هذا عمل حكومي أمريكي وليس محميًا بموجب حقوق الطبع والنشر في الولايات المتحدة؛ قد تنطبق حماية حقوق الطبع والنشر الأجنبية 2024

اكتشاف موت الخلايا (2024) 10:25 ؛https://doi.org/10.1038/s41420-023-01796-1

تصلب الشرايين هو مرض مزمن وتقدمي يتميز بتراكم الدهون والخلايا الالتهابية والعناصر الليفية في جدار الشرايين، مما يؤدي إلى تكوين لويحات تصلب الشرايين [1،2]. يمكن أن تؤدي هذه اللويحات إلى مشاكل خطيرة
العواقب السريرية، مثل احتشاء عضلة القلب (MI) والسكتة الدماغية، التي تعد من الأسباب الرئيسية للمراضة والوفيات في جميع أنحاء العالم [3]. تتضمن آلية حدوث تصلب الشرايين عوامل وراثية وبيئية واستقلابية متعددة [4].

النحاس عنصر أساسي نادر يشارك في التنفس الميتوكوندري، والدفاع المضاد للأكسدة، وتخليق الناقلات العصبية [5، 6]. يتم تنظيم توازن النحاس بشكل دقيق. يمكن أن يؤدي فائض النحاس أو نقصه إلى تغييرات مرضية، وبالتالي يؤثر سلبًا على صحة الإنسان [7]. قد يساهم عدم توازن النحاس في مسببات تصلب الشرايين من خلال زيادة الإجهاد التأكسدي، والالتهاب، واضطراب وظيفة البطانة، ومستويات أيض الدهون [8-10]. علاوة على ذلك، تم وصف نوع جديد من موت الخلايا، الذي يعتمد على النحاس، مؤخرًا. قد يساهم هذا الموت الخلوي الناتج عن النحاس، والذي يُطلق عليه اسم كوبروبتوسيس، في تطور تصلب الشرايين من خلال التسبب في موت الخلايا وإضعاف وظيفة الميتوكوندريا [11، 12].

في هذه المراجعة، نستكشف دور توازن النحاس والموت النحاسي في تصلب الشرايين. كما نناقش استراتيجيات علاجية محتملة ضد الموت النحاسي ونقدم توجيهات للبحوث المستقبلية حول الموت النحاسي وتصلب الشرايين.

النحاس عنصر أساسي نادر مطلوب في عمليات فسيولوجية متنوعة في جسم الإنسان. تظهر الأبحاث أن مستويات النحاس تختلف عبر الأعضاء والأنسجة، حيث تتراوح القيم من 3 ملغ (في الكلى) إلى 46 ملغ (في العظام) [13]. يعمل النحاس كعامل مساعد للعديد من الإنزيمات المشاركة في استقلاب الطاقة، وتخليق الناقلات العصبية، والدفاع المضاد للأكسدة [5، 6، 14]. الإفراط في

ومع ذلك، يمكن أن تؤدي مستويات النحاس الناقصة إلى السمية الخلوية والتغيرات المرضية [7]. لذلك، من الضروري الحفاظ على مستويات النحاس النظامية ضمن نطاق ضيق (الشكل 1).

امتصاص النحاس. يتم الحصول على النحاس بشكل رئيسي من المصادر الغذائية مثل اللحوم العضوية والمحار. يتم امتصاص النحاس بشكل أساسي بواسطة الخلايا المعوية في الأمعاء الدقيقة، ويتم تنظيم امتصاصه بواسطة ناقل النحاس 1 (CTR1)، المعروف أيضًا باسم عضو عائلة ناقلات المواد الذائبة 31 (SLC31A1). يبدو أن CTR1 يلعب دورًا رئيسيًا في هذا الامتصاص، كما تشير الأبحاث التي تظهر انخفاضًا كبيرًا في تراكم النحاس في الأنسجة الطرفية للفئران حديثة الولادة التي تفتقر إلى CTR1. يسهل المستضد الظهاري عبر الستة أغشية للبروستاتا (STEAP) هذه العملية عن طريق تقليل الثنائي. إلى .

تخزين النحاس ونقله. بعد امتصاصه بواسطة خلايا الظهارة المعوية، يتم نقل النحاس وتصديره إلى مجرى الدم بواسطة الناقل ATPase للنحاس 7A (ATP7A) [18]. هنا، يتم نقل النحاس عبر النظام البابي إلى الكبد عن طريق الارتباط بالشابيرات القابلة للذوبان مثل الألبومين البشري (HSA)، السيرولوبلاسمين، الهيستيدين، والماكروغلوبولين [19، 20]. يتم أيضًا تسهيل امتصاص النحاس بواسطة الخلايا الكبدية في الكبد بواسطة CTR1. يلعب الكبد دورًا حاسمًا في تنظيم استقلاب النحاس من خلال تخزينه وإفرازه. يتم تخزين النحاس بواسطة بروتين ربط النحاس الميتالوثيونين (MT)، وهو جزيء مختزل غني بمجموعات الثيول وله affinity عالية لأيونات النحاس [21]. يلعب MT دورًا حيويًا في توازن النحاس من خلال تخزين وإطلاق النحاس الزائد عند الحاجة. يتم نقل النحاس بواسطة الناقل ATPase للنحاس 7B (ATP7B) في الخلايا الكبدية، الذي يضخ أيونات النحاس من
يعود النحاس إلى مجرى الدم. هنا، ترتبط أيونات النحاس بشركائها القابلين للذوبان وتُنقل إلى أنسجة وأعضاء محددة [22].

إزالة النحاس. يتم إزالة النحاس بشكل أساسي عن طريق الإخراج الصفراوي. يتم إفراز النحاس الزائد بواسطة الكبد إلى الصفراء ثم يتم إخراجه من خلال البراز. ينظم الناقل ATP7B إزالة النحاس من الكبد إلى القنوات الصفراوية. في حالات خلل ATP7B، مثل مرض ويلسون، يتراكم النحاس في الكبد، مما يؤدي إلى تلف الكبد ومشاكل صحية لاحقة.

باختصار، يعتبر استقلاب النحاس عملية معقدة تتضمن آليات متعددة لتنظيم امتصاص النحاس ونقله وتخزينه وإخراجه.

صيانة توازن النحاس داخل الخلايا هي عملية معقدة ومنظمة بدقة تتضمن العمل المنسق لمُركبات النحاس، والمساعدات، والإنزيمات النحاسية (الشكل 2). يتم الحفاظ على تركيز النحاس ضمن نطاق ضيق من خلال العمل التعاوني لهذه البروتينات المعتمدة على النحاس.

امتصاص النحاس. في خلايا الثدييات، يتم تنظيم امتصاص النحاس بشكل أساسي بواسطة CTR1 [6]، وهو بروتين عبر الغشاء يشكل قناة ثلاثية لتسهيل مرور أيونات النحاس عبر الغشاء البلازمي [26]. يتم تنظيم تعبير CTR1 بواسطة مستويات النحاس. مستويات النحاس المنخفضة تزيد من تعبير CTR1 لزيادة امتصاص النحاس، بينما المستويات العالية تقلل من تعبير CTR1 لمنع السمية الخلوية للنحاس [27، 28]. تسلط هذه النتائج الضوء على أهمية CTR1 في توازن النحاس.

توزيع النحاس داخل الخلايا. بعد دخول النحاس إلى الخلية، يتم أولاً توصيله إلى حوامل النحاس السيتوبلازمية، التي تنقله بعد ذلك إلى الحُجرات داخل الخلايا مثل الميتوكوندريا، والشبكة الغولجية المتجاوزة (TGN)، والنواة. في خلايا الثدييات، تم تحديد ثلاثة حوامل رئيسية للنحاس: حامل النحاس المضاد للأكسدة 1 (ATOX1)، حامل النحاس لإنزيم سوبر أكسيد ديسموتاز (CCS)، وحامل النحاس لإنزيم السيتوكروم ج أكسيداز 17 (COX17) [29، 30].

يوفر ATOX1 النحاس لـ ATP7A و ATP7B في الشبكة الغشائية الداخلية [31]. بالإضافة إلى ذلك، تم إثبات أن ATOX1 يعمل كنوع جديد من عوامل النسخ المعتمدة على النحاس التي تتوسط في تكاثر الخلايا المستحث بالنحاس [32].

CCS هو بروتين ناقل للنحاس قابل للذوبان في السيتوبلازم ينقل أيونات النحاس إلى موقع ربط النحاس في إنزيم سوبر أكسيد ديسموتاز 1 (SOD1) [33]. SOD1 هو إنزيم مضاد للأكسدة رئيسي يحفز تحويل الجذور الحرة من سوبر أكسيد إلى أكسجين وبيروكسيد الهيدروجين، مما يحافظ على توازن أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ويحمي الخلايا من أضرار الإجهاد التأكسدي [34]. وقد تم إثبات هذه الوظيفة في الفئران التي تم حذف جين SOD1 منها، حيث زاد غياب SOD1 من الإجهاد التأكسدي وأدى أولاً إلى تلف خلايا الكبد وفي النهاية إلى سرطان الكبد [35].

COX17 مسؤول عن توصيل أيونات النحاس إلى تجميع السيتوكروم ج أكسيداز (COX)، وهو مكون رئيسي في سلسلة نقل الإلكترون المرتبطة بالتنفس الخلوي [36]. بعد ذلك، تتبرع COX11 و SCO1، اللذان هما أيضًا مكونان مهمان في تجميع COX، بالنحاس إلى و المواقع في وحدات COX2 وCOX1 الأساسية لـ COX في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، COX17
كما يعمل كمانح للنحاس داخل الفضاء بين الغشائين الميتوكوندريين (IMS) [37]. وبالتالي، فإن COX17 ضروري للتجميع السليم لـ COX، حيث أظهرت الطفرات في COX17 أنها تقلل من نشاط COX، مما يؤدي إلى خلل في الميتوكوندريا وإجهاد أكسيدي [38].

تخزين النحاس داخل الخلايا وتصديره. يتم تصدير النحاس داخل الخلايا بشكل رئيسي بواسطة ATP7A و ATP7B، وهما ناقلا النحاس الموجودان في الشبكة الغشائية الداخلية التي تنظم توصيل النحاس إلى المسارات الإفرازية وغشاء البلازما. في الظروف الطبيعية، يقوم ATP7A و ATP7B بنقل أيونات النحاس من الشبكة الغشائية الداخلية إلى أجزاء خلوية أخرى لأداء وظائف خلوية متنوعة. عند مستويات النحاس داخل الخلايا المفرطة، يتم تنشيط ATP7A و ATP7B لتصدير أيونات النحاس الزائدة من الشبكة الغشائية الداخلية وتخزينها في بروتينات ربط النحاس مثل الميتالوثيونين. كما تنظم هذه البروتينات توازن النحاس عن طريق تقليل الامتصاص وزيادة الطرد. يمكن أن تؤدي الطفرات في ATP7A و ATP7B إلى اضطرابات في استقلاب النحاس مثل مرض منكس ومرض ويلسون.

