异构同配型Bi(III)二硫代氨基甲酸酯配合物的合成、表征、密度泛函理论（DFT）研究及其对A549癌细胞的细胞毒性作用

《Journal of Inorganic Biochemistry》：Synthesis, characterization, and DFT studies of isomeric homoleptic Bi (III) dithiocarbamate complexes vis-à-vis cytotoxicity in cancer cell, A549

该研究合成了三个铋(III)二硫代碳酰胺配合物Bi-2ba、Bi-3ba和Bi-4ba，并表征其结构。DFT分析表明，虽然配合物为伪八面体结构，但Bi-4ba的HOMO-LUMO间隙更窄，与细胞毒性测试结果一致，显示抗癌活性随取代位置不同而变化，机制涉及ROS和线粒体膜去极化。

　　

迪皮卡·维尔玛（Deepika Verma）、萨娜·帕尔文（Sana Parveen）、玛丽亚姆·法特玛（Mariyam Fatma）、基兰·古普塔（Kiran Gupta）、斯诺伯·S·米尔（Snober S. Mir）、奥姆·普拉卡什（Om Prakash）

印度北方邦勒克瑙大学（University of Lucknow）理学院化学系，勒克瑙226007

摘要

基于金属的三位置异构体、同配位的Bi(III)二硫代氨基甲酸盐[Bi{S?C-N(CH?Ph) (CH?-X-OH-C?H?)}?]（X分别为Bi-2ba、Bi-3ba和Bi-4ba）被研究其抗癌活性，使用的是A549癌细胞模型。这些化合物通过红外光谱（IR）、质子和碳核磁共振光谱（1H/13C NMR）、紫外-可见光谱（UV–vis）以及高分辨率质谱（HRMS）进行了表征。这些表征技术确认了化合物的组成完整性、在实验时间范围内的溶液稳定性，以及三个二硫代氨基甲酸盐（DTC）配体在Bi(III)中心形成的κ2(S,S)螯合结构。密度泛函理论（DFT）表明，这些异构体在结构上基本相同，Bi(III)周围形成了一个畸变的伪八面体S?环境（Bi-S键长2.76–2.84 ?，S-Bi-S键角84°，硫脲N键长1.34–1.35 ?）。使用（3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯四唑溴化物（MTT） assay对A549人肺癌细胞进行细胞毒性评估，结果显示Bi-4ba（10 μM）的效力高于Bi-3ba（20 μM）高于Bi-2ba（60 μM）；在类似条件下，与5-氟尿嘧啶（5-FU）20 μM相比也是如此。机制研究表明，这些化合物通过氧化应激和线粒体途径诱导细胞凋亡。这些结果表明，位置异构性对电子结构的影响与观察到的细胞毒性有定性关联。

