《International Journal of Molecular Sciences》：Cuproptosis: New Mechanisms Linking Endothelial Dysfunction to Neurodegenerative Diseases and Therapeutic Prospects
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铜死亡（Cuproptosis）是一种由铜稳态失衡和线粒体代谢重编程驱动的调节性细胞死亡形式，其机制不同于其他细胞死亡通路，并与血管内皮功能障碍及阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）和帕金森病（Parkinson’s disease）等神经退
铜死亡（Cuproptosis）是一种由铜稳态失衡和线粒体代谢重编程驱动的调节性细胞死亡形式，其机制不同于其他细胞死亡通路，并与血管内皮功能障碍及阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）和帕金森病（Parkinson’s disease）等神经退行性疾病日益关联。本文全面综述了铜死亡的核心分子机制及其在内皮功能障碍和神经退行性疾病中的新兴作用，综合了来自细胞、动物和人类研究的最新发现。铜死亡通过损害内皮屏障功能、诱导氧化应激以及促进炎症和衰老来加剧血管病理。在大脑中，它既通过线粒体损伤和神经元丢失直接驱动神经退行性变，又通过与淀粉样蛋白-β（amyloid-beta, Aβ）和α-突触核蛋白（α-synuclein）等病理蛋白相互作用间接驱动神经退行性变，从而形成铜失调与蛋白质聚集的恶性循环。本综述通过强调铜死亡的关键作用，为血管内皮功能障碍和神经退行性疾病的病理生理学提供了新见解。理解铜死亡如何将铜代谢与细胞死亡通路联系起来，为识别新型治疗靶点开辟了途径。恢复铜稳态或阻断铜死亡特异性分子事件的干预措施，可能为治疗这些破坏性疾病提供有前景的策略。
1. 引言
铜死亡（Cuproptosis）于2022年被首次明确定义，其特征依赖于细胞内铜积累，铜离子直接结合并导致脂酰化三羧酸（TCA）循环蛋白寡聚化，从而引发蛋白毒性应激和细胞死亡。其核心机制涉及线粒体呼吸调控，关键调节因子包括铁氧还蛋白1（ferredoxin 1, FDX1），后者通过将Cu2+还原为Cu+，促进二氢硫辛酰胺乙酰转移酶（dihydrolipoamide S-acetyltransferase, DLAT）的酰化及铁硫簇蛋白降解。内皮细胞作为血管功能的关键调节者，其功能障碍是心脑血管疾病的核心。近期证据表明，铜稳态破坏与内皮损伤密切相关，例如内皮细胞中的铜摄取转运体CTR1可通过与线粒体铜转运体SLC25A3相互作用，升高线粒体内铜水平，进而使FDX1还原Cu2+为Cu+，后者直接结合并诱导DLAT发生脂酰化依赖性寡聚化，伴随铁硫簇蛋白（如SDHB）丢失和HSP70诱导，最终触发铜死亡并加剧动脉粥样硬化。在糖尿病和高血压等心脑血管疾病病理前体中，铜死亡也被认为参与其中。大脑是一个铜代谢活跃的器官，铜稳态紊乱长期被认为与阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的病理过程有关。本综述提出，内皮铜死亡作为上游触发因素，重塑神经微环境，降低蛋白病变和神经元死亡的阈值。
2. 铜死亡的核心分子机制与调控网络
2.1 铜离子的转运、螯合与胞内蓄积
