《Computational and Theoretical Chemistry》：Electric field modulation of reactivity of the nitrogen mustard anticancer drug melphalan: A DFT study on aziridinium ion formation
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电场调控氮芥类药物亚胺离子形成机制研究：基于密度泛函理论的电子结构与动力学分析显示，正电场促进C-Cl键断裂及电子转移，形成亚胺离子过渡态，负电场则抑制该过程，自由能激活呈现非单调依赖，源于电场诱导的分子偶极取向变化及电子密度再分布。
Kripangkar Choudhury | Angarag Kashyap | Pradyumna Mazumdar | Diganta Choudhury
印度阿萨姆邦古瓦哈提市乌卢巴里B. Borooah学院化学系，邮编781007
摘要
本文采用ωB97X-D/SMD密度泛函理论对抗癌药物美法仑（melphalan）中氮芥类化合物的氮杂环丁烷离子（aziridinium-ion）形成过程进行了计算，研究了在沿笛卡尔轴施加的正负外电场（EEF）作用下的关键活化步骤。通过Wiberg键指数、NBO供体-受体相互作用以及电子局域化函数/局域化轨道定位器（ELF/LOL）描述符来表征局域电子响应。正电场增强了C–Cl键的稳定性，同时使电子密度向更离解的C–Cl环境转移，从而促进了氮杂环丁烷离子的形成；而负电场则抑制了这些效应，降低了反应性，减少了脱靶毒性。此外，活化自由能对场强的依赖性并非单调变化。对反应物和过渡态的偶极矩分析表明，这种行为源于分子在电场作用下的整体重定向。
引言
每年都有数百万新癌症病例被记录在案，使其成为全球主要的死亡原因之一。癌症治疗的主要方法是传统的化疗，主要针对快速增殖的细胞。烷化剂、抗代谢物和铂基化合物因其能够破坏核酸合成并破坏DNA稳定性而被广泛使用[1]。然而，它们的非选择性细胞毒性常常导致明显的脱靶效应，包括免疫抑制和器官特异性毒性。尽管靶向治疗和免疫疗法有所进展，但由于烷化剂具有强效和广谱的抗肿瘤活性，它们在血液系统恶性肿瘤和某些实体瘤的治疗中仍然不可或缺[2][3][4][5]。
氮芥类化合物是最早被研究且研究最深入的DNA烷化剂之一。包括 mechlorethamine 和 melphalan 在内的氮芥类衍生物是最早开发且最有效的烷化剂[6]。它们的抗癌活性源于分子内的亲核取代反应，生成高度活性的亲电中间体——氮杂环丁烷离子，该离子能够与DNA中的亲核位点形成共价加合物。美法仑是一种含有L-苯丙氨酸基团的双功能氮芥类化合物，通过SN2机制发生这种转化。胺氮对氯乙基取代基的攻击导致氯离子的离去和氮杂环丁烷离子的形成（见图1），随后氮杂环丁烷离子会烷基化DNA中的鸟嘌呤N7位点，从而形成链间和链内交联[7]。
最近的理论和实验研究表明，该反应的限速步骤是环闭合形成氮杂环丁烷离子的过程，这一过程对周围电子环境和溶剂效应非常敏感[8]。然而，这些高活性中间体的不受控制的形成和持久存在也是导致剂量限制性的脱靶毒性和器官损伤的原因[9][10][11]。
在这种情况下，研究在不改变药物共价结合结构的情况下调节氮杂环丁烷中间体内在反应性的方法尤为重要。近年来，外电场（EEF）的应用成为反应动力学和分子催化领域的前沿技术。理论研究表明，EEF能够影响电子密度分布和分子轨道排列，从而改变反应路径上的活化能和过渡态几何结构[12][13][14]。基于密度泛函理论（DFT）的计算表明，适当定向的EEF可以作为“静电催化剂”，通过不同地稳定特定反应态来选择性地加速或减缓化学转化[15]。这一现象为在不引入新的化学添加剂的情况下调节复杂生物或药物系统的反应性提供了有前景的方法。最近的计算研究还将这一概念应用于抗癌药物系统，证明EEF可以显著影响药物分子的反应性和活化途径[16][17]。
