糖尿病肾病中线粒体铜稳态与代谢应激、呼吸链功能障碍及肾损伤之间的新关联

《Diabetes, Metabolic Syndrome and Obesity》：Mitochondrial Copper Homeostasis in Diabetic Kidney Disease: Emerging Links Between Metabolic Stress, Respiratory Chain Dysfunction, and Renal Injury

　　

糖尿病肾病（DKD）仍然是慢性肾脏病（CKD）和肾衰竭的主要原因，尽管已有重大治疗进展。目前的疾病修饰疗法可降低但并未消除残余风险，这表明存在额外的细胞内机制将糖尿病代谢应激转化为进行性肾损伤。线粒体功能障碍已成为这一过程中的核心节点，因为肾小管细胞、足细胞、内皮细胞和系膜细胞依赖线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）来维持物质转运、滤过屏障完整性、氧化还原控制和适应性修复。铜是细胞色素c氧化酶（COX；呼吸链复合物IV）必需的金属辅因子，线粒体铜递送对于COX组装、电子传递、质子泵功能和ATP生成至关重要。本综述整合了来自DKD病理生物学、线粒体生物学和铜稳态的确立证据，并结合新兴及间接证据，探讨线粒体铜稳态失调作为DKD潜在机制联系的可能性。确立的证据支持DKD中的线粒体功能障碍以及铜在COX/复合物IV组装和呼吸链功能中的关键作用。研究人员进一步提出，糖尿病代谢应激可能干扰铜摄取、胞内转运、线粒体铜递送或COX对铜的利用，导致功能性线粒体铜耗竭或错误分配。这种干扰可能导致COX功能障碍、OXPHOS失败、ATP耗竭、线粒体活性氧（mtROS）放大、线粒体质量控制受损及随后的肾损伤。然而，直接证明DKD特异性线粒体铜转运受损或功能性线粒体铜耗竭的证据仍然有限，因此该机制应被视为一个可检验的假说，而非已确定的致病通路。本研究还将此机制与铜死亡（cuproptosis）区分开来，考察其与铁死亡（ferroptosis）的交集，并概述生物标志物、多组学、金属组学和治疗机遇。

引言

糖尿病肾病是糖尿病最常见且后果最严重的微血管并发症之一，是全球范围内CKD、肾衰竭、心血管事件和过早死亡的主要原因。当代指南强调早期风险分层、蛋白尿性疾病中的肾素-血管紧张素系统（RAS）阻断、钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制剂、胰高血糖素样肽-1受体激动剂（GLP-1 RA）、非甾体盐皮质激素受体拮抗剂、血压控制和代谢管理。DKD并非高血糖的简单后果，它反映了高血糖、晚期糖基化终末产物（AGEs）、脂毒性、肾小球高滤过、近端肾小管溶质转运增加、炎症、氧化应激、血流动力学应激和微血管缺氧的相互作用。SGLT2中心生理学说明了这种代谢负担：滤过的葡萄糖和钠增加了近端肾小管的转运工作，而适应不良的小管-肾小球反馈导致了肾小球高血压和能量供需失衡。区分DKD与非糖尿病CKD也很重要，因为DKD常合并肾小球、肾小管、血管和间质病变，而非单一腔室的损伤。在此背景下，近端肾小管上皮细胞尤其脆弱，因为它们需要高ATP通量来维持钠、葡萄糖、蛋白质和有机溶质的处理。线粒体因此在DKD中并非被动的旁观者。人类代谢组学揭示了一个与DKD中线粒体功能障碍一致的信号特征，肾脏线粒体能量学日益被认为是决定肾小管工作、耗氧量以及对缺氧或毒性应激易感性的因素。综述和实验研究一致描述了DKD中OXPHOS能力降低、底物利用改变、mtROS积累、线粒体DNA（mtDNA）损伤、线粒体动力学受损、线粒体自噬缺陷和线粒体生物发生紊乱。这些异常与糖尿病肾小管病变高度相关，因为转运需求增加的同时线粒体能量供应可能下降。葡萄糖驱动和非葡萄糖应激源均可汇聚于线粒体损伤，表明线粒体衰竭是一条共同通路，而非晚期非特异性事件。铜生物学为这个线粒体问题提供了一个聚焦且尚未充分整合的切入点。铜是几种含铜酶所必需的，但在线粒体内，其最直接的生物能量学作用体现在细胞色素c氧化酶中，即末端电子传递链（ETC）复合物，负责将电子传递给分子氧，并对质子梯度形成和ATP生产有重要贡献。这种对铜的直接依赖性为本综述聚焦于COX/复合物IV提供了主要依据。细胞铜必须被获取、缓冲、由分子伴侣护送、递送至细胞器并插入靶酶，同时尽量减少游离铜暴露。CTR1/SLC31A1介导跨细胞膜的主要铜摄取，ATP7A/ATP7B和分子伴侣系统支持细胞内分布和输出，而线粒体COX成熟依赖于专门的铜递送和组装机器。重要的是，DKD中的铜失调不应简化为血清或组织总铜是否升高或降低。全身铜失衡、肾脏组织铜重新分布、线粒体铜可用性和铜死亡代表了相关但机制上不同层次的铜生物学。核心知识空白在于，虽然糖尿病和DKD与铜指数和铜相关生物标志物的改变有关，且线粒体功能障碍在DKD中已得到充分证实，但直接证明糖尿病代谢应激在特定肾细胞类型中破坏线粒体铜转运、铜向COX的递送、COX组装或复合物IV活性的证据仍然有限。因此，本综述考察线粒体铜稳态失调（包括功能性线粒体铜耗竭的可能性）是否可能在糖尿病代谢应激与呼吸链功能障碍之间提供机制联系。研究人员提出，线粒体铜可用性受损可能损害COX/复合物IV功能，从而导致OXPHOS障碍、ATP耗竭、mtROS放大、线粒体质量控制缺陷和肾细胞损伤。这一序列被呈现为一个生物学上合理且可检验的假说，而非已建立的DKD通路。

