Research Progress in Nanomaterial-induced Cuproptosis in Tumor Cells

doi:10.7503/cjcu20230525

Abstract

Abstract:

Nanomaterials are considered as promising cancer treatment materials by selectively inducing programmed cell death（PCD） of tumor cells. Cuproptosis is a newly discovered PCD pattern caused by intracellular copper ion overload， characterized by the aggregation of acylated mitochondrial enzymes and the loss of Fe-S proteins. Various nanomaterials have been developed to induce cuproptosis in tumor cells as a treatment for cancer. Numerous studies have demonstrated that cuproptosis achieves better anti-tumor effects when combined with other tumor therapeutic modalities， showing a great potential. This paper introduces the mechanisms and characteristics of cellular cuproptosis， outlines the strategies and mechanisms of nanomaterial-induced cuproptosis in tumor cells， focuses on classifying and outlining the recent research progress of nanomaterial-induced cuproptosis combination therapy， and looks forward to the future prospects of this emerging therapeutic modality.

Key words: Cuproptosis, Programmed cell death, Nanomaterial, Tumor treatment

CLC Number:

O614

TrendMD:

HE Kuo, DING Binbin, MA Ping’an, LIN Jun. Research Progress in Nanomaterial-induced Cuproptosis in Tumor Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(1): 20230525.

