铜死亡在脑血管疾病中的分子机制与靶向治疗策略研究进展

《Brain Research Bulletin》：Cuproptosis in Cerebrovascular Diseases: Mechanisms and Advances in Targeted Therapeutic Strategies

　　

脑血管疾病（cerebrovascular disease）仍是全球致死和致残的主要原因，且因人口老龄化而日益加剧。尽管临床管理已取得实质性进展，有效的治疗策略依然有限。缺血性卒中的再灌注治疗受限于狭窄的治疗时间窗，使多数患者无法及时获得救治；而出血性卒中仍缺乏基于明确发病机制的药物干预。因此，发现新型病理机制并开发有效的神经保护策略，已成为脑血管研究的首要任务。铜死亡（cuproptosis）是新近定义的一种调节性细胞死亡形式，以线粒体内铜离子过度蓄积及随后的代谢崩溃为核心特征。在机制层面，铁氧还蛋白1（ferredoxin 1, FDX1）介导硫辛酰化蛋白聚集并损害三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环，引发严重蛋白质毒性应激，最终导致线粒体功能障碍和细胞死亡。铜死亡的发现为理解脑血管疾病中线粒体损伤和继发性炎症级联反应提供了全新范式。现有证据表明，铜代谢失调与脑缺血、脑出血和慢性低灌注引起的线粒体功能障碍、氧化应激及神经炎症密切相关；然而，这些生化扰动是否直接触发——或真正等同于——铜死亡，仍有待证实。本综述系统梳理了铜死亡的分子机制及其在脑血管疾病中的病理作用，评估了靶向铜死亡的治疗策略和转化前景，并探讨了关键技术瓶颈，以期为个体化干预提供指导。

**2. 脑铜稳态与铜死亡的分子基础**

**2.1 脑铜稳态的生理调控**

铜是人体必需的微量元素，作为多种生理过程的关键辅因子发挥功能，但其跨血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）转运受到严格调控。细胞铜摄取由铜转运蛋白1（copper transporter 1, CTR1）介导，外排则由ATP酶铜转运α肽（ATPase copper-transporting alpha, ATP7A）和ATP酶铜转运β肽（ATPase copper-transporting beta, ATP7B）调控。铜离子进入胞质后，由专职铜伴侣蛋白分送至特定胞内靶点：抗氧化铜伴侣蛋白1（antioxidant 1 copper chaperone, ATOX1）将铜递送至高尔基体；超氧化物歧化酶铜伴侣蛋白（copper chaperone for superoxide dismutase, CCS）将铜递送给超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1, SOD1），维持抗氧化防御；细胞色素c氧化酶铜伴侣蛋白（cytochrome c oxidase copper chaperone, COX17）将铜转运至线粒体，用于细胞色素c氧化酶（复合体IV）的组装。与此同时，星形胶质细胞、金属硫蛋白2A（metallothionein 2A, MT2A）及谷胱甘肽（glutathione, GSH）共同构成强大的胞质铜缓冲系统，通过高亲和力螯合使游离亚铜离子（Cu⁺）维持在极低水平，阻止Fenton样反应及随后的氧化损伤，从而保护脑铜稳态。此外，铜是多铜铁氧化酶——尤其是铜蓝蛋白（ceruloplasmin）和膜铁转运辅助蛋白（hephaestin）——的必需辅因子，这些酶可将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，促进铁转运蛋白1（ferroportin 1, FPN1）介导的细胞铁外排，直接偶联脑内铜可用性与铁稳态。