铜稳态与线粒体铜转运

细胞铜处理：铜是必需但潜在有毒的元素，因为氧化还原活性的铜如果在缓冲不良的池中积累会催化破坏性反应。哺乳动物细胞因此维持极低的游离铜水平，并依赖于协调的摄取、缓冲、区室化、分子伴侣介导的递送和输出。CTR1/SLC31A1是一个关键的高亲和力铜输入蛋白，其结构和转运有助于确定铜跨细胞膜的进入。一旦进入细胞，铜通过一个网络进行分布，该网络包括用于分泌途径递送和输出的ATP7A和ATP7B、用于向P型ATP酶转移铜的ATOX1、用于Cu/锌超氧化物歧化酶金属化的CCS以及专门的线粒体铜递送因子。ATX1/ATOX1作为可溶性铜伴侣的发现确立了铜并非简单地溶解并在细胞质中扩散，而是通过配体交换反应传递给靶系统的原理。CCS同样展示了专用分子伴侣如何支持SOD1金属化和抗氧化防御。铜伴侣的结构和生化研究进一步阐明铜转移取决于金属结合基序、氧化还原敏感性硫醇和蛋白质-蛋白质识别。这些机制对DKD很重要，因为糖尿病应激改变了氧化还原状态、蛋白质糖基化、炎症信号和线粒体膜电位，其中任何一个都可能改变铜递送而不一定改变总组织铜含量。

线粒体铜转运与COX组装：线粒体铜主要在COX/复合物IV的背景下讨论，尽管线粒体铜池可能参与其他过程。COX含有需要在组装过程中精确插入辅因子的金属中心。早期遗传学研究鉴定了包括SCO1、COX15和COX11在内的人类呼吸链组装基因，COX17被定位为参与线粒体铜转运的蛋白质。酵母研究表明SCO1和SCO2可以抑制线粒体铜募集缺陷，而聚焦组装的综述将这些蛋白质置于COX生物发生的更广泛过程中。人类SCO1和SCO2随后被证明在向COX递送铜方面具有独立但协作的功能。COX组装通路内的铜转移并非单一步骤。在酵母系统中，Cox17可以将铜转移给Sco1和Cox11，而人类Sco1和Sco2作为铜结合蛋白发挥作用。关于线粒体铜转运的综述描述了一个涉及COX17、SCO1、SCO2、COX11和其他组装因子的接力过程，这些因子支持复合物IV活性所需的Cu_A和Cu_B中心的成熟。功能实验进一步支持了这一模型：COX17敲低损害COX组装和超分子组织，氧化还原调节可以通过活性氧（ROS）敏感的组装因子影响COX生物发生。历史上被称为线粒体磷酸盐载体的SLC25A3也被鉴定为COX生物发生所需的线粒体铜转运蛋白。最近的结构和生化工作详细阐述了人类COX中金属中心生物发生的协调，而较新的综述强调COX组装和功能的氧化还原控制。这些数据界定了本综述的核心机制：铜转运使COX组装成为可能；COX组装使复合物IV活性成为可能；复合物IV活性使高效电子传递、质子泵送和ATP生成成为可能。当铜递送受损时，直接的病理后果不仅仅是“铜异常”，而是呼吸链能力降低。与肾脏疾病的相关性通过以下证据得到强调：COX17可以通过在肾脏实验系统中维持线粒体铜稳态和复合物IV活性来限制肾纤维化。