Figures/Tables 10

References 85

1	Tsvetkov P.， Coy S.， Petrova B.， Dreishpoon M.， Verma A.， Abdusamad M.， Rossen J.， Joesch⁃Cohen L.， Humeidi R.， Spangler R. D.， Eaton J. K.， Frenkel E.， Kocak M.， Corsello S. M.， Lutsenko S.， Kanarek N.， Santagata S.， Golub T. R.， Science， 2022， 375（6586）， 1254—1261
2	Wu D.， Wang S.， Yu G.， Chen X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（15）， 8018—8034
3	Halliwell B.， Gutteridge J. M. C.， Biochem. J.， 1984， 219（1）， 1—14
4	Chen L.， Min J.， Wang F.， Sig. Transduct. Target Ther.， 2022， 7（1）， 1—16
5	Albalawi F.， Hussein M. Z.， Fakurazi S.， Masarudin M. J.， Int. J. Nanomedicine， 2021， 16， 161—184
6	Wen J.， Yang K.， Liu F.， Li H.， Xu Y.， Sun S.， Chem. Soc. Rev.， 2017， 46（19）， 6024—6045
7	Irvine D. J.， Dane E. L.， Nat. Rev. Immunol.， 2020， 20（5）， 321—334
8	Cobine P. A.， Moore S. A.， Leary S. C.， Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Res.， 2021， 1868（1）， 118867
9	Garza N. M.， Swaminathan A. B.， Maremanda K. P.， Zulkifli M.， Gohil V. M.， Trends Endocrinol. Metab.， 2023， 34（1）， 21—33
10	Liu C.， Zhang Y.， Sun W.， Zhu H.， Su M.， Wang X.， Rong X.， Wang K.， Yu M.， Sheng W.， Zhu B.， Talanta， 2023， 260， 124567
11	Banci L.， Bertini I.， Ciofi⁃Baffoni S.， Kozyreva T.， Zovo K.， Palumaa P.， Nature， 2010， 465（7298）， 645—648
12	Pi W.， Wu L.， Lu J.， Lin X.， Huang X.， Wang Z.， Yuan Z.， Qiu H.， Zhang J.， Lei H.， Wang P.， Bioact. Mater.， 2023， 29， 98—115
13	Huang Q. X.， Liang J. L.， Chen Q. W.， Jin X. K.， Niu M. T.， Dong C. Y.， Zhang X. Z.， Nano Today， 2023， 51， 101911
14	Bailey H. H.， Mulcahy R. T.， Tutsch K. D.， Arzoomanian R. Z.， Alberti D.， Tombes M. B.， Wilding G.， Pomplun M.， Spriggs D. R.， J. Clin. Oncol.， 1994， 12（1）， 194—205
15	Sainero⁃Alcolado L.， Liaño⁃Pons J.， Ruiz⁃Pérez M. V.， Arsenian⁃Henriksson M.， Cell Death Differ.， 2022， 29（7）， 1304—1317
16	Han Y.， Ouyang J.， Li Y.， Wang F.， Jiang J. H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（1）， 288—297
17	Li W. P.， Su C. H.， Chang Y. C.， Lin Y. J.， Yeh C. S.， ACS Nano， 2016， 10（2）， 2017—2027
18	Sang Y.， Cao F.， Li W.， Zhang L.， You Y.， Deng Q.， Dong K.， Ren J.， Qu X.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（11）， 5177—5183
19	McKie A. T.， Barrow D.， Latunde⁃Dada G. O.， Rolfs A.， Sager G.， Mudaly E.， Mudaly M.， Richardson C.， Barlow D.， Bomford A.， Peters T. J.， Raja K. B.， Shirali S.， Hediger M. A.， Farzaneh F.， Simpson R. J.， Science， 2001， 291（5509）， 1755—1759
20	Ohgami R. S.， Campagna D. R.， McDonald A.， Fleming M. D.， Blood， 2006， 108（4）， 1388—1394
21	Puig S.， Thiele D. J.， Curr. Opin. Chem. Biol.， 2002， 6（2）， 171—180
22	Zhao F.， Liang L.， Wang H.， Wang C.， Su D.， Ying Y.， Li W.， Li J.， Zheng J.， Qiao L.， Mou X.， Che S.， Yu J.， Adv. Funct. Materials， 2023， 33（38）， 2300941
23	Ning S.， Lyu M.， Zhu D.， Lam J. W. Y.， Huang Q.， Zhang T.， Tang B. Z.， ACS Nano， 2023， 17（11）， 10206—10217
24	Liu Y.， Zhao Z. H.， Wang T.， Yao J. Y.， Wei W. Q.， Su L. H.， Tan S. S.， Liu Z. X.， Song H.， Chen J. Y.， Zheng W.， Luo W. J.， Zheng G.， Ecotoxicol. Environ. Saf.， 2023， 256， 114861
25	Matsui M. S.， Petris M. J.， Niki Y.， Karaman⁃Jurukovska N.， Muizzuddin N.， Ichihashi M.， Yarosh D. B.， J. Invest. Dermatol.， 2015， 135（3）， 834—841
26	Porporato P. E.， Filigheddu N.， Pedro J. M. B. S.， Kroemer G.， Galluzzi L.， Cell Res.， 2018， 28（3）， 265—280
