二硫代卡巴扎酸镍(II)衍生物配合物：合成、表征、生物分子相互作用及其抗癌机制研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Nickel(II) dithiocarbazate-derived complexes: Synthesis, characterization, biomolecular interactions, and mechanistic anticancer activity

Ni(II)配合物通过乙酰/苯酰乙酮基-S-甲基二硫代 carbazate与咪唑或三苯基膦配位合成，显示强DNA插入门户结合（2.54-5.88×10? M?1）和BSA静态结合（2.77×103-8.91×10? M?1）。所有配合物对乳腺癌（MDA-MB231, MCF7）和结直肠癌（HCT116）细胞显著有毒，但对WI38正常肺细胞毒性低。其中2.1配合物IC50最低（7.95±0.7 μM），选择性指数4.92，诱导G2/M期阻滞、ROS/MDA升高及SOD活性下降，呈凋亡机制。

　　

Mohamed N. Abo Elenen|Shadia A. Elsayed|Amira R. El-Shobaky

埃及达米埃塔大学理学院化学系，新达米埃塔34517

摘要

合成了四种新的Ni(II)配合物，这些配合物是由乙酰基和苯甲酰基乙酮酸酯-S-甲基二硫代卡巴唑制成的，其通用式为[Ni(L)(B)]，其中L代表相应的二硫代卡巴唑配体，B为咪唑（imz）或三苯基膦（PPh₃）。研究了这些配合物与小牛胸腺DNA（ctDNA）和牛血清白蛋白（BSA）的相互作用，发现它们具有很强的结合亲和力。DNA结合主要通过插入模式进行，结合常数范围为（2.54–5.88）× 10⁴ M^?1；而BSA的结合则通过静态机制进行，结合常数范围为2.77 × 10³至8.91 × 10⁴ M^?1。所有配合物都对人类癌细胞系（包括乳腺癌细胞MDA-MB231、MCF7和结直肠癌细胞HCT116）表现出显著的细胞毒性，但对正常肺细胞（WI38）的毒性很小。在这些配合物中，配合物（2.1）对MCF7细胞的细胞毒性和选择性最高（IC₅₀为7.95 ± 0.7 μM，选择性指数为4.92），并进一步对其作用机制进行了研究。研究表明，配合物（2.1）诱导细胞凋亡而非坏死，导致细胞周期在G2/M期停滞，增加了细胞内活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的水平，并降低了超氧化物歧化酶（SOD）的活性。总体而言，这些结果表明合成的Ni(II)配合物，特别是配合物（2.1），具有潜在的生物活性，可以作为生物无机化学和药物化学进一步研究的候选对象。