功能性线粒体铜耗竭：本文提出的功能性线粒体铜耗竭描述了一种状态，其中总细胞或组织铜可能正常或升高，但线粒体无法获取、递送或使用足够的铜用于COX组装和呼吸链功能。这个概念不同于全身性铜缺乏、铜过量和铜死亡。它关注区室化的铜生物利用度和铜依赖性酶功能，而非整体元素丰度。该构想的生物学依据源于细胞内铜转运和铜依赖性COX金属化与组装的既定机制，而铜过量相关的细胞死亡代表了一个机制上不同的过程。因此，功能性线粒体铜耗竭应被视为DKD中的一个操作性且可检验的假说，而非一个已确定的病理生理实体。这一区别在糖尿病和DKD中尤为重要。血清铜、尿铜、铜蓝蛋白和总肾铜反映了全身铜状态、肾脏处理、蛋白质结合、炎症或组织再分布，但其本身无法确定线粒体COX组装通路是否接收到足够可用的铜。因此，尿铜排泄增加或肾铜再分布理论上可能与不充分的线粒体铜可用性共存，尽管这种特定状态尚未在DKD中得到直接证明。实验和临床文献也表明，改变铜可用性可能具有背景依赖性效应；在某些情况下减少氧化还原活性铜可能有益，而过量或误导的铜移除理论上可能损害铜依赖性呼吸酶。工作模型因此是铜的错误分配：糖尿病代谢应激可能改变铜分布、损伤铜伴侣、改变转运蛋白表达或损害线粒体输入，从而在没有简单全身性铜缺乏的情况下产生COX功能障碍。该模型生成可检验的预测，而非总结已在DKD中展示的发现。

糖尿病及糖尿病肾病中的铜失调

糖尿病中的铜失衡：糖尿病与微量元素代谢改变相关，但文献不支持铜变化的单一统一方向。一篇关于铜在糖尿病和DKD中的叙述性综述得出结论，铜可能导致氧化应激、炎症、内皮功能障碍和肾损伤，同时也指出了跨研究和生物学区室的异质性。较早和较近期的临床研究报告了糖尿病和DKD患者尿铜排泄、血清和尿液铜/锌状态、血清铜蓝蛋白、铜/锌比值和尿液微量元素谱的改变，尽管这些指标可能受炎症、白蛋白尿、肾功能、营养状况和检测背景的影响。这些发现支持铜稳态失调，但并非简单的铜缺乏或铜过载表型。

代谢应激作为铜再分布的驱动力：糖尿病代谢应激可能在多个层面干扰铜处理，尽管直接的DKD特异性证据仍然有限。高血糖、AGEs、脂毒性、炎症、氧化应激和线粒体功能障碍是糖尿病肾脏环境的既定组成部分。同时，细胞内铜转移依赖于金属结合基序、氧化还原敏感硫醇和蛋白质-蛋白质相互作用，COX生物发生易受通过ROS敏感组装机制的氧化还原调节。因此，糖尿病氧化还原和炎症应激可能潜在地改变铜伴侣或COX组装因子的功能，从而降低铜转移效率。线粒体膜电位的丧失和更广泛的线粒体损伤可能进一步扰乱COX高效生物发生所需的线粒体内环境，尽管这一过程的铜特异性效应尚未在DKD中得到直接证明。动物证据支持糖尿病期间肾铜再分布的合理性。链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠显示肾皮质可溶性和颗粒组分中铜积累。铜选择性螯合改善了糖尿病诱发的肾纤维化和白蛋白尿，并抑制了糖尿病大鼠肾脏中致病的转化生长因子-β（TGF-β）激活。铜螯合后的蛋白质组学分析确定了与大鼠糖尿病肾病逆转相关的肾脏靶点，三乙撑四胺联合RAS阻断改善了高血压实验性糖尿病肾病中的肾小球形态。这些研究很重要，但应谨慎解释：铜螯合的有益效应可能反映氧化还原活性铜的减少或纤维化信号的改变，而非必然纠正线粒体铜递送。