تصلب الشرايين هو مرض التهابي مزمن يتميز بتراكم اللويحات على جدران الشرايين، مما يؤدي إلى تضيق وتصلب الشرايين. يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى مضاعفات خطيرة، بما في ذلك مرض الشريان التاجي، والسكتة الدماغية، ومرض الشرايين الطرفية. الأدلة المتزايدة

أمراض القلب والأوعية الدموية، أمراض القلب التاجية؛ احتشاء عضلة القلب الحاد؛ مرض القلب الإقفاري؛ سمك الطبقة الداخلية والوسطى.
من خلال العديد من الدراسات، تم ربط عدم توازن النحاس والزيادة أو النقص الناتج في النحاس بتصلب الشرايين.

أظهرت الأبحاث المكثفة وجود علاقة بين مستويات النحاس المرتفعة وأمراض القلب والأوعية الدموية (الجدول 1). على سبيل المثال، أظهرت عدة دراسات جماعية مستقبلية وجود علاقة كبيرة بين مستويات النحاس في المصل المرتفعة ومعدلات الوفيات الأعلى المرتبطة بأمراض القلب والأوعية الدموية، وخاصة مرض الشريان التاجي [47-49]. كما أظهرت مستويات النحاس المرتفعة أنها عامل خطر مستقل لمرض القلب الإقفاري [50]. بالإضافة إلى الأدلة من الدراسات المستقبلية، قام ستادلر وآخرون بالكشف مباشرة عن أيونات المعادن الانتقالية وقياسها في لويحات تصلب الشرايين البشرية ووجدوا زيادة في مستويات النحاس في البطانة المريضة [51]. تدعم الدراسات على السكان الذين يعانون من احتشاء عضلة القلب الحاد (AMI) هذه النتائج، حيث أظهر المرضى الذين يعانون من AMI مستويات أعلى بكثير من النحاس في المصل مقارنة بأولئك الذين لا يعانون من AMI [52]. علاوة على ذلك، وُجد أن زيادة مستويات النحاس في المصل بين المرضى بعد احتشاء عضلة القلب لها قيمة تشخيصية كبيرة لحدوث احتشاء عضلة القلب [53]. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط تغير توافر النحاس الحيوي سلبًا بسماكة البطانة الداخلية المتوسطة للشريان السباتي (IMT)، مما قد يكون مؤشرًا موثوقًا للتصلب العصيدي المبكر لدى المرضى الذين يعانون من السمنة [54]. علاوة على ذلك، تختلف تركيزات النحاس في المصل بين المرضى الذين لديهم أشكال مختلفة من لويحات تصلب الشرايين السباتية. على وجه التحديد، فإن المرضى الذين لديهم لويحات نزفية لديهم تركيزات أعلى بكثير من النحاس في المصل مقارنة بأولئك الذين لديهم لويحات متكلسة [55]. تشير هذه النتائج إلى احتمال وجود دور لمستويات النحاس المرتفعة في مسببات تصلب الشرايين.

يُعترف بنقص النحاس أيضًا كعامل مساهم رئيسي في تطور تصلب الشرايين. ويتضح ذلك من خلال فوائد تناول كميات عالية من النحاس في النظام الغذائي والمكملات النحاسية. توصي معهد الطب بحد يومي من النحاس يبلغ 900 ميكروغرام للبالغين، مع حد أعلى مقبول من يوم لمنع تلف الكبد [56]. على الرغم من أن التوصيات تختلف بين السلطات الوطنية، إلا أن معظمها توصي بتناول 800 إلى اليوم [15]. تشير الأبحاث الكبيرة إلى أن تناول النحاس الكافي يقلل من خطر تصلب الشرايين. على سبيل المثال، وجد روك وزملاؤه أن مكملات النحاس لدى الأفراد في منتصف العمر تعزز القدرة المضادة للأكسدة للخلايا، مما قد يساعد في منع تلف الأوعية الدموية وبالتالي تقليل خطر تصلب الشرايين [57]. أظهرت دراسة أخرى على مجموعة من الأشخاص وجود ارتباط بين تناول النحاس الغذائي الكافي (المساوي أو أعلى من المتطلبات المتوسطة المقدرة) وانخفاض خطر الوفاة بسبب جميع الأسباب والأمراض القلبية الوعائية. ومع ذلك، كان هذا الارتباط محدودًا بتناول النحاس من مصادر غذائية [58]. تؤكد الدراسات على نماذج حيوانية هذه النتائج، حيث أظهر لامب وزملاؤه أن نقص النحاس الغذائي أو زيادته يزيد من القابلية لتصلب الشرايين في الأبهر لدى الأرانب التي تتغذى على الكوليسترول [59]. وبالمثل، وُجد أن مكملات النحاس تعكس التغيرات المرضية الناتجة عن زيادة الحديد الغذائي في الفئران، مما يعيد جزئيًا الوضع الطبيعي لتضخم القلب [60] ويحسن وظيفة القلب في اعتلال عضلة القلب المتوسع الناتج عن زيادة الضغط [61]. ومع ذلك، تظل آثار مكملات النحاس على الجهاز القلبي الوعائي مثيرة للجدل. أظهرت دراسة أجراها دياف وزملاؤه على نساء في منتصف العمر من الجزائر أن هناك ارتباطًا ضئيلًا بين النظام الغذائي.

تناول النحاس وانتشار تصلب الشرايين في مرض السكري [62]. قد تكون هذه النتائج المتضاربة ناتجة عن اختلافات في تصميم الدراسة وجرعة ومدة مكملات النحاس.

آليات تطور تصلب الشرايين بسبب مستويات النحاس المتغيرة ليست مفهومة تمامًا. تشمل عدة آليات محتملة الإجهاد التأكسدي، الالتهاب، خلل وظيفة البطانة، واستقلاب الدهون.

الإجهاد التأكسدي هو عامل رئيسي في تطور تصلب الشرايين، والذي يتضمن عادةً عدم التوازن في إنتاج الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) والدفاعات المضادة للأكسدة [63]. نظرًا لأن النحاس معدن نشط في تفاعلات الأكسدة والاختزال، فإن التغيرات في مستويات النحاس يمكن أن تساهم في توليد ROS وبالتالي تعزز الإجهاد التأكسدي [15، 64] (الشكل 3).

زيادة النحاس والإجهاد التأكسدي. تميل مستويات النحاس الحرة المرتفعة إلى التفاعل بشكل أكبر مع بيروكسيد الهيدروجين من خلال تفاعلات فنتون، مما يؤدي إلى إنتاج جذور الهيدروكسيل شديدة التفاعل. تسبب هذه الجذور أكسدة الدهون، وأكسدة البروتينات، وتلف الحمض النووي، مما يساهم في النهاية في بدء وتقدم تصلب الشرايين. أكسدة الدهون هي تفاعل متسلسل يبدأ بهجوم الجذور الحرة على الأحماض الدهنية غير المشبعة في دهون أغشية الخلايا، والتي ثم
يؤدي إلى تلف الأكسدة لجزيئات الدهون. يمكن أن تعزز مستويات النحاس المرتفعة أكسدة الدهون وتؤدي إلى تكوين البروتين الدهني منخفض الكثافة المؤكسد (ox-LDL)، وهو عامل خطر لتصلب الشرايين. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسات أن مستويات النحاس المرتفعة تقلل من نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة، مثل الكاتالاز، وبيروكسيداز الجلوتاثيون، في كريات الدم الحمراء، والدم الكامل، والأنسجة الحية، وأنسجة الدماغ لدى الجرذان (67، 68، 69). في أنسجة دماغ الجرذان، ينشأ انخفاض نشاط SOD ومستويات الجلوتاثيون بسبب زيادة النحاس التي تحفز تأكسد الدهون [68]. النحاس قادر أيضًا على التسبب في انكسارات في خيوط الحمض النووي وأكسدة القواعد عبر الجذور الحرة المشتقة من الأكسجين [69]. تشير هذه النتائج إلى أن زيادة النحاس تسبب ضعف نظام الدفاع المضاد للأكسدة في عدة أنسجة.

نقص النحاس والإجهاد التأكسدي. لقد تم اقتراح أن نقص النحاس يساهم أيضًا في تطور وتقدم تصلب الشرايين من خلال الإجهاد التأكسدي. النحاس هو عامل مساعد أساسي لمجموعة متنوعة من الإنزيمات المضادة للأكسدة، بما في ذلك Cu/Zn-SOD، السيرولوبلاسمين، وأكسيداز الليسين [70]. وبالتالي، قد يؤدي نقص النحاس إلى إضعاف وظيفة هذه الإنزيمات، مما يؤدي إلى نظام دفاع مضاد للأكسدة معطل وزيادة القابلية للإجهاد التأكسدي [70، 71]. تدعم هذه الفرضية ملاحظة أن نقص النحاس في الجرذان يؤدي إلى تقليل -نشاط SOD وزيادة الضرر التأكسدي لمختلف وحدات سبكتين كريات الدم الحمراء [72]. انخفاض نشاط SOD1، الذي يشفر تمت ملاحظة SOD أيضًا في الكبد وخلايا الدم الحمراء في الفئران التي تعاني من نقص النحاس [73]. الانخفاض في SOD1 الناتج عن النحاس
نقص النحاس يؤدي إلى انخفاض مستويات أكسيد النيتريك (NO)، مما قد يعزز من خلل وظيفة البطانة، ويقلل من استرخاء الأوعية الدموية، ويزيد من الإجهاد التأكسدي، وبالتالي يساهم في تطور تصلب الشرايين [70]. بالإضافة إلى تأثيره على إنزيمات مضادات الأكسدة، قد يؤدي نقص النحاس أيضًا إلى تقليل نشاط COX ويؤدي إلى التفاعل التأكسدي المعطل للمركب الأول (NADH: أكسيد الكوينون). قد يؤدي هذا التفاعل التأكسدي بعد ذلك إلى زيادة إنتاج الجذور الحرة في الخلايا التي تعاني من نقص النحاس، مما يزيد من الإجهاد التأكسدي الخلوي [74].

قد يعزز النحاس أيضًا من تطور تصلب الشرايين من خلال تعديل الاستجابات الالتهابية المرتبطة بالمرض.

النحاس الزائد والالتهاب. تم ربط النحاس الزائد بتطور تصلب الشرايين بسبب قدرته على تحفيز الالتهاب. تم الإبلاغ سابقًا عن أن مستويات النحاس العالية تحفز إنتاج السيتوكينات المؤيدة للالتهاب وبالتالي تعزز الالتهاب داخل جدران الشرايين [75]. على سبيل المثال، في خلايا القلب الأولية، يزيد من إفراز إنترلوكين-6 (IL-6) وينشط كينازات MAP، المرتبطة بالالتهاب القلبي والتضخم [76]. كما أن الإجهاد التأكسدي الناتج عن النحاس يساهم أيضًا في الالتهاب لأن النحاس الزائد يولد الجذور الحرة، مما يسبب ضررًا تأكسديًا للدهون والبروتينات والحمض النووي ويعزز الالتهاب [15]. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي الزيادات في مستويات الجذور الحرة بسبب زيادة مستويات النحاس إلى تنشيط عامل النسخ النووي-кВ ( ), وهو بروتين حاسم يشارك في تنظيم التعبير عن الجينات المؤيدة للالتهاب [77]. تشير هذه النتائج إلى أن مستويات النحاس العالية يمكن أن تفاقم الالتهاب في جدران الأوعية الدموية وبالتالي تعزز من تطور تصلب الشرايين.