27	Xu Y.， Liu S.， Zeng L.， Ma H.， Zhang Y.， Yang H.， Liu Y.， Fang S.， Zhao J.， Xu Y.， Ashby C. R.， He Y.， Dai Z.， Pan Y.， Adv. Mater.， 2022， 34（43）， 2204733
28	Zhang Z.， Zhou Y.， Zhao S.， Ding L.， Chen B.， Chen Y.， Adv. Sci.， 2022， 9（35）， 2203583
29	Wang Y.， Liu T.， Li X.， Sheng H.， Ma X.， Hao L.， Front. Pharmacol.， 2021， 12， 735965
30	Lucky S. S.， Soo K. C.， Zhang Y.， Chem. Rev.， 2015， 115（4）， 1990—2042
31	Rundle P.， Biomedicines， 2017， 5（4）， 69
32	Zheng J.， Ge H.， Guo M.， Zhang T.， Hu Q.， Yao Q.， Long S.， Sun W.， Fan J.， Du J.， Peng X.， Small， 2023， 20， 2304407
33	Liang S.， Deng X.， Ma P.， Cheng Z.， Lin J.， Adv. Mater.， 2020， 32（47）， 2003214
34	Qian X.， Zheng Y.， Chen Y.， Adv. Mater.， 2016， 28（37）， 8097—8129
35	Tang Z.， Liu Y.， He M.， Bu W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（4）， 946—956
36	Yang Z.， Zhao Z.， Cheng H.， Shen Y.， Xie A.， Zhu M.， J. Colloid Interface Sci.， 2023， 641， 215—228
37	Zhou Y.， Fan S.， Feng L.， Huang X.， Chen X.， Adv. Mater.， 2021， 33（48）， 2104223
38	Li Y.， Xiao Y.， Lin H. P.， Reichel D.， Bae Y.， Lee E. Y.， Jiang Y.， Huang X.， Yang C.， Wang Z.， Biomaterials， 2019， 188， 160—172
39	Yu Q.， Zhou J.， Liu Y.， Li X. Q.， Li S.， Zhou H.， Kang B.， Chen H.， Xu J.， Adv. Healthc. Mater.， 2023， 12， 2301429
40	Zhao F.， Yu H.， Liang L.， Wang C.， Shi D.， Zhang X.， Ying Y.， Cai W.， Li W.， Li J.， Zheng J.， Qiao L.， Che S.， Yu J.， Adv. Healthc. Mater.， 2023， 12（29）， 2301346
41	Li Y.， Xiao Y.， Lin H. P.， Reichel D.， Bae Y.， Lee E. Y.， Jiang Y.， Huang X.， Yang C.， Wang Z.， Biomaterials， 2019， 188， 160—172
42	Liang S.， Deng X.， Ma P.， Cheng Z.， Lin J.， Adv. Mater.， 2020， 32（47）， 2003214
43	Qian X.， Zheng Y.， Chen Y.， Adv. Mater.， 2016， 28（37）， 8097—8129
44	Carneiro B. A.， El⁃Deiry W. S.， Nat. Rev. Clin. Oncol.， 2020， 17（7）， 395—417
45	Fu J.， Li T.， Zhu Y.， Hao Y.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 29（51）， 1906195
46	Chen K.， Zhou A.， Zhou X.， Liu Y.， Xu Y.， Ning X.， Nano Lett.， 2023， 23（7）， 3038—3047
47	Gao W.， Wang X.， Zhou Y.， Wang X.， Yu Y.， Sig Transduct. Target Ther.， 2022， 7（1）， 196
48	Ryder C. B.， Kondolf H. C.， O’Keefe M. E.， Zhou B.， Abbott D. W.， J. Mol. Biol.， 2022， 434（4）， 167183
49	Wei X.， Xie F.， Zhou X.， Wu Y.， Yan H.， Liu T.， Huang J.， Wang F.， Zhou F.， Zhang L.， Cell Mol. Immunol.， 2022， 19（9）， 971—992
50	Tan Y.， Chen Q.， Li X.， Zeng Z.， Xiong W.， Li G.， Li X.， Yang J.， Xiang B.， Yi M.， J. Exp. Clin. Cancer Res.， 2021， 40 （1）， 153
51	Yu P.， Zhang X.， Liu N.， Tang L.， Peng C.， Chen X.， Sig. Transduct. Target Ther.， 2021， 6（1）， 128
52	Miao R.， Jiang C.， Chang W. Y.， Zhang H.， An J.， Ho F.， Chen P.， Zhang H.， Junqueira C.， Amgalan D.， Liang F. G.， Zhang J.， Evavold C. L.， Hafner⁃Bratkovič I.， Zhang Z.， Fontana P.， Xia S.， Waldeck⁃Weiermair M.， Pan Y.， Michel T.， Bar⁃Peled L.， Wu H.， Kagan J. C.， Kitsis R. N.， Zhang P.， Liu X.， Lieberman J.， Immunity， 2023， 56（11）， 2523—2541.e8
53	Qiao L.， Zhu G.， Jiang T.， Qian Y.， Sun Q.， Zhao G.， Gao H.， Li C.， Adv. Mater.， 2023， 36， 2308241
54	Ma T.， Chen J.， Zhu P.， Zhang C.， Zhou Y.，Duan J.， Life Sci.， 2022， 307， 120868
55	Dixon S. J.， Lemberg K. M.， Lamprecht M. R.， Skouta R.， Zaitsev E. M.， Gleason C. E.， Patel D. N.， Bauer A. J.， Cantley A. M.， Yang W. S.， Morrison B.， Stockwell B. R.， Cell， 2012， 149（5）， 1060—1072
56	Tang D.， Kang R.， Berghe T. V.， Vandenabeele P.， Kroemer G.， Cell Res.， 2019， 29（5）， 347—364
