《Journal of Molecular Liquids》：Defective dicubane cobalt clusters as selective anticancer agents: dual DNA/BSA targeting and structural-biological correlations
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本文合成了具有缺陷二立方烷结构的四核钴(II/III)混合价态簇C1和C2，通过X射线单晶衍射和光谱学表征其结构。研究表明C2对鱼精子DNA的亲和力高于C1和H3L配体，而C1对BSA的结合更强。分子对接和Hirshfeld表面分析揭示了构效关系。体外实验显示两者均能诱导Jurkat细胞凋亡，通过DNA断裂、ROS升高和S期停滞实现。
马赫塔布·盖塔西·扎鲁尼（Mahtab Gheytasi Zarouny）、沙扬·戈尔帕尔·卡维沙希（Shayan Golpar Kavishahi）、扎赫拉·阿萨迪（Zahra Asadi）、米哈尔·杜塞克（Michal Dusek）、莫妮卡·库塞拉科娃（Monika Kucerakova）和巴纳夫谢赫·拉斯泰加里（Banafsheh Rastegari）
伊朗设拉子大学理学院化学系
摘要
我们合成了两种新型的四核混合价钴（II/III）簇（C1和C2），它们的结构具有缺陷性的二立方烷结构，并通过单晶X射线衍射和互补的光谱技术对其进行了结构表征。这两种簇都属于三斜晶系（空间群P-1），其二立方烷核心中缺少两个顶点。我们使用鱼精子DNA（FS-DNA）和牛血清白蛋白（BSA）对自由配体H3L以及这两种簇进行了全面的体外相互作用研究。包括紫外-可见光谱滴定、荧光淬灭、循环伏安法、粘度测量、圆二色性和分子对接在内的DNA结合实验表明，插层作用是主要的结合模式。结合亲和力顺序为C2 > C1 > H3L，这突显了结构特征在核酸相互作用中的作用。通过荧光淬灭、紫外-可见光谱、同步光谱、位点标记分析、圆二色性和对接模拟等蛋白质结合研究，发现这些簇优先结合在BSA的位点（I）上。亲和力趋势（C1 > C2 > H3L）再次表明了簇几何结构的影响。Hirshfeld表面分析进一步揭示了分子间的相互作用机制。生物学评估显示，这两种簇对白血病细胞系具有选择性细胞毒性，能够诱导DNA片段化、增加活性氧（ROS）的产生，并使细胞周期停滞在S期，最终导致Jurkat细胞凋亡。
引言
如今，基于金属的化疗领域得到了发展。癌细胞对顺铂等传统铂基药物的耐药性是一个临床问题，这促使人们加大了研究无铂金属药物的力度[1][2]。在探索替代抗癌药物的过程中，必须了解其作用机制[3][4][5]。由于癌细胞生长速度快且代谢活动增强，其内部环境比正常细胞更具还原性。因此，在药物设计时必须考虑新一代抗癌金属药物对癌细胞氧化还原特性的响应能力。值得注意的是，癌细胞内氧化还原平衡的改变使得这些药物能够选择性地攻击癌细胞。
在可生物还原的非铂基抗癌剂中，钴的生理氧化还原特性使其化合物成为具有缺氧选择性的前药。钴是人体中的重要微量元素，主要作为维生素B12的组成部分存在，因此其毒性低于铂等非必需金属[6]。钴复合物中的钴原子有两种稳定的氧化态：三价钴（3d^6，低自旋）具有动力学惰性，而二价钴（3d^7，高自旋）则较为活泼[7]，因此三价钴复合物可以用作将抗癌剂选择性输送到肿瘤组织的载体。在低氧环境中，三价钴会被还原为二价钴；由于二价钴化合物的活泼性，先前与三价钴复合物配位的前药会被释放到介质中并恢复到活性形式，从而杀死癌细胞[8]。鉴于此，同时含有二价和三价钴中心的钴混合价复合物是一类独特的化合物。