نقص النحاس والالتهاب. تم ربط نقص النحاس أيضًا بتطور تصلب الشرايين من خلال تأثيره على الالتهاب. قد يؤدي نقص النحاس إلى تقليل التعبير عن جزيئات الالتصاق، مثل ICAM-1 و VCAM-1، التي تسهل التصاق الكريات البيضاء على خلايا البطانة المنشطة [78]. تدعم الأدلة من الدراسات الحيوانية أيضًا دور نقص النحاس في الالتهاب. على سبيل المثال، تزداد تراكم الكريات البيضاء بسبب زيادة التعبير عن ICAM-1 في كبد الفئران التي تعاني من نقص النحاس بعد نقص التروية/إعادة التروية [79]. علاوة على ذلك، تم إظهار أن هذا التعبير المرتفع عن ICAM-1 ينشط الكريات البيضاء وخلايا البطانة، كما يتضح من تفاعل F-actin وزيادة تراكم الكريات البيضاء داخل الدورة الدموية الدقيقة للرئة [80-82]. كما تتعزز الاستجابات الالتهابية الرئوية في الحيوانات التي تعاني من نقص النحاس [83]. أخيرًا، يؤدي نقص النحاس إلى إضعاف نشاط -SOD كما ذُكر سابقًا، مما يؤدي إلى زيادة تراكم الجذور الحرة وتفاقم الإجهاد التأكسدي، مما يمكن أن يعزز المزيد من الالتهاب وتطور تصلب الشرايين [84].

تم ربط عدم توازن النحاس بتصلب الشرايين، حيث يساهم كل من الزائد والنقص في النحاس في خلل وظيفة البطانة، وهو خطوة مبكرة حاسمة في تطور تصلب الشرايين.

النحاس الزائد وخلل وظيفة البطانة. يمكن أن يؤدي النحاس الزائد إلى تعطيل التوازن بين إنتاج وتحلل أكسيد النيتريك (NO)، وهو منظم رئيسي لنغمة الأوعية ووظيفة البطانة [85]. يمكن أن تؤدي زيادة مستويات النحاس إلى زيادة التعبير عن إنزيم NO الاصطناعي (iNOS)، مما يؤدي إلى إنتاج مفرط من NO و بيروكسي نيتريت، وهو مؤكسد قوي يسبب مزيدًا من الضرر التأكسدي [86]. علاوة على ذلك، يتفاعل النحاس أيضًا مع عوامل خطر تصلب الشرايين مثل الهوموسيستين، مما يؤدي إلى زيادة أكسدة الهيدروجين والإجهاد التأكسدي. على وجه التحديد، تظهر دراسة أن الحضانة مع الهوموسيستين والنحاس لمدة 4 ساعات قادرة على التسبب في ضرر كبير لخلايا البطانة [87].

نقص النحاس وخلل وظيفة البطانة. يرتبط نقص النحاس أيضًا بزيادة خلل وظيفة البطانة. يمكن أن يؤدي خلل وظيفة البطانة إلى تقليل إنتاج NO، وهو موسع للأوعية ومثبط لتجمع الصفائح الدموية، وبالتالي يعزز من بيئة مؤيدة لتصلب الشرايين [88]. يمكن أن يؤدي نقص النحاس أيضًا إلى تقليل مستويات NO من خلال تقليل مستويات SOD1. يمكن أن تؤدي مستويات NO المنخفضة بعد ذلك إلى تثبيط وظيفة البطانة وتوسع الأوعية، وزيادة الإجهاد التأكسدي، وبالتالي تعزيز تصلب الشرايين [70].

النحاس الزائد وتمثيل الدهون. يساهم النحاس الزائد بشكل كبير في تطور تصلب الشرايين من خلال تأثيراته على LDL المؤكسد، الذي يلعب دورًا مركزيًا في تصلب الشرايين [89]. على وجه التحديد، يشارك النحاس في أكسدة جزيئات LDL، وقد تؤثر التغيرات في مستويات النحاس على قابلية جزيئات LDL للأكسدة. يمكن أن تزيد مستويات النحاس الزائدة من أكسدة جزيئات LDL وتحفز إنتاج LDL المؤكسد، مما يساهم بعد ذلك في تطور تصلب الشرايين [67].

بالإضافة إلى تأثيراته على LDL المؤكسد، يشارك النحاس في عدة أشكال من تمثيل الدهون، بما في ذلك تخليق الأحماض الدهنية والكوليسترول وتمثيل البروتينات الدهنية. قد تكون التغيرات في مستويات النحاس مرتبطة بتغيرات في تركيزات الدهون والبروتينات الدهنية. على سبيل المثال، وُجد أن مستويات النحاس في المصل والسيرولوبلاسمين مرتبطة إيجابيًا مع بيروكسايد الدهون، والكوليسترول الكلي، والدهون الثلاثية، والأبوليبوبروتين B في الأفراد الأصحاء [90]. في دراسة أخرى، وُجد أن مستويات النحاس في المصل لدى المرضى الإيرانيين الذين تم تعريفهم بواسطة تصوير الأوعية القلبية كانت مرتبطة إيجابيًا مع الدهون الثلاثية في المصل الصائم [91]. في الجسم الحي، تدعم الأدلة من التجارب الحيوانية أيضًا دور النحاس الزائد في تمثيل الدهون. أظهرت دراسة على سمك السلور الأصفر أن الإجهاد الناتج عن النحاس في الشبكة الإندوبلازمية وتعطيل توازن الكالسيوم يغير من تمثيل الدهون في الكبد، مما يؤدي إلى زيادة تراكم الدهون في الكبد [92].

نقص النحاس وتمثيل الدهون. قد تساهم مستويات النحاس غير الكافية أيضًا في تطور تصلب الشرايين من خلال تأثيرها على تمثيل الدهون. نظرًا لأن النحاس يشارك في تخليق الأحماض الدهنية والكوليسترول، فإن مستويات النحاس غير الكافية قد تؤدي إلى ضعف تمثيل الدهون، وبالتالي تطور مرض الكبد الدهني. كما يزيد نقص النحاس من مستويات الكوليسترول الكلي أيضًا [7]. يمكن أن تؤثر مستويات النحاس غير الكافية على نشاط بروتينات ربط عنصر تنظيم الستيرول 1 و 2 (SREBP-1 و SREBP2)، وهي عوامل نسخ تشارك في تمثيل الأحماض الدهنية والكوليسترول [93]. على وجه التحديد، تشارك كلا الشكلين من SREBP-1 (SREBP-1a و SREBP-1c) في تنظيم تخليق الأحماض الدهنية، بينما يشارك SREBP-2 بشكل رئيسي في تنظيم تخليق الكوليسترول [94]. وُجد أن الحميات المنخفضة في النحاس تؤدي إلى تراكم الشكل الناضج من SREBP-1 في نوى خلايا كبد الفئران، ومع ذلك لم يُلاحظ أي تغيير في موقع ارتباط الحمض النووي لـ SREBP-1 [95]. وبالتالي، قد يلعب النحاس دورًا في تنظيم الموقع الفرعي لـ SREBP-1، مما يؤثر على نشاطه وبالتالي على تمثيل الدهون. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآليات التي يؤثر من خلالها النحاس على نشاط SREBP-1 وعوامل النسخ الأخرى المشاركة في تمثيل الدهون.

ترتبط مستويات النحاس أيضًا بعوامل خطر أخرى لتصلب الشرايين، مثل ارتفاع ضغط الدم. يمنع النحاس نشاط إنزيمات تحويل الأنجيوتنسين، بحيث يؤدي نقص النحاس إلى زيادة مستويات الأنجيوتنسين، وبالتالي احتباس الماء والصوديوم وارتفاع ضغط الدم [96]. علاوة على ذلك، يعتبر النحاس عامل مساعد لـ SOD، الذي يلعب دورًا رئيسيًا في نظام الدفاع المضاد للأكسدة. وبالتالي، قد يؤدي نقص النحاس إلى زيادة مستويات الجذور الحرة الفائقة، مما يؤدي إلى ارتفاع مستويات الأنجيوتنسين وارتفاع ضغط الدم الناتج [97].

تعود اكتشاف وفاة الخلايا الناتجة عن النحاس إلى أوائل الثمانينيات [98]. وُجد أن زيادة مستويات النحاس تعزز من توليد الجذور الحرة (ROS) وبالتالي تؤدي إلى الإجهاد التأكسدي، تلف الحمض النووي، وفي النهاية وفاة الخلايا [99]. أدت هذه النتائج إلى مزيد من التحقيقات في الآليات الجزيئية الكامنة وراء وفاة الخلايا الناتجة عن النحاس وآثارها المحتملة على الأمراض البشرية. في الواقع، تشير النتائج المتضاربة إلى أنه، بالإضافة إلى تراكم الجذور الحرة، قد يؤدي النحاس الزائد إلى وفاة الخلايا من خلال الاستماتة أو وفاة الخلايا المستقلة عن الكاسبيز [100، 101]. بشكل عام، لم تكن الآليات المسؤولة عن وفاة الخلايا الناتجة عن النحاس مفهومة جيدًا.

