N-雜環(huán)卡賓金屬配合物抗腫瘤和抗菌活性的研究進(jìn)展

盧倩倩 劉 英 嚴(yán) 密 劉彬彬 蔡 軼 王 君 鄒黎黎

1.三峽大學(xué)腫瘤微環(huán)境與免疫治療湖北省重點實驗室，湖北宜昌 443000；2.三峽大學(xué)感染與炎癥損傷研究所，湖北宜昌 443000；3.三峽大學(xué)第一人民醫(yī)院科技科，湖北宜昌 443000

近年來，設(shè)計和合成具有藥理作用的金屬配合物，是無機(jī)生物化學(xué)家在現(xiàn)代藥物發(fā)展和開發(fā)領(lǐng)域的主要目標(biāo)。N-雜環(huán)卡賓（N-heterocycliccarbenes，NHC）是一種中性雙電子供體，通常是指從偶氮鹽脫質(zhì)子化得到的環(huán)碳烯，能夠與硬質(zhì)和軟質(zhì)金屬結(jié)合（圖1）。Wanzlick 等[1-3]合成了第一個NHC 過渡金屬鉻汞配合物。隨后，大量的NHC-金屬配合物（N-heterocyclic carbene metal complexes）被合成，且在高分子導(dǎo)電材料、發(fā)光材料及生物醫(yī)藥應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。尤其在生物醫(yī)藥應(yīng)用領(lǐng)域，NHC-金屬配合物展現(xiàn)出良好的抗腫瘤和抗微生物活性。其中包括NHC-金（Au）[4-6]、NHC-銀（Ag）[7-9]、NHC-鈀（Pd）[10-12]、NHC-鉑（Pt）[13-14]、NHC-釕（Ru）[15-16]等。據(jù)此，本文就NHCs等金屬配合物的在抗惡性腫瘤增殖和抗微生物活性兩個方面進(jìn)行綜述。

圖1 N-雜環(huán)卡賓化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

1 抗腫瘤活性

目前，臨床抗腫瘤化療藥物所使用的細(xì)胞毒性藥物是直接作用于DNA 或作用于有絲分裂干擾蛋白質(zhì)合成，通常具有較強(qiáng)的腫瘤細(xì)胞殺傷力。然而，此類金屬化合物穩(wěn)定性較低，選擇性差，導(dǎo)致其在向腫瘤組織傳遞過程中失活，產(chǎn)生毒副作用。為了克服這些缺點，許多化學(xué)家致力于提高金屬化合物的穩(wěn)定性，而提高穩(wěn)定性最有效的策略即加入強(qiáng)供體配體[17]。

NHC 碳烯中心兩個相鄰的氮原子能夠維持化合物的穩(wěn)定性且與金屬結(jié)合時其形成的C-M 鍵強(qiáng)于P-M 鍵；其次，NHC 配體是零電荷且不會干擾金屬離子的陽離子電荷。此外，NHC-金屬配合物可作為獨特的結(jié)構(gòu)支架來靶向與癌癥相關(guān)的特定生物分子[18-19]，也預(yù)示著NHC-金屬配合物在抗腫瘤領(lǐng)域的巨大開發(fā)價值。

1.1 NHC-Au 抗腫瘤活性

在過去的十年間，以NHC-Au 為首的陽離子卡賓金配合物在醫(yī)學(xué)治療研究方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[6]。Hickey 等[20]曾首次報道了NHC-Au 具有抗腫瘤活性。鑒于NHC-Au 類化合物制備簡便且具有高活性和高穩(wěn)定性，越來越多的NHC-Au 被不斷合成。為了進(jìn)一步深入研究，Liu 等[21]發(fā)現(xiàn)化合物NHC-Au（Ⅰ）（5 d）不僅比順鉑活躍，且以細(xì)胞中的硫氧還蛋白還原酶（thioredoxin reductase，TrxR）為主要靶點，而硫氧還蛋白還原酶在癌細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移及腫瘤血管生成中有著非常重要的作用。此外，F(xiàn)ung 等[22]也發(fā)現(xiàn)Au-NHC5a 對TrxR 也有體外抑制作用，且對細(xì)胞攝取與死亡及DNA 的相互作用均有一定程度的影響[22]。鑒于NHC-Au 化合物在腫瘤細(xì)胞殺傷方面起到的重要作用，Esther 等[23]以NHC-Au-L 為配體，合成的5a 化合物仍以TrxR 為靶點，通過增強(qiáng)硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）1 和Trx2 的氧化，介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。從以上研究結(jié)果可知，TrxR 在多種癌細(xì)胞中表達(dá)量顯著升高，而這些化合物的主要作用機(jī)制即通過調(diào)控Trx 系統(tǒng)，抑制其活性，導(dǎo)致癌細(xì)胞內(nèi)活性氧大量聚集，從而誘發(fā)癌細(xì)胞氧化應(yīng)激，以此來介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的死亡。由此可見，TrxR 是NHC-Au 抗腫瘤作用機(jī)制的主要靶標(biāo)，甚至可成為早期腫瘤篩查與診斷的主要指標(biāo)。