DKD中的铜失调：铜相关的DKD研究近期已转向转录组学和细胞死亡信号特征。生物信息学研究提出了糖尿病肾病中铜相关的生物标志物和分子机制，通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）和机器学习鉴定了免疫和铜死亡相关基因，并描述了DKD中铜死亡相关的竞争性内源RNA（ceRNA）网络和免疫浸润。这些研究提供了假设生成的图谱，但它们并不直接测量线粒体铜池、COX金属化或复合物IV活性。因此，关键空白在于机制分辨率。现有的DKD铜数据在改变的全身或尿铜指数、肾铜再分布和铜相关基因信号特征方面最强，在线粒体铜递送、COX组装和呼吸链活性的特定轴方面则较弱。下一阶段应从铜丰度转向铜功能：亚细胞铜测量、呼吸链复合物的天然凝胶分析、COX活性测定、铜伴侣氧化还原状态分析、海马生物分析仪耗氧率（OCR）分析、ATP定量和特定肾细胞类型中的mtROS成像。

DKD中的线粒体铜稳态与呼吸链功能障碍

COX/复合物IV功能障碍作为核心机制桥梁：COX/复合物IV是线粒体铜稳态失调最直接的生物能量学靶点。DKD研究反复指出线粒体氧化代谢降低和呼吸链活性改变。由于复合物IV位于ETC的末端步骤，COX组装或活性受损会增加上游电子压力，损害质子梯度形成，减少ATP产生并促进mtROS。在糖尿病肾脏中，近端肾小管转运和肾小球适应性增加了能量需求，这一缺陷预计比在呼吸依赖性较低的细胞中产生更大的后果。几个DKD观察结果与此模型兼容。人类代谢组学数据支持线粒体功能障碍作为DKD信号特征。糖尿病肾小管病变的特征在于线粒体功能障碍、底物利用改变和能量应激。靶向线粒体通路的药理学研究，包括核因子E2相关因子2（Nrf2）/PTEN诱导激酶1（PINK1）信号和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）调节的能量稳态，可以减轻糖尿病模型中的肾损伤。这些研究并未证明铜依赖性COX衰竭，但它们表明线粒体能量机器是一个与疾病相关且可调节的节点。

ATP耗竭与小管能量供需失衡：近端肾小管提供了功能性线粒体铜耗竭最清晰的生理学背景。它具有密集的线粒体和很高的ATP需求，用于钠重吸收、葡萄糖重吸收、蛋白质摄取、酸碱处理和有机溶质转运。糖尿病状态增加了滤过的葡萄糖和钠负荷，增强了近端肾小管重吸收工作，造成了ATP使用的需求侧上升。如果线粒体铜递送受损，COX功能障碍将在转运需求上升的同时减少ATP供应。下游表型可能包括较低的OCR、ATP耗竭、线粒体膜去极化、脂肪酸氧化（FAO）受损、肾损伤分子1（KIM-1）/中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）增加、肾小管去分化、炎症和纤维化。肾小管上皮细胞中FAO缺陷足以促进肾纤维化，而DKD特异性脂毒性综述和脂质代谢研究强调了脂质过载和线粒体应激如何在糖尿病肾脏中相互作用。KIM-1也与肾小管细胞的脂肪酸摄取和进行性DKD相关联，将损伤标志物表达与小管代谢重塑联系起来。SGLT2抑制剂间接支持了小管能量需求的重要性。它们的肾脏益处不能仅用降糖来解释；它们改变了近端肾小管工作量、管球反馈、耗氧量和代谢信号。如果功能性线粒体铜耗竭促成了COX衰竭，SGLT2抑制可能减轻施加于受损线粒体的能量应激，即使不直接纠正铜转运。

mtROS放大与线粒体损伤：涉及COX的呼吸链损伤可能增加上游电子压力，有利于电子泄漏和mtROS生成。增加的mtROS可以损伤mtDNA、膜脂质和呼吸链蛋白，同时氧化还原敏感的COX组装和铜转运机器也可能受到影响。研究人员因此提出mtROS可能进一步损害线粒体铜处理和COX能力，形成一个潜在的自我强化的生物能量学损伤循环。DKD文献强烈支持mtROS作为一个损伤放大器。线粒体功能障碍和氧化应激在DKD进展中被反复提及，CD36被证明通过糖尿病肾脏肾小管上皮细胞中的mtROS途径促进核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）炎症小体活化。DKD中线粒体炎症的综述进一步连接了线粒体损伤、mtROS、mtDNA释放和炎症信号。这使得mtROS成为铜依赖性呼吸链衰竭与下游炎症损伤之间一个合理的汇聚点。

