在国家自然科学基金的热点研究中，铜死亡已经成为一个引人注目的焦点。研究表明，通过精确调控铜离子的浓度，我们可以诱导癌细胞发生铜死亡，从而在不伤害正常细胞的情况下，实现对癌症的精准打击。

铜死亡，是细胞被铜“玩坏”了的一种独特死亡方式。想象一下，细胞好好地生活着，结果突然被铜离子“灌醉”，开始走向“生命的深渊”。科学家们最近发现，铜不仅仅用来制电线、做艺术品，还是细胞的“致命毒药”！而且更有趣的是，癌细胞对铜有种特别的“迷恋”，简直像细胞界的铜控。所以，聪明的科学家们正在研究，能不能用铜来诱使癌细胞“自爆”，来个“内部瓦解”——让铜死亡成为新一代的抗癌利器！

今天小编带各位医生们一探国自然这个热门话题——铜死亡，看看铜是如何在细胞中“横行霸道”，又如何从一个小元素摇身一变，成了科学家眼中的“抗癌奇兵”！

以下是铜死亡的整个过程：

铜死亡究竟是怎么来的？

2022年3月，Science杂志在其Cell Death主题下发表了文章（IF2021 = 47.728），《Copper induced cell death by targeting lipoylated TCA cycle protein》。文章中，研究人员将一种发生机制明显区别于已知的细胞凋亡、焦亡、坏死性凋亡及铁死亡的受控性细胞死亡方式，命名为“铜死亡”。
铜死亡是继2012年铁死亡发现以来又一种金属离子依赖性细胞死亡方式，有着重要的生物学意义。与铁相似，铜也是所有生物体内不可缺少的一种微量元素，在哺乳动物细胞内一般含量极低。当细胞内的铜离子浓度超过阈值时，会表现出细胞毒性。

铜死亡究竟是怎么回事？

铜死亡依赖于线粒体呼吸——铜离子通过直接结合TCA循环中的脂酰化蛋白，导致脂酰化蛋白发生异常寡聚化，导致硫簇蛋白聚集、丢失，阻断了TCA循环，引起蛋白质毒性应激，最终造成细胞死亡。在此过程中，线粒体中的铁氧还原蛋白（Ferredoxin 1, FDX1）和蛋白质脂酰化是铜死亡的关键调节因子。
铜死亡的主要机制涉及细胞内铜的积累，这会引发线粒体脂质化蛋白的聚集和铁硫簇蛋白的不稳定，导致细胞发生不同于氧化应激相关的细胞死亡（如凋亡、铁凋亡和坏死）的新型调节性细胞死亡。在正常情况下，细胞内的铜稳态主要依赖于三个铜转运蛋白SLC31A1、ATP7A/B，其中SLC31A1负责摄入铜，ATP7A/B负责转出铜。铜离子还可以影响线粒体的功能，包括减少Fe-S（铁硫）簇蛋白的表达，引发蛋白质毒性应激，最终导致细胞死亡。

铜死亡与疾病的关联

在铜稳态遗传性疾病（如Wilson疾病与Menkes氏症候群）；多种癌症（包括乳腺癌、肺癌、胃肠道癌、口腔癌、甲状腺癌、胆囊癌、卵巢癌和前列腺癌）患者的肿瘤或血清中，铜水平会异常升高。铜螯合剂作为肿瘤的辅助治疗药物已进入临床实验阶段。

高分文章详细解读

今天和大家分享这篇文章，涉及到国自然热点之一：铜死亡！刊登在 advanced science（IF=16.8 一区）上，题为：Enhanced Bacterial Cuproptosis-Like Death via Reversal of Hypoxia Microenvironment for Biofilm Infection Treatment，这篇文章开发了一种负载 MnO2的铜金属有机骨架平台（称为 MCM），通过重塑细菌呼吸代谢来增强细菌铜凋亡样死亡。

研究背景：
1、骨科手术中最普遍和最严重的并发症之一是植入物相关感染（IAI）的发生。在已建立的生物膜中，病原菌强烈粘附在生物基质的表面。生物膜内的感染性微环境的特点是酸性和缺氧条件，这促进了细菌致病性和存活的增强。传统抗菌治疗往往侧重于根除致病菌,而忽略了对感染微环境的调节,导致抗菌耐药性和抗菌效果不全等挑战。因此,同时针对细菌和生物膜的感染微环境,可能为根除生物膜提供一种新的途径。
2、生物膜内的缺氧环境也与免疫细胞抑制有关。研究表明免疫细胞需要O2 产生免疫刺激性氮和细胞毒性物质,这对有效消除细菌至关重要。此外,缺氧条件会阻碍单核细胞的吞噬活性,从而抑制其吞噬细菌的能力。因此,破坏生物膜内的缺氧微环境可能导致免疫系统的全面激活。此外,铜元素作为重要的免疫调节剂,积极促进免疫细胞的分化,从而刺激免疫反应和加速清除感染。
3、细菌清除后局部骨组织的生长和新生血管的形成是治疗感染的关键。此外,局部氧合在伤口愈合中的重要性已经得到确认。缓解缺氧环境有助于局部细胞的新陈代谢和再生。对铜元素在成骨和血管生成中的促进作用进行了广泛的研究。在一项利用铜基纳米材料和光热疗法相结合的研究中,观察到治疗后局部骨骼生长明显加快。
研究结果：1、MCM的合成与表征为了构建协同治疗的纳米平台，该团队合成了载有MnO2的铜金属-有机框架（MCM）。通过水热法制备了CM核心纳米颗粒，并在其表面涂覆MnO2层。MCM呈现多面体形状，表面带负电荷，且元素分布均匀。使用细胞外基质水凝胶（ECMH）作为MCM的载体，通过SEM和XRD分析确认了MCM的结构和组成。MCM溶液具有广泛的光吸收谱，并在近红外激光照射下表现出良好的光热性能和稳定性。此外，MCM在体内外均显示出低细胞毒性，因此400 μg/mL的浓度被认为是治疗应用的最佳浓度。

