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本文全面综述了铜（I）（Cu（I））探针和螯合剂在理解和处理铜相关毒性及调节异常方面的作用。介绍了 Cu（I）的配位化学、转运途径和双重毒性机制，探讨了研究 Cu（I）的实验方法及靶向 Cu（I）配体的治疗潜力。
1. 引言
1.1 Cu 作为生物金属：简要介绍
铜（Cu）是一种对生物体至关重要的过渡金属离子，成年人体内约含 100mg。它作为酶的辅助因子，参与能量产生、铁代谢和抗氧化防御等众多生物过程，还具有非酶功能。然而，铜调节异常会导致威尔逊病（WD）、门克斯病（MD）、阿尔茨海默病（AD）和某些癌症等病理状况。
1.2 Cu 在体内的稳态
在生物系统中，Cu 主要以 Cu（II）和 Cu（I）两种氧化态存在。Cu（II）具有 3d9电子构型，偏好与氮、氧原子供体结合，常处于扭曲的八面体几何构型中。Cu（I）具有 d10构型，配位数低，倾向于与含硫供体原子的分子结合，如半胱氨酸（Cys）和甲硫氨酸（Met）残基。
铜在体内的转运过程较为复杂。被肠道吸收后，Cu（II）被运输到肝脏，再通过与载体蛋白结合，如铜蓝蛋白（Cp）、白蛋白等，转运至其他器官。细胞摄取铜主要通过铜转运蛋白 1（Ctr1），进入细胞后，Cu（I）会被铜伴侣蛋白转运至不同的细胞区室和特定靶点。此外，谷胱甘肽（GSH）、金属硫蛋白（MTs）等在铜的储存和转运中也发挥着重要作用。
1.3 Cu 毒性
铜的毒性主要通过两种途径体现：与活性氧（ROS）产生相关的毒性和 ROS 非依赖性毒性。
当铜过量时，Cu（I）可在氧气存在下被氧化为 Cu（II），同时产生 ROS，包括超氧阴离子（O2•?）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（HO•）。这些 ROS 会氧化蛋白质、脂质和核酸，导致细胞功能异常和死亡。
近年来研究发现，Cu 过载还可通过诱导蛋白毒性应激、改变铁硫簇以及引发铜死亡（cuproptosis）等途径导致细胞死亡，且这些过程不依赖于 ROS 的产生。
1.4 主要的 Cu 相关疾病
Cu 转运功能障碍会导致多种严重疾病。门克斯病是由 ATP7A 基因突变引起的铜缺乏症，患者体内铜摄入减少，导致铜酶活性下降，危及生命。威尔逊病则是由于 ATP7B 基因突变，致使铜在肝脏和脑组织中积累，目前主要通过螯合剂治疗。
在癌症和阿尔茨海默病中，铜代谢也存在异常调节。癌症细胞中铜积累和铜转运蛋白 / 伴侣蛋白上调，目前针对癌症的治疗策略包括使用铜螯合剂或离子载体来调节细胞内铜水平。阿尔茨海默病患者大脑中铜稳态失衡，与淀粉样 β（Aβ）肽结合的铜可产生 ROS，加剧氧化应激和神经元损伤，针对此开发了多种铜螯合剂以缓解症状。
2. 体外通过紫外 - 可见光谱评估 Cu（I）亲和力的工具
了解配体和蛋白质对 Cu（I）的亲和力，对于理解铜在复杂生物环境中的形态以及设计合适亲和力的 Cu（I）螯合剂至关重要。由于 Cu（I）离子对氧气敏感，且在不同 pH 条件下易发生歧化或沉淀，因此测定其配合物的稳定性常数存在挑战。
目前常用的方法是使用具有已知亲和力的紫外活性探针，如 bathocuproine disulfonate（BCS）和 bicinchoninate anion（BCA），通过竞争实验来评估蛋白质和配体对 Cu（I）的结合常数。然而，在实验过程中需要注意诸多问题，如确保参考值的准确性、避免三元复合物的形成等。此外，一些蛋白质可与这些配体形成三元复合物，可能导致对 Cu（I）亲和力的误判，因此需进行对照实验。
为克服这些问题，Fahrni 及其同事开发了一系列与 Cu（I）形成化学计量配合物的配体（MCL1 - 3），这些配体可用于补充紫外探针，尤其适用于目标配体光谱与探针重叠的情况，还可用于荧光测定，以确定荧光 Cu（I）探针的亲和力。
3. 通过荧光定位和追踪生物系统中不稳定铜库的工具