**2.2 铜稳态失调的病理机制**

在脑缺血、脑出血和慢性低灌注等病理条件下，铜稳态调控网络受损，导致铜离子在脑内易损区域异常蓄积。在高度还原性且富含GSH的胞质环境中，铜主要以单价亚铜离子（Cu⁺）形式存在。作为铜死亡的主要生化驱动因素，Cu⁺直接结合并触发硫辛酰化TCA循环蛋白的聚集，在无效氧化还原循环的同时放大蛋白质毒性应激。由于二价铜离子（Cu²⁺）必须先还原为Cu⁺才能参与此级联反应，胞内GSH水平对Cu⁺的可利用性和细胞对铜死亡的整体易感性具有关键决定作用。不稳定铜池的扩张直接触发线粒体功能障碍，同时驱动活性氧（reactive oxygen species, ROS）的过量产生，对脂质、蛋白质和核酸造成广泛损伤，并通过激活核因子κB（nuclear factor-kappa B, NF-κB）等促炎通路加剧神经炎症。此外，过量铜离子还破坏BBB完整性和微环境稳态，进一步加重神经元和胶质细胞损伤。值得注意的是，铜稳态失衡具有双向性——铜缺乏与铜过载同样有害。在铜腙诱导的脱髓鞘模型中，铜耗竭使铜蓝蛋白和hephaestin失活，损害细胞铁外排，与转铁蛋白受体1（transferrin receptor 1, TfR1）依赖性铁摄取上调和铁蛋白自噬增强共同作用，扩充胞内不稳定Fe²⁺池，形成病理性铁捕获状态；蓄积的Fe²⁺促进Fenton化学反应，驱动ROS生成和多不饱和磷脂过氧化，同时GSH的持续耗竭和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）的失活严重削弱抗铁死亡防御，导致过度铜耗竭或螯合可能反而诱发继发性铁依赖性铁死亡（ferroptosis），抵消抑制铜介导损伤的治疗获益。该级联反应在实验性脱髓鞘模型中已获充分支持，但其在缺血性或出血性脑血管组织中的完整表现仍需直接验证。

**2.3 铜死亡的分子机制**

铜死亡由线粒体铜蓄积触发，与TCA循环酶的硫辛酰化密切相关。FDX1和硫辛酸合成酶（lipoic acid synthetase, LIAS）作为关键上游调控因子：FDX1将Cu²⁺还原为具毒性的Cu⁺，同时为LIAS提供电子以维持蛋白质硫辛酰化。随后，硫辛酰基转移酶1和2（lipoyltransferases 1/2, LIPT1/2）将硫辛酰基团转移至代谢酶，尤其是二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（dihydrolipoamide S-acetyltransferase, DLAT）。在铜过载条件下，Cu⁺直接结合这些硫辛酰化蛋白，驱动其异常聚集，触发铁-硫（iron-sulfur, Fe-S）簇蛋白的丢失，诱导严重蛋白质毒性应激，损害线粒体呼吸功能，最终导致代谢崩溃和细胞死亡。在生理条件下，胞内Cu⁺被GSH以高亲和力螯合；然而，DLAT上还原态硫辛酰基的双硫醇构型与Cu⁺形成高度稳定的双齿螯合物，其结合亲和力因螯合效应显著超过单齿GSH-Cu⁺复合物，使DLAT能通过竞争性配体交换从GSH-Cu⁺复合物中夺取Cu⁺，无需游离Cu⁺中间体即可迅速诱导严重蛋白质毒性应激。除蛋白质聚集外，过量线粒体铜通过双重机制破坏Fe-S簇：直接破坏现有Fe-S簇加速其降解，并结合和灭活铁硫簇组装酶（iron-sulfur cluster assembly enzyme, ISCU）及关键调控分子共济蛋白（frataxin, FXN），抑制新生Fe-S簇的生物合成，共同诱导致死性线粒体蛋白质毒性应激，从机制上区别于凋亡和铁死亡。尽管存在上述破坏机制，脑组织在早期铜应激中表现出固有代谢可塑性：神经细胞上调无氧糖酵解以补偿TCA循环衰竭，同时铜诱导的蛋白质毒性将胞内葡萄糖通量重定向至磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, PPP），产生大量还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）以再生和维持胞内GSH池，暂时保留细胞对抗铜死亡损伤的主要防御能力。

**2.4 铜死亡与其他细胞死亡通路的交互作用**

**2.4.1 铜死亡与凋亡：** 凋亡（apoptosis）是经典的半胱天冬酶（caspase）依赖性程序性细胞死亡，而铜死亡独立于caspase激活。然而，两条通路在关键分子节点汇聚：铜过载导致硫辛酰化TCA循环酶聚集时，产生的蛋白质毒性应激激活上游促凋亡网络，促使p53上调p53上调凋亡调控因子（p53-upregulated modulator of apoptosis, PUMA）或Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2-associated X protein, Bax），诱导线粒体外膜通透化（mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP），释放细胞色素c，将铜毒性转化为经典的caspase-9/3凋亡级联反应。这种交互是双向的：在凋亡早期，B细胞淋巴瘤2（B-cell lymphoma 2, Bcl-2）家族蛋白损害线粒体膜完整性，使胞质铜不受控地流入基质，进一步加速硫辛酰化蛋白聚集。铜死亡与凋亡并非孤立运行，而是形成相互关联的连续体，以MOMP和蛋白质毒性应激为主要分子开关，主导性细胞死亡通路随局部代谢环境和致病时序动态转换。

