FDX1

该研究开发了一种活性氧敏感性聚合物PHPM，用于将ES和铜封装为纳米颗粒——NP@ESCu，NP@ESCu在进入癌细胞后，能够被癌细胞内过量的活性氧触发并释放出ES和铜，二者协同作用，诱导癌细胞铜死亡 2012年5月，哥伦比亚大学 Brent Stockwell 教授在 Cell 期刊发表论文【1】，发现并提出了一种铁依赖性的新型细胞程序性死亡方式——铁死亡（Ferroptosis）。 和铁一样，铜也是从细菌和真菌到植物、动物以及人类生命活动的基本元素，作为必须酶的辅助因子，在生命活动中发挥着必不可少的作用。铜在人体中是一种微量元素，细胞内铜离子的浓度通过主动稳态机制保持在非常低的水平，一旦超过阈值，铜就会变得有毒，导致细胞死亡。 2022年3月，哈佛-MIT博德研究所 Todd Golub 教授在 Science 期刊发表论文【2】。发现并证实铜依赖性受控细胞死亡方式是一种不同于已知细胞死亡机制的新型细胞死亡方式——铜死亡（Cuprotosis）。 近日，中国医学科学院北京协和医学院邢念增教授和中科院化学研究所肖海华研究员等人在 Advanced Materials 期刊发表了题为：Cuproptosis Induced by ROS Responsive Nanoparticles with Elesclomol and Copper Combined with αPD-L1 for Enhanced Cancer Immunotherapy 的研究论文。 该研究开发了一种诱导铜死亡的纳米颗粒药物——NP@ESCu，其能够诱导癌细胞铜死亡并重编程免疫抑制性肿瘤微环境，将其与免疫检查点抑制剂（αPD-L1）联合使用，能够增强癌症治疗效果，显著抑制肿瘤生长，具有具有广阔的临床应用前景。 膀胱癌是全世界范围内第二大常见的泌尿系统恶性肿瘤，严重威胁着患者的生存和生活质量。经过局部治疗后，仍有大约三分之一的患者会复发并转移。近年来，免疫疗法取得了很大的进展，FDA于2016年批准抗PD-L1抗体（αPD-L1）用于膀胱癌治疗，然而，许多膀胱癌患者对这些治疗没有反应。一方面，许多肿瘤是具有免疫抑制性肿瘤微环境的免疫“冷肿瘤”，对现有的免疫疗法没有反应。另一方面，αPD-L1仅对PD-L1表达阳性的膀胱癌患者有效，而PD-L1的表达在个体之间存在差异。 近期研究表明，肿瘤内铜（Cu）水平可影响PD-L1的表达，但通过调节铜水平增强αPD-L1在体内效果的研究尚未见报道。铜是细胞内的一种非常重要的微量元素，在维持细胞氧化还原稳态中发挥关键作用。一方面，铜是具有重要细胞功能的酶的辅助因子，包括线粒体呼吸和生物合成。另一方面，铜的失调可能导致对细胞的毒性。肿瘤细胞的增殖和转移比正常组织更依赖于铜，与健康个体相比，膀胱癌患者的血清铜水平明显更高。这些都提示我们，调节肿瘤细胞中的铜水平似乎是一种有前途的癌症治疗方法。 铜死亡（Cuprotosis）是一种依赖铜的新型细胞死亡方式，与细胞凋亡（Apoptosis）、程序性坏死（Necroptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis）、铁死亡（Ferroptosis）不同，也不能这些细胞死亡的抑制剂所抑制。 铜死亡在很大程度上依赖于铜离子载体，例如伊利司莫（Elesclomol，ES），它能够选择性地将细胞外的铜转运到细胞的线粒体中。 近十年来，ES被认为是通过铜基芬顿反应在细胞中产生活性氧（ROS）导致细胞凋亡，从而发挥抗癌作用。因此，ES作为一种候选抗癌药物并进入临床试验，然而，临床结果显示，其具有很好的安全性，但治疗效果较差。一方面，ES在循环中容易被清除和代谢，因此进入肿瘤细胞的ES极为有限，且在肿瘤组织中将更多的铜转运到癌细胞中是相当困难的。另一方面，仅仅通过细胞凋亡来杀死肿瘤细胞可能不足以让ES完全控制肿瘤生长。 增加肿瘤组织中存在的ES的数量，可以更有效、方便、快速地将更多的铜转运到肿瘤细胞中，并最终通过铜死亡产生强大的抗肿瘤作用。同时，通过ES将铜转运到肿瘤细胞中也可以增加其PD-L1的表达。