线粒体质量控制失败：呼吸链损伤也影响线粒体动力学和线粒体自噬。ATP耗竭、膜电位丧失和mtROS可以改变发动蛋白相关蛋白1（DRP1）介导的分裂、线粒体融合蛋白（MFN）/视神经萎缩蛋白1（OPA1）依赖性融合、PINK1/Parkin信号和选择性自噬清除。肾脏自噬对稳态和应激适应至关重要，DKD综述描述了线粒体质量控制的丧失是疾病进展的主要因素。线粒体动力学综述进一步强调过度分裂和融合缺陷可以在DKD中延续肾细胞损伤。实验数据支持这一延伸。MitoQ通过Nrf2/PINK1改善了由线粒体自噬介导的肾小管损伤。丙酮酸激酶M2激活保护了糖尿病肾小球病理和线粒体功能障碍。小檗碱抑制了足细胞中DRP1介导的线粒体分裂和功能障碍，并促进了DKD中PGC-1α调节的线粒体能量稳态。PGC-1α和线粒体生物发生在肾脏疾病中的更广泛作用支持了这一生物能量学解释。AMP活化蛋白激酶（AMPK）激活通过激活线粒体自噬减轻了肾小管间质纤维化，磷酸呋喃酸性簇分选蛋白2（PACS-2）通过促进内质网-线粒体接触和线粒体自噬改善了肾小管损伤。A激酶锚定蛋白1（AKAP1）导致了DKD中mtDNA复制受损和足细胞线粒体功能障碍。最近的研究表明，通过Yes相关蛋白1（YAP1）保护小管线粒体质量控制可减轻DKD。这些研究共同将质量控制失败定位在呼吸功能障碍的下游和进行性肾损伤的上游。

线粒体铜稳态失调的潜在肾细胞特异性后果

近端肾小管上皮细胞：由于其高线粒体密度、繁重的转运工作量、FAO依赖性以及暴露于滤过的葡萄糖、白蛋白、脂质和毒素，近端肾小管上皮细胞是所提出机制的一个生物学上合理的位点。然而，直接证明DKD中近端肾小管细胞线粒体铜转运受损的证据仍然有限。因此，以下模型是从已确定的糖尿病肾小管病变、线粒体生物学和铜依赖性COX功能推断出来的。如果线粒体铜可用性变得不足，COX活性和ATP产生可能下降，而mtROS、FAO损伤、线粒体自噬缺陷和小管损伤反应可能增加。这个小管模型也解释了为什么铜指数看起来不一致。小管损伤可能增加尿铜排泄或含铜蓝蛋白的囊泡释放，而线粒体铜使用可能仍然不足。尿液外泌体研究表明，外泌体可以比全尿更好地捕捉DKD中肾脏特异性的蛋白质变化，尿液外泌体铜蓝蛋白已被提议作为潜在肾脏疾病的早期标志物。这些数据支持以下观点：尿铜相关蛋白可能反映小管应激、转运或囊泡生物学，而非单独反映线粒体铜可用性。

足细胞：足细胞需要完整的线粒体代谢来维持肌动蛋白细胞骨架组织、裂孔膈膜完整性、自噬和适应性应激反应。将足细胞线粒体铜转运与DKD直接联系起来的证据有限，因此应避免强有力的因果陈述。尽管如此，线粒体功能障碍是DKD中足细胞损伤的一个公认组成部分。黄芪甲苷IV通过Nrf2-抗氧化反应元件（ARE）/线粒体转录因子A（TFAM）信号改善线粒体功能障碍，从而减轻足细胞凋亡，受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）通过磷酸甘油酸变位酶家族成员5（PGAM5）-DRP1信号和线粒体功能障碍促进糖尿病足细胞病变中的白蛋白尿。这些研究表明，如果功能性线粒体铜耗竭损害足细胞中的COX，下游效应可能包括mtROS积累、细胞骨架损伤、nephrin/podocin破坏、足突融合和白蛋白尿。单细胞和肾小球研究增加了细胞类型分辨率。实验性糖尿病肾小球显示跨肾小球细胞群的动态单细胞RNA变化，早期人类糖尿病肾病已在单细胞分辨率下被绘制。应利用这些方法来确定COX组装因子、铜转运蛋白和线粒体应激信号特征是否在DKD特定阶段的足细胞中发生改变。