电场已经在肿瘤学中得到实际应用，例如电化学疗法中，短时高电压脉冲可暂时增加膜通透性，从而增强博莱霉素和顺铂等药物的细胞摄取和细胞毒性[18][19]。此外，电化学疗法被认为能够选择性地消灭肿瘤细胞，同时最大限度地保护周围正常组织[20]。因此，这种疗法具有更好的治疗效果，并已在欧洲临床得到广泛应用[21]。最新研究表明，除了膜通透性外，肿瘤微环境或生物分子界面处的局部电场还可以调节药物-靶标相互作用和反应动力学，表明外部电场与药物共价活化之间存在更深的联系[22]。
除了上述原因外，了解电化学疗法相比传统化疗具有更高疗效的分子机制也具有重要意义。尽管临床电化学疗法主要使用博莱霉素和顺铂，但电穿孔也被证明可以通过增加药物摄取和谷胱甘肽耗竭来增强耐药黑色素瘤细胞的细胞毒性[23]。这一观察结果表明，烷化氮芥类化合物也可能从电场辅助的递送或活化中受益，进一步激发了研究静态外部场如何调节内在反应性的量子化学兴趣。这些观察结果促使我们详细研究静态电场如何调节经典烷化剂的反应性。
本研究针对美法仑（一种最著名的氮芥类抗癌药物）进行了探讨。在隐式水环境中利用密度泛函理论，我们绘制了氮杂环丁烷离子形成的场依赖性势能曲线，并分析了沿笛卡尔轴施加的电场如何干扰N–C–Cl结构的电子结构、氮杂环丁烷过渡态的特性以及关键实空间描述符（如Wiberg键指数、NBO供体-受体相互作用和ELF/LOL分布）。通过将美法仑形成氮杂环丁烷离子的障碍和电子结构的变化与施加电场的方向和强度联系起来，本研究旨在为未来基于电场的策略提供机制基础，以调节氮芥类化合物的反应性，最终在保持抗癌效果的同时降低脱靶毒性。
计算细节
密度泛函理论是研究精确基态和过渡态电子结构的标准方法。它对于不同大小分子的动力学研究非常有用，能够以较低的成本确定其在气相和水相中的基态和激发态能量。我们使用了wb97XD泛函和dgtzvp基组，通过gaussian09软件包进行所有计算。
结果与讨论
由于美法仑在水环境中发挥其生物活性，因此本文的所有详细讨论均基于使用SMD隐式溶剂模型进行的计算。在优化的美法仑几何结构中，笛卡尔x轴穿过亲核氮原子N，并大致沿着两个氯乙基链的平分线（见图S1）。因此，电场沿此轴施加，以探讨电场对氮原子孤对电子向σ*转移的影响。
结论
本研究通过量子化学分析探讨了电场如何调节水条件下双功能氮芥类化合物美法仑中氮杂环丁烷离子的形成。结合ωB97X-D/SMD计算以及NBO和实空间（ELF/LOL）分析，研究表明C–Cl键断裂对施加电场的响应是单调的。在局部电子结构层面，这些结果表明沿特定方向施加的正电场……
CRediT作者贡献声明
Kripangkar Choudhury：撰写初稿、验证、软件开发、方法学设计、数据管理、概念构思。
Angarag Kashyap：软件开发、形式分析、数据管理。
Pradyumna Mazumdar：软件开发、形式分析、数据管理。
Diganta Choudhury：撰写修订稿、可视化处理、监督工作、软件开发、方法学设计、形式分析。
利益冲突声明
作者声明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
K Choudhury 感谢印度阿萨姆邦特兹普尔大学化学科学系的Surajit Kalita博士在准备手稿过程中提供的宝贵建议。
D. Choudhury 感谢印度大学拨款委员会（UGC）通过项目[F.5-57/2010-11(MRP/NERO)/5176]提供的财政支持。