引言

基于金属的化疗药物长期以来一直以铂类药物为主，如顺铂（cisplatin）、卡铂（carboplatin）和奥沙利铂（oxaliplatin），这些药物通过金属配位复合物成为化疗方案的核心。然而，它们的临床应用受到剂量限制的毒性、耐药性的产生以及对恶性细胞和健康组织的选择性差的限制。为了解决这些问题，研究人员正在探索其他金属复合物，以便以不同的方法靶向特定的生物途径。钌（Ru）、铜（Cu）和铋（Bi）在这一领域展现出新的应用前景。它们有时通过线粒体、氧化还原或蛋白质靶向途径发挥作用，这与铂类药物与DNA交联的方式不同。鉴于肺癌仍然是全球癌症死亡的主要原因，因此迫切需要新的方法来克服耐药性并减少全身毒性[[1], [2], [3]]。 Bi(III)是一种在药物无机化学中具有前景但研究相对较少的金属离子。由于其闭合壳层6s2配置，Bi(III)在生理条件和实验条件下对氧化还原变化具有较好的抵抗力，相比许多过渡金属具有更高的热力学稳定性。人类使用的铋制剂（如雷尼替丁铋柠檬酸盐（Tritec?/Pylorid?）、铋亚柠檬酸盐（De-Nol?）和铋亚水杨酸盐（Pepto-Bismol?）也证明了其良好的安全性[4]。最近的研究强调了基于Bi的药物在抗癌、抗菌和抗寄生虫方面的治疗潜力[3,5,6]。补充评估表明，配体设计和形成的几何结构（三角形、四面体和八面体）显著影响同配位Bi(III)复合物的生物活性[7]。 二硫代氨基甲酸盐（DTCs, R?NCS??）是一种柔软的硫供体配体，通过κ2(S,S)螯合作用稳定金属中心，并通过硫脲共振和取代基设计实现电子/空间调谐[8]。除了在催化和材料科学中的广泛应用外，金属-DTC复合物在生物无机化学中也受到越来越多的关注，包括在抗癌、抗菌和抗氧化治疗中的应用[[9], [10], [11]]。对于铂类药物，Pt(II)DTC复合物在效力上可以超过顺铂，其机制涉及活性氧（ROS）的生成或NF-κB通路的抑制[12,13]。同时，铜DTC系统因能够扰乱铜的稳态并触发耐药癌细胞的凋亡而受到重新评估[14]。这些观察结果证实了DTCs作为生物活性螯合剂的潜力；当与同配位Bi(III)复合物结合时，它们形成了一个将Bi中心稳定性与硫配体介导的生物活性相结合的混合平台。 先前的研究已经表明，具有不对称NN'O配体的Bi(III)复合物对慢性粒细胞性白血病细胞表现出细胞毒性（IC??为0.3–0.4 μM），并具有抗菌特性[15]。类似地，简单的Bi-DTC框架在多种肿瘤细胞系中也显示出体外细胞毒性[16]。为了推进这一领域的发展，需要开发能够在Bi(III)系统内直接关联电子结构、配位几何结构和细胞毒性行为的Bi-DTC框架[17]。 在治疗金属设计中，一个较少被探索的维度是配体框架内的位置异构性。羟基取代基位于邻位、间位或对位时，可以调节分子内的氢键、空间可及性、亲脂性和π电子离域，从而影响Bi-S键的键长、配位几何结构、配体场强度以及最终的细胞摄取。从机制上看，活性氧（ROS）的增加和线粒体膜的去极化反映了与DNA无关的氧化应激相关细胞毒性途径。这些机制可能有助于规避传统DNA导向药物的耐药性，并有可能减少基因毒性副作用，这是下一代金属药物开发中日益关注的方法[3,[18],[19],[20]。 本文报道了一系列同配位的Bi(III)二硫代氨基甲酸盐异构体Bi-2ba、Bi-3ba和Bi-4ba。这些化合物经过合成并进行了全面表征（IR、1H/13C NMR和UV–vis、HRMS），以确定纯度、电子跃迁类型和键合模式。DFT和前线分子轨道（FMO）分析显示，不同异构体之间的HOMO-LUMO间隙存在可比较但有意义的变化，其中Bi-4ba的HOMO-LUMO间隙较窄，这与配体内的电荷转移和氧化还原循环一致。在A549肺癌细胞中的生物评估显示了明显的异构体依赖性效力趋势（Bi-4ba > Bi-3ba > Bi-2ba），这与ROS生成增加和线粒体功能障碍相关。总体而言，这些发现表明位置异构性是一个合理的设计参数，它将电子结构与Bi(III)二硫代氨基甲酸盐复合物的氧化还原介导的细胞毒性联系起来。

材料与方法

所有试剂和溶剂均为分析级，直接从商业供应商处购买，无需进一步纯化。使用前，所有溶剂均按照标准程序进行干燥和蒸馏。熔点是在Ambassador（BPI-29）温度计上测定的，未进行校正。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱是在Shimadzu IRAffinity-1S光谱仪上使用KBr颗粒记录的。元素（CHNS）分析是通过元素分析仪进行的。

合成

位置异构的Bi(III)二硫代氨基甲酸盐复合物Bi-2ba、Bi-3ba和Bi-4ba的合成是通过原位方法实现的（方案1）。将苯胺乙醇溶液与邻位、间位和对位羟基苯甲醛 reflux后，得到相应的亚胺，然后用NaBH?还原为仲胺。由于这些中间体具有吸湿性，它们在冰浴条件下直接与CS?和KOH反应生成相应的钾二硫代氨基甲酸盐盐。

结论

本研究总结了Bi(III)二硫代氨基甲酸盐的合成和表征，以开发抗癌剂。合成了三种位置异构的Bi(III)二硫代氨基甲酸盐Bi-2ba、Bi-3ba和Bi-4ba，并通过IR、NMR、UV–vis和DFT进行了全面表征。DFT结果显示，所有复合物都具有伪八面体S?配位几何结构，其中Bi-4ba的HOMO-LUMO间隙较窄，与其增强的氧化还原响应性一致。

CRediT作者贡献声明

迪皮卡·维尔玛（Deepika Verma）：撰写初稿、可视化、验证、数据管理。 萨娜·帕尔文（Sana Parveen）：可视化、验证、方法学研究、数据分析。 玛丽亚姆·法特玛（Mariyam Fatma）：验证、方法学研究。 基兰·古普塔（Kiran Gupta）：研究、数据管理。 斯诺伯·S·米尔（Snober S. Mir）：撰写与编辑、监督、软件使用、数据分析、概念化。 奥姆·普拉卡什（Om Prakash）：撰写与编辑、监督、资源管理、项目协调、数据分析。

伦理声明

本文不包含任何涉及人类参与者或动物的研究。作者未报告任何伦理问题。

利益冲突声明

作者不存在利益冲突。

致谢

作者衷心感谢印度政府Khadi and Village Industries Commission (KVIC)在S & T计划（S&T/KVIC/HQ/18/15/2023/33837/2023-24/471）下的财政支持。作者还感谢勒克瑙大学化学系的Abhinav Kumar教授在DFT分析方面提供的宝贵支持和指导。作者同时感谢Birbal Sahni古生物学研究所（BSIP, Lucknow）提供的CHNS元素分析帮助。