基于细胞和计算方法的硫脲及亚胺衍生物毒性分析在棘阿米巴（Acanthamoeba sp.）中的应用：作为潜在光电子应用的环境生物指示物

《Chemosphere》：Cell-based and computational toxicity profiling of thiourea and imine derivatives in Acanthamoeba sp. as environmental bioindicators for potential optoelectronic applications

本研究利用阿卡曼波拉（Acanthamoeba）单细胞生物作为环境生物指示剂，评估新型杂化化合物AN6C和F-2a的毒性。通过FTIR、1D NMR和UV可见光谱确认其结构，发现两者具有半导体特性（HOMO-LUMO间隙<4 eV）。MTT实验显示AN6C的细胞毒性显著更强（IC50=0.4589 μg/mL），而F-2a的IC50为24.32 μg/mL。显微镜观察到细胞自噬和坏死形态学变化，DNA ladder分析证实DNA断裂，分子对接显示F-2a与prolin II蛋白结合更紧密（得分-6.2 kcal/mol）。该研究为电子废弃物污染的生物监测和半导体材料安全性评估提供了新方法。

　　

蒂维扬·马尼塞卡兰（Thivyan Manisekaran）| 瓦恩·M·海鲁尔（Wan M. Khairul）| 努尔·阿米拉·纳比拉·莫赫德·拉希德（Nur Amirah Nabilah Mohd Rashid）| 法里克·祖尔法卡尔·穆萨（Fariq Zulfaqar Musa）| 西德·艾哈迈德·塔朱丁·图安·乔哈里（Syed Ahmad Tajudin Tuan Johari）| 西蒂·艾莎·拉扎利（Siti Aisyah Razali）| 法蒂玛·哈希姆（Fatimah Hashim）| 马斯·穆罕默德（Mas Mohammed）| 拉菲扎·拉哈玛图拉（Rafizah Rahamathullah）| 阿米拉·纳比哈·纳杰瓦·沙赫鲁尔·法赫米（Amira Nabiha Najwa Syahrul Fahmy）

马来西亚登嘉楼大学科学与海洋环境学院，21030，瓜拉努鲁斯，登嘉楼州，马来西亚

摘要

棘阿米巴（Acanthamoeba）属是一种敏感但尚未得到充分利用的环境生物指示剂，本研究利用它来评估两种新兴杂化分子的毒性：AN6C和F-2a，这两种分子在光电材料领域具有潜在应用价值。本研究强调了它们对未来安全、生态监测和环境健康评估的影响。通过光谱分析（包括FTIR、1D NMR和紫外-可见光分析）确认了这些化合物的结构。这两种化合物的HOMO-LUMO能隙低于4电子伏特，表明它们具有半导体特性。此外，AN6C中的<(-CH基团以及F-2a中的羰基（C基团和硫羰基（C基团）显示出良好的抑制细胞生长的能力。通过MTT实验进行了细胞毒性筛选，根据所得的IC₅₀值评估了剂量-反应关系。F-2a的IC₅₀值为24.32 μg/mL，而AN6C的IC₅₀值显著较低，为0.4589 μg/mL。治疗后，通过光学和荧光显微镜观察细胞形态和细胞质生化变化，发现细胞出现圆形或漂浮的囊状结构、黄色或橙色的颗粒以及破裂的细胞膜，表明发生了自噬和坏死现象。DNA梯形分析显示，在这两种化合物的作用下，DNA在1100、900和100 bp处发生断裂。流式细胞术分析显示F-2a和AN6C分别导致20.6%和16%的线粒体膜电位（MMP）破坏。针对棘阿米巴属的profilin蛋白（profilin II，PDB ID：2ACG，一种与肌动蛋白结合的小型细胞骨架蛋白）进行了分子对接模拟，该蛋白对正常的肌动蛋白细胞骨架功能至关重要。F-2a的对接得分为?6.2 kcal/mol，表明其具有较高的结合亲和力，并与12个氨基酸残基相互作用；而AN6C的对接得分为?3.4 kcal/mol，与2ACG蛋白的9个氨基酸残基相互作用。这些发现为杂化分子及其官能团在细胞、分子和计算机模拟层面上的作用和影响提供了理论依据。

