铜失调与神经系统疾病

作为一种必需的微量营养素，几乎所有细胞类型的各种生理过程都需要铜。由于细胞内铜的积累会引起氧化应激并扰乱细胞功能，因此铜稳态受到严格调节。最近的研究发现了一种新的铜依赖性细胞死亡形式，称为铜死亡，它不同于所有其他已知的细胞死亡途径。铜死亡通过铜与三羧酸 (TCA) 循环中的脂化酶结合而发生，导致蛋白质聚集、蛋白毒性应激，并最终导致细胞死亡。许多研究表明，改变的铜稳态与多种神经退行性疾病的进展直接相关，包括阿尔茨海默病 (AD)、亨廷顿舞蹈病 (HD) 和肌萎缩侧索硬化 (ALS)。关于潜在机制，有证据表明线粒体功能障碍可能在铜诱导的神经毒性中发挥作用。Cu 在癌症进展中的作用长期以来一直是研究的主题，因为Cu离子可能参与细胞增殖相关信号通路的激活。Cu 在动脉粥样硬化的发病机制中发挥重要作用。流行病学证据表明高血清铜水平与动脉粥样硬化疾病风险增加有关。此外，在人类动脉粥样硬化斑块中，已观察到Cu水平升高。Cu螯合剂的使用对血管炎症、动脉粥样硬化病变的发展具有抑制作用。

成人体内铜含量约为1.5～2.0mg/kg，其中50～70%存在于肌肉和骨骼中，20%在肝内，5～10%在血液中。铜广泛分布于动物组织和食物中，主要在小肠被吸收，少量由胃吸收。膳食中的铜被吸收后，通过门静脉血送到肝脏，然后释放到血液，传递到全身组织。铜主要排泄途径是通过胆汁到胃肠道，再与进入胃肠道的铜以及少量来自小肠细菌的铜一起由粪便中排出。由于铜通过参与促进神经髓鞘的形成，发挥保护神经组织的作用；通过参与调节儿茶酚胺的生物合成，发挥维持神经系统正常生理功能作用。缺铜可导致脑组织萎缩、大脑灰质和白质变性、神经元减少、精神发育停滞等。

铜死亡与疾病

新的细胞死亡机制往往会带来新的疾病治疗思路。对于铜死亡和铜稳态的调控也有望应用于多种类型的疾病应对方案。

• 调控铜稳态应对遗传性疾病：Menkes病（MD）和Wilson病（WD）分别由ATP7A和ATP7B基因突变导致的细胞铜输出功能异常引发。MD的发病原因是铜离子在肠细胞内积累，无法运输至身体其他部位，目前常用铜盐进行治疗；而WD是因为铜离子在大脑和肝脏内过度积累，引发相关疾病，目前使用铜螯合剂可有效干预。

• 铜离子调控应对神经退行性疾病：包括阿尔兹海默症（AD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、亨廷顿病（HD）等在内的多种神经元疾病都被证实可以通过使用铜螯合剂或对铜离子转运蛋白表达调控来进行干预。

• 铜死亡与心血管疾病：目前，已有流行病学证据表明血清中铜的含量升高会增加动脉粥样硬化疾病风险，但具体的机理和代谢通路仍有待研究。

• 铜死亡与癌症：铜是细胞信号传导的关键因素，通过促进细胞增殖、血管生成和转移参与癌症的发生和发展。与铜相关的癌症治疗策略主要有两个方面，一是利用相应的铜螯合剂来降低铜的生物利用度，从而抑制肿瘤细胞的生长、复发和转移等；二是提供过量的铜来诱导癌细胞发生铜死亡，在这一过程中，纳米材料与铜形成的配合物体系可能是一种十分具有前景的研究方向，它既保留了铜离子诱导铜死亡的治疗效果，又解决了铜配合物可能具有全身高毒性和高疏水性的问题。包括乳腺癌、结直肠癌、胰腺癌、肺癌等在内的癌症都有望使用诱导铜死亡的方式来进行应对治疗。

铜死亡是一类区别于其他程序性细胞死亡（如凋亡、焦亡、坏死及铁死亡）的新型死亡方式，其调控过程与线粒体代谢密切相关。过量的铜通过与线粒体TCA循环中的硫辛酰化蛋白直接结合，导致硫辛酰化蛋白的异常聚集及呼吸链复合体中铁硫簇蛋白的丢失，引起蛋白质毒性应激反应，最终导致细胞死亡。

• Menkes病（Menkes diseae，MD）

Menkes病（又名卷发综合征MD）是一种X连锁隐性疾病，影响铜代谢，由ATP7A基因突变引起。肠道中功能性ATP7A的缺失导致铜向血液中的流出减少、肠细胞中Cu的积累以及严重的全身性铜缺乏。在MD患者的大脑中，缺少Cu会对铜依赖性酶的生理功能产生不利影响。此外，脑内COX活性降低引起的线粒体功能受损和脑内乳酸酸中毒也可能导致这些患者神经元的退化。MD患者的心脏、肝脏、肌肉、皮肤和结缔组织中Cu的水平也比较低。在皮肤、肌肉和结缔组织中，ATP7A 功能降低会导致脂氧合酶 (LOX) 活性降低，从而氧化弹性蛋白和胶原蛋白中的赖氨酸和羟赖氨酸。降低的LOX活性会减少共价交联的形成，从而为骨骼、肌肉和心血管结缔组织提供拉伸强度和弹性。因此，MD患者通常会出现结缔组织异常，例如骨质减少、皮肤松弛、动脉瘤和自发性骨折。目前，MD 患者主要通过基因筛查进行诊断，并使用铜盐进行治疗。皮下注射的组氨酸铜直接通过血流将铜输送到各种组织/器官，绕过了通常通过肠道吸收铜的故障机制，从而帮助恢复MD患者的全身铜水平。值得注意的是，Cu-组氨酸治疗已被证明对突变的 ATP7A 蛋白保留将 Cu 转运穿过 BBB 的能力的患者有效。此外，在疾病早期接受组氨酸组氨酸治疗的患者可以表现出明显的改善，神经元发育良好和运动能力良好，而在晚期诊断和治疗的患者通常预后较差。