铜离子主要通过高亲和力铜转运体1（SLC31A1/CTR1）进入细胞。进入胞质后，铜离子被金属伴侣蛋白如抗氧化剂1铜伴侣蛋白（ATOX1）和超氧化物歧化酶铜伴侣蛋白（CCS）运输至特定亚细胞靶点，或与金属硫蛋白（MTs）结合以惰性形式储存。铜外排主要由P型ATP酶转运体ATP7A和ATP7B介导。线粒体铜池过载是启动铜死亡的关键事件，过量铜与TCA循环的脂酰化蛋白结合，导致其异常寡聚化。线粒体铜转运主要依赖金属伴侣蛋白COX17，它将Cu(I)从胞质运送至线粒体膜间隙和内模蛋白，分别传递给SCO1和COX11用于细胞色素c氧化酶的组装。此外，COX19、COX23和MEMO1等蛋白也参与维持线粒体铜稳态。
2.2 线粒体呼吸链与脂酰化TCA循环蛋白的寡聚化
铜离子特异性结合线粒体柠檬酸循环中的酰化酶，其中DLAT是关键靶点。这种结合依赖于FDX1介导的酰化过程，FDX1将Cu(II)还原为更具反应活性的Cu(I)，使其稳定结合到酰化位点。一旦结合，铜离子诱导这些脂酰化TCA循环蛋白异常寡聚化，形成不溶性蛋白质聚集体，严重破坏TCA循环正常运作，导致线粒体代谢完全崩溃。该细胞死亡通路的标志性事件包括脂酰化蛋白聚集、铁硫簇蛋白丢失和热休克蛋白70上调。
2.3 铁硫簇生物合成抑制与能量危机
过量铜离子，特别是其还原形式Cu+，可直接靶向并抑制铁硫簇的生物合成机器。铜超载抑制Fe-S簇组装，降低Fe-S酶活性，导致线粒体功能障碍。线粒体电子传递链复合物I、II和III均含有铁硫簇，当其功能丧失时，电子传递链完整性受损，氧化磷酸化受阻，ATP产量急剧下降。这种能量危机与柠檬酸循环中断协同作用，将细胞推向死亡边缘。
3. 铜死亡诱导内皮功能障碍的机制
3.1 内皮细胞铜稳态的特征与易感性
内皮细胞直接暴露于循环血液，面临独特的铜稳态挑战。在炎症和氧化应激等病理条件下，内皮细胞表现出铜摄取增加和外排减少，成为易受铜死亡影响的细胞类型。例如，在阿尔茨海默病模型中，Aβ42处理可上调人脑微血管内皮细胞中铜摄取蛋白CTR1的表达，同时下调铜外排蛋白ATP7A，导致细胞内铜积累和氧化应激。ATP7A的稳定性受小窝蛋白-1调控，后者可防止其泛素化降解。
3.2 铜死亡引起的内皮屏障功能破坏
铜死亡的核心机制导致内皮细胞ATP合成严重受损，能量危机剥夺了细胞骨架维持和重组的动力，尤其破坏了肌动蛋白应力纤维的稳定性。在急性脑梗死模型中，铜死亡促进蛋白的上调与血脑屏障损伤密切相关。铜超载还会触发严重的氧化应激，破坏血管内皮钙黏蛋白等细胞间连接蛋白，导致紧密连接和黏着斑完整性丧失，内皮层出现间隙，血浆成分渗漏至血管外组织。在动脉粥样硬化中，内皮功能障碍是疾病的起始步骤。
3.3 内皮细胞炎症与衰老表型的诱导
内皮细胞铜超载导致线粒体功能障碍和致死性活性氧（ROS）积累，促使损伤相关分子模式（DAMPs）释放，激活炎症级联反应。铜诱导的炎症微环境通过持续分泌白细胞介素-1β和白细胞介素-6等促炎因子，不仅加剧局部血管壁炎症，还可能通过循环系统影响远端器官。铜积累引发的线粒体损伤是内皮细胞加速衰老的核心机制。经历铜死亡应激的内皮细胞表现出典型的衰老相关分泌表型（SASP），大量分泌促炎因子、趋化因子和基质金属蛋白酶，造成慢性促炎和促纤维化微环境。受损的血脑屏障允许促炎细胞因子和DAMPs直接外渗至血管周围间隙，激活小胶质细胞和星形胶质细胞，放大炎症级联反应。
3.4 从血管到脑实质的“铜溢出”
在铜死亡应激下，内皮细胞的CTR1/ATP7A平衡发生病理性偏移，导致净细胞内积累。当这些超载的内皮细胞死亡并失去膜完整性时，积累的细胞内铜被动释放至血管周围空间。研究人员提出“铜溢出”假说，认为濒死内皮细胞充当神经微环境中病理性铜过量的重要来源，直接提高邻近神经元可利用的胞外不稳定铜池水平，促进Aβ寡聚化和α-突触核蛋白β-片层富集寡聚体的稳定。
4. 探索铜死亡与神经退行性疾病的联系
4.1 铜死亡与阿尔茨海默病的病理联系
4.1.1 脑内铜稳态紊乱与Aβ病理的相互作用