ومع ذلك، في مارس 2022، نشر تسفيتكوف وآخرون دراسة رائدة تكشف عن آلية موت الخلايا الناتج عن النحاس، والذي أطلق عليه اسم الكوبروبتوسيس. يمثل الكوبروبتوسيس شكلًا فريدًا من موت الخلايا يتم تحفيزه بواسطة فائض من أيونات النحاس. في دراستهم، أظهر تسفيتكوف وآخرون أن العلاج بمركب أيون النحاس إلسكلومول أدى إلى موت الخلايا. ومن المRemarkable، أن الخافض للنحاس فقط يمكنه إنقاذ الخلايا من موت الخلايا الناتج عن إلسكلومول. على النقيض من ذلك، لا يمكن الإنقاذ باستخدام أي من مثبطات الموت المبرمج، أو النخر، أو الإجهاد التأكسدي، أو موت الخلايا الناتج عن ROS، أو الفيروبتوسيس. تؤكد هذه النتائج بشكل قاطع أن الكوبروبتوسيس يختلف عن غيره من أنماط موت الخلايا المعروفة، مما يبرز آلياته ومسارات الإشارة الفريدة. ومن الجدير بالذكر أن الكوبروبتوسيس يتم تنظيمه بواسطة التنفس الميتوكوندري، كما تدعمه الأبحاث التي تشير إلى أن الخلايا المعتمدة على الميتوكوندريا تظهر حساسية لمركبات أيون النحاس تقارب 1000 مرة أعلى من الخلايا التي تمر بعملية التحلل السكري. وقد تم تسليط الضوء على أهمية التنفس الميتوكوندري في الكوبروبتوسيس في أبحاث إضافية، مما يكشف عن علاقة وثيقة بين الكوبروبتوسيس ودورة الحمض الثلاثي الكربوكسيلي. خلال الكوبروبتوسيس، يرتبط النحاس داخل الخلايا بالمكونات المليئة بالليبوي من دورة الحمض الثلاثي الكربوكسيلي.
يؤدي إلى تجمع البروتينات الميتوكوندرية المرتبطة بالنحاس والمعدلة بالليبويد، مما يمكن أن يعطل دورة TCA وبالتالي يتداخل مع إنتاج الطاقة الخلوية. العوامل التنظيمية العليا FDX1 و LIAS حاسمة في هذه العملية. تجمع هذه البروتينات والتقليل اللاحق من العناقيد، التي تعد عوامل مساعدة أساسية لعمليات خلوية متنوعة، بما في ذلك نقل الإلكترونات والتفاعلات الإنزيمية [102]، تعزز الإجهاد البروتيني في النهاية مما يؤدي إلى موت الخلايا (الشكل 4).

تشير الأدلة المتزايدة إلى وجود تواصل واسع النطاق وتفاعلات بين المحفزات الرئيسية، والعوامل المؤثرة، والمنفذين المشاركين في البيروبتوز، والنكروبوتوز، والفيروبتوز، والكوبروتوز.

البيروبتوز. البيروبتوز هو نوع من الموت الخلوي المبرمج المؤيد للالتهابات، والذي يقوده بشكل أساسي تجميع الإنفلامازوم، مصحوبًا بتقطيع GSDMD و IL-1. وإطلاق IL-18 [103-105]. تعتبر NLRP1 وNLRP3 وNLRC4 وAIM2 وpyrin حساسات معروفة للالتهاب تتجمع لتكوين التهابيات نموذجية في عملية تحفزها المحفزات الالتهابية مثل تلك الناتجة عن العدوى الميكروبية [106، 107]. وقد أظهرت أيونات النحاس، التي تعد مغذيات دقيقة أساسية للعديد من العمليات الفسيولوجية، أنها تحفز إنتاج ROS وتactivate NF- مسار الإشارة. يؤدي ذلك إلى زيادة تنظيم الجينات والبروتينات الالتهابية، مما قد يؤثر على تقدم تصلب الشرايين [108-110]. لذلك، هناك اقتراح معقول بوجود تواصل بين أيونات النحاس والبيوربتوس.

تظهر الأدلة من الدراسات الحيوانية أن تحميل النحاس في خلايا الكبد للفئران يؤدي إلى زيادة كبيرة في التعبير عن mRNA للجينات المرتبطة بالبايروبتوسيس (كاسبيز-1، IL-18، IL-1) ، و NLRP3) وتعبير البروتين عن كاسبيز-1[111]. بالمثل،
تعرض خلايا الميكروغليا في الفئران للنحاس يحفز استجابة التهابية، مما يؤدي إلى زيادة تنظيم بروتينات محور NLRP3/caspase 1/GSDMD وحدوث البيروبتوس. من المحتمل أن تكون هذه التأثيرات ناتجة عن التنشيط المبكر لمسار ROS/NF-кВ والتعطيل اللاحق للميتوفاجي. علاوة على ذلك، لوحظت نتائج مماثلة في البلعميات الفئران المعالجة بجزيئات أكسيد النحاس النانوية. يؤدي تعرض جزيئات أكسيد النحاس النانوية إلى تحفيز الإجهاد التأكسدي وتنشيط إنزيمات NLRP3، مما يؤدي إلى التعبير عن pro-IL-1. من خلال مسار الإشارة TLR4 المعتمد على MyD88، تليها تنشيط NF-кВ في البلعميات الفأرية [108].

باختصار، تُظهر هذه النتائج وجود تداخل بين موت الخلايا الناتج عن النحاس والبيوربتوس. يؤثر التعرض للنحاس على تعبير الجينات والبروتينات المرتبطة بالبيوربتوس في أنواع مختلفة من الخلايا، حيث تكون الآليات الأساسية هي تنشيط مسار ROS/NF-кВ والاستجابة الالتهابية. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات الأساسية الدقيقة واستكشاف تداعيات هذا التفاعل.

النخر المبرمج. النخر المبرمج هو شكل من أشكال النخر المبرمج المرتبط بتصلب الشرايين من خلال دوره المحتمل في زعزعة استقرار اللويحات وانفجارها. وقد أظهرت الدراسات مؤخرًا أن النخر المبرمج ينشط إنزيم NLRP3 عن طريق التسبب في تدفق البوتاسيوم من خلال مسام MLKL في البلعميات. كما أشار التحليل المعلوماتي الحيوي إلى وجود ارتباط بين ZBP1 والنخر النحاسي وكذلك النخر المبرمج. أدى تنشيط ZBP1 إلى استقطاب RIPK3 وcaspase-8 لتنشيط إنزيم NLRP3، مما يؤدي بدوره إلى تحفيز النخر المبرمج والنخر الحراري.

فيروبتوز. الفيروبتوز، وهو شكل من أشكال موت الخلايا المعتمد على الحديد الذي يتم تحفيزه بواسطة أكسدة الدهون وتراكم الأنواع التفاعلية للأكسجين المستندة إلى الدهون، يبدو أنه يتأثر بمستويات النحاس بسبب الخصائص النشطة للأكسدة لأيونات النحاس. يمكن أن يؤثر الكوبرتوبيس على تعبير الجينات الرئيسية المعنية في تنظيم الفيروبتوز، مثل الجلوتاثيون بيروكسيداز 4 (GPX4)، من خلال القضاء على هيدروبيروكسيدات الفوسفوليبيد وعضو عائلة أسيل كوإنزيم A سينثيتاز طويل السلسلة 4 (ACSL4)، مما ينظم حساسية الخلايا لمؤشرات الفيروبتوز. من الجدير بالذكر أن خافضات النحاس يمكن أن تقلل الحساسية للفيروبتوز بشكل خاص بينما تترك أشكال موت الخلايا الأخرى غير متأثرة. في دراسة أجراها شيوي وآخرون، وُجد أن النحاس يلعب دورًا جديدًا في تعزيز الفيروبتوز من خلال تحلل GPX4 عبر البلعمة الذاتية. علاوة على ذلك، تكشف أبحاث قاو وآخرون عن تفاعل بين موت الخلايا الناتج عن النحاس والنخر. تشير نتائجهم إلى أن إعطاء الإليسكلومول لخلايا سرطان القولون والمستقيم زاد من مستويات Cu(II) في الميتوكوندريا، وانخفض تعبير ATP7A، وزاد من تراكم ROS. أدى هذا العملية إلى تحلل SLC7A11، مما زاد من الإجهاد التأكسدي وأدى إلى الفيروبتوز. بالإضافة إلى ذلك، زاد نقص النحاس بشكل كبير من الفيروبتوز من خلال اضطراب الميتوكوندريا وتعطيل آليات مضادات الأكسدة. بشكل محدد، يحد نقص النحاس من تعبير بروتين GPX4 ويقلل من حساسية الخلايا لمؤشرات الفيروبتوز، مما يثبت وجود رابط مباشر بين مستويات النحاس والفيروبتوز.

استنادًا إلى الدراسات المذكورة أعلاه، من الواضح أن النحاس مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالنخر الخلوي، والانفجار الخلوي، والحديد الخلوي، مما يشير إلى وجود تواصل كبير بين هذه المسارات المختلفة لموت الخلايا. إن فهم الآليات الأساسية التي تربط بين هذه الأنماط من موت الخلايا أمر في غاية الأهمية لتطوير استراتيجيات علاجية جديدة تصلب الشرايين يمكن أن تستهدف مسارات متعددة في وقت واحد.

الميتوكوندريا عرضة للتلف الناتج عن النحاس، مما يسبب ضررًا أكسيديًا لغشائها [129، 130].
قد disrupt النحاس داخل الخلايا أيضًا وظيفة الميتوكوندريا عن طريق تغيير نشاط العديد من الإنزيمات الرئيسية، مثل تلك المشاركة في دورة حمض ثلاثي الكربوكسيليك (TCA) والفوسفوريلation التأكسدية. لوحظت خلل شديد في الميتوكوندريا وانخفاض في أنشطة العديد من إنزيمات الكبد، بما في ذلك المركب I، المركب II، المركب III، المركب IV، والأكونيتاز، في المرضى الذين يعانون من زيادة النحاس. هذه التأثيرات قد تكون متوسطة من خلال تراكم النحاس في الميتوكوندريا. علاوة على ذلك، يؤدي علاج النحاس إلى تغييرات انتقائية في الإنزيمات الأيضية من خلال الليبويلايشن، وهو تعديل ما بعد الترجمة للّيسين محفوظ بشكل كبير. تحدث بروتينات الليبويلايشن فقط على Dihydrolipoamide S-Acetyltransferase (DLAT)، Dihydrolipoamide S-Succinyltransferase (DLST)، Dihydrolipoamide Branched Chain Transacylase E2 (DBT)، وGlycine Cleavage System Protein H (GCSH)، وكلها تشارك في المجمعات الأيضية التي تنظم نقاط دخول الكربون إلى دورة TCA. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي زيادة النحاس إلى فتح ثقب الانتقال النفاذية للميتوكوندريا ويسبب إطلاق عوامل مؤيدة للاستماتة، مما يؤدي في النهاية إلى موت الخلايا.

يُعتبر خلل الميتوكوندريا مرتبطًا بتطور وتقدم تصلب الشرايين [136]. يُعزز ضعف وظيفة الميتوكوندريا تراكم الدهون، والإجهاد التأكسدي، والاستجابات الالتهابية، وتكاثر خلايا العضلات الملساء الوعائية، وكلها تساهم في تشكيل اللويحات وعدم استقرارها [137، 138]. بالنظر إلى تأثيره على وظيفة الميتوكوندريا، قد تساهم الكوبرتوبيس في تقدم تصلب الشرايين من خلال تفاقم خلل الميتوكوندريا.

تربط عوامل خلب النحاس وتحتجز أيونات النحاس. لقد أظهرت عدة عوامل خلب النحاس وعودًا في الدراسات الحيوانية والتجارب السريرية لعلاج تصلب الشرايين.

