铜死亡在肿瘤中的研究进展*

岳恺 方艳 综述 王旭东 审校

铜是所有真核生物生长发育不可或缺的微量元素。研究表明，铜作为多种关键代谢酶的辅助因子[1]，在广泛的生物活动中起重要作用，如能量转换、信号转导、细胞增殖和血管生成等。正常情况下，细胞内的铜浓度保持在较低水平，其吸收、分布、储存和排出受到机体的严密调控，当铜稳态被打破时，细胞会发生一系列代谢障碍，引起多种疾病，如门克斯病[2]和威尔逊氏病[3]。多项研究表明，与健康组织相比，包括乳腺癌[4]、甲状腺癌[5]、肺癌[6]和卵巢癌[7]在内的多种恶性肿瘤组织和血清中含有更高的铜水平，而高水平的铜离子与肿瘤的增殖与转移密切相关。

细胞死亡逃逸是肿瘤的重要特征之一。研究发现，细胞凋亡以及其他调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）方式在肿瘤的发生、发展中具有不容忽视的作用[8]。近年来，针对RCD 通路的生化特征及分子机制的深入探索为恶性肿瘤的治疗提供了多种靶点。2022 年Tsvetkov 等[9]提出一种铜依赖的新型细胞死亡形式，称为铜死亡（cuproptosis），因其在肿瘤的发生、发展与治疗等方面具有重要作用而广受关注。本文对cuproptosis 的发生机制及其在不同肿瘤中的最新进展及铜离子载体在肿瘤治疗方面的研究现状进行综述。

1 铜代谢

在细胞内，铜离子通过与一系列铜稳态相关蛋白的相互作用发挥功能。Cu2+在血液中通过与血浆蛋白（如铜蓝蛋白、白蛋白等）[10]结合被运输至细胞表面后，在金属还原酶如人前列腺6-跨膜上皮抗原（human sixtransmembrane epithelial antigen of prostate，STEAP）蛋白的催化下还原为Cu+，随后在铜转运蛋白1（copper transporter 1，CTR1）［或称为溶质载体家族31 成员1（solute carrier family 31 member 1，SLC31A1）］介导下转运至细胞内[11]。通过与不同伴侣蛋白结合，Cu+被输送至相应蛋白质靶点发挥作用。位于线粒体膜间的细胞色素C 氧化酶铜伴侣蛋白17（cytochrome c oxidase copper chaperone 17，COX17）将Cu+转运至下级携铜蛋白，包括细胞色素C 合成氧化酶1/2（synthesis of cytochrome c oxidase 1/2，SCO1/2）和COX11，并进一步递送至细胞色素C 氧化酶（cytochrome c oxidase，COX），以激活线粒体呼吸链中酶的活性。超氧化物歧化酶铜伴侣蛋白（copper chaperone for superoxide dismutase，CCS）将Cu+转运至超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）发挥抗氧化应激作用[12]。抗氧化剂-1（antioxidant-1，ATOX1）一方面将Cu+运输至细胞核，使其与转录因子结合调控目的基因表达，另一方面将Cu+递送到铜转运ATP 酶（copper-transporting ATPase），参与维持胞内Cu+的正常水平。此外，铜储存蛋白如金属硫蛋白1/2（metallothionein 1/2，MT1/2）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）具有高度的铜亲和力，过量的Cu+与MT 或GSH 结合，可以使细胞内的Cu+保持在生理水平，从而防止其对细胞造成损伤（图1）。

图1 细胞水平铜代谢

2 cuproptosis 发生机制

cuproptosis 是由Tsvetkov 等[9]首次提出的铜引发、依赖于线粒体呼吸的新型细胞死亡途径。细胞内异常积累的铜离子与三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环中脂酰化组分直接结合，这些线粒体脂化蛋白的聚集以及随后出现的铁-硫簇蛋白的丢失诱发蛋白质毒性应激，进而导致细胞死亡。