CM和MCM的特性

2、MCM + NIR体外抗生物膜活性研究MCM结合光热治疗显著增强了对生物膜的清除效果，通过促进类铜死亡的细胞死亡机制。实验中设立了六个对照组，包括对照组、CM组、MCM组、NIR组、CM+NIR组和MCM+NIR组，使用金黄色葡萄球菌（S. aureus）作为模型细菌。通过涂布平板法（SPM）和结晶紫染色，发现MCM+NIR处理能显著减少生物膜中的细菌数量和生物量。SEM和CLSM进一步证实了MCM+NIR处理在减少细菌数量和破坏生物膜结构方面的有效性。此外，MCM对革兰氏阴性的大肠杆菌（E. coli）也显示出显著的抗菌效果。

MCM的抗菌膜特性

3、MCM重塑细菌呼吸代谢
MCM通过补充O2改善了生物膜内的缺氧状况，并重塑了细菌的呼吸代谢，从而增强了铜诱导的细胞死亡。使用缺氧探针检测生物膜内的氧合状态，MCM和MCM+NIR组相比对照组显示出显著减少的缺氧信号，表明缺氧条件得到了显著缓解。RNA测序分析显示，MCM处理导致与细菌TCA循环相关的基因显著上调，而糖酵解相关基因下调，表明MCM诱导了细菌从糖酵解向有氧呼吸的转变，这一过程伴随着TCA循环的增强。
4、MCM诱导铜裂样细胞死亡增强研究表明，铜诱导的细胞死亡与细胞的呼吸模式密切相关。依赖于有氧呼吸的细胞对铜诱导的细胞死亡的敏感性远高于依赖糖酵解的细胞。通过WB分析发现，在铜诱导的细胞死亡过程中，特定的标记蛋白如DLAT、LIAS和FDX1的表达水平发生变化，其中DLAT与铜离子结合形成不溶性寡聚体。此外，通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）检测到生物膜中的铜含量显著增加，这与细胞内丙二醛（MDA）的积累相符合，表明铜处理导致了脂质过氧化。使用C11 BODIPY 581/591荧光探针和SYTOX染色观察到，铜处理后生物膜内部脂质过氧化显著增强，细菌活性受到破坏。值得注意的是，补充O2可以增强铜诱导的细胞死亡，这表明在治疗过程中改善缺氧环境是提高疗效的关键因素。总的来说，通过改善缺氧条件和提供铜离子，可以增强铜诱导的细胞死亡，从而对抗细菌生物膜。

MCM重塑了细菌的呼吸代谢，并诱导了铜中毒样死亡

5、MCM在体外重新激活抑制免疫反应铜离子在免疫刺激效应中扮演着基础且重要的角色。生物膜内的缺氧条件会削弱免疫细胞的杀菌能力。生物膜感染的微环境具有免疫抑制效应，有助于细菌在宿主体内的持续存在。因此，打破这种免疫抑制状态对于预防慢性感染至关重要。树突状细胞（DCs）作为关键的抗原呈递细胞，在免疫系统中发挥着基础作用。研究中，DCs经过MCM处理后，其促进细胞分化的能力得到评估，流式细胞术分析显示成熟DCs的百分比显著提高。巨噬细胞因其可控的表型转换，成为免疫治疗的重要靶点。MCM处理后，通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像观察到CCR7表达增强（M1型标记），CD206表达减少（M2型标记），流式细胞术分析进一步证实了这些发现。此外，MCM处理后巨噬细胞的吞噬细菌能力增强，M1型细胞比例上升，促炎细胞因子TNFα上调，抗炎细胞因子IL10下调。MCM通过促进DC成熟和诱导巨噬细胞M1分化，重新激活了受抑制的免疫系统，增强了吞噬活性和趋化反应，有助于生物膜的清除。