肾小球内皮细胞和系膜细胞：肾小球内皮细胞是肾小球滤过屏障的专门组成部分，其特征为窗孔和富含糖萼的腔面。在DKD中，肾小球内皮损伤与氧化应激、糖萼破坏、一氧化氮（NO）生物利用度改变和滤过屏障通透性增加有关。实验证据进一步证明了DKD期间肾小球内皮细胞中的线粒体氧化应激和功能障碍，支持线粒体损伤作为一种生物学相关的内皮机制。然而，直接将线粒体铜转运或铜依赖性COX功能障碍与这些内皮表型联系起来的证据仍然缺乏。因此，本文提出的铜-COX框架预测线粒体铜可用性受损可能加剧内皮生物能量学和氧化还原应激；这种关系目前应被视为假设生成性的，而非在DKD中已确立。系膜细胞参与基质沉积、肾小球扩张和硬化。线粒体ROS和代谢应激可以激活TGF-β/Smad、核因子κB（NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和细胞外基质程序。膜相关鸟苷酸激酶反转2（MAGI2）被报道通过TGF-β-Smad3/nephrin通讯改善足细胞凋亡，强调了TGF-β连接的肾小球信号在糖尿病损伤中的相关性。在系膜和基质区室中，功能性线粒体铜耗竭预计会放大ROS敏感的促纤维化信号，而非作为一个孤立的病变。

炎症和纤维化的潜在汇聚：如果线粒体铜稳态失调发生在DKD中，其下游的生物能量学和氧化还原后果可能潜在地汇聚于炎症和纤维化通路。COX功能障碍和mtROS可以促进mtDNA释放、NLRP3炎症小体活化、NF-κB信号和环状GMP-AMP合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）反应。关于cGAS-STING、炎症小体和焦亡的综述描述了这些炎症通路间的广泛串扰，肾脏疾病综述强调了线粒体自噬和炎症小体之间的相互作用。在DKD中，线粒体自噬缺陷可能允许受损线粒体持续存在并不断释放ROS和线粒体危险信号。慢性炎症随后通过TGF-β/Smad、Wnt/β-catenin、Notch、巨噬细胞活化和基质积累驱动纤维化重塑。DKD的分子通路综述将炎症和纤维化置于进展的中心。因此，铜-COX假说提出了一个潜在的区室特异性生物能量学联系，连接了糖尿病代谢应激、线粒体危险信号传导和纤维化重塑，但这一序列仍有待在DKD中直接证明。

铜稳态失调网络：铜死亡、铁死亡、生物标志物和治疗意义

线粒体铜稳态失调、铜死亡和铁死亡应被视为相互交叉但不等同的过程。本综述提出的功能性线粒体铜耗竭代表了一种潜在的能量学状态，其特征是可用的铜不足以供COX功能使用。相反，铜死亡反映了铜过量相关的蛋白毒性细胞死亡，涉及脂酰化的线粒体蛋白，而铁死亡是一种铁依赖性脂质过氧化通路。它们潜在的汇聚主要在于线粒体功能障碍、氧化还原失衡和对细胞损伤的易感性，而非单一的线性铜驱动通路。

线粒体铜耗竭与铜死亡：两者都与铜相关但机制不同。功能性线粒体铜耗竭意味着线粒体铜可用性不足以支持COX组装和呼吸链活性。其核心输出是复合物IV活性降低、OXPHOS失败、ATP耗竭和mtROS放大。相比之下，铜死亡是一种铜诱导的细胞死亡过程，与铜结合到脂酰化的三羧酸循环蛋白、蛋白质聚集、铁硫簇蛋白丢失和蛋白毒性应激有关。铁和铜也可以与更广泛的调节性细胞死亡网络相互作用，包括铁死亡和铜死亡。这一区别对DKD很重要。糖尿病肾病中的生物信息学铜死亡信号特征对于假设生成很有用，但它们并不能证明肾细胞主要通过铜死亡死亡。一篇聚焦肾脏的铜综述同样强调铜相关的肾脏疾病涵盖多种机制，而非单一的死亡通路。因此，本综述并不主张DKD仅仅是铜死亡。相反，它强调铜稳态失调可能在铜诱导的细胞死亡之前、与之并行或独立地损害呼吸链功能。

