铜死亡在肿瘤治疗方面的研究进展

宋一博, 郑才仕, 周树锋

(华侨大学 化工学院, 福建 厦门 361021)

铜(Cu)是几乎所有生物体的基本元素。大量研究表明,Cu是多种关键代谢酶的辅助因子,这些酶可驱动广泛的生理过程。当铜代谢失衡时,细胞可能会受到严重的损害,因此,全身铜水平变化必须维持在一个很小的范围内,以确保正常的生化过程。2022年,铜诱导的细胞死亡方式被首次命名为铜死亡(cuproptosis)[1]。基于此,本文针对铜死亡的作用机制及铜基纳米材料在肿瘤铜死亡治疗中的研究进展进行综述。

1 铜的代谢

铜主要通过食物摄入进入人体,如肉类、鱼类、贝类、全谷类、坚果和巧克力都含有丰富的铜。大部分食物中铜主要以二价离子(Cu2+)形式存在,主要在小肠被吸收,进入小肠上皮细胞之前,Cu2+被金属还原酶(six-transmembrane epithelial antigen of the prostate,STEAP)吸附在细胞表面,并被还原为Cu+,通过小肠上皮细胞的铜转运蛋白1(CTR1,也称为SLC31A1)被主动吸收[2]。在通过肠道吸收后,铜被分泌到血液中,铜蓝蛋白(ceruloplasmin,CP)、白蛋白(albumin)、转铜蛋白(metallothionein)及α2-微球蛋白(α2-macroglobulin)等血浆蛋白结合参与了铜的运输和代谢过程,并帮助将铜运送到身体的各个器官和组织中。

铜一旦被细胞吸收,可以通过不同的蛋白载体转运到蛋白靶点,或者被金属硫蛋白(MT)螯合以储存。关键的蛋白载体主要包括细胞色素C氧化酶17(COX17)、铜超氧化物歧化酶铜伴侣蛋白(CCS)和抗氧化剂1(ATOX1)。细胞内的铜代谢过程[3],如图1所示。

图1 细胞内的铜代谢过程Fig.1 Intracellular copper metabolism process

1) COX17可将Cu+转运至次级载铜蛋白,包括合成细胞色素C氧化酶1(SCO1)、合成细胞色素C氧化酶2(SCO2)和细胞色素C氧化酶11(COX11),并将Cu+传递给细胞色素C氧化酶(CCO),CCO是细胞呼吸链中的关键酶之一,参与将细胞内的化学能转化为细胞需要的能量[4]的过程。

2) CCS是另一种Cu伴侣蛋白,可以将Cu+转移给超氧化物歧化酶1(SOD1)[5],并帮助SOD1正确折叠和激活,维持SOD1的活性和稳定性,在细胞内发挥重要的抗氧化作用,从而保护细胞免受自由基的损害。

3) ATOX1则可以将Cu+转运到细胞核,Cu+因而与转录因子结合并驱动基因表达[6]。ATOX1还可将Cu+从高尔基体反面的网络结构(TGN)转运到铜转运ATP酶(ATP7A和ATP7B)。ATP7A在除了肝脏以外的大多数组织和器官中表达,而ATP7B主要在肝脏中表达[7]。在生理Cu+水平下,铜转运ATP酶定位在TGN中,将Cu+从细胞质转运到TGN腔内。当细胞内Cu+增加时,铜转运ATP酶与细胞质膜融合,以外排Cu+。当Cu+恢复到生理水平时,这些铜转运蛋白被再次回收到TGN。

肝脏是调控铜稳态的中央控制器官,主要通过3条铜代谢途径:将Cu+释放到血液中进一步循环、转运到胆汁中排泄或储存在肝细胞中[8]。在铜摄入量高的情况下,铜的吸收减少,铜的排泄增加;相反,在铜摄入量低的情况下,通过胆汁排泄的内源性铜减少,吸收的铜增加。铜稳态的失衡可能会导致铜过量或缺乏,进而引发一系列与铜代谢相关的疾病,例如威尔逊病(由于铜排泄障碍而导致铜在体内积累)、门克斯(Menkes)病(由于铜吸收障碍而导致铜缺乏)等[9]。因此,维持适当的铜代谢对于人体健康至关重要。