阿尔茨海默病患者大脑特定区域存在显著的铜异常积累，尤其在淀粉样斑块周围。游离或异常结合的铜离子可与Aβ肽高亲和力结合，形成Cu-Aβ复合物，一方面催化Aβ构象变化加速其聚集，另一方面Cu-Aβ复合物具有氧化还原活性，催化产生ROS引发氧化应激。Aβ寡聚体本身具有很强的螯合铜能力，形成铜促进Aβ聚集、聚集的Aβ进一步螯合更多铜的正反馈循环。Aβ寡聚体可上调神经元铜转运体SLC31A1的表达，增加细胞铜摄取。星形胶质细胞作为重要的“铜海绵”，其在AD病理下的功能受损，共同创造了一个易于发生铜毒性和铜死亡的微环境。
4.1.2 铜死亡直接驱动神经元和突触损伤
在创伤性脑损伤和脑出血等急性中枢神经系统损伤模型中，铜死亡通路在神经元死亡中发挥直接驱动作用。铜死亡导致的线粒体塌陷直接引起突触前末梢能量耗竭和神经递质释放受损。研究表明，铜暴露可抑制PSD-95和SYP表达，影响突触可塑性。在辐射性脑损伤和蛛网膜下腔出血模型中，抑制铜死亡可改善行为功能并增加神经元存活。载脂蛋白E ε4等位基因携带的神经元可能表现出线粒体代谢缺陷，使其更易受到铜离子积累和铜死亡的影响。
4.1.3 铜死亡特异性执行因子在阿尔茨海默病病理中的作用
FDX1在AD患者外周血和神经元模型中显著上调，其表达水平与疾病严重程度和认知衰退正相关。升高的FDX1活性驱动DLAT异常寡聚化，在线粒体中积累为不溶性聚集体。Aβ寡聚体可进一步上调FDX1表达，形成Aβ促进FDX1介导的铜死亡、随之而来的线粒体损伤加剧氧化应激、进而增加Aβ产生和聚集的向前反馈环路。
4.1.4 内皮铜死亡如何助长AD病理：铜泄漏与炎症的正反馈环路
在铜死亡应激下，内皮细胞通过“铜溢出”和“炎症重编程”两条交叉途径协同驱动AD进展。首先，铜外流直接为Aβ聚集提供病理基础并降低铜诱导神经元死亡的阈值。铜丰富的微环境显著上调神经元突触膜上铜转运蛋白CTR1的表达，导致神经元被动摄取过量铜离子，当线粒体铜负荷超过FDX1介导的解毒阈值时，神经元内在铜死亡通路被异常激活。其次，内皮SASP炎症因子通过破坏胶质细胞铜稳态间接削弱神经元保护屏障，诱导星形胶质细胞转化为神经毒性表型，使其铜缓冲能力显著下降，同时激活小胶质细胞M1型极化，释放更多ROS和炎症介质。
4.2 铜死亡在帕金森病发病中的潜在作用
4.2.1 α-突触核蛋白聚集体与铜离子的相互作用
α-突触核蛋白具有结合铜离子的能力，其N端区域包含多个铜结合位点。Cu(II)离子的结合诱导α-Syn构象变化，促进其从可溶性单体向毒性寡聚体和淀粉样原纤维转化。过度聚集的α-Syn可能通过多种机制使多巴胺能神经元面临铜死亡风险，包括“劫持”神经元内可用铜池破坏正常铜稳态，以及Cu-αSyn复合物自身具有氧化还原活性催化ROS产生。
4.2.2 多巴胺能神经元的特别脆弱性
多巴胺能神经元代谢高度活跃，多巴胺合成和释放过程本身就会产生ROS。慢性职业性或环境性铜暴露与帕金森病风险增加相关，并可诱导黑质致密部多巴胺能神经元丢失。在携带PARKIN或LRRK2基因突变的模型中，过量铜供应显著加剧神经变性。当叠加PD相关的线粒体自噬缺陷时，受损线粒体无法及时清除，其中的铜离子更容易积累，触发铜死亡通路。
4.2.3 血管铜溢出与多巴胺能神经元脆弱性：线粒体自噬缺陷的“双重打击”效应
血管铜泄漏为多巴胺能神经元提供持续的可利用铜源，而关键“第二击”在于这群神经元存在显著的线粒体自噬缺陷。当铜溢出导致线粒体基质铜离子浓度轻微升高时，正常神经元可能通过增强线粒体自噬选择性清除含过量铜的“老化线粒体”，但PD中这一质量控制体系严重受损。残留的受损线粒体铜离子外排能力严重受损，血管泄漏的铜离子在这些无法清除废物的神经元中大量积累，加速DLAT寡聚化。
4.3 铜死亡与其他神经退行性疾病
4.3.1 铜死亡在亨廷顿病和线粒体代谢缺陷中的作用
