N-雜環卡賓金屬配合物抗腫瘤和抗菌活性的研究進展

盧倩倩 劉 英 嚴 密 劉彬彬 蔡 軼 王 君 鄒黎黎

1.三峽大學腫瘤微環境與免疫治療湖北省重點實驗室，湖北宜昌 443000；2.三峽大學感染與炎癥損傷研究所，湖北宜昌 443000；3.三峽大學第一人民醫院科技科，湖北宜昌 443000

近年來，設計和合成具有藥理作用的金屬配合物，是無機生物化學家在現代藥物發展和開發領域的主要目標。N-雜環卡賓（N-heterocycliccarbenes，NHC）是一種中性雙電子供體，通常是指從偶氮鹽脫質子化得到的環碳烯，能夠與硬質和軟質金屬結合（圖1）。Wanzlick 等[1-3]合成了第一個NHC 過渡金屬鉻汞配合物。隨后，大量的NHC-金屬配合物（N-heterocyclic carbene metal complexes）被合成，且在高分子導電材料、發光材料及生物醫藥應用領域發揮著重要作用。尤其在生物醫藥應用領域，NHC-金屬配合物展現出良好的抗腫瘤和抗微生物活性。其中包括NHC-金（Au）[4-6]、NHC-銀（Ag）[7-9]、NHC-鈀（Pd）[10-12]、NHC-鉑（Pt）[13-14]、NHC-釕（Ru）[15-16]等。據此，本文就NHCs等金屬配合物的在抗惡性腫瘤增殖和抗微生物活性兩個方面進行綜述。

圖1 N-雜環卡賓化學結構示意圖

1 抗腫瘤活性

目前，臨床抗腫瘤化療藥物所使用的細胞毒性藥物是直接作用于DNA 或作用于有絲分裂干擾蛋白質合成，通常具有較強的腫瘤細胞殺傷力。然而，此類金屬化合物穩定性較低，選擇性差，導致其在向腫瘤組織傳遞過程中失活，產生毒副作用。為了克服這些缺點，許多化學家致力于提高金屬化合物的穩定性，而提高穩定性最有效的策略即加入強供體配體[17]。

NHC 碳烯中心兩個相鄰的氮原子能夠維持化合物的穩定性且與金屬結合時其形成的C-M 鍵強于P-M 鍵；其次，NHC 配體是零電荷且不會干擾金屬離子的陽離子電荷。此外，NHC-金屬配合物可作為獨特的結構支架來靶向與癌癥相關的特定生物分子[18-19]，也預示著NHC-金屬配合物在抗腫瘤領域的巨大開發價值。

1.1 NHC-Au 抗腫瘤活性

在過去的十年間，以NHC-Au 為首的陽離子卡賓金配合物在醫學治療研究方面展現出良好的應用前景[6]。Hickey 等[20]曾首次報道了NHC-Au 具有抗腫瘤活性。鑒于NHC-Au 類化合物制備簡便且具有高活性和高穩定性，越來越多的NHC-Au 被不斷合成。為了進一步深入研究，Liu 等[21]發現化合物NHC-Au（Ⅰ）（5 d）不僅比順鉑活躍，且以細胞中的硫氧還蛋白還原酶（thioredoxin reductase，TrxR）為主要靶點，而硫氧還蛋白還原酶在癌細胞增殖、轉移及腫瘤血管生成中有著非常重要的作用。此外，Fung 等[22]也發現Au-NHC5a 對TrxR 也有體外抑制作用，且對細胞攝取與死亡及DNA 的相互作用均有一定程度的影響[22]。鑒于NHC-Au 化合物在腫瘤細胞殺傷方面起到的重要作用，Esther 等[23]以NHC-Au-L 為配體，合成的5a 化合物仍以TrxR 為靶點，通過增強硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）1 和Trx2 的氧化，介導腫瘤細胞死亡。從以上研究結果可知，TrxR 在多種癌細胞中表達量顯著升高，而這些化合物的主要作用機制即通過調控Trx 系統，抑制其活性，導致癌細胞內活性氧大量聚集，從而誘發癌細胞氧化應激，以此來介導腫瘤細胞的死亡。由此可見，TrxR 是NHC-Au 抗腫瘤作用機制的主要靶標，甚至可成為早期腫瘤篩查與診斷的主要指標。

