四齿哌嗪基 Cu(II) 配合物的 DNA 裂解和细胞毒性生物活性 | MDPI Inorganics

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文章引言

脱氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic Acid, DNA) 具有存储遗传信息的功能，此外 DNA 中的磷酸二酯键在生理条件下对水解裂解的稳定性和抗性也非常显著。尽管如此，自然界中仍存在能够高效催化 DNA 中 P–O 键水解裂解的酶，为模拟这些酶的生物学功能，基于不同金属离子、几何结构和过渡金属配合物的可用于裂解 P–O 键的人工核酸酶得到了研究者们的密切关注。来自德国柏林自由大学的 Nora Kulak 教授课题组联合美国路易斯安那大学、澳大利亚格拉茨技术大学的研究团队在 Inorganics 发表了文章，研究合成了五坐标 Cu(II) 配合物 [Cu(Lⁿ)X]ClO₄/PF₆，其中 Lⁿ 为哌嗪配体，具有两个吡啶臂；通过 UV-VIS 光谱测试、元素微量分析、单晶 X 射线衍射等方法对配合物进行了表征；此外，作者团队还研究了 Cu(II) 配合物在 DNA 裂解和细胞毒性方面的生物活性。

研究结果

本文首先详细介绍了 [Cu(Lⁿ)X]ClO₄/PF₆ 在合成、表征过程中所采用的分析方法。根据配合物 [Cu(L⁴)Cl]ClO₄·H₂O(4-Cl) 和 [Cu(L⁵)Cl]PF₆(5-Cl) 的单晶 X 射线晶体学数据，4-Cl 和 5-Cl 的 [Cu(L)Cl]⁺ 配合物阳离子分子结构透视图如图 1 所示。

图 1. (a) 4-Cl 和 (b) 5-Cl 络合物阳离子的分子结构。

实验通过红外和UV-VIS 光谱测量对 [Cu(Lⁿ)X]ClO₄/PF₆ 进行了分析，并在乙腈中对比了 [Cu(Lⁿ)X]ClO₄/PF₆(1-Cl、4-Cl 和 5-Cl) 的摩尔电导率。研究结果表明：在 CH₃CN 溶液中，配合物的电子光谱显示出扭曲的方形金字塔几何形状，这是因为配合物都产生了相似的光谱模式，并且在 645~770 nm 的波长范围内具有单一宽频带 (图 3)；1-ClO₄-3-ClO₄ 配合物的摩尔电导率和相应的 1-Cl、4-Cl 及 5-Cl 配合物的摩尔电导率分别与 1:2 和 1:1 电解质相一致。另一方面，根据 [Cu(Lⁿ)X]ClO₄/PF₆ 溶于 CH₃CN 与水的分光光度滴定结果显示，最初出现在 645~770 nm 区域的带逐渐向较短的波长移动 (H₂O 配体的配体场强强于 CH₃CN)，该现象可能与 [Cu(L)(H₂O)]²⁺ 离子平衡有关。

图 2. (A) 1.14×10⁻³ M [Cu(L¹)Cl]PF₆(1-Cl) 的可见光谱；(B) 8.87×10⁻⁴ M [Cu(L⁴)Cl]ClO₄·H₂O(4-Cl) 的可见光谱；(C) 8.00×10⁻⁴ M [Cu(L³)ClO₄]ClO₄(3-ClO₄) 在 CH₃CN 和 CH₃CN/H₂O (体积 1:1) 溶液中的可见光谱。

为研究 DNA 的裂解活性特点，作者团队分别在 0、60、120、180、300、420 和 540 μm 的配合物浓度下对反应活性进行了检测，相关测试结果以及 I 型 DNA 向 II 型 DNA 的转化进行动力学分析结果表明：随着浓度的增大，配合物的溶核活性不断下降 (图 3)。

图 3. 在 pH 为 7.4 (10 mm MOPS) 、浓度为 60~540 µm 和 37 ℃ 条件下，pBR322 质粒 DNA 被 (a) 1- ClO₄、(b) 2- ClO₄ 和 (c) 3- ClO₄ 配合物裂解。

为进一步研究水解裂解活性，研究还以双 (对硝基苯) 磷酸盐 (Bis(4-Nitrophenyl)Phosphate, BNPP) 为底物模拟 DNA 的磷酸酯主链，并采用 UV-VIS 光谱测试对硝基酚阴离子进行检测，结果表明：配合物 (1-ClO₄-3-ClO₄、6-ClO₄、1-Cl、4-Cl 和 5-Cl) 都不能在 2 小时内显著裂解 BNPP，然而配合物 2-ClO₄ 在 48 小时后显示出显著的裂解活性，配合物 3-ClO₄ 中具有一定的裂解活性，而配合物 1-Cl 则很少发生裂解。

研究还采用 3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基溴化四唑 (MTT) 测定方法，研究了 Cu(II) 配合物对体外培养的人卵巢癌细胞 A2780 和人成纤维细胞的毒性作用。研究结果表明：配合物 1-ClO₄、3-ClO₄ 和 5-Cl 对 A2780 细胞具有细胞毒性 (IC50 30~40 μM)，而尽管配合物 3-ClO₄ 在成纤维细胞中具有更高的 IC50 值，但不存在毒性作用。

图 4. (a) A2780 细胞和 (b) 成纤维细胞中的 MTT 测定结果。

总结讨论

本文报道了具有两个对称吡啶臂 (L=L1、L2、L4、L5 和 L6) 或喹啉基 (L3) 哌嗪 Cu(II) 配合物的合成和表征方法，并针对 Cu(II) 配合物在 DNA 裂解和细胞毒性方面的生物活性进行了研究，结果表明：DNA 的裂解机制主要取决于配体的骨架；配合物 1-ClO₄、3-ClO₄ 和 5-Cl 对 A2780 细胞具有细胞毒性 (IC50 30~40 μM)，尽管配合物 3-ClO₄ 在成纤维细胞中具有更高的 IC50 值，但不存在毒性作用。本研究结果促进了 P–O 键人工核酸裂解酶的进展。

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原文出自 Inorganics 期刊

Doniz Kettenmann, S.; Nossol, Y.; Louka, F.R.; Legrande, J.R.; Marine, E.; Fischer, R.C.; Mautner, F.A.; Hergl, V.; Kulak, N.; Massoud, S.S. Copper(II) Complexes with Tetradentate Piperazine-Based Ligands: DNA Cleavage and Cytotoxicity. Inorganics 2021, 9, 12.

   Inorganics 期刊介绍

主编：

Duncan H. Gregory, University of Glasgow, UK

期刊范围涵盖固体无机化学、配位化学、生物无机化学、有机金属化学、无机材料化学、理论无机化学、超分子化学和应用无机化学等，着重报道新的和已知无机化合物的合成、热力学、动力学性质、谱学、结构和成键等性能。

2021 Impact Factor	3.149
2021 CiteScore	5.1
Time to First Decision	12.8 Days
Time to Publication	36.5 Days

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赖寿强 博士研究生

厦门大学

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