为更好地理解 Cu（I）与生物环境的相互作用及其在细胞和体内的形态，研究人员开发了多种技术，如电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）、二次离子质谱（SIMS）等，但这些技术实施难度较大，且多数无法实时追踪铜的交换。
荧光检测技术因具有无损、灵敏且适用于活体样本可视化等优点，被广泛应用于铜的研究。基于此，研究人员设计了多种小分子荧光探针，根据其响应机制可分为强度型和比率型传感器。
在设计荧光探针时，需考虑多个关键参数，如选择性、灵敏度、溶解性、亲脂性、光物理性质等。荧光基团的选择对探针性能影响较大，常见的荧光基团包括萘、吡唑啉、硼二吡咯亚甲基（BODIPY）、罗丹醇和花青衍生物等。结合位点通常依赖富含硫的配体，以选择性地靶向 Cu（I）。
众多荧光探针已被开发并应用于细胞内铜浓度变化的检测，如 CTAP 系列、CS 系列等。这些探针在不同细胞类型和实验条件下表现出不同的性能，部分探针还可用于体内成像，监测活细胞和动物模型中铜的波动情况。然而，目前的荧光探针仍存在一些局限性，如光稳定性差、易形成纳米颗粒、在某些细胞类型或细胞器中响应不足等，有待进一步改进。
4. 用于治疗的 Cu（I）配体
4.1 阿尔茨海默病
在阿尔茨海默病中，铜代谢调节异常，Aβ 肽形成的老年斑中含有高水平的铜，与 Aβ 结合的铜可通过氧化还原循环产生 ROS，加剧氧化应激和神经元损伤。基于此，开发了多种铜螯合剂和离子载体，旨在去除 Aβ 上的铜并使其氧化还原失活。
虽然针对阿尔茨海默病的 Cu（I）螯合剂研究相对较少，但已有一些化合物在体外实验中表现出良好的效果，如 Zn7 - MT - 3、Zn7 - MT - 2A、BCS、1,3,5 - triaza - 7 - phosphaadamantane（PTA）等。这些化合物通过与铜结合，减少 ROS 的产生，具有潜在的治疗价值，但仍需进一步在细胞和动物模型中进行研究。
4.2 威尔逊病
威尔逊病是一种罕见的常染色体疾病，由 ATP7B 功能受损导致铜在肝脏、大脑等器官积累。目前的治疗方法主要包括使用 Zn（II）盐限制铜吸收和使用铜螯合剂促进铜排泄。
一些螯合剂如 D - penicillamine（D - Pen）、dimercaptosuccinate（DMSA）、dimercaptopropane sulfonate（DMPS）、triethylenetetramine（TETA）和 tetrathiomolybdate（TTM）等已被用于治疗威尔逊病。此外，methanobactin 等生物来源的铜螯合剂以及基于生物启发设计的铜螯合剂，如基于环十肽结构和 NTA 支架的配体，也在研究中展现出良好的应用前景，它们可特异性地靶向肝细胞，促进铜的排泄，但仍需进行临床试验验证其疗效。
4.3 癌症
在多种癌症患者的血清和肿瘤中，铜水平升高。铜在癌症发展中发挥着重要作用，可促进肿瘤生长、细胞迁移、血管生成等。基于此，铜螯合剂作为潜在的抗癌药物受到关注。
一些用于治疗威尔逊病的铜螯合剂，如 TTM 及其衍生物 ATN - 224、D - Pen 等，已被重新研究用于癌症治疗，并在临床试验中展现出一定的抗肿瘤效果。此外，研究人员还开发了一系列新的高亲和力铜螯合剂，如基于 phosphine sulfide - stabilized phosphine（PSP）支架的配体，这些配体能够有效降低细胞内铜水平，抑制血管生成，具有潜在的抗癌应用价值。
5. 讨论
铜失衡与众多病理过程相关，是重要的药物靶点。理解铜代谢的分子机制和生物分子作用，对于设计有效的螯合剂治疗相关疾病至关重要。
在研究蛋白质和配体对 Cu（I）的结合亲和力时，需谨慎选择实验方法和控制实验条件，以确保结果的可靠性。荧光探针在监测 Cu（I）转运方面具有潜力，但目前的探针仍存在一些问题，需要开发具有更高亲和力、更好光稳定性和生物相容性的探针，结合比率型策略和密度泛函理论（DFT）计算，有望提高铜成像的准确性和可靠性。
铜螯合剂在治疗铜过载相关疾病方面展现出一定的潜力，尽管目前临床应用的螯合剂存在一些局限性，但基于生物启发设计的高亲和力、高选择性且可靶向的铜螯合剂，有望为相关疾病的治疗带来新的突破，与其他药物联合使用可能会取得更好的治疗效果。