**2.4.2 铜死亡与焦亡：** 焦亡（pyroptosis）是典型的炎症性调节性细胞死亡，以炎症小体激活、caspase-1介导gasdermin家族蛋白切割、膜孔形成以及促炎细胞因子白介素-1β（interleukin-1β, IL-1β）和IL-18的释放为特征。焦亡与铜死亡主要通过线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）的胞质泄漏和病理性硫醇氧化汇聚。铜死亡导致线粒体嵴塌陷时，mtDNA和心磷脂泄漏至胞质，作为内源性危险信号激活NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor pyrin domain-containing 3, NLRP3）炎症小体，触发caspase-1切割gasdermin D（GSDMD）执行焦亡。此外，过量胞内铜可氧化NLRP3或caspase-1活性结构域内的反应性半胱氨酸残基，放大炎症级联反应；反过来，焦亡中GSDMD孔使质膜通透化，跨膜离子梯度的消散损害ATP7A/ATP7B的主动铜外排功能，形成线粒体应激与炎症相互放大的正反馈环路。

**2.4.3 铜死亡、铁死亡与双硫死亡：** 铁死亡是铁依赖性的调节性细胞死亡，以压倒性脂质过氧化和膜损伤为特征，常伴随GSH耗竭和GPX4活性丧失。胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白溶质载体家族7成员11（solute carrier family 7 member 11, SLC7A11）的过表达造成了连接铁死亡与双硫死亡（disulfidptosis）的代谢悖论。生理条件下，SLC7A11导入胞外胱氨酸并还原为半胱氨酸——GSH合成的限速前体，从而支持GPX4介导的脂质过氧化物解毒并抑制铁死亡。然而，胱氨酸还原为半胱氨酸消耗大量NADPH；当SLC7A11过表达时，细胞必须将葡萄糖转向PPP以维持NADPH水平。这种代谢重塑在脑血管损伤中引入严重脆弱性——一旦NADPH耗竭，持续SLC7A11介导的胱氨酸内流导致胞内胱氨酸及其他二硫化物的蓄积，诱导严重二硫化物应激、肌动蛋白及肌动蛋白相关蛋白的异常二硫键交联和肌动蛋白细胞骨架崩溃，执行双硫死亡。因此，SLC7A11作为一把双刃代谢枢纽：当细胞还原能力充足时抑制铁死亡，但在NADPH供应受限时成为促进双硫死亡的代谢负担。此外，Cu⁺作为强效催化剂可直接加速铁死亡信号传导：在铜稳态失调条件下，不稳定Cu⁺催化Fenton样反应的速率超过Fe²⁺，破坏Fe-S簇蛋白导致电子传递链崩溃和不稳定铁释放，当GPX4受损时，游离铁的激增进一步驱动多不饱和脂肪酸过氧化，建立从铜诱导代谢崩溃到铁驱动膜破裂的分子级联。