• Wilson病（Wilson's disease，WD）

铜复合的一个典型例子是Wilson病（WD），一种以ATP7B基因中的各种突变为特征的常染色体隐性遗传病。由此导致的ATP7B功能受损会影响Cu排出，导致Cu在大脑、肝脏和其他组织中持续积累。在健康个体中，肝脏Cu含量通常<55μg/g（干重）；在WD患者中，肝铜可超过250μg/g（干重）。Cu毒性被认为是WD患者器官损伤的主要原因。此外，DNA损伤、脂质过氧化和线粒体功能障碍是WD患者肝脏的典型表现。WD患者可出现肝脏症状，包括暴发性肝功能衰竭、血清转氨酶水平持续升高、黄疸和慢性肝炎。有趣的是，一些患者并没有表现出这些肝脏变化，而是出现了神经系统症状；然而，在这些特定患者中也观察到肝铜蓄积，并可能导致肝硬化的发展。此外，在WD患者的几乎所有大脑区域都观察到高水平的铜。关于限制膳食铜治疗WD的策略的证据有限。目前治疗WD的策略主要集中在口服锌以减少铜的吸收，以及使用螯合剂，如D-青霉胺和曲恩汀。在相应的疾病小鼠（Atp7b-/-）模型中, 肝脏中蛋白的硫辛酰化水平及Fe-S簇蛋白含量均有显著改变，提示可能存在铜死亡的发生。这为后续通过靶向铜死亡治疗该疾病提供了依据。

• 阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）

AD 是最常见的神经退行性疾病之一。越来越多的证据表明，铜稳态的改变可能与AD的发病机制有关，因为铜可能与淀粉样蛋白-β（Aβ）和tau蛋白等几个关键致病因子相互作用。此外，已知血清中的游离铜水平会随着年龄的增长而升高，与健康对照组相比，AD患者血清中的总铜和游离铜水平都会增加。过量的Cu以高亲和力直接结合Aβ肽，进一步增加Aβ的聚集并增加神经毒性。Cu在小胶质细胞的激活中也起着重要作用，这是一个与神经变性有关的过程。为了评估降铜疗法在治疗AD中的效果，已经开发了几种铜螯合剂并在AD小鼠模型中进行了测试，显示出有益作用。

• 肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)

ALS是一种进行性疾病，其特征是运动神经元的选择性退化导致肌肉无力、肌肉萎缩，并最终导致死亡。大约10-20%的病例表现为常染色体显性家族性肌萎缩侧索硬化 (FALS)，其余病例表现为非遗传性散发性肌萎缩侧索硬化 (SALS)。FALS的主要原因之一是SOD1基因的突变。在ALS的背景下，CCS与突变体SOD1的相互作用是错误的，导致Cu向线粒体的输送减少以及不稳定的SOD1的积累，SOD1容易获得促氧化剂，从而导致毒性增益-运动神经元的功能效应。此外，细胞铜稳态失调和铜依赖酶功能受损也可能导致突变体SOD1蛋白的毒性作用和疾病进展。D-青霉胺和TTM等铜螯合剂以及CuII(atsm)等铜递送剂都在一些小鼠模型中显示出有益的作用。使用D-青霉胺螯合铜也对转基因SOD1小鼠模型产生了有益的影响，延缓了疾病的发展并延长了生存期。

• 亨廷顿病 (Huntington's disease，HD)

HD是一种罕见的常染色体显性神经系统疾病，其特征是精神、认知和运动功能的进行性丧失。在HD患者和HD小鼠模型的纹状体中发现异常高浓度的铜。Cu的积累促进了HTT蛋白的聚集，并与蛋白质N末端的组氨酸残基相互作用。体外研究表明，Cu通过抑制线粒体脱氢酶促进HD的进展，包括琥珀酸脱氢酶 (SDH) 和乳酸脱氢酶 (LDH)，这两种酶都容易受到 Cu 介导的失活。Cu可能通过抑制参与乳酸代谢的关键酶而促进 HD 的发病机制。关于治疗选择，使用铜螯合剂、氯碘羟喹或四硫代钼酸盐可减轻R6/2 HD小鼠模型的病理学和行为异常。此外，水溶性铜螯合剂红铜灵二磺酸盐 (BCS) 对铜摄取的饮食干预可显着提高HD果蝇模型的存活率。

另外，一项研究通过对英国生物医学数据库进行MR-PheWAS分析，表明遗传变异的高血铜水平与高血压，前列腺癌，脑和神经系统癌症的发病风险降低存在因果关联，且蛋白质-蛋白质交互作用网络图显示血铜相关基因SOD1分别与高血压相关基因NOS3、前列腺癌相关基因AR、脑癌相关基因TP53存在交互作用。铜具有抗氧化和促氧化的特性，其可能通过影响炎症反应或血管功能发挥保护效应。铜也是正常组织和癌变组织细胞分裂必需的金属元素；因此，血铜水平的改变可能会导致癌症和血管疾病的发生。目前研究提示调节血铜水平将有利于预防高血压、前列腺癌、脑和神经系统癌症的发生。

参考文献

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