1.2 NHC-Ag 抗腫瘤活性

大多數銀化合物中的Ag+釋放速度快，穩定性較差，且長期使用極易產生耐藥性。而NHC-Ag 則可形成穩定的C-Ag 鍵，從而克服了原來的缺陷，達到了緩釋Ag+的目的。銀配合物在氮原子的側鏈上結合取代基不僅能提高配合物的穩定性，其脂溶性的提高使其更容易被癌細胞攝取。鑒于此，Eloy 等[24]研究了配合物silver（Ⅰ）-NHCs 抗腫瘤活性5 作用于腫瘤細胞的具體機制，5 可誘導腫瘤細胞凋亡，通過凋亡誘導因子AIF 和caspase-12 分別從線粒體和內質網轉入細胞核，導致DNA 碎裂而引起細胞死亡。此外，在另外兩種新合成的銀配合物中，發現也是通過影響線粒體的完整性，誘導caspase 和活性氧的早期凋亡來介導腫瘤細胞死亡；且此兩種配合物比順鉑對多種癌細胞系表現出更強大的抗腫瘤活性，包括對順鉑耐藥細胞系[25]。由此可見，與NHC-Au 不同的是NHC-Ag 主要以線粒體為靶點，通過誘導線粒體膜電位去極化并改變線粒體的完整性導致癌細胞的死亡。這些結果可能為更好地研究金屬中心對抗腫瘤細胞的潛能及作用機制開辟了一條路徑。

1.3 NHC-Pt 抗腫瘤活性

自1978 年發現順鉑287 在膀胱和睪丸腫瘤的治療中有效愈合率達到90%后，順鉑就成為癌癥治療化療中的主要藥物[26]。順鉑抗癌的主要機制即與DNA結合，阻止DNA 復制進而抑制腫瘤細胞生長。但在臨床使用中所產生的毒副作用、耐藥性等問題在一定程度上限制了其臨床應用。尋找高效、無毒能夠替代鉑類藥物的新型金屬抗癌藥物成為關鍵。Sébastien 等[27]首次報道了NHC-Pt 的抗癌機制是與DNA 鏈之間的相互作用。為了提高NHC-Pt 類化合物的穩定性和降低毒副作用，直接氧化相應的NHC-Pt 配合物，并成功合成了穩定性更高的NHC-Pt 1b/6a，與傳統順鉑類藥物作用機制一樣均是阻止DNA 復制[13]。為研究NHC-Pt 在體內是否也有良好的抗癌活性，Chekkat等[28]將合成的NHC-Pt 2a、2c 作用于體內小鼠模型中，發現也可誘導癌細胞死亡，并且主要以核和線粒體為靶點。由此可見，NHC-Pt 除了以DNA 為靶標通過影響DNA 加合物形成之外，還可能涉及線粒體的死亡來共同介導腫瘤細胞死亡。到目前為止，NHC-Pt 的出現極大程度推進了金屬鉑類化合物的發展。

1.4 NHC-Pd 抗腫瘤活性

鉑和鈀化合物的配位化學性質相似性促進了鈀化合物作為抗癌藥物的研究[29]。Tommy 等[30]合成的NHC-Pd 1d 效果最為顯著，對多種癌細胞系均有良好抗腫瘤效果，且化合物1 d 在裸鼠成瘤模型中能明顯抑制腫瘤生長，且其作用機制是誘導線粒體功能障礙和內皮細胞抗血管生成活性。隨后，新配位雙配體雙核NHC-Pd 絡合物的出現進一步推動了鈀化合物抗腫瘤活性的研究。這些化合物對不同的癌細胞系和卵巢癌腫瘤顯示出高選擇性的抗增殖活性，通過破壞線粒體釋放細胞色素C 及線粒體膜的持續去極化來介導腫瘤細胞死亡[31]。可見，NHC-Pd 抗癌作用機制也是通過靶向腫瘤細胞線粒體介導細胞死亡，且NHC-Pd體內抗癌的研究結果也充分證明了鈀類化合物的潛在抗癌活性。