因此，联合使用铜离子载体（例如ES）和免疫疗法（例如αPD-L1）可能带来更好的癌症治疗效果。 在这项研究中，研究团队设计了一种活性氧（ROS）敏感性两亲性可生物降解聚合物（PHPM），然后用PHPM将ES和Cu封装形成纳米颗粒形式——NP@ESCu。 NP@ESCu能够选择性地积聚在膀胱癌小鼠的肿瘤部位，然后被癌细胞有效吸收。随后，肿瘤细胞中过量的活性氧（ROS）触发PHPM的硫酮键迅速断裂，从而导致PHPM降解，纳米颗粒解离，释放出被封装的ES和铜。 一方面，Cu2+经过细胞摄取和定向运输到线粒体后，从ES-Cu复合物中解离，然后与FDX1结合，FDX1是一种参与Fe-S簇形成的线粒体还原酶，可以将Cu2+还原为Cu+。与此同时，ES迅速外排，将细胞外Cu2+转运到癌细胞中，导致癌细胞线粒体中铜的持续积累，最终引起癌细胞铜死亡。 值得注意的是，铜的持续积累可导致癌细胞表面PD-L1的表达上调，这为增强αPD-L1的抗癌作用铺平了道路。 另一方面，NP@ESCu不仅可以诱导树突状细胞（DC）成熟，促进肿瘤组织中CD8+T细胞浸润，还可以刺激肿瘤相关巨噬细胞（TAM）从免疫抑制性M2表型向免疫刺激性M1表型转化，并抑制髓源性抑制细胞（MDSC）的聚集。NP@ESCu通过重新编程免疫抑制性肿瘤微环境，最终在膀胱癌小鼠模型中诱导有效的体内抗肿瘤免疫应答。 最后，研究团队在膀胱癌小鼠模型中进一步验证了NP@ESCu与αPD-L1联合治疗可以增强抗肿瘤效果，显著抑制肿瘤生长。 综上所述，该研究开发了一种活性氧敏感性聚合物PHPM，用于将ES和铜封装为纳米颗粒——NP@ESCu，NP@ESCu在进入癌细胞后，能够被癌细胞内过量的活性氧触发并释放出ES和铜，二者协同作用，诱导癌细胞铜死亡，同时还会重编程免疫抑制性肿瘤微环境。更重要的是，NP@ESCu可与αPD-L1联合使用增强对“冷肿瘤”的免疫治疗效果。 该研究是首次将诱导铜死亡的纳米药物与αPD-L1联合用于增强癌症治疗，提供了一种新的癌症治疗策略，具有广阔的临床应用前景。

1 铜死亡铜死亡（Cuproptosis）：铜与三羧酸(TCA)循环中的脂化酶结合，导致蛋白质聚集、蛋白毒性应激，并最终导致细胞死亡。1.1 1.1   。.1  铜稳态调节 铜(Cu)是一种必需的微量营养素，在广泛的生物过程中充当关键的催化辅因子，包括线粒体呼吸、抗氧化应激和生物化合物合成。(细胞内Cu含量的稳态调节受Cu依赖性蛋白质的复杂网络影响，包括铜酶、Cu伴侣蛋白和膜转运蛋白。这些蛋白质协同工作以协调Cu的输入、输出和细胞内利用，从而将细胞内的Cu水平维持在特定范围内，这有助于防止Cu过载和Cu缺乏的后果)。铜死亡的研究在2022年3月被麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的研究人员发表在Science期刊上。铜诱导死亡的关键基因是FDX1，与改变的线粒体酶有关：线粒体是Cu诱导的细胞死亡的主要靶标，线粒体膜受到氧化损伤，TCA循环中的酶功能受损。 图1细胞铜死亡途径1.2 1.1   。.1  铜稳态失衡相关的疾病 Cu缺乏或积累对健康有不利影响，无法维持Cu平衡与多种病理状况有关，包括Menkes病（MD）、Wilson病（WD）、神经退行性疾病、癌症和心血管疾病。●Menkes病（MD）: 一种由ATP7A基因突变引起的X连锁隐性疾病，影响铜代谢。肠道功能性ATP7A的丧失导致铜的血液运输减少、铜在肠细胞中积累，而出现严重的全身性铜缺乏。目前，MD患者主要通过基因筛查进行诊断，并使用铜盐（如铜-组氨酸复合物）进行治疗。●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。ATP7B功能受损会损害Cu排泄，并导致Cu在大脑、肝脏和其他组织中持续积累。WD患者最常出现肝脏和/或神经精神症状。Cuprotosis是Wilson病的假定治疗靶点。铜螯合剂，例如曲恩汀/ D-青霉胺，可作为Wilson病的有效治疗方法。 