لقد أظهرت مادة التترايثيوموليبدات (TTM) أنها خالب نحاس فعال مع آثار علاجية محتملة في تقليل تقدم تصلب الشرايين، كما تم إثباته في نماذج حيوانية [139، 140]. في دراسة استخدمت ApoE الفئران، أدى علاج TTM لمدة 10 أسابيع إلى تقليل كبير في تطور آفات الشريان الأورطي، مما يشير إلى إمكانيته كعامل مضاد للتصلب العصيدي [139]. تم عزو الآثار المفيدة لـ TTM إلى قدرته على تقليل مستويات النحاس المتاح حيوياً وكبح الالتهاب الوعائي [140]. النحاس مرتبط بالالتهاب الوعائي كعامل مسبب لمرض الأوعية الدموية التصلبي، ومن خلال خلب النحاس، قد يقوم TTM بتعديل المسارات المرتبطة بالنحاس المعنية بالتصلب العصيدي والالتهاب. أظهر وي وآخرون أن خلب النحاس بواسطة TTM كبح الاستجابات الالتهابية المستحثة بواسطة الليبوساكاريد (LPS) في الشريان الأورطي للفئران وأنسجة أخرى. قد يحدث هذا الكبح من خلال قمع عوامل النسخ الحساسة للأكسدة NF-кВ وAP-1، التي تلعب أدواراً حاسمة في الالتهاب [140]. من خلال استهداف المسارات المرتبطة بالنحاس وتعديل العمليات الالتهابية، يظهر TTM إمكانيته كعامل مضاد للتصلب العصيدي.

حمض الإيثيلين ثنائي الأمين رباعي الأسيتيك ملح ثنائي الصوديوم (EDTA) هو عامل خالب للمعادن واسع الطيف تم التحقيق فيه أيضًا من أجل إمكانيته في علاج تصلب الشرايين [141]. على سبيل المثال، تجربة مزدوجة التعمية خاضعة للرقابة مع دواء وهمي ( ) يظهر أن العلاج بالتخلب باستخدام ثنائي الصوديوم EDTA قلل من خطر النتائج القلبية الوعائية السلبية لدى المرضى المستقرين الذين لديهم تاريخ من احتشاء عضلة القلب (MI). حدثت النقطة النهائية الرئيسية بشكل أقل تكرارًا في مجموعة التخلب مقارنة بمجموعة الدواء الوهمي ( مقابل 30%) [142]. تقدم هذه النتائج أدلة أولية لتوجيه الدراسات المستقبلية لكنها لا توفر في حد ذاتها أدلة كافية لتبرير الاستخدام الروتيني لعلاج الخلب في المرضى الذين يعانون من احتشاء عضلة القلب. فشلت دراسة تحليلية أخرى لخمسة دراسات تغطي ما مجموعه 1,993 مشاركًا عشوائيًا في تحديد أدلة كافية لتحديد فعالية علاج الخلب في
علاج مرض القلب والأوعية الدموية الناتج عن تصلب الشرايين [143]. قد تُعزى النتائج المتناقضة بين هذه الدراسات إلى اختلافات في تصميم البحث و/أو خصائص مجموعات الدراسة. لذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث قبل أن يمكن التوصية بالاستخدام الروتيني لعلاج الإزالة.

تلعب بروتينات الشابيرون النحاسية دورًا حاسمًا في الحفاظ على توازن النحاس الخلوي من خلال تسهيل نقل أيونات النحاس إلى البروتينات والأعضاء المستهدفة. قد يوفر تعديل تعبير بروتينات الشابيرون النحاسية نهجًا بديلاً لتنظيم مستويات النحاس والحد من مساهمة موت الخلايا الناتج عن النحاس في تصلب الشرايين.

ATOX1 هو بروتين ناقل للنحاس له أهمية كبيرة في خلايا الثدييات. لقد أظهرت الدراسات أن ATOX1 ينتقل إلى النواة استجابةً للسيتوكينات الالتهابية أو النحاس الخارجي. علاوة على ذلك، يتمركز ATOX1 في نواة خلايا البطانية في الشريان الأورطي المتصلب الملتهب. إن هجرة خلايا العضلات الملساء الوعائية (VSMCs) ضرورية لتكوين الطبقة الداخلية الجديدة بعد إصابة الأوعية الدموية وتكوين الآفات التصلبية. وُجد أن ATOX1 يعزز هجرة خلايا VSMC وتجنيد الخلايا الالتهابية إلى الأوعية المصابة. علاوة على ذلك، فإن الارتباط المعتمد على النحاس لـ ATOX1 مع TRAF4 ضروري لتسهيل الانتقال النووي لـ ATOX1 والاستجابات الالتهابية المعتمدة على ROS في TNF- -الخلايا البطانية المحفزة (ECs) [146]. وهذا يبرز إمكانية استهداف محور ATOX1-TRAF4 كاستراتيجية علاجية جديدة لعلاج تصلب الشرايين. باختصار، يمثل ATOX1 هدفًا علاجيًا واعدًا للأمراض الوعائية المرتبطة بالالتهابات مثل تصلب الشرايين.

تنقل أيونات النحاس النحاس إلى الخلايا، مما يؤدي إلى زيادة مستويات النحاس داخل الخلايا ووفاة الخلايا لاحقًا. ومع ذلك، يمكن لمخلبات النحاس تثبيط هذه العملية. يمكن أن تعمل عدة أدوية كأيونات نحاس، بما في ذلك الديسلفيرام، البيريثيون، الكلوروكين، والإليسكلومول [147]. من بين هذه الأدوية، حصل الإليسكلومول على أكبر قدر من الاهتمام وتم إخضاعه لعدة تجارب سريرية لاستخدامه في علاج السرطان. على الرغم من أن الغالبية العظمى من هذه التجارب لم تظهر نتائج واعدة بشأن تطوير الإليسكلومول كدواء، إلا أنها أكدت سلامته [148]. كما يتم حاليًا التحقيق على نطاق واسع في الأدوية النانوية التي تجمع بين أيونات النحاس وأيونات النحاس. مؤخرًا، صمم الباحثون بنجاح جزيئات نانوية متعددة الوظائف تتمتع بخصائص استجابة للرقم الهيدروجيني واستهداف CD44. يتيح استخدام جزيئات السيليكا المسامية الشجرية المغطاة بكبريتيد النحاس والمطلية بحمض الهيالورونيك توصيل دواء دقيق وإطلاقًا محكومًا في البيئة الدقيقة الحمضية للالتهاب الشرياني [149]. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات الأدوية النانوية القائمة على النحاس في تطوير أساليب مبتكرة لعلاج تصلب الشرايين المستهدف. من الجدير بالذكر أن جانبًا مهمًا يجب مراعاته في تقدم أيونات النحاس للتطبيقات العلاجية السريرية هو التأثير الملحوظ الذي يمكن أن تمارسه التغيرات الهيكلية الطفيفة على خصائصها ووظائفها [16]. بالإضافة إلى ذلك، فإن وفاة الخلايا التي تتوسطها أيونات النحاس مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بعملية التمثيل الغذائي الميتوكوندري وترتبط ارتباطًا وثيقًا بتطور تصلب الشرايين. بناءً على هذه النتائج، قد تمثل أيونات النحاس استراتيجية علاجية جديدة لاستهداف وفاة الخلايا الناتجة عن النحاس في تصلب الشرايين.

في الختام، يتضمن الدور المتعدد الأوجه للنحاس في تصلب الشرايين عمليات أيضية خلوية ونظامية معقدة. يعزز نقص النحاس أو زيادته تصلب الشرايين من خلال تحفيز الإجهاد التأكسدي، الالتهاب، خلل وظيفة البطانة، وآثار سلبية على أيض الدهون. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح التفاعلات بين هذه العوامل ودورها في تطوير آفات تصلب الشرايين.

لقد وسعت وفاة الخلايا الناتجة عن النحاس وظهور مفهوم الكوبروبتوس فهمنا لدور النحاس في تصلب الشرايين. يبرز انخراط الكوبروبتوس والخلل الوظيفي الميتوكوندري المرتبط به في تصلب الشرايين الحاجة إلى مزيد من البحث في الآليات الجزيئية الكامنة وراء هذه العمليات. تم تحديد أهداف واستراتيجيات علاجية للتخفيف من الآثار الضارة لوفاة الخلايا الناتجة عن النحاس في تصلب الشرايين، بما في ذلك تعديل مستويات النحاس، تثبيط الكوبروبتوس، أو تعزيز الدفاعات الخلوية ضد الكوبروبتوس. ومع ذلك، يجب أيضًا مراعاة الآثار الجانبية المحتملة حيث أن تقليل مستويات النحاس بشكل مفرط قد يعيق العمليات الفسيولوجية الأساسية أو يؤدي في حد ذاته إلى تصلب الشرايين. بالإضافة إلى ذلك، فإن غياب علامات حيوية محددة للكوبروبتوس هو حاجز كبير يعيق المزيد من تطوير التطبيقات السريرية المتعلقة بالكوبروبتوس. قد يسهل تحديد مثل هذه العلامات الحيوية تصنيف المخاطر وتطوير أساليب علاجية مخصصة.

قدم MW و LL التوجيه لهذه الدراسة. أعد SY المخطوطة الأصلية والرسوم التوضيحية. ساعد YL و LZ و XW في مراجعة المخطوطة وتعديلها. قرأ جميع المؤلفين ووافقوا على النسخة النهائية من المخطوطة.

تم دعم هذه الدراسة من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (الأرقام 81202805، 82074254، 82374281)، ومؤسسة بكين للعلوم الطبيعية (رقم 7172185)، ومشروع الابتكار العلمي والتكنولوجي لأكاديمية العلوم الطبية الصينية (C12021A01413).

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

يجب توجيه المراسلات وطلبات المواد إلى لونغتاو ليو أو مين وو.

معلومات إعادة الطبع والإذن متاحة على http://www.nature.com/ إعادة الطبع

ملاحظة الناشر: تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح: هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا كانت هناك تغييرات قد أُجريت. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُذكر خلاف ذلك في سطر ائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

هذا عمل حكومي أمريكي وليس محميًا بموجب حقوق الطبع والنشر في الولايات المتحدة؛ قد تنطبق حماية حقوق الطبع والنشر الأجنبية 2024

This is a U.S. Government work and not under copyright protection in the US; foreign copyright protection may apply 2024

Cell Death Discovery (2024)10:25 ; https://doi.org/10.1038/s41420-023-01796-1

Atherosclerosis is a chronic, progressive disease characterized by the accumulation of lipids, inflammatory cells, and fibrous elements in the arterial wall, leading to the formation of atherosclerotic plaques [1,2]. These plaques can lead to serious
clinical consequences, such as myocardial infarction (MI) and stroke, which are major causes of morbidity and mortality worldwide [3]. The pathogenesis of atherosclerosis involves multiple genetic, environmental, and metabolic factors [4].

Copper is an essential trace element involved in mitochondrial respiration, antioxidant defense, and neurotransmitter synthesis [5, 6]. Copper homeostasis is tightly regulated. Copper excess or deficiency can lead to pathological alterations, and thus negatively affect human health [7]. Copper dyshomeostasis may contribute to the pathogenesis of atherosclerosis by increasing oxidative stress, inflammation, endothelial dysfunction, and lipid metabolism levels [8-10]. Moreover, a novel type of cell death, which is copperdependent, has recently been described. This copper-induced cell death, termed cuproptosis, may contribute to atherosclerosis development by causing cell death and impairing mitochondrial function [11, 12].

