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含咪唑基钌自组装体的高抗癌活性研究
浏览: 发布日期:2019-03-12

含咪唑基钌自组装体的高抗癌活性研究

众所周知,癌症即恶性肿瘤,是最致命的疾病之一,严重威胁着人类的健康。顺铂等几种铂类化合物是广泛使用的抗肿瘤药物,但它们也会引起肾毒性、肝毒性、且普适性较差。因此发展含其它金属的高效抗肿瘤药物非常必要。在众多的金属中钌化合物逐渐引起了研究者们的关注,钌与周期表中同族的铁性质非常类似,钌不仅可以模拟铁与生物大分子结合,且对正常细胞的影响较小。钌配合物还具有低毒性、高活性、抗转移特性等优点。随着研究的深入,人们又注意到含金属的大分子易于在癌细胞中富集(EPR效应),同样钌类自组装体也易于被癌细胞吸收并滞留在其中,从而可以大大提高钌化合物的抗癌活性。而通过自组装的方法又很容易将钌与配体组装成矩形或棱柱型的大分子。前期有多个课题组采用各种配体与钌组装并发现这些组装体对某些癌细胞具有一定的抑制作用,但抗癌效果却不及顺铂和阿霉素好。总结发现这些课题组使用的配体多数带有吡啶基团,而没有使用在生物组织中广泛存在的咪唑基及其衍生物。原因可能是对称性较低的咪唑基团配体会导致自组装体结构的不可预测性。而咪唑环的富电子特性能够通过不同的弱相互作用与生物系统中可能存在的不同的酶和受体相结合,因此如果使用含有咪唑基配体的钌自组装体将会产生很不一样的抗癌效果。

 

基于上述想法,江苏师范大学史延慧教授(点击查看介绍)、曹昌盛教授(点击查看介绍)和犹他大学Peter J. Stang教授(点击查看介绍)合作于近期采用咪唑基的双齿配体1,4-双咪唑基苯和1,3-双咪唑基苯,通过[2+2]配位驱动自组装与三种金属钌中心(即双核半三明治钌(II)结构单元 [Ru2(µ-η4-OO∩OO)(η6-p-cymene)2](O3SCF3)2 (OO∩OO = 草酸根 (oxa), 2,5-二氧基-1,4-苯醌 (dobq) 和 5,8-二氧基-1,4-萘醌 (donq)))合成了六个四核矩形金属环。同样地,利用咪唑基的三齿配体1,3,5-三咪唑基苯通过[2+3]自组装与三种金属钌中心合成了三个六核三棱柱金属笼子(图1)。对于咪唑基配体而言,由于缺少沿N–N方向的C2对称轴和自由轴C–N单键旋转,所以在与钌结构单元组装时会采用不同的构象和结合方式。最终会选择性地形成对称的几何异构体,原因可能是在组合中对称形式的配体的结合方式具有最小的立体位阻效应。同时使用高斯09中的B3LYP功能函数对配合物91215进行了几何优化,优化后的几何结构表明,四核配合物9具有近似的矩形几何结构,四核配合物12具有复杂的折叠矩形几何结构,而六核金属笼子15具有三角棱柱几何结构。

图1. 金属环及金属笼子的配位驱动自组装。图片来源:PNAS

 

为了进一步研究配合物对癌细胞的抗癌活性,首先试验证明了这些配合物在空气中和潮湿环境下没有任何的分解,并通过在氘代水的核磁证实了它们在水中的稳定性。江苏师范大学张鹏副教授课题组通过MTT实验,最终发现含有5,8-二氧基-1,4-萘醌(donq)桥联的大环和笼子(即配合物91215)对所有被测的癌细胞株具有良好的抗癌活性,尤其配合物9表现出最优的抗癌活性,对HCT-116(结肠癌细胞)、MDA-MB-231(乳腺癌细胞)以及A549(肺癌细胞)的IC50分别为0.37 μM、1.83 μM以及1.14 μM。以donq为基础的组装体配合物91215抗癌效果与阿霉素相当,但是在所有测试的癌细胞中效果都比顺铂好。实验表明三种咪唑基配体均没有抗癌活性,而芳香钌受体中只有donq桥联的钌中心有抗癌活性但相比较91215还是比较低。可能是由于细胞内摄取少,而通过组装得到更大的分子增加了细胞内的摄取和更多的溶解,从而抗癌活性大大增加。为了证明以上猜想以及探究抗癌活性和选择性,又利用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)测试了91215三种组装体在A549和HBE(肺正常细胞)中的选择性摄取,结果表明钌配合物9对A549的细胞摄取为2.99×10-2 pmol/106 cells,对HBE的细胞摄取只有1.29×10-2 pmol/106 cells,可以看出与正常细胞相比,配合物在癌细胞中的细胞吸收效率可能有助于其抗癌效果和选择性(图2)。

图2. 组装体91215在A549和HBE细胞中的细胞摄取。图片来源:PNAS

 

为探索可能的抗癌机制、帮助发展能够选择性有效治疗的最有效的钌配合物及了解这些组装体是如何与DNA相互作用的,该研究通过采用滴加ctDNA到钌配合物溶液中测定紫外光谱的方法来研究与ctDNA的结合能力。结果表明,配合物可能通过静电结合方式与ctDNA相互作用,这通常是由带正电的药物分子与DNA中带负电的磷酸部分相互作用引起的。与ctDNA的结合常数(Kb)分别是:9为5.6×104 m-1,12为1.6×104 m-1,15为4.1×103 m-1,其中化合物9具有与ctDNA作用的最高结合常数Kb

 

此结果不仅促进了钌自组装体在抗癌方面的理论研究,同时将加速此类化合物进一步成为临床药物的趋势。

 

这一成果近期发表在PNAS上,硕士研究生赵义波张立倩为文章的共同一作。通讯作者为史延慧、张鹏、曹昌盛Peter J. Stang。以上工作得到了国家自然科学基金、江苏省高校自然科学研究重大项目的支持。