图2 铜死亡在Wilson病中的作用●神经退行性疾病阿尔茨海默病 (AD)：因为铜可能与Aβ和tau等几个关键致病因子相互作用，所以改变的铜稳态可能与AD的发病机制有关。Cu螯合处理和敲低Cu转运蛋白Ctr1被证明可以挽救AD果蝇模型中的神经毒性。肌萎缩侧索硬化症(ALS): 一种由于运动神经元的选择性退化导致肌肉无力、肌肉萎缩，并最终导致死亡的疾病。Cu缺乏已被证明会促进突变体SOD1（ALS的致病因素）的异常疏水性。离子载体CuII(atsm)在治疗ALS中表现出治疗效果。Cu螯合剂TTM也被证明可以延长人源化ALS模型小鼠的寿命。亨廷顿氏病HD: 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。限制饮食中的铜、用铜螯合剂治疗以及铜转运蛋白的基因操作可能会延缓HD动物模型的疾病进展。●癌症铜是细胞信号传导的关键因素，因此铜通过促进细胞增殖、血管生成和转移参与癌症的发生和发展。目前已经提出了两种针对Cu稳态治疗肿瘤的主要策略，包括使用Cu螯合剂，例如TTM、曲恩汀和D-青霉胺，来降低Cu的生物利用度，以及使用Cu离子载体将Cu递送到细胞中以增加细胞内Cu水平。 图3针对癌症中铜死亡的两种潜在治疗策略●心血管疾病动脉粥样硬化：流行病学证据表明血清中铜的高含量与动脉粥样硬化疾病风险增加有关。大鼠颈动脉周围Cu离子的局部释放可促进新内膜增厚和血管损伤引起的动脉硬化病变的产生。心脏肥大：实验动物模型已经证明铜缺乏会导致肥厚性心肌病。心脏缺铜引起的心脏形态变化通常包括线粒体肿胀和碎裂、肌原纤维紊乱和肌细胞增大。表1铜调节剂临床发展概况 2 铜死亡与铁死亡的对比表2 铜死亡与铁死亡的差异性分析●对比分析铜死亡与铁死亡得到表2，发现两种死亡方式均与线粒体膜完整性相关，而且都与神经退行性疾病、癌症和心血管疾病相关。●铁死亡（Ferroptosis）① 2012年由哥伦比亚大学Brent.R.Stockwell实验室发现的一种铁依赖性的脂质过氧化、ROS过量产生所致的细胞死亡类型。② 铁死亡与铁代谢、脂代谢、GCH1/BH4途径、GSH/GPX4途径、FSP1/CoQ途径等相关。③ 铁死亡与多种疾病有关，例如血色素沉着症、器官损伤、神经退行性疾病、多种癌症、肝纤维化和心血管疾病。④ 铁死亡的诱导剂有4类：抑制Xc-系统的I型；抑制或降解GPX4的II型；消耗辅酶Q10的III型；通过铁或多不饱和脂肪酸（PUFA）过载诱导脂质过氧化的IV型。这四种类型对于铁死亡的诱导都具有较高的特异性。⑤ 利用铁死亡可以有效清除靶细胞（例如癌细胞、炎症细胞、活化的成纤维细胞等），达到治疗疾病的目的。⑥ 铁死亡的抑制剂有：铁螯合剂；抗氧化剂；脂氧合酶抑制剂；ACSL4抑制剂；氮氧化物；硒补充剂。它们减少游离铁、消除自由基、抑制脂质过氧化发挥作用，可用于治疗缺血-再灌注损伤，急性器官损伤和神经退行性疾病。3 前沿进展截至2023年1月15日，在PubMed网站，以“Cuproptosis”为关键词搜索，发现铜死亡研究领域论文已经发表了273篇，其中2022年发表了264篇，2023年截至目前就已发表了11篇。其中被引次数超过10的有6篇，被引次数最高的达到159次。以“Ferroptosis”为关键词，发现铁死亡研究领域论文已经发表了6176篇，仅2022年就发表了3128篇，2023年截至目前已经发表了221篇。其中有19篇文章的被引次数超过500次，被引次数最高的一篇达到3130次。这些数据显示目前的铜死亡研究领域正在兴起，铁死亡研究领域热度高涨不下，它们代表的金属离子依赖性细胞死亡领域当前属于热门方向，短期内这种势头不会消减。4 下一个新方向：锌死亡？锰死亡？钙死亡？鉴于铜死亡和铁死亡的重要研究意义，其他金属离子代谢的紊乱对于疾病机制探索、治疗靶标研发也有一定的研究价值。铜死亡和铁死亡都与线粒体有关，目前被发表的与线粒体功能相关的金属离子有钙，钾，钠，镁和锌等，而且已被报道的与细胞死亡相关的金属元素有锌，锰和钙。