铜死亡发生机制及其在心血管疾病发生发展中的作用研究进展

陈涵，张黎，王昱冕，崔芸，王红

1 云南省阜外心血管病医院 昆明医科大学附属心血管病医院十七病区，昆明 650102；2 昆明医科大学研究生院

铜是是人体必需的微量元素之一，也是人体必需酶的辅助因子，对机体活动有着重要影响。铜固有的氧化还原特性使其对细胞既有益处也具有潜在毒性，细胞中铜的平衡对细胞生存及新陈代谢至关重要。TSVETKOV 等［1］于近期发现了一种新的细胞死亡模式——铜死亡，认为其不同于细胞凋亡、铁死亡及坏死等氧化应激诱导的细胞死亡，是一种与线粒体呼吸相关的铜依赖性细胞死亡模式。铜通过与三羧酸循环中的脂质酰化成分直接结合，导致脂质化蛋白质聚集，铁硫簇蛋白质丢失，从而引起蛋白质毒性应激，导致细胞死亡。充足的铜是维持心脏正常生理功能所必需的，机体内铜水平异常可能会引发一系列心血管疾病。目前，铜诱导的细胞死亡在动脉粥样硬化、糖尿病心肌病（DCM）及心力衰竭等心血管疾病的发病机制中可见报道［2-5］。然而，铜死亡相关机制在心血管疾病中的作用复杂，尚未被完全证实。现就铜死亡发生机制及其在心血管疾病发生发展中的作用进行综述，以期为心血管疾病的预防和治疗提供新的思路。

1 铜死亡的发生机制

细胞死亡伴随着炎症反应、细胞功能障碍和组织损伤，在心血管疾病的进展和发病机制中起着关键作用［6］。常见的细胞死亡方式有细胞自噬、铁死亡、坏死、及焦亡等。细胞自噬是一种进化保守的分解代谢过程，包括一系列步骤，在这些步骤中，受损或多余的细胞器、膜结构、蛋白质和其他细胞成分被分离并包裹在一个称为自噬体的囊泡中，而后这些自噬体与溶酶体融合，其中的成分被降解为氨基酸和脂质等基本分子，可重新用于细胞新陈代谢［7］。DIXON 等［8］发现了一种独特的铁依赖性非凋亡细胞死亡形式，主要机制是在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡，称之为铁死亡。铁死亡依赖于细胞内的铁，不依赖于其他金属，其特征是磷脂的氧化损伤［9-10］。细胞坏死通常指细胞受到化学因素、物理因素、生物因素等意外损伤或病理性刺激时引发的细胞死亡，常伴有炎症反应的发生。细胞焦亡又称细胞炎性坏死，是近年来发现的一种依赖GSDM 蛋白家族的新型程序性细胞死亡［11］。其特征为膜孔形成，细胞肿胀增大直至细胞裂解，释放大量促炎因子，进而激活强烈的炎症反应［12］。

铜死亡是最新发现的细胞死亡方式。TSVETKOV等［13］首先在2019 年的研究中发现了两种可以杀死特定耐药癌细胞的铜离子载体，分别为双硫仑及伊利司莫。伊利司莫是一种抗癌药物，最初被研究用于增加活性氧（ROS）在肿瘤细胞中的生成，而不影响正常细胞［14］。这种选择性靶向作用旨在利用肿瘤细胞对氧化应激的潜在脆弱性，通过ROS 引发肿瘤细胞的程序性死亡。既往研究发现，抑制细胞凋亡通路的下游效应因子Caspase-3、Caspase-7以及应用铁死亡抑制剂时，伊利司莫介导的细胞死亡都未受到影响。由此推测，伊利司莫参与促进一种独特的铜依赖性细胞死亡，且不能被细胞凋亡抑制剂或铁死亡拮抗剂所阻断［13］。但在GAO 等［15］研究中却发现，铜依赖性细胞死亡可以诱导铁死亡。伊利司莫通过泛素化降解抑制ATP7A 蛋白表达，使得铜离子在细胞内滞留，同时伊利司莫产生的ROS 可能会引起溶质载体家族7 成员11（SLC7A11）降解，而SLC7A11 与铁死亡关系密切。由此研究者推测，铜诱导的细胞死亡可能是一种铜依赖的铁死亡方式。在2022 年3 月，TSVETKOV 团队［1］首次提出“铜死亡”这一概念，认为铜依赖性控制的细胞死亡是一种新型细胞死亡方式，而非铜依赖的铁死亡方式，其涉及线粒体呼吸过程中铜离子与三羧酸循环脂酰化成分的直接结合，导致脂酰化蛋白聚集，继而下调铁硫簇蛋白的表达，诱导蛋白毒性应激，最终导致细胞死亡。一项关于铜死亡的全基因组研究筛选确定了介导铜死亡的特定通路，并且发现了10个可能与铜死亡相关的基因，包括7个正向调控基因以及3个负向调控基因，其中一种参与类固醇生成、铁硫簇生物合成和脂酰化的线粒体基质酶铁氧还蛋白1（FDX1）被确定为伊利司莫的蛋白质靶标。伊利司莫可与Cu2＋结合形成络合物，从而进入细胞内，FDX1 可将Cu2＋还原为毒性更强的Cu＋并催化体内的伊利司莫释放Cu＋，随即产生ROS，进一步导致细胞死亡［16］。