引言

环境污染往往在生物体或生态系统层面出现不良影响后才能被发现，尽管有毒相互作用实际上早在细胞和分子层面就开始了。本研究为未来电子设备的发展做出了贡献。由于电子设备的寿命相对较短，技术的快速进步导致全球电子废物不断累积。每年产生的电子废物量增加了260万吨，预计到2030年将达到8200万吨，比2022年增加33%（来源：e-Waste Monitor, 2024）。因此，基于实验室的体外细胞模型为理解电子污染物引起的毒性提供了关键见解。细胞反应反映了生物效应，可作为环境压力的早期预警指标。通过关注基于细胞的机制终点，这种方法提供了生物学上的非推测性证据，阐明了潜在的毒性机制。因此，本研究收集的数据可能有助于揭示棘阿米巴作为环境生物指示剂的潜力，这可能成为在环境生态研究中使用自由生活原生动物的一个里程碑。

近年来，π-共轭分子的利用引起了广泛关注，因为它们是有机光伏电池（OPVs）（Naeem等人，2024年）、有机场效应晶体管（OFETs）和有机发光二极管（OLEDs）（Ramoroka等人，2024年）等光电应用中的活性材料。这些系统表现出优异的光电性能，因为分子内存在富电子单元（供体）和缺电子单元（受体），从而促进了载流子的移动性（Pu等人，2023年；Singh等人，2026年）。因此，许多研究致力于设计、修改和改进有机化合物，以提高供体（p型半导体）、π-间隔基团和受体（n型半导体）部分的摩尔消光系数和光谱响应范围（Khan等人，2017年；B?aszczyk，2018年）。

基于π-共轭小分子的各类功能性有机化合物具有内在的半导体特性，被设计和合成用于先进材料应用，其中包括三苯胺（Estrella等人，2019年）、硫脲、炔烃、偶氮甲胺（Koole等人，2016年）、烷基/烷氧基以及杂原子取代的芳香基团。具有宽带隙半导体的电子跃迁和分子反应性参数（如HOMO–LUMO轨道）可以为分子性质和分子与生物活性之间的相互作用提供重要信息（Yousef等人，2013年；Rashad等人，2014年）。Zeng等人（2021年）回顾了半导体活性位点、毒性以及半导体材料与细菌之间的相互作用机制。他们发现不同细菌具有不同的生理结构和死亡机制，因此需要探索半导体与不同细菌之间相互作用的方式。

从字面上看，Schiff碱（–CH基团和硫脲衍生物都具有扩展的π-共轭结构，能够实现分子内电荷转移（ICT），有利于光学和电子性能。亚胺衍生物具有适合光电应用的能量水平（Singh等人，2026年）。同样，π-共轭硫脲衍生物在有机薄膜中表现出明确的吸收、荧光和半导体行为，显示出其在导电材料应用中的潜力（Khairul等人，2015年）。Schiff碱能够形成非共价相互作用，如N???H氢键和π???π堆叠，对Schiff碱的宏观性质有显著影响（Andleeb等人，2021年）。同时，硫脲由于其独特的性质和特性（如高电负性和低极化率）具有很强的生物活性（Ghorab等人，2017年；Robalo等人，2017年）。然而，其复杂的分子结构和高稳定性使其难以生物降解，并可能向环境中释放大量有毒和有害物质（Svarovsky等人，2001年；Panchal等人，2006年）。

最近的研究表明，通过适当的侧链结构修饰可以提高化合物的生物利用度和可及性（Mokhnache等人，2019年；Pavlov等人，2020年）。特别是Schiff碱（–CH基团和硫脲由于其易于合成和高稳定性而受到关注，可以进一步用于光学或生物应用（Shabbir等人，2016年；Rahman等人，2021年）。本文评估了两种不同的$\pi$-共轭化合物，即N-(4-苯乙炔基)苯胺)-N'-(硝基肉桂酰)硫脲（F-2a）和双[(4-乙炔)-(4-辛氧基)]-苯亚胺（AN6C），如图1所示，作为棘阿米巴的生物指示剂。

