Cu(I)/Cu(II) Released by Cu Nanoparticles Revealed Differential Cellular Toxicity Related to Mitochondrial Dysfunction

细胞毒性 活性氧 化学 细胞凋亡 纳米颗粒 碎片(计算) 毒性 细胞周期 程序性细胞死亡 氧气 生物物理学 核化学 纳米技术 材料科学 生物化学 体外 生物 有机化学 生态学
作者
Xiangrui Wang,Wen‐Xiong Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (26): 9548-9558 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c00864
摘要

Cu-based nanoparticles (NPs) have been increasingly fabricated, and different Cu species (i.e., Cu+ and Cu2+) of these NPs are tuned to achieve differential physicochemical properties. Although ion release is one of the major toxic mechanisms of Cu-based NPs, differences in cytotoxicity between released Cu(I) and Cu(II) ions are largely unknown. In this study, the A549 cells exhibited a lower tolerance to Cu(I) compared with Cu(II) accumulation. Bioimaging of labile Cu(I) indicated that the change of the Cu(I) level upon CuO and Cu2O exposure displayed different trends. We then developed a novel method to selectively release Cu(I) and Cu(II) ions within the cells by designing CuxS shells for Cu2O and CuO NPs, respectively. This method confirmed that Cu(I) and Cu(II) exhibited different cytotoxicity mechanisms. Specifically, excess Cu(I) induced cell death through mitochondrial fragmentation, which further led to apoptosis, whereas Cu(II) resulted in cell cycle arrest at the S phase and induced reactive oxygen species generation. Cu(II) also led to mitochondrial fusion, which was likely due to the influence of the cell cycle. Our study first uncovered the difference between the cytotoxicity mechanisms of Cu(I) and Cu(II), which could be greatly beneficial for the green fabrication of engineered Cu-based NPs.
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