2 铜死亡在心血管疾病发生发展中的作用机制

2.1 动脉粥样硬化 铜在动脉粥样硬化的发病机制中发挥重要作用。近期一项研究发现，动脉粥样硬化壁中铜浓度显著下降，铜浓度与动脉粥样硬化病变的严重程度呈负相关［17］。有研究显示，铜与动脉粥样硬化病变的一个关键因素胆固醇代谢密切相关。LAMB 等［18］在动物模型的研究中对喂食高胆固醇的家兔进行膳食铜补充，发现可有效预防动物模型中的动脉粥样硬化，提示铜参与了胆固醇代谢。且值得注意的是，动脉粥样硬化病变中铜的减少与血清铜浓度的增加有关。WANG 等［3］发现，动脉粥样硬化患者血浆铜水平随着高胆固醇血症的严重程度增加而升高。LI 等［17］研究表明，在动脉粥样硬化病变部位中补充铜可增加病变部位中的铜浓度，同时可显著降低病变部位中胆固醇及磷脂的浓度，从而缩小动脉粥样硬化病变的大小。这项研究进一步证实了BO 等［19］之前发表的观察结果，即血清铜与低密度脂蛋白胆固醇呈负相关，高铜水平与更好的脂质代谢有关，铜缺乏会加剧动脉粥样硬化的发生发展。因此，铜缺乏被认为是动脉粥样硬化发生的诱因之一。KUNUTSOR 等［20］研究也发现，血清铜水平越高，动脉粥样硬化性心脏病的风险就越大，因为铜能够调节脂质代谢、低密度脂蛋白氧化以及导致细胞损伤的炎症反应。铜在动脉粥样硬化中的作用可能为心血管疾病的治疗提供了一个新的方向。

2.2 DCM DCM 是糖尿病的主要并发症之一，有研究发现，铜调节功能受损与DCM 的发病机制有关［21］。糖尿病患者铜代谢受损，可导致血铜水平升高，而肝脏中铜水平降低，从而抑制肝脏对铜的处理，导致循环中铜清除率降低［22］。同时，具有催化活性的Cu2+在心肌细胞外的积累会诱发铜中毒，因此铜被认为是糖尿病心血管损伤的重要催化剂［23］。HUO 等［24］在人类DCM 患者及啮齿类动物的DCM 模型中均发现血清和心肌中的铜水平升高，这提示糖尿病可能通过促进铜超载直接影响心肌细胞功能。美拉德反应指在特定条件下，一些含有还原性羰胺基团的化合物可以与氧气发生反应形成棕色产物的化学反应，反应的最终产物为晚期糖基化终产物（AGEs）。这种反应在生理条件下非常缓慢，但在糖尿病的高血糖条件下，葡萄糖对蛋白质的修饰会显著加速，因此美拉德反应被认为是糖尿病并发症发展的主要机制之一。研究发现，AGEs 与CuCl2的配合物可能通过ATF3/SPI1/SLC31A1 途径诱导铜死亡，同时AGEs与CuCl2或伊利司莫与CuCl2形成的配合物会触发心肌细胞死亡并加重死亡，导致糖尿病心肌病的心肌重塑和心功能障碍［25］。此外，AGEs增加了细胞内铜的积累，并表现出铜死亡的特征，包括铁硫簇蛋白（FDX1、LIAS、NDUFS8 及ACO2）的损失以及脂酰化蛋白质DLAT、DLST 的脂酰化减少。到目前为止，DCM的发病机制尚不明确，铜诱导细胞死亡有望为探索DCM的发病机制提供一个新的视角。

2.3 其他心血管疾病 LI 等［26］研究发现，铜过量增加了心肌细胞中与自噬相关的蛋白质及基因表达，提示铜过量对心肌自噬存在潜在影响，同时也证明了铜诱导的心脏毒性机制涉及了不同的代谢途径。心肌细胞铜缺乏可导致心脏能量利用受损、心脏收缩力下降并诱发心肌病［27］。DINICOLANTONIO等［28］研究发现，铜缺乏可能是缺血性心脏病（IHD）的主要病理机制，机体内铜水平低下可能会促进低密度脂蛋白氧化、关键抗氧化酶水平降低、线粒体功能不良及血管不良变化，促使IHD的发生。此外，铜死亡还可能与冠状动脉疾病的发生发展有关，与铜死亡相关的基因可能作为冠状动脉疾病的标志基因［29］。有学者发现，铜缺乏或者铜浓度过高都会通过影响心肌重构、氧化应激、能量代谢及基因表达引发心力衰竭［30］。铜死亡是由于细胞内铜浓度过高导致的，因此铜死亡也可能通过影响线粒体功能导致心力衰竭。

综上所述，铜死亡是新近提出的细胞死亡方式，越来越多的研究发现铜死亡相关机制在动脉粥样硬化、DCM、IHD及心力衰竭等心血管疾病的发生中发挥重要作用，对铜水平的调控可能成为心血管疾病新的预防及治疗策略。然而，铜死亡在心血管疾病中的研究还处于初步阶段，铜死亡在心血管疾病发生发展中的作用机制并不明确。进一步研究铜调控的细胞死亡通路是否可以成为潜在的治疗靶点，以及如何通过药物干预来调节这些通路，从而应用于心血管疾病的治疗是有价值且必要的。