In this review, we explore the role of copper homeostasis and cuproptosis in atherosclerosis. We also discuss potential therapeutic strategies against cuproptosis and provide directions for future research on cuproptosis and atherosclerosis.

Copper is an essential trace element required in various physiological processes in the human body. Research shows that Cu levels vary across organs and tissues, with values ranging from 3 mg (kidneys) to 46 mg (bone) [13]. Copper serves as a cofactor for numerous enzymes involved in energy metabolism, neurotransmitter synthesis, and antioxidant defense [5, 6, 14]. Excessive

or deficient copper levels can, however, lead to cytotoxicity and pathological alterations [7]. Therefore, it is essential to maintain systemic copper levels within a narrow range (Fig. 1).

Copper absorption. Copper is mainly obtained from dietary sources such as organ meat and shellfish [15]. Copper is primarily absorbed by enterocytes in the small intestine, and its uptake is mediated by copper transporter 1 (CTR1), also known as solute carrier family 31 member 1 (SLC31A1) [16]. CTR1 appears to play a primary role in this uptake, as indicated by research showing greatly reduced copper accumulation in the peripheral tissues of neonatal mice lacking CTR1 [17]. The six-transmembrane epithelial antigen of the prostate (STEAP) facilitates this process by reducing divalent to .

Copper storage and transportation. After uptake by the intestinal epithelial cells, copper is transported and exported into the bloodstream by the ATPase copper transporter 7 A (ATP7A) [18]. Here, copper is transported through the portal system to the liver by binding to soluble chaperones such as human serum albumin (HSA), ceruloplasmin, histidine, and macroglobulin [19, 20]. Copper uptake by the hepatocytes in the liver is also mediated by CTR1. The liver is crucial in regulating copper metabolism by storing and excreting copper. Copper storage is mediated by the copper-binding protein metallothionein (MT), a reducing molecule rich in thiol groups with a high affinity for copper ions [21]. MT plays a crucial role in copper homeostasis by storing and releasing excess copper when required. Copper transport is performed by ATPase copper transporter 7B (ATP7B) in hepatocytes, which pumps copper ions from the
liver back into the bloodstream. Here, copper ions bind to their soluble partners and are transported to specific tissues and organs [22].

Copper elimination. Copper is primarily eliminated via biliary excretion [7]. Excess copper is secreted by the liver into the bile and then excreted through feces [23]. The ATP7B transporter regulates the elimination of copper from the liver to bile canaliculi [24]. In cases of ATP7B dysfunction, such as Wilson’s disease, copper accumulates in the liver, leading to liver damage and subsequent health issues [25].

In summary, copper metabolism is a complex process that involves multiple mechanisms to regulate copper absorption, transport, storage, and elimination.

The maintenance of intracellular copper homeostasis is a complex and tightly regulated process involving the coordinated action of copper transporters, chaperones, and cuproenzymes (Fig. 2). Copper concentration is maintained within a narrow range through the collaborative action of these copper-dependent proteins.

Copper uptake. In mammalian cells, copper uptake is primarily mediated by CTR1 [6], a transmembrane protein that forms a trimeric channel to facilitate the passage of Cu ions across the plasma membrane [26]. CTR1 expression is regulated by copper levels. Low copper levels upregulate CTR1 expression to increase copper uptake, whereas high levels downregulate CTR1 expression to prevent copper cytotoxicity [27, 28]. These findings highlight the importance of CTR1 in copper homeostasis.

Intracellular copper distribution. After entering the cell, copper is first delivered to cytoplasmic copper chaperones, which then transport it to intracellular compartments such as the mitochondria, trans-Golgi network (TGN), and nucleus. In mammalian cells, three major copper chaperones have been identified: antioxidant 1 copper chaperone (ATOX1), copper chaperone for superoxide dismutase (CCS), and cytochrome c oxidase copper chaperone 17 (COX17) [29, 30].

ATOX1 delivers copper to ATP7A and ATP7B in the TGN [31]. Additionally, ATOX1 has been shown to function as a new type of copper-dependent transcription factor that mediates copperinduced cell proliferation [32].

CCS is a soluble cytoplasmic copper-chaperone protein that transfers copper ions to the copper-binding site of superoxide dismutase 1 (SOD1) [33]. SOD1 is a major antioxidant enzyme that catalyzes the conversion of superoxide radicals into oxygen and hydrogen peroxide, thereby maintaining reactive oxygen species (ROS) homeostasis and protecting the cells from oxidative stress damage [34]. This function has been shown in SOD1-knockout mice, where the absence of SOD1 increased oxidative stress and led first to liver cell damage and eventually liver cancer [35].

COX17 is responsible for delivering copper ions to the assembly of cytochrome c oxidase (COX), a key component of the electron transport chain involved in cellular respiration [36]. Subsequently, COX11 and SCO1, which are also important components of the COX assembly, donate copper to and sites in COX2 and COX1 core subunits of COX in the mitochondrial inner membrane, respectively. Additionally, COX17
also acts as a copper donor within the mitochondrial intermembrane space (IMS) [37]. COX17 is thus essential for proper COX assembly, with mutations in COX17 shown to further reduce COX activity, resulting in mitochondrial dysfunction and oxidative stress [38].

Intracellular copper storage and export. Intracellular copper export is mainly mediated by ATP7A and ATP7B, which are copper transporters located in the TGN that regulate copper delivery to secretory pathways and the plasma membrane [39]. Under normal conditions, ATP7A and ATP7B transport copper ions from the TGN to other cellular compartments for various cellular functions. At excessive intracellular copper levels, ATP7A and ATP7B are activated to export excess copper ions from the TGN and sequester them in copper-binding proteins such as metallothionein [40]. These proteins also regulate copper homeostasis by reducing uptake and increasing efflux. Mutations in ATP7A and ATP7B can lead to copper metabolism disorders such as Menkes disease and Wilson’s disease [41, 42].

Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease characterized by plaque accumulation on the arterial walls, leading to narrowing and hardening of the arteries [43]. This process can result in serious complications, including coronary artery disease (CAD), stroke, and peripheral artery disease [44-46]. Growing evidence

CVDs, cardiovascular disease; CHD, coronary heart disease; AMI, acute myocardial infarction; IHD, ischemic heart disease; IMT, intima-media thickness.
from numerous studies has linked copper dyshomeostasis and the resultant excess or deficiency of copper to atherosclerosis.

Extensive research has revealed a correlation between elevated copper levels and cardiovascular disease (Table 1). For instance, several prospective cohort studies have shown a significant correlation between elevated serum copper levels and higher mortality rates related to cardiovascular diseases, particularly coronary heart disease [47-49]. Elevated copper levels have also been shown to be an independent risk factor for ischemic heart disease [50]. In addition to evidence from prospective studies, Stadler et al. directly detected and quantified transition metal ions in human atherosclerotic plaques and found increased copper levels in the diseased intima [51]. Studies on populations with acute myocardial infarction (AMI) also support these findings, with patients with AMI exhibiting significantly higher serum copper levels than those without AMI [52]. Moreover, an increase in serum copper levels among post-Ml patients was found to have considerable diagnostic value for the occurrence of MI [53]. Furthermore, altered copper bioavailability is negatively correlated with carotid intimamedia thickness (IMT), which may serve as a reliable predictor for early atherosclerosis in patients with obesity [54]. Furthermore, serum copper concentrations differ among patients with different carotid atherosclerotic plaque morphologies. Specifically, patients with hemorrhagic plaques have significantly higher serum copper concentrations than those with calcified plaques [55]. These findings suggest a potential involvement of elevated copper levels in the pathogenesis of atherosclerosis.

Copper deficiency is also recognized as a major contributing factor to the development of atherosclerosis. This is evidenced by the benefit of high dietary copper and copper supplementation. The Institute of Medicine recommends a daily dietary allowance of 900 ug of copper for adults, with a tolerable upper limit of day to prevent liver damage [56]. Although recommendations vary between national authorities, most recommend an intake of 800 to day [15]. Substantial research suggests that adequate copper intake reduces the risk of atherosclerosis. For example, Rock et al. found that copper supplementation in middle-aged individuals enhanced the antioxidative capacity of cells, which may help prevent vascular damage and thus reduce the risk of atherosclerosis [57]. Another cohort study showed an association between adequate dietary intake of copper (equal to or above the estimated average requirement) and a reduced risk of all-cause- and cardiovascular disease-related mortality. However, this association was limited to copper intake from food sources [58]. Studies on animal models corroborate these findings with Lamb et al., showing that dietary copper deficiency or excess increases susceptibility to atherosclerosis of the aorta in cholesterol-fed rabbits [59]. Similarly, copper supplementation was found to reverse pathological changes induced by dietary iron overload in mice, partially normalizing cardiac hypertrophy [60] and improving cardiac function in pressure overload-induced dilated cardiomyopathy [61]. Nevertheless, the effects of copper supplementation on the cardiovascular system remain controversial. A study by Diaf et al. conducted on middle-aged women from Algeria showed that there is little association between dietary

copper intake and atherosclerosis prevalence in diabetes [62]. These conflicting results may be due to differences in study design and the dose and duration of copper supplementation.

The mechanisms of atherosclerosis development due to altered copper levels are not fully understood. Several potential mechanisms include oxidative stress, inflammation, endothelial dysfunction, and lipid metabolism.

Oxidative stress is a key factor in atherosclerosis development, which typically involves an imbalance in reactive oxygen species (ROS) production and antioxidant defenses [63]. Since copper is a redox-active metal, changes in copper levels can contribute to the generation of ROS and thereby promote oxidative stress [15, 64] (Fig. 3).

Copper excess and oxidative stress. Elevated levels of free copper ions tend to interact more with hydrogen peroxide through Fenton reactions, leading to the production of highly-reactive hydroxyl radicals [65]. These radicals cause lipid peroxidation, protein oxidation, and DNA damage, ultimately contributing to the initiation and progression of atherosclerosis [66]. Lipid peroxidation is a chain reaction initiated by an attack of ROS on polyunsaturated fatty acids in cell membrane lipids, which then
leads to the oxidative damage of lipid molecules. Increased copper levels can promote lipid peroxidation and result in the formation of oxidized low-density lipoprotein (ox-LDL), which is an atherosclerosis risk factor [67]. Furthermore, increased copper levels have been shown to reduce the activity of antioxidant enzymes, such as , catalase, and glutathione peroxidase, in the red blood cells, whole blood, live tissue, and brain tissue of rats (67, 68, 69). In rat brain tissue, the decrease in SOD activity and glutathione levels arises because copper overload induces lipid peroxidation [68]. Copper is also capable of causing DNA strand breaks and the oxidation of bases via oxygen-derived free radicals [69]. These findings suggest that copper overload causes impairment of the antioxidant defense system in several tissues.