亨廷顿病由HTT基因CAG重复序列异常扩增引起，其核心病理特征之一是广泛而严重的线粒体功能障碍和能量代谢缺陷。突变HTT蛋白可直接靶向并损伤线粒体，导致线粒体呼吸链复合物活性降低、TCA循环紊乱和ROS过量产生。这种潜在的线粒体能量危机使神经元对额外应激更加脆弱，铜稳态失衡及其诱导的铜死亡机制可能与HD中预先存在的线粒体代谢缺陷产生协同放大效应。
4.3.2 铜死亡在肌萎缩侧索硬化症中的作用
SOD1基因突变是ALS最早发现且研究最广泛的遗传因素之一。在SOD1突变相关ALS中，突变SOD1蛋白与其铜伴侣蛋白CCS的相互作用受损，导致铜无法有效递送至SOD1活性位点，引起SOD1金属化不足和错误折叠。铜死亡相关基因在ALS患者脊髓或血液样本中差异表达，如LIAS和FDX1的表达变化可能影响疾病进展速率。金属硫蛋白在ALS中上调，被认为是代偿性保护机制。
5. 针对铜死亡的诊断和治疗策略展望
5.1 生物标志物的开发
理想的生物标志物应能灵敏特异地反映体内铜死亡活性。体液分子标志物方面，核心机制涉及的脂酰化蛋白寡聚片段或蛋白毒性应激分子可作为潜在候选，如AD中FDX1在外周血中显著上调。非编码RNA因其在外周循环中的稳定性也成为有前景的非侵入性标志物来源。分子成像探针方面，基于铜螯合剂的PET示踪剂可实现可视化诊断，未来需开发能区分不同价态铜离子或特异性结合铜死亡过程中聚集的脂酰化蛋白的智能探针。
5.2 铜螯合剂的重评估与靶向应用
传统铜螯合剂如青霉胺临床疗效不一致，其功效可能高度依赖于对特定病理通路的精确干预。需要开发能够穿越血脑屏障并选择性清除毒性铜池的新型铜螯合剂或调节剂，理想策略是恢复适当的铜稳态而非简单耗尽所有铜。线粒体靶向铜螯合纳米颗粒已被证明可有效缓解血流紊乱诱导的内皮细胞死亡和动脉粥样硬化。值得注意的是，并非所有调节策略都旨在消除铜，Cu-ATSM作为一种可穿透血脑屏障的Cu(II)载体，在缺氧组织中选择性释放Cu+，已在ALS和PD模型中显示出治疗效果。
5.3 线粒体保护与代谢干预
线粒体靶向抗氧化剂如MitoQ可在线粒体内特异性积累，有效中和铜超载产生的过量ROS。增强受损线粒体清除机制的线粒体自噬也是维持线粒体健康的重要方法。通过调节细胞代谢通路增强细胞对铜毒性的抵抗是另一有前景的策略，如下调FDX1表达可有效抑制DLAT寡聚化，阻断铜死亡通路。
6. 当前挑战与未来研究方向
6.1 铜螯合的临床困境：精准vs.耗竭
广谱铜螯合剂在临床试验中失败的根本原因在于缺乏空间和亚细胞精度。未来的成功取决于更智能的递送，如线粒体靶向纳米螯合剂或内皮黏附载体，以区分“毒性”和“功能性”铜池。
6.2 铜死亡与铁死亡之间的模糊界限
两种通路在线粒体功能障碍、ROS产生和脂质过氧化方面存在重叠，且都依赖铁硫簇生物合成的完整性。同一细胞可能根据铜和铁的相对丰度表现出两种通路的特征，这种串扰表明细胞死亡方式的二元分类可能过于简化。
6.3 细胞类型特异性：内皮细胞vs.星形胶质细胞vs.神经元
神经元对FDX1依赖性铜死亡高度易感，而星形胶质细胞对铜毒性的反应并不完全符合经典铜死亡，主要经由氧化应激介导且不依赖FDX1。这种细胞类型特异性要求在治疗靶向铜死亡通路时必须考虑细胞异质性，开发细胞类型特异性递送系统至关重要。
7. 讨论
铜死亡的发现为理解血管病理与神经变性的交汇提供了前所未有的机制视角。本综述提出了内皮-神经元铜死亡轴的概念框架，其中脑内皮不仅是旁观者，而是活跃的上游枢纽。认识到这种血管-神经连续体具有深远的治疗意义，表明仅干预神经元层面可能不足，而通过靶向抗铜死亡策略保护内皮健康可能产生上游且广谱的疾病修饰效果。未来亟需开发能够区分病理性和生理性铜池的分子成像探针，以及细胞类型特异性和细胞器靶向的递送系统，以实现“精准铜调控”。