与铁死亡和氧化应激的相互作用：铁死亡在肾损伤和DKD中比铜死亡更确定。它最初被定义为一种铁依赖性非凋亡细胞死亡通路，后来被概念化为连接代谢、氧化还原生物学和疾病的调节性细胞死亡枢纽。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）是铁死亡脂质过氧化的关键调节因子，Gpx4失活可触发小鼠急性肾衰竭。聚焦DKD的综述和实验将铁死亡与小管脂质过氧化、线粒体氧化还原失衡、谷胱甘肽（GSH）/GPX4损伤和炎症联系起来。铜稳态失调可能通过多种方式与铁死亡相互作用。COX功能障碍和mtROS可以增加脂质过氧化压力，而Fe-S簇生物学紊乱和线粒体损伤可能使细胞对铁依赖性死亡敏感。N-乙酰半胱氨酸通过沉默信息调节因子3（SIRT3）-超氧化物歧化酶2（SOD2）/GPX4通路维持线粒体氧化还原稳态，从而减轻糖尿病肾病中的铁死亡。恩格列净通过AMPK/NRF2信号减少肾小管铁死亡，达格列净通过缺氧诱导因子1α（HIF-1α）/血红素加氧酶1介导的铁死亡调节缓解DKD。这些研究表明线粒体氧化还原状态、小管代谢、铁死亡和抗糖尿病治疗之间存在交叉。铜依赖性COX功能障碍是否在DKD中上游促成铁死亡易感性仍是一个需要直接实验检验的开放性问题。

生物标志物和多组学机遇：全身性铜标志物可能有用但不充分。血清铜、尿铜、铜蓝蛋白和Cu/Zn比值可以识别铜失衡、炎症或肾脏处理异常。然而，它们不能直接报告线粒体铜可用性。更具机制性的生物标志物应包括COX17、SCO1、SCO2、COX11、SLC25A3、COX活性、复合物IV组装、OCR、ATP、线粒体膜电位、mtROS、mtDNA损伤、KIM-1、NGAL、nephrin、podocin、尿白蛋白肌酐比值（UACR）和估算肾小球滤过率（eGFR）。尿液生物标志物工作为转化提供了实用桥梁。综述总结了DKD和早期糖尿病肾病的尿液生物标志物。尿液外泌体可能比全尿更好地代表肾脏特异性变化，外泌体铜蓝蛋白表明铜相关蛋白可以在肾脏来源的尿液囊泡中被检测到。肾脏代谢组学、蛋白质组学和多组学可以捕捉从单一分析物无法看到的能量学和炎症表型。单细胞和空间方法尤为重要，因为线粒体铜稳态失调可能是细胞类型和阶段特异性的。人类和实验性DKD单细胞研究已经绘制了早期肾小球和小管反应、治疗响应性细胞状态、整合单细胞和空间转录组学的人类DKD图谱以及早期糖尿病肾病中的机械敏感性损伤通路。早期和晚期糖尿病肾病的转录组学比较进一步表明疾病阶段影响分子程序。未来的研究应将铜转运基因、COX组装因子、线粒体应激信号特征和空间金属成像叠加到这些图谱上。

治疗意义：里程碑式的RAS试验确立了氯沙坦和厄贝沙坦可减少伴有肾病或微量白蛋白尿的2型糖尿病的白蛋白尿进展和硬性肾脏结局。最近，卡格列净、达格列净和恩格列净在糖尿病和更广泛的CKD人群中显示出肾脏保护作用，而非奈利酮减少了伴有白蛋白尿CKD的2型糖尿病患者的肾脏和心血管结局。GLP-1 RA证据也已成熟，利拉鲁肽在二次分析中显示出肾脏获益，司美格鲁肽在FLOW试验中减少了主要肾脏事件。然而，许多患者仍在进展，这意味着当前疗法并未完全中断将糖尿病代谢应激转化为结构性肾损伤的细胞内过程。在这一治疗背景下，所提出的线粒体铜-COX框架的意义并非简单地“补铜”或“除铜”。铜是COX功能所必需的，但过量的不稳定铜可能促进氧化应激或铜诱导的细胞死亡。过度螯合可以减少致病性氧化还原活性铜，但也可能损害铜依赖性酶。如果所提出的线粒体铜-COX机制在DKD中得到实验验证，一个潜在的治疗目标将是恢复适当的铜分布和线粒体铜递送，同时保持COX组装和呼吸链功能而不增加不稳定铜毒性。几个现有治疗主题与此目标一致。线粒体靶向或线粒体保护策略正在DKD中进行探索。SGLT2抑制剂减少近端肾小管工作量并改变肾脏代谢生理学。非奈利酮可能通过磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）/内皮型一氧化氮合酶（eNOS）信号改善糖尿病肾小管病变中的线粒体功能障碍。更广泛的线粒体代谢重编程在DKD中越来越被认可。因此，对COX17、SCO1、SCO2、COX11或SLC25A3的调节目前应被视为用于机制测试的实验策略，而非DKD中已确定的治疗靶点。