铜离子载体诱导的细胞死亡具有铜依赖性[9]。伊利司莫（elesclomol，ES）是一种高效的铜离子载体，以ES-Cu2+复合物形式将Cu2+携入胞内。在线粒体铁氧还蛋白1（ferredoxin 1，FDX1）介导下，Cu2+还原为Cu+并被释放[13]。铜离子载体单独处理或加入铁等其他金属离子不会影响细胞生长，但当加入铜离子后细胞生长受到抑制。

铜离子载体诱导的细胞死亡机制不同于已知的细胞死亡途径。Tsvetkov 等[9]发现ES 介导的细胞死亡并不影响细胞凋亡标志caspase-3 的活性；敲除细胞凋亡关键效应因子或应用泛caspase 抑制剂处理细胞时，ES 的杀伤毒性保持不变。此外，采用多种已知的细胞死亡抑制剂，如铁死亡抑制剂ferrostatin-1，均未能消除ES 诱导的细胞死亡。

铜离子载体诱导的细胞死亡受线粒体呼吸调控。研究表明，依赖线粒体呼吸的细胞对ES 的敏感性远高于依赖糖酵解的细胞（近1000 倍）[9]。电子传递链复合物抑制剂和线粒体丙酮酸摄取抑制剂处理细胞能缓解细胞死亡，而线粒体解偶联剂却无明显影响。此外，ES 脉冲处理细胞后，仅TCA 循环相关代谢物的失衡呈时间性增加。

FDX1 和蛋白质脂酰化是cuproptosis 的关键调控因子。通过全基因组CRISPR/Cas9 功能缺失筛选，Tsvetkov 等[9]发现了包括FDX1、LIAS 和DLAT 在内的7 个cuproptosis 相关基因（cuproptosis-related genes，CRGs），见表1。敲除FDX1 和LIAS，细胞获得cuproptosis 抵抗，表明FDX1、蛋白质脂酰化与cuproptosis 密切相关。在FDX1 的调控下，LIAS 将脂酰部分连接至DLAT，形成脂酰化DLAT；Cu+与脂酰化DLAT 直接结合，导致后者异常寡聚化；同时铁-硫簇蛋白呈FDX1 依赖性丧失，以上反应诱发细胞产生蛋白毒性应激进而死亡（图2）。

表1 铜死亡相关基因

图2 铜死亡分子机制

3 cuproptosis 与肿瘤的关系

3.1 cuproptosis 与恶性肿瘤发生、发展的相关性

cuproptosis 可能参与多种恶性肿瘤的发生、发展。研究发现，与相应的正常组织相比，不同CRGs 在多种肿瘤类型中存在差异表达，同一CRGs 在不同肿瘤类型中的表达水平也存在差异。CRGs 与肿瘤患者的病理分期和预后预测密切相关。Ma 等[14]发现DLD、PDHA1 和PDHB1 在癌症基因组图谱（TCGA）数据库几乎所有肿瘤中的表达水平高于其他CRGs，FDX1 在肾上腺皮质癌中的表达水平最高。与相应的正常组织相比，淋巴样肿瘤、弥漫性大B 细胞淋巴瘤和胸腺瘤中CRGs 的转录水平均显著升高。cuproptosis 相关风险模型对肾透明细胞癌、肝细胞癌、间皮瘤和胃腺癌患者而言具有良好的预后预测价值。Liu等[15-16]发现CRGs 的差异表达与肾透明细胞癌和甲状腺癌的病理分期之间的相关性最为显著。生存分析表明肾乳头状细胞癌患者的生存风险与CRGs 的差异表达相关程度最高。此外，cuproptosis 评分系统与肿瘤免疫微环境密切相关。研究表明，与高cuproptosis 评分组相比，低cuproptosis 评分组肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）中癌症相关成纤维细胞浸润程度更高[14]。B 细胞、中性粒细胞和肥大细胞的浸润水平因癌症类型而异。