2021年《Cell Reports》期刊发表了美国密歇根大学研究团队的文章“Lysosomal Zn2+ release triggers rapid, mitochondria-mediated, non-apoptotic cell death in metastatic melanoma”，介绍了转移性黑色素瘤中，溶酶体的钙/锌离子通道介导的锌离子依赖的细胞死亡，提示靶向锌离子依赖的细胞死亡，可能对黑色素瘤有潜在的研发价值。 图注：激活溶酶体中的ML1通道，促使转移性黑色素瘤细胞释放Zn2+和选择性坏死细胞死亡2019年《Science of The Total Environment》期刊发表的南通大学研究人员的文章“SIRT1 downregulation mediated Manganese-induced neuronal apoptosis through activation of FOXO3a-Bim/PUMA axis”，发现过量金属锰离子会产生细胞毒性，诱导神经元凋亡，表明抑制锰离子相关的细胞死亡，可能在神经退行性疾病治疗领域有一定研发前景。 图注：Mn增强了SIRT1蛋白降解并下调了其基因表达。此外，Mn在体外和体内均以剂量依赖性方式诱导细胞凋亡钙信号通过激活特定的靶蛋白参与几乎所有生理过程的调节。钙离子的“双面性”受到浓度的严格调控。钙信号异常可能会引起某些疾病。钙依赖信号转导的研究可望为癌症治疗提供新的方向和途径。2022年《Nano-Micro Letters》发表的厦门大学研究团队的文章“Connecting Calcium-Based Nanomaterials and Cancer: From Diagnosis to Therapy”，综述了钙基纳米材料的最新研究进展，阐述了钙基纳米材料的应用前景。 图注：钙基纳米材料与癌症的联系：从诊断到治疗参考资料：1．Chen, L., Min, J. & Wang, F. Copper homeostasis and cuproptosis in health and disease. Sig Transduct Target Ther 7, 378 (2022).2．Du W, Gu M, Hu M, Pinchi P, Chen W, Ryan M, Nold T, Bannaga A, Xu H. Lysosomal Zn2+ release triggers rapid, mitochondria-mediated, non-apoptotic cell death in metastatic melanoma. Cell Rep. 2021;37(3):109848.3．Zhao X, Liu Y, Zhu G, Liang Y, Liu B, Wu Y, Han M, Sun W, Han Y, Chen G, Jiang J. SIRT1 downregulation mediated Manganese-induced neuronal apoptosis through activation of FOXO3a-Bim/PUMA axis. Sci Total Environ. 2019;646:1047-1055.4．Bai, S., Lan, Y., Fu, S. et al. Connecting Calcium-Based Nanomaterials and Cancer: From Diagnosis to Therapy. Nano-Micro Lett. 14, 145 (2022).5．https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/6．其他公开信息与资料在抗体圈微信公众号回复“JPM23”可下载60 家药企PPT合集。识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入生物制品微信群！请注明：姓名+研究方向！版权声明本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。