2 铜死亡的机制

先前研究表明,铜离子载体伊利司莫(Elesclomol,ES)可以诱导细胞死亡[10]。为验证这种死亡方式是否受已知的细胞死亡方式的影响,Tsvetkov等[1]通过对细胞分别进行抑制剂处理,包括细胞凋亡抑制剂(Z-VAD-FMK和BOC-D-FMK)[11-12]、铁死亡抑制剂(ferrostatin-1)[13]、坏死抑制剂(Necrostatin-1)[14]及氧化应激抑制剂(N-acetyl cysteine)[15],发现这些抑制剂对铜离子载体诱导的细胞死亡均没有影响,说明铜离子载体诱导的细胞死亡是一种不同于已知的细胞死亡方式的新型细胞死亡方式。

同时,研究还显示,对线粒体呼吸依赖性强的细胞对铜离子载体的敏感性比进行糖酵解的细胞高出近1 000倍;与经GPX4铁死亡抑制剂处理的细胞相比,采用线粒体功能抑制剂处理的细胞对铜离子载体的敏感性影响有很明显的区别。用铜离子载体ES处理细胞后,三羧酸(TCA)循环相关产物代谢失调,进一步阐明了铜载体诱导的细胞死亡与TCA循环的密切联系。这种铜诱导的细胞死亡方式在2022年被首次命名为铜死亡(cuproptosis)[16]。铜死亡的主要过程依赖于细胞内铜离子的积累,当过量的Cu2+进入细胞时,它会被转运到线粒体并被还原为Cu+。这种Cu+干扰了TCA循环和电子传递链(ETC),导致脂酰化蛋白的寡聚化和Fe-S簇蛋白的丢失,最终导致细胞死亡(图2)。

图2 铜死亡机制示意图Fig.2 Schematic diagram of cuproptosis mechanism

为了进一步探究铜死亡的代谢途径,Tsvetkov等[1]使用CRISPR-Cas9技术进行功能丧失筛选,并鉴定了7个与铜诱导的细胞死亡相关的基因。它们分别编码铁氧还蛋白1(ferredoxin 1,FDX1)、脂酰转移酶1(lipolytransferase 1,LIPT1)、硫辛酸合成酶(lipoyl synthase,LIAS)、二氢硫辛酰胺脱氢酶(dihydrolipoamide dehydrogenase,DLD)、二氢硫辛酰S-乙酰转移酶(dihydrolipoamide S-acetyltransferase,DLAT)、丙酮酸脱氢酶E1-α亚基(pyruvate dehydrogenase E1 subunit α1,PDHA1)和丙酮酸脱氢酶E1-β亚基(pyruvate dehydrogenase E1 subunit β,PDHB)。其中,LIPT1,LIAS,DLD是硫辛酸途径的组分,丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)复合物中的DLAT、E1-α亚基和E1-β亚基是脂酰化蛋白的靶点[17]。

研究证实,FDX1/LIAS是蛋白质脂酰化的上游调节因子,在调节细胞铜死亡过程中扮演着关键角色。FDX1是铜死亡过程中的一个关键酶,具有很强的还原能力,可以将Cu2+还原为Cu+,并可以在线粒体内对DLAT、甘氨酸裂解系统蛋白H(glycine cleavage system protein H,GCSH)、二氢硫辛酰转琥珀酰基酶(dihydrolipoamide-S-succinyltransferase,DLST)和二氢硫辛酰支链转移酶E2(dihydrolipoamide branched-chain transacylase E2,DBT)这4种特定酶进行脂酰化。脂酰化是一种稀有但高度保守的半胱氨酸残基的翻译后修饰,在维持细胞代谢途径和保持正常线粒体功能方面起着至关重要的作用[18]。一方面,进入细胞内的Cu2+经FDX1还原后生成Cu+,Cu+可以结合已发生脂酰化的蛋白质,特别是在末端半胱氨酸残基的二硫键上,这导致蛋白质聚集,蛋白质聚集会干扰酶的结构、功能和活性,从而阻碍TCA循环的正常进行。例如,当Cu+结合到丙酮酸脱氢酶复合物的一个亚基DLAT时,DLAT发生寡聚,功能丧失,丙酮酸无法转化成乙酰辅酶A,整个TCA循环被严重抑制。另一方面,Cu+也会影响线粒体中的Fe-S簇蛋白发挥作用,包括电子转移、催化反应、DNA修复等[19]。