3.2 cuproptosis 与肝细胞癌

FDX1 通过cuproptosis 在肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）中发挥抗肿瘤活性[17]。研究表明，与正常肝组织相比，FDX1 在HCC 中表达显著下调，其表达水平降低与患者的不良预后有关[18-19]。CRGs预后风险评分显示，高风险组患者的总生存期（overall survival，OS）明显降低[18]。Gao 等[20]根据4 种与预后相关的CRGs 构建cuproptosis 预后模型，并利用3个关键基因（DLAT、CDKN2A 和LIPT1）的cuproptosis 特征量化预后评分，结果表明CRGs 预后风险评分是HCC 的独立预后因素，且CRGs 评分低者生存率更高，提示CRGs 预后评分可能是HCC 患者可靠的生物标志物。基于DLAT、CDKN2A 和LIPT1在HCC 的作用，研究人员利用在线数据库和实验验证进行表达分析发现与正常组织相比，CDKN2A、DLAT 和LIPT1 在HCC 组织中表达显著升高，与临床分期和分级呈正相关。利用ES 处理HCC 细胞后发现PLC/PRF/5 细胞活力降低，DLAT 表达水平升高，而降低DLAT 表达后，PLC/PRF/5 细胞活力得以回复，表明DLAT 在HCC 进展中发挥重要作用。

3.3 cuproptosis 与结直肠癌

近年来，CRGs 在结直肠癌（colorectal cancer，CRC）中的临床价值受到广泛关注。研究发现，大多数CRGs 在CRC 组织和正常组织之间有表达差异，基于CRGs 的风险评分系统对CRC 患者的预后具有良好的预测价值；高危组和低危组的CRC 患者在免疫浸润程度上存在显著差异，并且高危组的免疫细胞和间质细胞浸润水平更高，免疫逃逸能力更强，免疫治疗反应更差[21-22]。

同时，研究者也积极探索cuproptosis 在CRC 进展中的作用。Yang 等[23]发现ES-Cu 脉冲处理能显著抑制CRC 细胞系HCT116、LoVo 和奥沙利铂耐药细胞系HCT116-R 的增殖活力，促进细胞凋亡。研究发现，FDX1、SDHB、DLAT 和DLST 4 种CRGs 在CRC 组织中的表达低于正常组织，并且这些基因的过表达与更好的生存率相关。该研究还发现4-辛酯衣康酸（4-octyl itaconate，4-OI）能增强ES-Cu 诱导的cuproptosis，而敲降FDX1 可显著抑制这种作用。研究表明，4-OI 可通过靶向甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）抑制有氧糖酵解过程，进而增强CRC 对cuproptosis 的敏感性。裸鼠异种移植大肠癌模型显示，与对照组及ES 单独处理组相比，ES 联合4-OI 组的裸鼠肿瘤体积明显减小，肿瘤增殖活力更低，表明ES 与4-OI 的联合应用可能在CRC 治疗中发挥良好的抗肿瘤效果。

3.4 cuproptosis 与肾透明细胞癌

研究表明，肾透明细胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）组织中FDX1 表达显著降低，与TNM 分期、淋巴结转移及不良预后相关[24-25]。Xie 等[26]发现FDX1 是ccRCC 细胞的肿瘤抑制因子，FDX1 的表达与ccRCC 的发生、发展呈负相关。miR-21-5p 可直接结合FDX1 的3'-UTR 介导其降解，miR-21-5p 抑制剂能够抑制ccRCC 细胞的生长和侵袭，降低FDX1 的表达水平可使这种作用被抑制。该研究还发现miR-21-5p/FDX1 轴与免疫细胞如CD4+T 细胞和巨噬细胞的浸润密切相关，表明该信号轴可能通过介导TME 成分驱动ccRCC 的进展，提示靶向FDX1 可能为ccRCC 的治疗提供新思路。

3.5 cuproptosis 与其他恶性肿瘤

通过TCGA 和癌症药物敏感性基因组学（GDSC）数据库分析，Peng 等[27]发现CRGs 在头颈部鳞状细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）组织中异常表达；CRGs 可作为HNSCC 患者的预后生物标志物；CRGs 的表达与免疫细胞浸润相关，并且与顺铂和多西他赛的治疗敏感性显著相关，提示免疫/化疗药物与靶向CRGs 药物的联合应用有望提高HNSCC 患者的治疗疗效。