57	Xue Q.， Yan D.， Chen X.， Li X.， Kang R.， Klionsky D. J.， Kroemer G.， Chen X.， Tang D.， Liu J.， Autophagy， 2023， 19（7）， 1982—1996
58	Wang W.， Lu K.， Jiang X.， Wei Q.， Zhu L.， Wang X.， Jin H.， Feng L.， J. Exp. Clin. Cancer. Res.， 2023， 42（1）， 142
59	Chen W.， Xie W.， Gao Z.， Lin C.， Tan M.， Zhang Y.， Hou Z.， Adv. Sci.， 2023， 10， 2303694
60	Xu W.， Qian J.， Hou G.， Wang T.， Wang J.， Wang Y.， Yang L.， Cui X.， Suo A.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32（40）， 2205013
61	Ruan Y.， Zhuang H.， Zeng X.， Lin L.， Wang X.， Xue P.， Xu S.， Chen Q.， Yan S.， Huang W.， Adv. Healthc. Mater.， 2023， 13， 2302537
62	Li X.， Zhen Y.， Li S.， Mater. Des.， 2021， 209， 109958
63	Keir M. E.， Butte M. J.， Freeman G. J.， Sharpe A. H.， Annu. Rev. Immunol.， 2008， 26（1）， 677—704
64	Xu⁃Monette Z. Y.， Zhou J.， Young K. H.， Blood， 2018， 131（1）， 68—83
65	Voli F.， Valli E.， Lerra L.， Kimpton K.， Saletta F.， Giorgi F. M.， Mercatelli D.， Rouaen J. R. C.， Shen S.， Murray J. E.， Ahmed⁃Cox A.， Cirillo G.， Mayoh C.， Beavis P. A.， Haber M.， Trapani J. A.， Kavallaris M.， Vittorio O.， Cancer Res.， 2020， 80（19）， 4129—4144
66	Guo B.， Yang F.， Zhang L.， Zhao Q.， Wang W.， Yin L.， Chen D.， Wang M.， Han S.， Xiao H.， Xing N.， Adv. Mater.， 2023， 35（22）， 2212267
67	Liu T.， Zhou Z.， Zhang M.， Lang P.， Li J.， Liu Z.， Zhang Z.， Li L.， Zhang L.， J. Control. Release， 2023， 362， 502—512
68	Szabo C.， Nat. Rev. Drug Discov.， 2016， 15（3）， 185—203
69	Jin Q.， Deng Y.， Jia F.， Tang Z.， Ji J.， Adv. Ther.， 2018， 1（6）， 1800084
70	Li S.， Liao R.， Sheng X.， Luo X.， Zhang X.， Wen X.， Zhou J.， Peng K.， Front. Oncol.， 2019， 9， 696
71	Ji P.， Yang K.， Xu Q.， Qin G.， Zhu Q.， Qian Y.， Yao W.， Pharmaceuticals， 2023， 16（10）， 1394
72	Opoku⁃Damoah Y.， Zhang R.， Ta H. T.， Xu Z. P.， Exploration， 2022， 2， 20210181
73	Wu Y.， Yuan M.， Song J.， Chen X.， Yang H.， ACS Nano， 2019， 13（8）， 8505—8511
74	Liu J.， Liu Y.， Liu N.， Han Y.， Zhang X.， Huang H.， Lifshitz Y.， Lee S. T.， Zhong J.， Kang Z.， Science， 2015， 347（6225）， 970—974
75	Wu Y.， Su L.， Yuan M.， Chen T.， Ye J.， Jiang Y.， Song J.， Yang H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（23）， 12868—12875
76	Liu J.， Zhang Y.， Lu L.， Wu G.， Chen W.， Chem. Commun.， 2012， 48（70）， 8826—8828
77	Ding H.， Ren F.， Liu P.， Feng Y.， Ma X.， Shen Z.， Shi Q.， Xu M.， Li W.， Chen H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（44）， e202311549
78	Tang Z.， Zhao P.， Ni D.， Liu Y.， Zhang M.， Wang H.， Zhang H.， Gao H.， Yao Z.， Bu W.， Mater. Horizons.， 2018， 5（5）， 946—952
79	Shevtsov M.， Balogi Z.， Khachatryan W.， Gao H.， Vígh L.， Multhoff G.， Cells， 2020， 9（5）， 1263
80	Zang P.， Du Y.， Yu C.， Yang D.， Gai S.， Feng L.， Liu S.， Yang P.， Lin J.， Chem. Mater.， 2023， 35（18）， 7770—7780
81	Chan L.， Liu Y.， Chen M.， Su Y.， Guo J.， Zhu L.， Zhan M.， Chen T.， Lu L.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33（33）， 2302054
82	Zhou J.， Yu Q.， Song J.， Li S.， Li X.， Kang B.， Chen H.， Xu J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（12）， e202213922
83	Gao W.， Wang X.， Zhou Y.， Wang X.， Yu Y.， Sig. Transduct. Target Ther.， 2022， 7（1）， 1—26
84	Hanahan D.， Cancer Discov.， 2022， 12（1）， 31—46
85	Steinbrueck A.， Sedgwick A. C.， Brewster J. T.， Yan K. C.， Shang Y.， Knoll D. M.， Vargas⁃Zúñiga G. I.， He X. P.， Tian H.， Sessler J. L.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（12）， 3726—3747