**3. 铜死亡在脑血管疾病中的作用**

**3.1 缺血性卒中：** 急性缺血性卒中（acute ischemic stroke, AIS）的病理微环境以脑铜稳态显著紊乱为特征。实验证据表明GSK-3β/ATF3/CTR1轴驱动过量铜摄取：在卒中缺氧缺血条件下，糖原合酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β, GSK-3β）的异常激活上调转录因子ATF3，进而强烈诱导CTR1表达，加速铜内流；同时，铜代谢结构域蛋白1（copper metabolism domain containing 1, COMMD1）表达下调损害ATP7A功能，严重限制铜外排。在脑缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury, IRI）模型中，METTL14/m⁶A/FDX1信号轴与铜死亡密切相关：甲基转移酶样14（methyltransferase-like 14, METTL14）增强Fdx1 mRNA的N⁶-甲基腺苷（m⁶A）修饰，增加其转录稳定性和翻译水平，FDX1蛋白的显著积累直接驱动海马神经元铜死亡的执行。在宏观多组学层面，整合比较毒理基因组学数据库与AIS数据集的生物信息学分析筛选出8个核心铜死亡相关基因：FDX1、LIPT1、LIAS、二氢硫辛酰胺脱氢酶（dihydrolipoamide dehydrogenase, DLD）、丙酮酸脱氢酶E1亚基α1（PDHA1）、DLAT、丙酮酸脱氢酶E1亚基β（PDHB）和谷氨酰胺酶（glutaminase, GLS）。单细胞测序揭示，高铜死亡活性的小胶质细胞在缺血后成为炎症信号传导的中枢枢纽，选择性分泌大量肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor alpha, TNF-α），通过TNF-TNFRSF1A/TNFRSF1B受体通路与浸润的单核细胞和巨噬细胞建立异常细胞间通讯网络，放大局部损伤信号，驱动持续神经炎症和BBB破坏。然而，目前铜积累在AIS模型中的广泛记录尚需金标准方法学建立铜死亡与缺血性损伤之间的明确因果关系。

**3.2 出血性卒中：** 出血性卒中后，血肿内红细胞裂解释放大量血红蛋白和游离铁，同时伴随局部铜过载。临床数据显示，脑出血（intracerebral hemorrhage, ICH）患者血清铜水平显著低于健康对照，而血肿周围铜水平则大幅升高，提示铜积极驱动继发性损伤级联反应。当前主流假说认为，铜过载触发血肿周围保留残余呼吸功能的线粒体发生铜死亡，加速坏死核心扩展，支撑铜-铁协同毒性损伤模型：铁死亡诱导的脂质过氧化和膜损伤损害线粒体功能，削弱细胞铜缓冲能力；铜死亡驱动的Fe-S簇蛋白降解则扰乱铁稳态，强力增强Fenton反应活性。然而，该协同模型仍主要基于生物信息学网络映射，尚无实证研究在血肿周围组织中直接关联FDX1活性、DLAT聚集和空间铜分布与特定细胞死亡模式。

**3.3 血管性认知障碍：** 血管性认知障碍（vascular cognitive impairment, VCI）的病理基础为持续性脑低灌注，逐渐破坏神经血管单元（neurovascular unit, NVU）稳态。临床研究表明，卒中后认知障碍（post-stroke cognitive impairment, PSCI）患者血清铜水平和游离铜比例显著高于认知保留的卒中患者，提示铜稳态失调可能直接参与缺血损伤后的进行性认知衰退。实验证据进一步表明，慢性脑低灌注后BBB通透性显著增加，伴随脑铜积累增多和不稳定铜物种比例升高。此外，体外缺氧-复氧模型揭示了复杂的铜-铁交互作用：胞内Fe²⁺积累下调Fe-S簇组装蛋白，损害LIAS和蛋白质硫辛酰化，最终触发铜死亡。值得注意的是，虽然靶向FDX1的铜死亡抑制剂可减轻线粒体氧化应激并恢复呼吸动力学，但现有研究主要依赖非神经元细胞系且缺乏行为学评估。

**3.4 脑小血管病：** 脑小血管病（cerebral small vessel disease, CSVD）以穿支小动脉、毛细血管和小静脉的慢性进行性结构和功能改变为特征。流行病学研究虽将血清铜水平升高与脑血管风险增加相关联，但CSVD脑内铜区域分布、游离/结合铜比例或铜转运蛋白表达的实证证据仍然缺乏。慢性血管危险因素（尤其是高血压和高龄）使脑微血管内皮细胞对铜稳态失调更加敏感；虽然铜螯合治疗在啮齿类模型中减轻白质损伤和认知障碍，但铜死亡的明确分子执行者在体内尚未被检出。关键的是，铜诱导的内皮紧密连接降解在概念上有别于经典铜死亡——后者从根本上要求TCA循环依赖性和线粒体蛋白质毒性崩溃。在缺乏FDX1/DLAT信号轴和Fe-S簇完整性的原位验证之前，将CSVD铜稳态失调定性为确定的铜死亡仍为时过早。

