铜配合物 CTB（Cu(ttpy-tpp)Br2]Br）诱导细胞凋亡的机制

 

3. 铜的蛋白酶体抑制抗癌策略

蛋白酶体是位于细胞质和细胞核内的多蛋白复合体，其主要作用是降解冗余蛋白，调节细胞增殖、凋亡和转移等过程。

 

研究证实，蛋白酶体抑制可诱导细胞色素 c 进入胞浆，激活 caspase 级联反应，进一步诱导肿瘤细胞凋亡。有趣的是，研究表明癌细胞的快速增殖更依赖于蛋白酶体，这意味着它们更敏感。此外，有研究证实一些含有过渡金属（如 Cu、Mn 和 Au）的配合物，对蛋白酶体表现出优异的抑制能力。有研究证实 Cu (II) 离子通过直接结合和部分氧化还原作用抑制蛋白酶体。

 

最近，除了特定的蛋白酶体抑制剂，如硼替佐米和卡菲佐米，许多铜配合物被开发为用于癌症治疗的蛋白酶体抑制剂，包括 clioquinol (CQ) -Cu, (8-OHQ) -Cu，双硫仑  (DSF) -Cu  和席夫碱-Cu 复合物。

 

4. 铜的血管生成抑制抗癌策略

血管新生是肿瘤增殖和转移的初始过程。血管提供的大量营养物质可以供给大于 1-2 毫米的扩张肿瘤。肿瘤组织在现有血管上或周围生成，形成血管周围袖带。

 

有研究报道铜是促进血管生成的关键元素，不仅可以与 HIF-1 结合激活介导血管生成的关键因子，还可以与血管生成素结合，影响内皮祖细胞，促进血管生成。此外，铜被证明可以直接刺激内皮细胞的迁移和增殖以及纤维连接蛋白的合成，这两者在血管生成中都是必不可少的。
 

▲咪唑和有机二氧化硅纳米（Imi-Osi）螯合剂的抗血管生成功能原理示意图

 

铜的消耗可以关闭「血管生成开关」，阻止内皮细胞增殖过程，并在 G0 期停止细胞周期。除了直接捕获细胞内的铜离子外，抑制铜转运体或伴侣（如 ATOX1 和 CTR-1）是另一种实现方法。几种传统的铜螯合剂通过降低铜浓度和降低与血管生长相关的因素被用于抑制血管生成，如青霉胺（penicillamine）、四硫钼酸盐 (tetrathiomolybdate)、卡托普利（captopril）和曲安汀（trientine）。

 

·    三、新突破：铜死亡的提出    ·

今年 3 月，Science 上发布了题为 Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins 的研究论文，研究在人类细胞中证实，铜依赖性受控细胞死亡方式是一种不同于当前已知细胞死亡机制的新型细胞死亡方式，研究团队将这种细胞死亡方式命名为——Cuprotosis（铜死亡）。

 

研究团队进一步揭示了铜死亡的机制，这种铜依赖性细胞死亡是通过铜离子与线粒体呼吸中的三羧酸循环（TCA）中的脂酰化成分直接结合而发生的，导致脂酰化蛋白质聚集和随后的铁硫簇蛋白下调，从而导致蛋白质毒性应激并最终导致细胞死亡。
 

▲促进铜诱导细胞死亡的机制示意图

 

此外，研究团队使用 CRISPR 筛选，确定了多个促进铜死亡的关键基因，其中包括编码 Elesclomol 分子靶蛋白的 FDX1 基因，以及参与线粒体代谢中以及参与蛋白质脂酰化修饰的六个基因（目前这七个基因已经在铜死亡生信分析中得到了广泛的应用）。这些发现将有助于铜失调疾病（如威尔逊病）的研究，也将为未来抗癌策略的开发提供新的思路。
 

▲促进铜诱导细胞死亡的机制示意图 2

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总之，铜死亡新机制的发现也为未来以铜为靶点的新药开发扩宽了道路，同时，铜元素在人体中的巨大作用还有待于我们的进一步发掘。未来可期，我们一起努力吧！
 

参考文献：

[1] Ruiz LM, Libedinsky A, Elorza AA. Role of Copper on Mitochondrial Function and Metabolism. Front Mol Biosci. 2021;8:711227. doi:10.3389/fmolb.2021.711227

[2] Jiang Y, Huo Z, Qi X, Zuo T, Wu Z. Copper-induced tumor cell death mechanisms and antitumor theragnostic applications of copper complexes. Nanomedicine (Lond). 2022;17(5):303-324. doi:10.2217/nnm-2021-0374