Copper deficiency and oxidative stress. Copper deficiency has also been suggested to contribute to the development and progression of atherosclerosis via oxidative stress. Copper is an essential cofactor of various antioxidant enzymes, including Cu/Zn-SOD, ceruloplasmin, and lysyl oxidase [70]. Copper deficiency may thus impair the function of these enzymes, leading to an impaired antioxidant defense system and increased susceptibility to oxidative stress [70, 71]. This suggestion is supported by copper deficiency in rats being found to reduce -SOD activity and increase oxidative damage to various subunits of the erythrocyte spectrin [72]. Decreased activity of SOD1, which encodes SOD, has also been observed in the liver and red blood cells of copper-deficient rats [73]. The decrease in SOD1 caused by copper
deficiency leads to a reduction in NO levels, which may promote endothelial dysfunction, reduce vascular relaxation, and increase oxidative stress, thus ultimately contributing to atherosclerosis development [70]. In addition to affecting antioxidant enzymes, copper deficiency may also reduce COX activity and lead to oxidative inactivation of complex I (NADH: ubiquinone oxidoreductase). This oxidative inactivation may then lead to elevated production of ROS in copper-deficient cells, thereby exacerbating cellular oxidative stress [74].

Copper may also promote atherosclerosis development by modulating inflammatory responses associated with the disease.

Copper excess and inflammation. Excess copper has been implicated in atherosclerosis pathogenesis due to its ability to induce inflammation. High copper levels were previously reported to stimulate pro-inflammatory cytokine production and thereby promote inflammation within arterial walls [75]. For example, in primary cardiac cells, increases the release of interleukin-6 (IL-6) and activates MAP kinases, which are linked to cardiac inflammation and hypertrophy [76]. Copper-induced oxidative stress also contributes to inflammation because excessive copper generates ROS, which causes oxidative damage to lipids, proteins, and DNA and promotes inflammation [15]. Furthermore, increases in ROS levels due to increased copper levels can, in turn, lead to the activation of nuclear factor-кВ ( ), a crucial protein involved in regulating the expression of proinflammatory genes [77]. These findings suggest that high copper levels can exacerbate inflammation of the vascular walls and thus promote atherosclerosis development.

Copper deficiency and inflammation. Copper deficiency has also been linked to atherosclerosis development through its impact on inflammation. Copper deficiency may result in decreased expression of adhesion molecules, such as ICAM-1 and VCAM-1, which facilitate leukocyte adhesion onto activated endothelial cells [78]. Evidence from animal studies also supports the role of copper deficiency in inflammation. For example, neutrophil accumulation increases due to increased ICAM-1 expression in the livers of copper-deficient rats following ischemia/reperfusion [79]. Further, this elevated ICAM-1 expression has been shown to activate neutrophils and endothelial cells, as evidenced by F-actin polymerization and increased accumulation of neutrophils within the lung microcirculation [80-82]. Pulmonary inflammatory responses are also intensified in copper-deficient animals [83]. Finally, copper deficiency impairs the activity of -SOD as previously mentioned, leading to an increased accumulation of ROS and exacerbation of oxidative stress, which can further promote inflammation and atherosclerosis development [84].

Copper dyshomeostasis has been linked to atherosclerosis, with both an excess and deficiency of copper contributing to endothelial dysfunction, a critical early step in atherogenesis.

Copper excess and endothelial dysfunction. Excessive copper can disrupt the balance between the production and degradation of nitric oxide (NO), a key regulator of vascular tone and endothelial function [85]. Increased copper levels can upregulate inducible NO synthase (iNOS) expression, resulting in excessive NO production and peroxynitrite, a potent oxidant that causes further oxidative damage [86]. Moreover, copper also interacts with atherosclerosis risk factors such as homocysteine and thereby causes increased hydrogen peroxidation and oxidative stress. Specifically, a study shows that incubation with homocysteine and copper for 4 h is able to cause significant damage to endothelial cells [87].

Copper deficiency and endothelial dysfunction. Copper deficiency is associated with increased endothelial dysfunction as well. Endothelial dysfunction can result in decreased production of NO, a vasodilator and inhibitor of platelet aggregation, and thereby promote a proatherogenic environment [88]. Copper deficiency can also lead to decreased NO levels by reducing the levels of SOD1. Reduced NO levels can then inhibit endothelial function and vasodilation, increase oxidative stress, and thereby promote atherosclerosis [70].

Copper excess and lipid metabolism. Excess copper strongly contributes to atherosclerosis development via its effects on the ox-LDL, which plays a central role in atherosclerosis [89]. Specifically, copper participates in the oxidation of LDL particles, and alterations in copper levels may affect the susceptibility of LDL particles to oxidation. Excess copper levels can increase the oxidation of LDL particles and trigger the production of ox-LDL, which then contributes to atherosclerosis development [67].

In addition to its effects on ox-LDL, copper is involved in several forms of lipid metabolism, including fatty acid and cholesterol synthesis and lipoprotein metabolism. Alterations in copper levels may be associated with changes in lipid and lipoprotein concentrations. For example, serum copper and ceruloplasmin levels were found to be positively associated with lipid peroxides, total cholesterol, triglycerides, and apolipoprotein B in healthy individuals [90]. In another study, the serum copper levels of Iranian patients with angiographically defined CAD were found to be positively correlated with fasting serum triglycerides [91]. In vivo, evidence from animal experiments also supports the role of excess copper in lipid metabolism. A study on yellow catfish demonstrated that copper-induced endoplasmic reticulum stress and disrupted calcium homeostasis alter hepatic lipid metabolism, leading to increased lipid accumulation in the liver [92].

Copper deficiency and lipid metabolism. Insufficient copper levels may also contribute to atherosclerosis development by affecting lipid metabolism. Since copper is involved in the synthesis of fatty acids and cholesterol, insufficient copper levels may lead to impaired lipid metabolism and, thus, the development of fatty liver disease. Copper deficiency increases total cholesterol levels as well [7]. Insufficient copper levels can affect the activity of sterol regulatory element-binding proteins 1 and 2 (SREBP-1 and SREBP2 ), which are transcription factors involved in fatty acid and cholesterol metabolism [93]. Specifically, both SREBP-1 isoforms (SREBP-1a and SREBP-1c) are involved in the regulation of fatty acid synthesis, whereas SREBP-2 is mainly involved in the regulation of cholesterol biosynthesis [94]. Low copper diets were found to induce accumulation of the mature form of SREBP-1 in the nuclei of rat liver cells, yet no change was observed in the DNA-binding site of SREBP-1 [95]. Hence, copper may play a role in regulating the subcellular localization of SREBP-1, potentially affecting its activity and, in turn, lipid metabolism. Further research is needed to fully understand the mechanisms through which copper affects the activity of SREBP-1 and other transcription factors involved in lipid metabolism.

Copper levels are also associated with other atherosclerosis risk factors, such as high blood pressure. Copper inhibits the activity of angiotensin-converting enzymes, such that copper deficiency leads to increasing angiotensis levels and, thus, water and sodium retention and hypertension [96]. Moreover, copper is a cofactor of SOD, which is a major player in the antioxidant defense system. Hence, copper deficiency may increase the levels of superoxide free radicals, leading to elevated angiotensin levels and consequent hypertension [97].

The discovery of copper-induced cell death dates back to the early 1980s [98]. Increased copper levels were found to promote ROS generation and thereby lead to oxidative stress, DNA damage, and, ultimately cell death [99]. These findings have led to further investigations into the molecular mechanisms underlying copperinduced cell death and their potential implications for human diseases. Indeed, conflicting findings suggest that, in addition to ROS accumulation, excess copper may induce cell death through apoptosis or caspase-independent cell death [100, 101]. Overall, the mechanisms responsible for copper-induced cell death were not well understood.

However, in March 2022, Tsvetkov et al. published a groundbreaking study unveiling the mechanism of copper-induced cell death, which was termed cuproptosis [12]. Cuproptosis represents a unique form of cell death triggered by an excess of copper ions. In their study, Tsvetkov et al. showed that treatment with the copper ionophore elesclomol induced cell death. Remarkably, only the copper chelator can rescue cells from elesclomol-induced cell death. In contrast, rescue is not possible with any of the inhibitors for apoptosis, necroptosis, oxidative stress, ROS induced cell death, or ferroptosis. These findings unequivocally establish that cuproptosis is distinct from other known cell death modalities, underscoring its unique mechanisms and signaling pathways. Notably, cuproptosis is regulated by mitochondrial respiration, as supported by research indicating that mitochondria-dependent cells exhibit a sensitivity to copper ionophores nearly 1,000 times higher than cells undergoing glycolysis [12]. The importance of mitochondrial respiration in cuproptosis has been highlighted in further research, revealing a close correlation between cuproptosis and the tricarboxylic acid (TCA) cycle. During cuproptosis, intracellular copper binds to the lipoylated components of the TCA cycle. This
leads to the aggregation of copper-bound lipoylated mitochondrial proteins, which can disrupt the TCA cycle and, therefore, interfere with cellular energy production. The upstream regulatory factors FDX1 and LIAS are critical in this process. Aggregation of these proteins and the subsequent reduction of clusters, which are essential cofactors for various cellular processes, including electron transport and enzymatic reactions [102], promote proteotoxic stress and ultimately lead to cell death (Fig. 4).

Accumulating evidence suggests widespread cross-talk and interactions among the primary initiators, effectors, and executioners involved in pyroptosis, necroptosis, ferroptosis, and cuproptosis.

Pyroptosis. Pyroptosis is a pro-inflammatory programmed cell death that is primarily driven by inflammasome assembly, accompanied by GSDMD cleavage and IL-1 and IL-18 release [103-105]. NLRP1, NLRP3, NLRC4, AIM2, and pyrin are wellestablished inflammasome sensors that assemble canonical inflammasomes in a process induced by inflammatory stimuli such as those resulting from microbial infections [106, 107]. Copper ions, which are essential micronutrients for many physiological processes, have been shown to trigger ROS production and activate the NF- signaling pathway. This leads to the upregulation of pro-inflammatory genes and cytokines, potentially influencing the progression of atherosclerosis [108-110]. Therefore, there is a plausible suggestion of crosstalk between copper ions and pyroptosis.

Evidence from animal studies demonstrates that copper loading in rat hepatocytes leads to a significant increase in the mRNA expression of pyroptosis-related genes (caspase-1, IL-18, IL-1 , and NLRP3) and the protein expression of caspase-1[111]. Similarly,
copper exposure in mouse microglial cells triggers an inflammatory response, resulting in the upregulation of NLRP3/caspase 1/ GSDMD axis proteins and subsequent pyroptosis. These effects are likely mediated by the early activation of the ROS/NF-кВ pathway and subsequent disruption of mitophagy [77]. Moreover, comparable outcomes were observed in murine macrophages treated with copper oxide nanoparticles. Copper oxide nanoparticle exposure induces oxidative stress and activates NLRP3 inflammasomes, leading to the expression of pro-IL-1 through the MyD88dependent TLR4 signaling pathway, followed by NF-кВ activation in murine macrophages [108].

