含有香豆素结构单元的环状二硒化物支架的双重功能：基于密度泛函理论（DFT）和拓扑密度泛函理论（TD-DFT）的研究表明，该支架既可作为超氧化物传感器，也可作为抗癌剂

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Dual role of cyclic Diselenide containing coumarin based scaffold supported with DFT/TD-DFT studies: Superoxide sensor and anti-Cancer agent

本研究成功合成并表征了一种新型环二硒化物 coumarin 探针，该探针通过荧光turn-on机制实现对超氧化物的选择性检测，检测限低至32 nM，荧光强度增强22倍，并经DFT理论和细胞实验验证其生物相容性和抗癌活性。

　　

Divyesh S. Shelar | Gauri S. Malankar | Snehal S. Salunkhe | Pinky R. Singh | Shashikant P. Vaidya | Arjun D. Chavan | Rahul V. Pinjari | Sudesh T. Manjare

印度孟买大学化学系，孟买 400098

摘要

基于环状二硒化物的香豆素化合物4-甲基-7-((萘[1,8-cd][1,2]二硒醇-3-基亚甲基)氨基)-2H-铬烯-2-酮（探针）通过¹H、¹³C NMR、HRMS和FT-IR光谱技术成功合成并进行了表征。该探针在广泛的活性氧（ROS）和生物硫醇测试中表现出卓越的选择性和敏感性，尤其是对超氧阴离子的检测。通过荧光滴定法测定，该探针对超氧阴离子的检测限为32 nM，并且具有74 nm的高荧光信号位移。比较研究表明，该探针的量子产率为1.22%，与超氧阴离子反应后这一数值上升到27.3%，表明其荧光强度增加了22倍。密度泛函理论（DFT）研究预测，该探针以顺式构象存在，其中硒（Se）与氮（N）通过亚胺键连接。研究人员探讨了探针的顺反异构体之间的转化机制，并通过联合光谱监测（UV–Vis和荧光时间进程研究）以及理论分析验证了可能的氧化产物的互变。体外细胞活力测试证实，该探针与正常MDCK细胞具有生物相容性，并对癌细胞（HeLa和MCF7）表现出强烈的抗癌效果。

引言

近年来，有机硒化学在合成有机化学和药物化学领域变得至关重要。[1]在多种哺乳动物酶中发现硒代半胱氨酸，极大地扩展了人们对硒生物化学的理解。[2]硒是一种重要的膳食元素，多种有机硒试剂已被证明在谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和脱碘酶活性中起作用。[3],[4]在GPx模拟活性研究中，硒被整合到谷胱甘肽过氧化物酶的催化活性位点，从而催化脂质过氧化物的还原，防止脂质过氧化。[5]由于脂质过氧化是铁死亡（ferroptosis）的关键驱动因素，GPx活性实际上抑制了铁死亡过程。因此，有机硒化合物被认为能够保护神经元免受铁死亡相关的损伤，特别是在缺血性中风和相关神经退行性疾病中。[6]膳食中硒摄入不足会导致硒蛋白功能受损，增加氧化应激，进而导致认知能力下降。这种失调在包括阿尔茨海默病在内的神经退行性疾病的发病机制中起着关键作用。[7],[8]

硒通常具有多种氧化态，这赋予了它作为探针的独特性质，有助于检测某些分析物。因此，有机硒化合物被用作荧光团。[9]某些生物分析物，如活性氧（ROS）、硫醇、活性氮物种（RNS）和金属离子，在生物系统中发挥着重要作用。[10]这些生物分析物已通过多种传统和先进技术进行检测，但荧光法是最简单、最经济、最快且最灵敏的方法。[11],[12],[13],[14]

考虑到有机硒化合物的各种性质（氧化还原性和极化性），已经开发出多种基于有机硒的传感器，用于选择性及灵敏地检测生物分析物（如ROS、RNS、生物硫醇、金属离子、阴离子等）。[15],[16],[17]罗丹明、花青素、萘酰亚胺、苯并咪唑、香豆素、硼二吡咯甲烯吡啶染料（BOPPY）、硼二吡咯甲烯（BODIPY）、双(二氟硼)-1,2-双((1H-吡咯-2-基)亚甲基)肼（BOPHY）和吡唑-吡唑啉等荧光团被用作生物分析物的检测探针（图1）。[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26]这些探针的荧光现象通常由内部电荷转移（ICT）、光诱导电子转移（PET）和扭曲内部电荷转移（TICT）引起。

众所周知，氧气在细胞代谢中起着关键作用，通过有氧呼吸产生三磷酸腺苷（ATP）形式的能量。[27],[28]在氧化代谢过程中，氧气部分转化为活性氧（ROS），包括超氧阴离子（O₂^•-）、过氧化氢（H₂O₂）、次氯酸根（OCl^?）和自由基（^•OH）。除了引发氧化损伤外，这些物种还承担着调节神经传递和血压等重要生物功能。[29],[30]它们作为信号分子和细胞稳态调节剂的双重作用突显了其在生理过程中的重要性。ROS的过量产生会损害蛋白质、DNA和细胞膜脂质，导致糖尿病、癌症、类风湿性关节炎和神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）等多种疾病。[17],[31],[32],[33]鉴于超氧阴离子对人体的严重危害，需要在其体内进行选择性检测。由于超氧阴离子的半衰期较短，实时检测非常困难但至关重要。

本文报道了一种基于环状二硒化物的香豆素探针的设计与开发，该探针通过荧光开启机制实现对超氧阴离子的高选择性和灵敏检测。该探针与超氧阴离子相互作用时荧光强度显著增强，使其成为检测特定活性氧物种的理想工具。我们研究了该探针在Madin-Darby犬肾细胞（MDCK）、宫颈癌细胞（HeLa）和乳腺癌细胞（MCF7）中的细胞毒性和抗癌效果，并与标准药物顺铂进行了对比。通过时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）研究了开启机制。

材料与方法

本研究中使用的所有化学品均从商业供应商处购买，无需进一步纯化即可使用。细胞毒性实验在MDCK、HeLa和MCF7细胞上进行。细胞购自印度浦那的国家细胞科学中心（NCCS）。抗生素3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT，纯度≥98%）和最小必需培养基Eagle（MEM，纯度≥99%）由Hi-Media Laboratories Ltd.提供。磷酸盐缓冲盐水（PBS）也用于实验。

合成

目标分子4-甲基-7-((萘[1,8-cd][1,2]二硒醇-3-基亚甲基)氨基)-2H-铬烯-2-酮（探针）的合成过程见图1。起始物质7-氨基-4-甲基-2H-铬烯-2-酮（1）和萘[1,8-cd][1,2]二硒醇-3-甲醛（2）的合成方法参考了先前文献。[20],[46]该探针是通过7-氨基香豆素衍生物（1）和醛类化合物（2）在冰醋酸中回流48小时缩合得到的。

结论

成功合成了一种基于环状二硒化物的香豆素探针并对其进行了全面表征。该探针对多种活性氧物种具有高选择性，与超氧阴离子相互作用时表现出明显的荧光开启响应。其检测限为32 nm，且对超氧阴离子的荧光强度增加了22倍，优于一些已报道的超氧阴离子检测探针（见表）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

D.S·S. 感谢大学拨款委员会提供的UGC-NET奖学金（SRF）。S.T.M. 感谢印度新德里的SERB（YSS/2014/000726）提供的财政支持。