含有Co4O4核心的簇（包含二价和三价钴中心）可分为立方烷、不完整的立方烷和缺陷性二立方烷[9][10]。为了构建这些骨架，具有形成多核金属簇所需特性的配体（如功能化的多醇/烷氧基配体或氨基醇配体衍生物）因其结构适应性和N、O、O供体位点而备受重视[9][11][12][13][14][15][16][17][18]。这类多核复合物比单核复合物更能与DNA结合。
值得注意的是，DNA的多态性和结构复杂性导致了两种主要的相互作用方式：可逆的沟槽结合、静电吸引或插层作用，以及不可逆的共价结合。每种结合方式的选择性程度取决于复合物的某些参数，如复合物的整体大小和形状、配体的配位情况、金属中心的氧化态、氧化还原电位、电荷分布和立体化学[19]。
一个关键问题是药物向肿瘤组织的输送。许多血液中的化合物（如脂肪酸、激素和药物）可以与血清白蛋白形成复合物并被运输[20]。与白蛋白形成的复合物是一个可逆过程。疏水性药物在与白蛋白形成复合物后溶解度会增加，从而影响这些药物的新陈代谢、疗效和循环[21]。研究药物与血清白蛋白的结合亲和力和相互作用机制对于理解其药代动力学和药效学至关重要[22][23][24]。
在本研究中，作为我们持续探索多核复合物潜在药物模型合成及其与生物分子相互作用的一部分，我们选择了乙醇胺和2,6-二甲酰-4-甲基酚作为合成Schiff碱配体的前体。此前我们发现这种组合可以生成五齿Schiff碱配体，进而形成多核复合物[25]。根据已报道的生物活性，我们的目标是探究其他类似的钴基体系是否也表现出类似的活性。此外，研究表明，作为氧化还原活性金属复合物的钴可以将其携带的DNA结合剂输送到肿瘤组织中，其中三价钴的还原为二价钴会释放出活性物质并诱导细胞凋亡[26]。
在本研究中，我们报道了两种新的混合价钴（Co(II)/Co(III)簇（C1和C2），它们的结构具有缺陷性的二立方烷结构。我们检测了自由Schiff碱配体H3L以及这两种复合物（C1和C2）与DNA和BSA的结合亲和力及其抗肿瘤活性。还进行了理论Hirshfeld表面分析和对接模拟，以获取更多关于结构和结合的信息。
实验部分
所有材料、仪器以及反应条件和浓度的详细描述均见支持信息（SI）部分。
簇的结构分析和表征
2,6-二甲酰-4-甲基酚与乙醇胺在 aerobic 条件下的反应生成了Schiff碱配体（(2,6-双[(2-羟基乙基亚氨基)甲基]-4-甲基酚）（H3L），该配体具有形成配位簇的潜力。这种Schiff碱配体作为一种五齿（N2O3）螯合物，通过配体侧臂上的一个酚氧基、两个亚胺氮原子和两个乙醇氧原子与两个金属中心（Co^II和Co^III）结合。
结论
我们合成了两种新的钴（II/III）簇（C1和C2），并研究了它们的不同结构对FS-DNA和BSA结合能力以及体外抗癌活性的影响。自由配体H3L与两种簇的比较研究表明，C2与FS-DNA的结合亲和力高于C1和H3L。H3L的结合倾向最低，这证实了四核复合物中金属之间的协同效应。
CRediT作者贡献声明
马赫塔布·盖塔西·扎鲁尼（Mahtab Gheytasi Zarouny）：撰写初稿、方法学研究、数据分析。
沙扬·戈尔帕尔·卡维沙希（Shayan Golpar Kavishahi）：方法学研究、数据分析。
扎赫拉·阿萨迪（Zahra Asadi）：撰写、审稿与编辑、项目监督、实验设计、数据管理。
米哈尔·杜塞克（Michal Dusek）：撰写、审稿与编辑、数据管理。
莫妮卡·库塞拉科娃（Monika Kucerakova）：撰写、审稿与编辑、方法学研究、数据分析。
巴纳夫谢赫·拉斯泰加里（Banafsheh Rastegari）：撰写、审稿与编辑、方法学研究、实验设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢设拉子大学研究委员会的财政支持，同时也感谢设拉子大学中央实验室的支持。晶体学分析部分使用了由MEYS CR（LM2023051）支持的CzechNanoLab研究基础设施。