In summary, these findings demonstrate the presence of crosstalk between copper-induced cell death and pyroptosis. Copper exposure influences gene and protein expression associated with pyroptosis in various cell types, with the underlying mechanisms being ROS/NF-кВ pathway activation and the inflammatory response. Further research is needed to elucidate the precise underlying mechanisms and explore the implications of this interaction.

Necroptosis. Necroptosis is a form of programmed necrosis linked to atherosclerosis via its potential involvement in plaque destabilization and rupture [112, 113]. Necroptosis was recently shown to activate the NLRP3 inflammasome by causing potassium efflux through MLKL pores in macrophages [114]. Bioinformatics analysis further indicated an association between ZBP1 and cuproptosis as well as necroptosis [115]. ZBP1 activation led to the recruitment of RIPK3 and caspase-8 to activate the NLRP3 inflammasome, which in turn triggers necroptosis and pyroptosis [116, 117].

Ferroptosis. Ferroptosis, a form of iron-dependent cell death triggered by lipid peroxidation and accumulation of lipid-based reactive oxygen species [118-120], appears to be influenced by copper levels due to the redox-active properties of copper ions [121, 122]. Cuproptosis can modulate the expression of key genes involved in ferroptosis regulation, such as glutathione peroxidase 4 (GPX4), by eliminating phospholipid hydroperoxides [123, 124] and acylcoenzyme A synthetase long-chain family member 4 (ACSL4) [125], thereby regulating the sensitivity of cells to ferroptosis inducers. Notably, copper chelators can reduce sensitivity to ferroptosis specifically while leaving other forms of cell death unaffected. In a study by Xue et al., copper was found to play a novel role in promoting ferroptotisis through the degradation of GPX4 via macroautophagy/autophagy [126]. Furthermore, research by Gao et al. reveals an interaction between copper-induced cell death and necroptosis. Their findings indicate that elesclomol administration to colorectal cancer cells increased Cu(II) levels in the mitochondria, downregulated ATP7A expression, and increased ROS accumulation. This process triggered SLC7A11 degradation, intensifying oxidative stress and resulting in ferroptosis [127]. Additionally, copper depletion greatly enhanced ferroptosis through mitochondrial perturbation and the disruption of antioxidant mechanisms [128]. Specifically, copper depletion limits GPX4 protein expression and reduces cellular sensitivity to ferroptosis inducers, establishing a direct link between copper levels and ferroptosis [128].

Based on the aforementioned studies, it is evident that copper is closely linked to necroptosis, pyroptosis, and ferroptosis, suggesting a significant cross-talk between these different cell death pathways. Understanding the underlying mechanisms that connect these modes of cell death is of paramount importance for the development of novel atherosclerotic therapeutic strategies that can target multiple pathways simultaneously.

Mitochondria are vulnerable to copper-induced damage, which causes oxidative damage to its membrane [129, 130]. Excessive
intracellular copper may also disrupt mitochondrial function by altering the activity of several key enzymes, such as those involved in the tricarboxylic acid (TCA) cycle and oxidative phosphorylation [131]. Severe mitochondrial dysfunction and decreases in the activities of several liver enzymes, including complex I, complex II, complex III, complex IV, and aconitase, were observed in patients with copper overload. These effects are potentially mediated by the accumulation of copper in the mitochondria [132]. Furthermore, copper treatment induces selective changes in metabolic enzymes through lipoylation, which is a highly conserved lysine post-translational modification. Protein lipoylation occurs only on Dihydrolipoamide S-Acetyltransferase (DLAT), Dihydrolipoamide S-Succinyltransferase (DLST), Dihydrolipoamide Branched Chain Transacylase E2 (DBT), and Glycine Cleavage System Protein H (GCSH), all of which are involved in metabolic complexes that regulate carbon entry points to the TCA cycle [133, 134]. Additionally, copper overload may trigger the opening of the mitochondrial permeability transition pore and cause the release of pro-apoptotic factors, ultimately resulting in cell death [135].

Mitochondrial dysfunction is implicated in atherosclerosis development and progression [136]. Impaired mitochondrial function promotes lipid accumulation, oxidative stress, inflammatory responses, and proliferation of vascular smooth muscle cells, all of which contribute to plaque formation and destabilization [137, 138]. Considering its impact on mitochondrial function, cuproptosis may contribute to the progression of atherosclerosis by aggravating mitochondrial dysfunction.

Copper chelators bind and sequester copper ions. Several copper chelators have shown promise in animal studies and clinical trials for atherosclerosis treatment.

Tetrathiomolybdate (TTM) has been shown to be an effective copper chelator with potential therapeutic implications in attenuating atherosclerosis progression, as demonstrated in animal models [139, 140]. In a study using ApoE mice, TTM treatment for 10 weeks significantly reduced aortic lesion development, indicating its potential as an anti-atherosclerotic agent [139]. The beneficial effects of TTM were attributed to its ability to reduce bioavailable copper levels and inhibit vascular inflammation [140]. Copper is involved in vascular inflammation as an etiologic factor of atherosclerotic vascular disease, and by chelating copper, TTM may modulate copper-related pathways involved in atherosclerosis and inflammation. Wei et al. demonstrated that TTM copper chelation inhibited lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammatory responses in mice aorta and other tissues. This inhibition may occur by suppressing redox-sensitive transcription factors NF-кВ and AP-1, which play crucial roles in inflammation [140]. By targeting copper-related pathways and modulating inflammatory processes, TTM exhibits potential as an anti-atherosclerotic agent.

Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA) is a broad-spectrum metal-chelating agent that has also been investigated for its potential to treat atherosclerosis [141]. For instance, a double-blind placebo-controlled trial ( ) shows that chelation therapy with disodium EDTA reduced the risk of adverse cardiovascular outcomes in stable patients with a history of myocardial infarction (MI). The primary endpoint occurred less frequently in the chelation group than in the placebo group ( vs. 30%) [142]. These findings offer preliminary evidence to direct further studies but do not in themselves provide sufficient evidence to justify the routine use of chelation therapy in patients with MI. Another meta-analysis of five studies covering a total of 1,993 randomized participants failed to identify sufficient evidence to determine the effectiveness of chelation therapy in the
treatment of atherosclerotic cardiovascular disease [143]. The contradictory results among these studies may be attributed to variations in research design and/or characteristics of the study populations. Therefore, further research is needed before routine use of chelation therapy can be recommended.

Copper chaperones play a crucial role in maintaining cellular copper homeostasis by facilitating the transfer of copper ions to target proteins and organelles. Modulating the expression of copper chaperone proteins potentially offers an alternative approach to regulate copper levels and limit the contribution of copper-induced cell death to atherosclerosis.

ATOX1 is a copper chaperone protein that is of major importance in mammalian cells. ATOX1 has been shown to translocate to the nucleus in response to inflammatory cytokines or exogenous copper. Furthermore, ATOX1 is localized in the nucleus of endothelial cells in the inflamed atherosclerotic aorta [144]. The migration of VSMCs is crucial for neointimal formation following vascular injury and atherosclerotic lesion formation. ATOX1 was found to promote VSMC migration and inflammatory cell recruitment to injured vessels [145]. Furthermore, copperdependent binding of ATOX1 to TRAF4 is required to facilitate nuclear translocation of ATOX1 and ROS-dependent inflammatory responses in TNF- -stimulated endothelial cells (ECs) [146]. This highlights the potential of targeting the ATOX1-TRAF4 axis as a novel therapeutic strategy for the treatment of atherosclerosis. In summary, ATOX1 represents a promising therapeutic target for inflammation-related vascular diseases such as atherosclerosis.

Copper ionophores transport copper into the cells, leading to an increase in intracellular copper levels and subsequent cell death. However, copper chelators can inhibit this process. Several drugs can act as copper ionophores, including disulfiram, pyrithione, chloroquine, and elesclomol [147]. Among these, elesclomol has received the most attention and has been subjected to several clinical trials for use in cancer treatment. Although the majority of these trials have not shown promising results regarding further development of elesclomol as a drug, they have verified its safety [148]. Nanomedicines combining copper ions with copper ionophores are also currently being widely investigated. Recently, the researchers successfully designed multifunctional nanoparticles with pH-responsive and CD44-targeted properties. The utilization of dendritic mesoporous silica nanoparticles capped with copper sulfide and coated with hyaluronic acid enables precise drug delivery and controlled release in the acidic microenvironment of atherosclerotic inflammation [149]. These findings highlight the potential of copper-based nanomedicines in developing innovative approaches for targeted atherosclerosis therapy. Notably, an important aspect to consider in the advancement of copper ionophores for clinical therapeutic applications is the notable impact that slight structural changes can exert on their properties and functions [16]. In addition, copper ionophore-mediated cell death is strongly correlated with mitochondrial metabolism and closely associated with atherosclerosis development. Based on these findings, copper ionophores may represent a novel therapeutic strategy for targeting copper-induced cell death in atherosclerosis.

In conclusion, the multifaceted role of copper in atherosclerosis involves complex cellular and systemic metabolic processes. Copper deficiency or excess promotes atherosclerosis by inducing oxidative stress, inflammation, endothelial dysfunction, and adverse effects on lipid metabolism. Further research is required to elucidate the interactions between these factors and their role in the development of atherosclerotic lesions.

Copper-induced cell death and the subsequent emergence of the concept of cuproptosis have expanded our understanding of the role of copper in atherosclerosis. The involvement of cuproptosis and the associated mitochondrial dysfunction in atherosclerosis highlights the need for further research into the molecular mechanisms underlying these processes. Therapeutic targets and strategies for mitigating the detrimental effects of copper-induced cell death in atherosclerosis have also been identified, including modulating copper levels, inhibiting cuproptosis, or enhancing cellular defenses against cuproptosis. However, potential side effects should also be considered since an excessive reduction in copper levels may impair essential physiological processes or, in itself, lead to atherosclerosis. Additionally, the absence of cuproptosis-specific biomarkers is a significant barrier that hinders further development of clinical applications regarding cuproptosis. Identifying such biomarkers may facilitate risk stratification and the development of personalized therapeutic approaches.

MW and LL provided the guidance for this study. SY prepared the original manuscript and the illustrations. YL, LZ, and XW assisted with manuscript review and revision. All the authors have read and approved the final version of the manuscript.

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81202805, 82074254, 82374281), the Beijing Natural Science Foundation (No. 7172185), and the Science and Technology Innovation Project of China Academy of Chinese Medical Science (C12021A01413).

The authors declare no competing interests.

Correspondence and requests for materials should be addressed to Longtao Liu or Min Wu.

Reprints and permission information is available at http://www.nature.com/ reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this license, visit http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

This is a U.S. Government work and not under copyright protection in the US; foreign copyright protection may apply 2024