1.2 NHC-Ag 抗腫瘤活性

大多數(shù)銀化合物中的Ag+釋放速度快，穩(wěn)定性較差，且長期使用極易產(chǎn)生耐藥性。而NHC-Ag 則可形成穩(wěn)定的C-Ag 鍵，從而克服了原來的缺陷，達(dá)到了緩釋Ag+的目的。銀配合物在氮原子的側(cè)鏈上結(jié)合取代基不僅能提高配合物的穩(wěn)定性，其脂溶性的提高使其更容易被癌細(xì)胞攝取。鑒于此，Eloy 等[24]研究了配合物silver（Ⅰ）-NHCs 抗腫瘤活性5 作用于腫瘤細(xì)胞的具體機(jī)制，5 可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，通過凋亡誘導(dǎo)因子AIF 和caspase-12 分別從線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)入細(xì)胞核，導(dǎo)致DNA 碎裂而引起細(xì)胞死亡。此外，在另外兩種新合成的銀配合物中，發(fā)現(xiàn)也是通過影響線粒體的完整性，誘導(dǎo)caspase 和活性氧的早期凋亡來介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡；且此兩種配合物比順鉑對多種癌細(xì)胞系表現(xiàn)出更強(qiáng)大的抗腫瘤活性，包括對順鉑耐藥細(xì)胞系[25]。由此可見，與NHC-Au 不同的是NHC-Ag 主要以線粒體為靶點，通過誘導(dǎo)線粒體膜電位去極化并改變線粒體的完整性導(dǎo)致癌細(xì)胞的死亡。這些結(jié)果可能為更好地研究金屬中心對抗腫瘤細(xì)胞的潛能及作用機(jī)制開辟了一條路徑。

1.3 NHC-Pt 抗腫瘤活性

自1978 年發(fā)現(xiàn)順鉑287 在膀胱和睪丸腫瘤的治療中有效愈合率達(dá)到90%后，順鉑就成為癌癥治療化療中的主要藥物[26]。順鉑抗癌的主要機(jī)制即與DNA結(jié)合，阻止DNA 復(fù)制進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞生長。但在臨床使用中所產(chǎn)生的毒副作用、耐藥性等問題在一定程度上限制了其臨床應(yīng)用。尋找高效、無毒能夠替代鉑類藥物的新型金屬抗癌藥物成為關(guān)鍵。Sébastien 等[27]首次報道了NHC-Pt 的抗癌機(jī)制是與DNA 鏈之間的相互作用。為了提高NHC-Pt 類化合物的穩(wěn)定性和降低毒副作用，直接氧化相應(yīng)的NHC-Pt 配合物，并成功合成了穩(wěn)定性更高的NHC-Pt 1b/6a，與傳統(tǒng)順鉑類藥物作用機(jī)制一樣均是阻止DNA 復(fù)制[13]。為研究NHC-Pt 在體內(nèi)是否也有良好的抗癌活性，Chekkat等[28]將合成的NHC-Pt 2a、2c 作用于體內(nèi)小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)也可誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡，并且主要以核和線粒體為靶點。由此可見，NHC-Pt 除了以DNA 為靶標(biāo)通過影響DNA 加合物形成之外，還可能涉及線粒體的死亡來共同介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。到目前為止，NHC-Pt 的出現(xiàn)極大程度推進(jìn)了金屬鉑類化合物的發(fā)展。

1.4 NHC-Pd 抗腫瘤活性

鉑和鈀化合物的配位化學(xué)性質(zhì)相似性促進(jìn)了鈀化合物作為抗癌藥物的研究[29]。Tommy 等[30]合成的NHC-Pd 1d 效果最為顯著，對多種癌細(xì)胞系均有良好抗腫瘤效果，且化合物1 d 在裸鼠成瘤模型中能明顯抑制腫瘤生長，且其作用機(jī)制是誘導(dǎo)線粒體功能障礙和內(nèi)皮細(xì)胞抗血管生成活性。隨后，新配位雙配體雙核NHC-Pd 絡(luò)合物的出現(xiàn)進(jìn)一步推動了鈀化合物抗腫瘤活性的研究。這些化合物對不同的癌細(xì)胞系和卵巢癌腫瘤顯示出高選擇性的抗增殖活性，通過破壞線粒體釋放細(xì)胞色素C 及線粒體膜的持續(xù)去極化來介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡[31]?？梢?，NHC-Pd 抗癌作用機(jī)制也是通過靶向腫瘤細(xì)胞線粒體介導(dǎo)細(xì)胞死亡，且NHC-Pd體內(nèi)抗癌的研究結(jié)果也充分證明了鈀類化合物的潛在抗癌活性。