挑战与未来展望

直接证据仍然有限：最重要的局限性是DKD中线粒体铜稳态失调的直接证据仍然有限。当前数据支持糖尿病和DKD中铜指数的改变、糖尿病肾脏模型中的铜再分布以及线粒体功能障碍在肾损伤中的核心地位。然而，很少有研究直接测量糖尿病条件下肾细胞中的线粒体铜含量、铜伴侣功能、COX金属中心成熟、复合物IV组装和COX活性。功能性线粒体铜耗竭的假说因此应作为一个可检验的机制呈现，而非一个已确定的结论。

全身铜水平不等于线粒体铜可用性：未来的研究必须将全身铜状态与线粒体铜生物利用度分开。血清铜、尿铜、组织总铜和铜蓝蛋白有用但不充分。严格的验证流程应包括线粒体分离、通过电感耦合等离子体质谱法或成像方法进行的亚细胞铜定量、经验证的铜敏感探针、通过蓝色天然电泳进行的COX组装分析、COX活性测定、OCR和ATP测量、mtROS成像、线粒体膜电位测定以及COX17、SCO1、SCO2、COX11和SLC25A3的拯救或敲低实验。

细胞类型和疾病阶段很重要：线粒体铜稳态失调的后果可能因细胞类型和疾病阶段而异。近端肾小管细胞可能表现出能量供需失衡和转运失败；足细胞可能表现出细胞骨架损伤和裂孔膈膜丧失；内皮细胞可能表现出NO减少和微血管功能障碍；系膜细胞可能表现出基质积累。早期DKD可能以适应性线粒体重塑为特征，而晚期DKD可能表现为不可逆的质量控制失败、纤维化和肾单位丢失。因此，应将细胞类型分辨的组学和空间分析与功能性线粒体测定相结合。

从假说到转化验证：一个实用的验证策略将分三步进行。首先，应对临床DKD样本进行铜标志物、尿液囊泡蛋白、COX组装因子、线粒体损伤标志物、UACR、eGFR、KIM-1、NGAL、nephrin和podocin的分析。其次，应使用db/db小鼠、STZ诱导的糖尿病、高脂饮食模型和高葡萄糖/脂毒性肾细胞系统来测试糖尿病应激是否改变线粒体铜递送和COX活性。第三，针对COX17、SCO1、SCO2、COX11和SLC25A3的功能获得和丧失实验应确定恢复铜递送是否能挽救COX活性、ATP、mtROS、线粒体自噬和肾损伤。如果得到验证，线粒体铜稳态可能成为DKD亚型分类、风险预测和精准干预的机制基础。

结论

DKD是一种多因素疾病，其中代谢、血流动力学、炎症和氧化应激逐渐影响肾小管、肾小球、内皮和间质区室。线粒体功能障碍在DKD中有充分记录，并与肾脏生物能量学、氧化还原控制和细胞适应相关。独立地，铜是COX/复合物IV必需的辅因子，适当的线粒体铜递送是COX组装和呼吸链功能所必需的。这些既定的观察结果为考虑DKD中的线粒体铜处理提供了生物学基础。然而，DKD中的功能性线粒体铜耗竭仍然是一个提出且可检验的假说，而非已确定的疾病机制。研究人员提出，线粒体铜可用性受损可能损害COX/复合物IV功能，从而导致OXPHOS障碍、ATP耗竭、mtROS积累、线粒体质量控制缺陷和肾损伤。将改变的线粒体铜转运与这些下游事件直接联系起来的DKD特异性证据仍然有限。因此，未来的研究需要结合亚细胞铜测量、COX组装和活性测定