**4. 铜死亡调控的临床前与探索性策略**

**4.1 铜螯合剂：** 铜螯合已是减轻铜死亡相关损伤的实验性手段。在氧糖剥夺/复氧（OGD/R）处理的神经元细胞和大鼠大脑中动脉闭塞/再灌注（MCAO/R）模型中，四硫代钼酸铵（ammonium tetrathiomolybdate, ATTM）降低了铜蓄积并抑制了FDX1相关的铜死亡分子变化。然而，铜螯合在脑血管疾病中的治疗应用仍高度不确定：不加区分的铜耗竭可能损害复合体IV、SOD1和多铜铁氧化酶等必需铜依赖酶，不仅加重生物能量衰竭，还可能将金属稳态失衡转向继发性铁死亡损伤；全身暴露于现有螯合剂可引起剂量限制性毒性（如骨髓抑制和周围神经病变）；NVU内不同细胞类型的铜敏感性和转运机制存在异质性，难以建立安全的通用剂量。狭窄的治疗窗口和累积毒性风险要求从系统性铜耗竭转向细胞特异性或病灶靶向的铜稳态调控。

**4.2 神经保护药物与中药的再开发：** 对已获批神经保护药物（如右美托咪定）的再开发为实验性脑IRI中铜死亡调控提供了潜在途径。在大鼠脑缺血/再灌注模型和FDX1过表达实验中，右美托咪定降低了铜蓄积，保持了线粒体呼吸和膜电位，减轻了FDX1依赖性铜死亡相关变化。传统中药（traditional chinese medicine, TCM）来源的天然化合物中，黄芪主要活性黄酮毛蕊异黄酮-7-O-β-D-葡萄糖苷（calycosin-7-O-β-D-glucoside, CG）已展现出有前景的铜死亡调控活性：在OGD/R处理的神经元细胞和大鼠MCAO/R模型中，CG靶向GSK-3β/ATF3/SLC31A1信号轴抑制SLC31A1介导的铜内流，减轻胞内铜蓄积、GSH耗竭和下游铜死亡分子级联反应，最终改善啮齿类卒中模型的神经行为恢复并减少组织学脑损伤。

**4.3 纳米药物递送系统：** 临床前和建模研究表明，TfR1靶向可能增加治疗性载体的脑暴露，但完整或缺血改变的BBB的定量递送效率尚不确定。pH响应性纳米载体在实验性缺血性卒中中已显示出刺激依赖性有效载荷释放和神经保护效应，但尚未直接评估铜死亡抑制。铜响应性纳米平台主要基于肿瘤学开发，为局部成像和按需释放提供了概念基础，但其在脑血管铜死亡中的应用和扩大急性卒中治疗窗口的能力仍有待确立。在考虑脑血管转化之前，必须建立脑和全身生物分布、长期降解和清除、神经免疫和脱靶毒性、批次重现性、灭菌、可扩展生产和监管可接受性等数据。

**5. 总结与展望**

铜死亡作为一种以线粒体铜异常蓄积为特征的新型调节性细胞死亡形式，通过FDX1-LIAS-DLAT轴驱动硫辛酰化蛋白聚集和Fe-S簇蛋白丢失，最终导致蛋白质毒性应激和线粒体崩溃。这一独特机制为理解NVU内线粒体损伤和炎症级联反应提供了新视角，将铜死亡与缺血性卒中、出血性卒中、血管性认知障碍和脑小血管病的发病机制相关联。铜死亡并非孤立运行，而是与氧化应激、神经炎症和BBB破坏相互作用。尽管临床前研究已报道铜螯合剂、药物再开发、TCM衍生化合物和纳米递送系统的铜死亡相关生物学效应，但现有证据尚不足以推断临床获益或脑血管疾病中的近期应用性。关键的技术瓶颈包括：缺乏非侵入性铜死亡特异性在体诊断工具使临床医生无法优化干预时机或评估疗效；大多数候选药物具有多靶点效应，难以分离其对铜死亡调控的特异性贡献；NVU内铜代谢的细胞类型特异性差异和铜调控干预的潜在全身毒性使剂量选择和安全评估复杂化；啮齿类与人类铜代谢动力学的跨物种差异削弱动物数据的预测价值；脑内递送不确定性、长期安全性和清除以及生产和监管限制亦是主要转化障碍。