2 抗微生物活性

耐藥細(xì)菌的不斷增長給人類健康帶來了巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要新的抗菌化合物來對抗日益增長的抗生素耐藥性威脅。金屬離子被結(jié)合到有機(jī)配體中獲得的金屬配合物可作為新型的抗生素，通常被稱為金屬抗生素。金屬基藥物可作為載體，在達(dá)到靶細(xì)胞后通過適當(dāng)?shù)挠|發(fā)（如pH 值變化）原位釋放藥物[32-33]。幾種過渡金屬如Ag、Au 等已被用于合成新型取代NHC配體金屬配合物。

2.1 NHC-Au 抗生物活性

NHC-Au 不僅在抗惡性腫瘤增殖方面有良好的活性，在治療微生物感染方面也表現(xiàn)出良好的抑菌作用。Alba 等[34]將NHC-Au 和激素衍生物結(jié)合在一起的復(fù)合物顯示出有趣的體外抗菌特性，Steroid-Au（Ⅰ）-NHC 1 對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌均有良好抗菌活性，這一發(fā)現(xiàn)可能代表了金屬雌激素作為有效抗菌劑的重要新發(fā)展。為了提高此類化合物在組織和細(xì)胞中的活性，更好地發(fā)揮殺菌作用，Gabriela 等[35]將磺酸基作為Gold-NHC 的配體，磺酸基的親水性能大大提高了NHC-Au 在體內(nèi)外的殺菌效率。NHC-Au 通過結(jié)合不同的配體來賦予化合物不同的性質(zhì)，從而發(fā)揮不同的生物功能，來對微生物感染進(jìn)行多靶點治療。

2.2 NHC-Ag 抗生物活性

Ag 化合物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)有100 多年的歷史[36]，在發(fā)現(xiàn)NHC 后不久，其不斷被合成用于抗菌，且NHC-Ag 可作為有效廣譜抗菌劑。Despoina 等[37]與Sainath 等[38]均對Ag-NHC 配合物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)化合物有良好的抗菌活性，通過破壞細(xì)菌細(xì)胞壁而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。為了深入研究NHC-Ag 破壁后對細(xì)菌氧化微環(huán)境的影響，Matthias 等[39]合成了抗菌藥物SBC3，發(fā)現(xiàn)SBC3 可靶向抑制巰基氧化還原系統(tǒng)。隨后，又對革蘭氏陽性菌與真菌進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SBC3 用量25 μg/ml 時，對金黃色葡萄球菌的抑制率為71.2%，對假絲酵母菌的抑制率為86.2%[40]?？偟膩碚f，NHC-Ag在抗菌方面的活性在過去的幾年里得到了充分的證明，但其毒性也不可忽視，因此尋求能夠降低NHCAg 毒性的方法仍是一個難題。

3 小結(jié)與展望

癌癥和微生物感染一直對全球人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅?？拱┖涂咕幬锸褂貌粩嘣黾訉?dǎo)致了多種藥物耐藥，尋找新化合物治療成為這一領(lǐng)域的主流。金屬配合物作為抗菌劑和抗癌劑的研究引起了化學(xué)家和醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注，用于治療微生物感染和癌癥的新化合物數(shù)量也大幅增加，包括NHC-金屬配合物在內(nèi)的金屬化合物對多種細(xì)菌和癌細(xì)胞系均表現(xiàn)出良好的活性也表明NHC-金屬配合物具有作為抗菌和抗癌候選藥物的潛力。研究人員開發(fā)了多種方便的途徑制備主要基團(tuán)和過渡金屬的NHC-金屬復(fù)合物，通過分子側(cè)鏈結(jié)合靶向部分也可為特定組織開發(fā)新的藥物。此外，NHC-金屬復(fù)合物除了金屬中心的性質(zhì)及其反應(yīng)性特征外，整體的化學(xué)結(jié)構(gòu)也會影響每一種NHC 的生物行為，如一些更容易穿透線粒體膜或細(xì)胞膜。但仍需要對NHC-金屬復(fù)合物的分子靶點和作用機(jī)制進(jìn)行確定，體內(nèi)抗腫瘤和抗菌活性及毒性進(jìn)行研究。綜上所述，這些結(jié)果可以指導(dǎo)今后改進(jìn)金屬基藥物的發(fā)展，特別是用于治療人類健康包括細(xì)菌感染和癌癥疾病的Ag 和Au 復(fù)合物。