MCM使巨噬细胞和树突状细胞恢复活力

6、MCM促进体外成骨和血管生成我们评估了 MCM 促进成骨和血管生成的潜力。对骨髓间充质干细胞（BMSCs）中一系列与成骨相关的基因进行了实时定量逆转录聚合酶链反应（RT-qPCR）分析。与对照组相比，MCM 组的 BMP2、OCN 和 RUNX2 的表达显著增加。此外，研究了碱性磷酸酶（ALP）活性以确定不同处理下细胞的成骨分化能力。结果与 PCR 分析结果一致。茜素红染色（ARS）反映的细胞外成骨矿化在 MCM 和 MCM + NIR 组中均增强。鉴于 BMSCs 的细胞大小和增殖分化反映了它们的成骨能力，我们进行了 4',6 - 二脒基 - 2 - 苯基吲哚（DAPI）和鬼笔环肽染色以评估 BMSCs 的形态。在 MCM 组中观察到明显更宽的 BMSCs。缓解缺氧和铜的营养作用也可以促进血管生成。进行了管形成试验，在 MCM 组中观察到更多的连接点和分支，这是血管形成的经典指标。

MCM的成骨和血管生成作用

7、MCM的体内抗感染和免疫调节作用在研究中，MCM显示出显著的抗菌和免疫调节能力。通过在体内感染模型中进行实验，MCM组和MCM+NIR组的细菌存活率分别降至16%和4.2%，显示出强大的抗菌效果。此外，MCM处理后，白细胞计数显著下降，表明感染得以清除，炎症减轻。免疫荧光染色结果显示，MCM促进了M1型巨噬细胞的浸润，并提高了相关细胞因子的表达，进一步证实了其免疫调节作用。HIF-1α免疫荧光染色结果表明MCM有效缓解了组织缺氧。这些结果表明，MCM通过改善缺氧和刺激免疫反应，有效减轻了体内感染。

MCM的体内抗菌活性和免疫调节作用

8、MCM促进体内成骨和血管生成在一项研究中，使用细菌感染的骨缺损模型评估了多孔碳基质（MCM）的成骨和血管生成能力。实验中，大鼠股骨髁制造了圆形缺损并感染S. aureus。通过激光照射（NIR）和红外温度监测，MCM组的温度可升至50°C以上并维持5分钟。21天后，MCM处理的大鼠显示出较轻的感染和炎症迹象，且组织中残留细菌较少。MCM治疗显著促进了股骨髁的胶原沉积和新骨形成，同时减少了炎症细胞的浸润。微型CT成像显示，MCM结合光热疗法能显著促进骨缺损处的新骨形成。免疫荧光染色显示，MCM治疗增强了血管再生。此外，MCM显示出良好的生物相容性，对大鼠主要器官无显著损害。

MCM在体内的成骨和血管生成特性

小结：

在这项研究中，该团队提出了一种通过逆转缺氧微环境来增强细菌铜凋亡样细胞死亡的策略。团队将多种治疗功能（包括重新激活受抑制的免疫反应以及促进成骨和血管生成）集成到单个纳米平台，即负载MnO 2的铜金属有机框架（MCM）中。负载的MnO2通过生物膜内的H2O2反应催化O2产生。补充O2 而铜、细菌呼吸从糖溶转变为好氧呼吸,随之而来的是细胞内铜浓度的增加和二氢脂酰胺-乙酰基转移酶(DLAT)的减少,最终导致加强的铜中毒样细胞死亡。体外和体内实验都证实了MCM和光热疗法联合根除生物膜的有效性。树突状细胞和巨噬细胞在氧气供应后的再激活也得到了证实，缺氧和铜营养的缓解促进了感染清除后的成骨和血管生成。团队重塑细菌代谢以增强铜裂样细胞死亡的策略在综合改善感染表现出显著的临床应用潜力。

文末补充

小编仔细查阅了多方资料，发现在铜死亡领域，近10年发表的文章数量相对较少，来自四个国家的116家机构共发表了109篇文章。中国和美国在四种不同类型的癌症细胞死亡方面的论文数量均位居前两位，遥遥领先于其他国家。中南大学在铁死亡、细胞焦亡、铜死亡领域发表论文数量排名第一，在坏死性凋亡领域引用次数排名第一。广州医科大学在铁死亡领域的引用次数排名第一。中国科学院在细胞焦亡领域引用次数排名第一，看来铜死亡这一话题还是片蓝海呀！

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动物饲养、疾病造模、行为学检测、心功能、无创血压、血常规、全自动生化检测等

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CCK8/MTT、原代细胞分离、流式细胞实验、细胞划痕、侵袭、迁移、EDU染色、转染、稳定株

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PCR检测、荧光定量PCR、绝对定量PCR、端粒酶长度、pull down、双荧光素酶、SSR、SNP检测等

4. 蛋白实验

WB、Co-IP、酵母双杂

5. 病理实验

HE染色、免疫组学、电镜

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肝肾功能、抗氧化、免疫反应等生理免疫指标;动植物营养指标、微量元素、重金属、酶活等。

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