[1]	ZHANG Lu, ZOU Yunhe, XU Zhongsheng, LIU Yun. Hollow-structured Nanomaterials for Biomedical Applications： Current Development and Future Prospective [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230134.
[2]	TAO Songyuan, XIA Chunlei, YANG Bai. Structure and Photoluminescence Origin of Carbon Dots [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230241.
[3]	ZHANG Qian, LIU Yawei, WANG Fan, LIU Kai, ZHANG Hongjie. High-resolution in vivo Imaging， Diagnosis and Treatment Applications of Rare-earth-based Nanomaterials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220552.
[4]	ZHANG Liling, LIU Liu, ZHENG Mingqiu, FANG Wenkai, LIU Da, TANG Hongwu. Dual Signal Detection of HPV16 DNA by CRISPR/Cas12a Biosensing System Based on Upconversion Luminescent Resonance Energy Transfer [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220412.
[5]	DING Zhongzhen, LI Tian, LI Changming, ZHAO Yufei, SONG Yu⁃Fei. Research Progress of Catalytic Synthesis of Carbon Nanomaterials by Layered Double Hydroxide-based Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1622.
[6]	WANG Changyao, WANG Shuai, DUAN Linlin, ZHU Xiaohang, ZHANG Xingmiao, LI Wei. In situ Confinement Growth Strategy for Ordered Mesoporous Carbon Support Ultrasmall MoO₃ Nanoparticles [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1589.
[7]	YANG Ruiqi, YU Xin, LIU Hong. Scientific Study of Photocatalytic Material Based on Sn₃O₄ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1340.
[8]	GE Haoying, DU Jianjun, LONG Saran, SUN Wen, FAN Jiangli, PENG Xiaojun. Surface Functionalized Gold Nanomaterials in Tumor Diagnosis and Treatment [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1202.
[9]	SHE Peihong, XU Wenzhou, GUAN Buyuan. Synthesis and Application of Silica/carbon-based Large-pore Mesoporous Nanomaterials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 671.
[10]	SHI Jiangwei, MENG Nannan, GUO Yamei, YU Yifu, ZHANG Bin. Recent Advances of Two-dimensional Materials for Electrocatalytic Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 492.
[11]	PI Yecan, ZHANG Ying, CHENG Zifang, HUANG Xiaoqing. Progress in Synthesis and Electrocatalysis of Two-Dimensional Metal Nanomaterials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 456.
[12]	WAN Yue, SONG Meina, ZHAO Meiting. Recent Progress of Two-dimensional Metal-organic Framework Nanosheets for Supercapacitor and Electrocatalysis Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 575.
[13]	WANG Jun, WANG Tie. Recent Progress in Functional Nanomaterials Based on Self-assembly Technology ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(3): 377.
[14]	SHENG Bingchen, LI Cong, LIU Yingya, WANG Anjie, WANG Yao, ZHANG Jian, LIU Weixu. Microfluidic Synthesis of UiO-66 Metal-organic Frameworks Modified with Different Functional Groups^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(7): 1365.
[15]	Long TIAN,Yan LONG,Shuyan SONG,Cheng WANG. Synthesis of Flower-like Structured Mn/CuO-CeO₂ and the Catalytic Performance for CO Oxide Reaction ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(12): 2549.