3 铜死亡在肿瘤治疗方面的应用

铜死亡为肿瘤治疗提供了新视角。铜死亡诱导剂可触发细胞铜死亡过程,目前以铜离子载体为主,如伊利司莫、NSC-319726和二硫化物等[20]。这些化合物通过将铜离子引入细胞内并干扰Fe-S簇生物合成等途径诱导细胞铜死亡,具有潜在的抗癌效果[21]。目前,伊利司莫正在癌症病人中进行Ⅱ期临床试验[22]。

此外,铜基纳米材料由于其内在的物理化学和生物特性、在生物体中的重要作用,以及近年来在各种疾病特别是癌症治疗中的重要作用而受到广泛关注。同时,新兴的纳米技术极大地促进了具有多功能性质的铜基纳米材料的制备,从而建立了一个“铜时代”[23]。

Xu等[24]设计了一种葡萄糖氧化酶(GOx)包埋的Cu(I) 1,2,4-三唑([Cu(tz)])配位聚合物纳米平台(GOx@[Cu(tz)]),用于饥饿增强型铜死亡和光动力协同治疗。葡萄糖和谷胱甘肽的消耗使癌细胞对GOx@[Cu(tz)]介导的铜代谢敏感,产生脂酰化的线粒体蛋白聚集,诱导铜死亡。体内实验结果表明,GOx@[Cu(tz)]对膀胱肿瘤生长的抑制率为92.4%。这是第一个关于铜纳米材料能够诱导铜死亡用于膀胱癌协同治疗的报道。此外,Ni等[25]设计了一种新型的肿瘤微环境(TME)响应型核-壳结构树突状分子(CSTD),并有效地装载了铜离子和化疗药物双硫仑(DSF),用于肿瘤靶向磁共振(MR)成像和铜死亡促进的化学-化学动力学治疗。CSTD-Cu(II)@DSF可被MCF-7乳腺癌细胞特异性摄取,并在ROS过表达的弱酸性TME中释放药物。细胞内富集的Cu2+离子可诱导脂酰化蛋白的寡聚化和蛋白毒性应激,诱导铜死亡,有效抑制MCF-7肿瘤的生长。

不仅如此,Xu等[26]还研发了一种新型铜/铁杂化空心无定形金属有机框架(HaMOF),用于负载阿霉素抗癌药(DOX@Fe/CuTH)。DOX@Fe/CuTH可以同时促进H2O2的产生和谷胱甘肽的消耗,放大细胞氧化应激,还可以引起线粒体功能障碍,下调铜转运蛋白ATP7A,导致代谢紊乱,并在细胞质中大量保留铜,过量的Cu2+可引起DLAT蛋白聚集,导致细胞铜死亡。此外,Zhou等[27]还制备了光热触发纳米平台(Au@MSN-Cu/PEG/DSF),原位生成具有细胞毒性的双(二乙基二硫代氨基甲酸盐)铜(CuET),导致细胞凋亡,形成的Cu+促进线粒体蛋白聚集,导致铜死亡;与光热疗法协同作用,有效抑制肿瘤生长,抑制率高达80.1%。这些结果为基于铜死亡的潜在癌症治疗提供了有希望的前景,为设计先进的铜基纳米治疗平台提供了启发。

4 结论与展望

综上可知,铜的吸收、转运、利用和排泄对维持生物体内的铜稳态具有显著影响,铜代谢紊乱可导致代谢异常,引起相关疾病。铜死亡是一种新型细胞调节性死亡方式,与TCA循环密切相关,近年来在肿瘤治疗中的应用日益凸显。深入了解铜死亡机制,开发新型铜基纳米材料,对于探索肿瘤治疗新方案,筛选肿瘤靶向的相关药物具有一定价值。