Sha 等[28]发现在三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）中CRGs 的表达变化具有显著异质性。CRGs 表达失衡在TNBC 进展中具有重要作用。根据中位风险评分将所有患者分为高风险组和低风险组，结果显示低风险组患者的OS 更长，预后更佳，表明CRGs 是TNBC 良好的预后预测因素。

通过联合CRGs 与胰腺癌生物标志物构建cuproptosis 相关基因指数（cuproptosis-related gene index，CRGI），Huang 等[29]发现与高CRGI 组相比，低CRGI 组患者预后更好，并且与其他预后预测因子相比，CRGI 的预测效果最佳，提示CRGI 是胰腺癌患者的独立预后因素。

3.6 cuproptosis 与肿瘤治疗

对于依赖线粒体代谢供能的恶性肿瘤[30]，cuproptosis 可能成为潜在的治疗靶点。研究表明，铜离子载体可通过诱发cuproptosis 应用于线粒体代谢活跃的恶性肿瘤[30]。ES 是一种强效的铜离子载体，研究发现恶性肿瘤对ES 的敏感性与肿瘤细胞代谢途径密切相关，线粒体代谢活跃程度越高，ES 的临床治疗反应越好[31]。Wang 等[32]发现铁死亡诱导剂（ferroptosis inducers，FINs）索拉非尼和埃拉斯汀与ES-Cu 联合治疗，与单独使用ES-Cu 相比，能显著增强肝癌细胞中的DLAT 聚集，促进细胞发生cuproptosis，而沉默LIAS或FDX1 可逆转上述结果，说明FINs 可以促进ESCu 诱导的肝癌细胞死亡。该研究发现这种促进作用是通过FINs 消耗胞内GSH 以及抑制FDX1 蛋白降解进而促进线粒体蛋白脂酰化完成。体内研究表明，与单药治疗相比，ES-Cu 联合索拉非尼可显著抑制裸鼠体内肝癌的生长，并且肝癌细胞内DLAT 聚集更明显，说明索拉非尼在体内促进肝癌细胞发生cuproptosis。既往研究表明，包括索拉非尼在内的FINs 可诱导肝癌细胞发生铁死亡（ferroptosis），抗肿瘤治疗效果显著。因此，联合索拉非尼和ES-Cu，共同靶向ferroptosis 和cuproptosis，可作为一种潜在的肝癌治疗策略。虽然ES 临床应用的安全性已得到证实，但与其相关的临床试验并未取得理想的治疗效果，这可能与ES 在血液循环中容易被清除，无法达到杀伤肿瘤细胞的有效药物浓度有关[31]。近年来，结合ES-Cu 的纳米药物正在被广泛研发，其在体内良好的稳定性和靶向性使通过cuproptosis 实现精准的肿瘤杀伤作用成为可能[33]。未来进一步探索铜离子载体敏感的肿瘤类型及其药物作用机制，对于cuproptosis 靶向治疗策略的研发具有重要临床价值。

4 结语与展望

cuproptosis 参与多种肿瘤的发生、发展，其相关基因有望作为潜在的肿瘤分子诊断标志、预后预测因子和治疗靶标。cuproptosis 的重要分子机制已较为明确，但有关cuproptosis 其他方面的研究仍有待进一步开展，如cuproptosis 在分子或细胞水平的特征性变化等。铜离子载体在线粒体呼吸活跃的肿瘤中具有突出的治疗效果，而某些化疗/靶向药物如顺铂及抗表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）等能够提升肿瘤细胞线粒体代谢水平。因此，化疗/靶向药物与铜离子载体联合应用，通过促进肿瘤细胞cuproptosis 有望提高肿瘤治疗疗效。综上所述，cuproptosis 在肿瘤发生、发展中的作用值得深入探究，靶向cuproptosis 的治疗新策略具有广阔的应用前景。

本文无影响其科学性与可信度的经济利益冲突。