AN6C化合物包含一个亚胺（?HC基团，该基团在光学材料的发展以及抗菌、抗真菌和抗病毒等生物活性中起着关键作用（Kumar等人，2010年；da Silva等人，2011年）。此前，Daud等人（2021年）对F-2a化合物进行了广泛研究，发现它具有吸引人的电子、光电和一氧化碳（CO）检测性能。这归因于其丰富的π电子，这些电子通过扩展的π-共轭系统与CO气体有效相互作用。鉴于这些有前景的特性，本研究扩展了细胞毒性评估，以探讨它们的生物效应。

因此，为了评估这两种杂化分子的不同作用及其对环境的影响，选择了丰富的单细胞生物棘阿米巴作为生物指示剂，以确定化合物的毒性水平。这些自由生活的原生动物对环境变化非常敏感，能够通过栖息地的改变（如数量、生理或化学成分的变化）表现出渐进性的影响。这些原生动物对生态平衡有贡献；然而，尽管它们数量众多，但很少被用作环境生物指示剂。然而，它们具有易于评估和测量的显著细胞结构，从而可以进行定量和定性分析。

硫脲（F-2a）和亚胺（AN6C）衍生物的合成

所有反应和操作均在常温条件下进行，在合成过程中没有采取特别的预防措施来排除空气或湿气。合成过程包括三个关键步骤，首先是制备商业催化剂双（三苯基膦）钯(II)二氯化物（[Pd(PPh₃)₂Cl₂），然后用于Sonogashira交叉偶联反应。Sonogashira交叉偶联反应得到的产物作为

结果与讨论

棘阿米巴广泛存在于水生和土壤环境中，在水生食物网中起基础作用。这种微生物的破坏可能导致早期生态失衡，因为它们容易受到物理化学变化的影响，尤其是离子、化学物质和导电聚合物的渗出。作为单细胞生物，棘阿米巴能够迅速吸收环境污染物。尽管这项研究是在体外进行的，但它反映了与环境相关的暴露途径

结论

我们成功评估并区分了两种具有相同酰亚胺基团的化合物的反应差异，这两种化合物的核心结构都是酰亚胺基团（F-2a来自硫脲基团，AN6C来自亚胺基团），这两种化合物对环境中丰富的真核生物棘阿米巴具有毒性作用，并可用于电子用途的潜在化合物的早期筛选。研究结果进一步证实了

作者贡献声明

蒂维扬·马尼塞卡兰（Thivyan Manisekaran）：撰写原始稿件。瓦恩·M·海鲁尔（Wan M. Khairul）：撰写、审稿与编辑、撰写原始稿件、监督、数据管理、概念构思。努尔·阿米拉·纳比拉·莫赫德·拉希德（Nur Amirah Nabilah Mohd Rashid）：正式分析、概念构思。法里克·祖尔法卡尔·穆萨（Fariq Zulfaqar Musa）：概念构思。西德·艾哈迈德·塔朱丁·图安·乔哈里（Syed Ahmad Tajudin Tuan Johari）：概念构思。西蒂·艾莎·拉扎利（Siti Aisyah Razali）：撰写、审稿与编辑、撰写原始稿件、监督、数据管理、概念构思。法蒂玛·哈希姆（Fatimah Hashim）：撰写原始稿件

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文时，作者使用了Grammarly工具来改进语法并优化语言表达。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢马来西亚登嘉楼大学（UMT）提供的才华与出版提升研究基金（UMT/TAPE-RG/2023/55491；投票编号55491）。同时，我们也感谢苏丹扎因阿比丁大学医学院传染病与生物技术研究中心提供的研究设施和技术支持。