2 抗微生物活性

耐藥細菌的不斷增長給人類健康帶來了巨大的挑戰，迫切需要新的抗菌化合物來對抗日益增長的抗生素耐藥性威脅。金屬離子被結合到有機配體中獲得的金屬配合物可作為新型的抗生素，通常被稱為金屬抗生素。金屬基藥物可作為載體，在達到靶細胞后通過適當的觸發（如pH 值變化）原位釋放藥物[32-33]。幾種過渡金屬如Ag、Au 等已被用于合成新型取代NHC配體金屬配合物。

2.1 NHC-Au 抗生物活性

NHC-Au 不僅在抗惡性腫瘤增殖方面有良好的活性，在治療微生物感染方面也表現出良好的抑菌作用。Alba 等[34]將NHC-Au 和激素衍生物結合在一起的復合物顯示出有趣的體外抗菌特性，Steroid-Au（Ⅰ）-NHC 1 對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌均有良好抗菌活性，這一發現可能代表了金屬雌激素作為有效抗菌劑的重要新發展。為了提高此類化合物在組織和細胞中的活性，更好地發揮殺菌作用，Gabriela 等[35]將磺酸基作為Gold-NHC 的配體，磺酸基的親水性能大大提高了NHC-Au 在體內外的殺菌效率。NHC-Au 通過結合不同的配體來賦予化合物不同的性質，從而發揮不同的生物功能，來對微生物感染進行多靶點治療。

2.2 NHC-Ag 抗生物活性

Ag 化合物在醫學上的應用已經有100 多年的歷史[36]，在發現NHC 后不久，其不斷被合成用于抗菌，且NHC-Ag 可作為有效廣譜抗菌劑。Despoina 等[37]與Sainath 等[38]均對Ag-NHC 配合物進行了研究，發現化合物有良好的抗菌活性，通過破壞細菌細胞壁而導致細菌死亡。為了深入研究NHC-Ag 破壁后對細菌氧化微環境的影響，Matthias 等[39]合成了抗菌藥物SBC3，發現SBC3 可靶向抑制巰基氧化還原系統。隨后，又對革蘭氏陽性菌與真菌進行測定，發現當SBC3 用量25 μg/ml 時，對金黃色葡萄球菌的抑制率為71.2%，對假絲酵母菌的抑制率為86.2%[40]。總的來說，NHC-Ag在抗菌方面的活性在過去的幾年里得到了充分的證明，但其毒性也不可忽視，因此尋求能夠降低NHCAg 毒性的方法仍是一個難題。

3 小結與展望

癌癥和微生物感染一直對全球人類健康構成嚴重威脅。抗癌和抗菌藥物使用不斷增加導致了多種藥物耐藥，尋找新化合物治療成為這一領域的主流。金屬配合物作為抗菌劑和抗癌劑的研究引起了化學家和醫學界的廣泛關注，用于治療微生物感染和癌癥的新化合物數量也大幅增加，包括NHC-金屬配合物在內的金屬化合物對多種細菌和癌細胞系均表現出良好的活性也表明NHC-金屬配合物具有作為抗菌和抗癌候選藥物的潛力。研究人員開發了多種方便的途徑制備主要基團和過渡金屬的NHC-金屬復合物，通過分子側鏈結合靶向部分也可為特定組織開發新的藥物。此外，NHC-金屬復合物除了金屬中心的性質及其反應性特征外，整體的化學結構也會影響每一種NHC 的生物行為，如一些更容易穿透線粒體膜或細胞膜。但仍需要對NHC-金屬復合物的分子靶點和作用機制進行確定，體內抗腫瘤和抗菌活性及毒性進行研究。綜上所述，這些結果可以指導今后改進金屬基藥物的發展，特別是用于治療人類健康包括細菌感染和癌癥疾病的Ag 和Au 復合物。