引言

在配位化学中，N、S-供体配体是一类多功能的多供体配体，由于它们结构中同时含有氮和硫供体原子，因此在生物学和分析化学中得到了广泛研究[1]、[2]。其中，硫半卡巴唑和二硫代卡巴唑因其硬软螯合作用而备受关注。这种双重性质使得它们能够以多种方式与过渡金属配位，从而形成稳定的中性或阴离子形式的配合物[3]、[4]。这种配位不仅改善了金属配合物的结构和电子行为，还增强了它们的效果和生物活性，使这些配体在药物化学和生物无机化学领域具有独特的应用前景[5]、[6]、[7]。过渡金属配合物在药物化学中也非常重要，尤其是作为抗癌剂。自从顺铂及其衍生物被批准用于临床以克服其严重的副作用后，这一领域受到了更多关注[8]。这些配合物的生物活性主要由金属中心的电子结构、氧化状态、磁性和配位几何形状决定。它们的细胞毒性和抗肿瘤活性通常归因于它们通过与DNA和蛋白质的插入、静电或沟槽结合等方式相互作用[9]、[10]。 在过渡金属中，镍(II)和钯(II)配合物因其与铂(II)配合物的相似性而受到广泛关注，尤其是它们都呈现平面四方几何结构、d⁸电子构型和+2氧化态。这种几何结构在生物学中具有重要意义，特别是在与DNA插入和氧化还原反应相关的过程中。这些配合物增强了治疗潜力[11]。最近的研究报道了许多具有良好生物应用的Ni(II)二硫代卡巴唑配合物，它们能够与生物环境相互作用，并表现出显著的抗肿瘤、抗菌和抗真菌活性[12]、[13]。结构-活性关系（SAR）是抗癌药物设计的关键概念，因为它描述了分子结构与生物活性之间的关联。通过识别对生物效应有贡献的功能基团[14]，可以修改分子结构以提高生物活性。铂(II)配合物采用平面四方几何结构，表现出较低的配体交换动力学，这有助于其显著的抗癌活性。相比之下，Pd(II)和Ni(II)配合物通常具有更快的配体交换速率，在生理条件下稳定性较低。为了克服这一限制，可以在其结构中引入较大的配体（如三苯基膦或咪唑）以减缓交换速率并提高治疗潜力[11]、[16]。最近的研究强调了S-甲基二硫代卡巴唑和咪唑的Ni(II)配合物对MCF7乳腺癌细胞的强细胞毒性作用，这些配合物优先攻击恶性细胞而非良性细胞。机制研究表明，这些配合物通过DNA断裂、活性氧生成和S期细胞周期停滞等机制诱导细胞凋亡。其他Schiff碱配合物（如Cu(II)、Pd(II)、Pt(II)和Ru(II)离子也表现出类似的作用；然而，随着研究的发展，设计新的配体和配合物可能会产生更有效的治疗选择，这进一步体现了镍配位化学在现代医学中的重要性[11]、[17]。 基于我们对二硫代卡巴唑化合物及其生物应用的兴趣[18]、[19]，我们在本研究中报道了乙酰基和苯甲酰基乙酮酸酯-S-甲基二硫代卡巴唑及其Ni(II)配合物的合成和表征（方案1）。通过FTIR、NMR（¹H、¹³C和³¹P）、电子光谱、摩尔电导率和热重分析（TGA）以及DFT计算对这些配合物进行了全面表征。利用吸收/发射光谱评估了它们与ctDNA和BSA的结合亲和力，并进一步评估了它们的细胞毒性、抗氧化活性（ROS、MDA和SOD）、细胞凋亡和细胞周期停滞作用。

化学物质和仪器

所有仪器和材料均在电子补充信息（第1节）中提及。

合成

起始物质S-甲基二硫代卡巴唑的合成方法如文献[20]中所述。

制备和物理性质

配体H₂L1和H₂L2是通过乙酰丙酮或苯甲酰丙酮与S-甲基二硫代卡巴唑在甲醇中以1:1 M的比例进行缩合反应制备的。然后使用这些配体与NiCl₂.6H₂O在咪唑或三苯基膦作为共配体的存在下反应，以1:1:1 M的比例制备Ni(II)配合物：[Ni(L1)(imz)]（1.1）、[Ni(L1)(PPh₃]（1.2）、[Ni(L2)(imz)]（2.1）和[Ni(L2)(PPh₃]（2.2）。

结论

通过光谱学、热重分析和DFT计算，成功制备并表征了四种由乙酰基/苯甲酰基乙酮酸酯-S-甲基二硫代卡巴唑衍生的Ni(II)配合物。这些配合物与ctDNA和BSA表现出很强的结合亲和力，支持了它们潜在的生物分子相互作用。这些配体及其Ni(II)配合物对乳腺癌（MCF-7、MDA-MB-231）和结直肠癌（HCT116）细胞系表现出显著的细胞毒性。

CRediT作者贡献声明

Mohamed N. Abo Elenen：撰写原始草稿、软件使用、方法学设计、数据分析。Shadia A. Elsayed：审稿与编辑、撰写原始草稿、验证、监督、资源提供、方法学设计、数据分析、概念构思。Amira R. El-Shobaky：撰写原始草稿、监督、资源提供、概念构思。

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

我们感谢埃及科学研究与技术学院（ASRT）在“科学能力建设”计划（资助编号：6389）下提供的研究设备，以及埃及高等教育部对CIQAP项目（编号：CP3-016-MAN）的支持。同时，我们也感谢达米埃塔大学理学院的中央实验室提供的分析设施和技术支持。最后，我们衷心感谢Mohamed M. Aboelnga博士。

Shadia A. Elsayed是埃及达米埃塔大学理学院的无机化学教授。她通过曼苏拉大学和加拿大麦吉尔大学之间的合作项目获得了无机化学博士学位。她的研究重点是设计、合成和表征具有抗癌、抗氧化和DNA/蛋白质结合活性的生物活性金属配合物。Elsayed博士曾在麦吉尔大学和西蒙弗雷泽大学完成博士后培训。