SERS（表面增强拉曼散射）技术用于检测吸附在金（Au）3簇上的生物分子帕博西克利布（Palbociclib，简称PCB）：采用密度泛函理论（DFT）进行计算，研究其反应性，并通过分子对接（docking）和分子动力学（MD）模拟进一步分析其相互作用机制

《Nano-Structures & Nano-Objects》：SERS sensing of the biomolecule of Palbociclib (PCB) adsorbed on Au 3 cluster: DFT, reactivity, docking and MD simulations

Palbociclib与金三原子簇的相互作用机制及其在SERS检测和药物递送中的应用研究

　　

Jamelah S. Al-Otaibi | Y. Sheena Mary | A. Saral | M. Cristina Gamberini

沙特阿拉伯利雅得11671，Princess Nourah Bint Abdulrahman大学科学学院化学系，邮政信箱84428

摘要

了解抗癌药物与金属纳米团簇的相互作用对于开发下一代传感和递送平台至关重要。在本研究中，我们使用集成计算框架研究了Palbociclib（PCB）在金三原子团簇（Au₃）上的吸附行为、光谱响应、反应性和生物结合特性。密度泛函理论（DFT）计算显示，PCB在Au₃上具有强且选择性的吸附作用，伴随着明显的电荷转移以及分子电子结构的显著改变，包括HOMO-LUMO能隙的减小、极化率的增强和非线性光学（NLO）特性的改善。振动分析和SERS分析显示特征性的红移和强度增强，证实了通过关键的氮和氧官能团实现了稳定的配位。溶剂相计算进一步表明，PCB-Au₃复合物在水介质中获得了显著的稳定性，增强了其在生物环境中的潜力。分子对接和5GS4蛋白的100 ns分子动力学模拟表明，游离PCB和PCB-Au₃均形成了热力学上有利且动态稳定的复合物，其中PCB-Au₃通过疏水性、氢键作用和Au诱导的电子效应表现出更丰富的相互作用。MM-GBSA分析支持了这些发现，揭示了两种配体的竞争性结合能。总体而言，这些结果突显了Au₃纳米团簇作为基于SERS的PCB检测和可控递送的纳米级支架的潜力，为癌症诊断和治疗应用提供了宝贵的见解。

引言

由于有机金属化合物的非线性光学（NLO）特性，它们引起了广泛关注，并可用于多种领域，包括医学和光子学设备[1]。由于成本较低且化学转化更为简单，这些材料可以作为典型无机NLO化合物的替代品[2]。如今，制造旨在提高表面积与体积比的金属纳米颗粒变得越来越流行。因此，它们作为分析仪器具有重要意义[3]、[4]。对于生化、制药、环境和食品分析，SERS光谱学是传统分析方法的一种非常有前景的替代方案。基于硬币状纳米颗粒的SERS已被证明是检测污染物的有效技术[5]。药物与金和银之间的相互作用已成为多项研究的主题[6]。在医学领域，银纳米颗粒长期以来被用于抗菌、化妆品、食品防腐以及一些环境应用[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。Wen等人研究了使用SERS分析羧酸[17]、[18]。 硬币状金属具有独特的特性，使其在多种应用中非常受欢迎[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。这些材料的不寻常电拓扑结构使其在技术上特别引人注目[25]、[26]、[27]。二氢嘧啶类药物因其治疗潜力而被研究[28]、[29]。口服给药途径被认为是目前最可行的选择，因为它经济实惠、安全且患者依从性好。活性成分的溶解度是影响其口服生物利用度的最重要因素[30]。使用合适的载体与药物形成包合物是提高药物溶解度的实用策略[31]。一种名为palbociclib的周期素依赖性激酶抑制剂已获得美国FDA的批准，用于治疗乳腺癌[32]。通过阻止癌细胞增殖的异常蛋白质发挥作用，PCB有助于预防或减缓癌细胞的扩散[33]。鉴于乳腺癌通常是女性中最常见的癌症，也是全球第二大常见疾病，研究PCB与金属团簇的分子结合相互作用对于理解其作用机制和药理效应至关重要[34]。吡唑和螺吡唑啉衍生物被选为模板化合物，因为它们是公认的生物活性支架，广泛报道具有抗癌和激酶抑制活性，包括与CDK靶点相关的活性。它们的杂环结构提供了强结合力、结构多样性、良好的药物相似性和出色的合成可调性，使其非常适合用于分子对接和合理药物设计。近期文献支持它们作为抗癌研究中有前景的先导结构[35]、[36]。Khaldan等人报告了一种基于生物活性衍生物设计高效葡萄糖苷酶抑制剂的集成计算机辅助方法[37]。最近有一项结合反向对接、分子动力学模拟和DFT研究的综合研究，探讨了三唑衍生物和三取代噻唑作为有效抗真菌抑制剂的作用[38]、[39]、[40]。开发更多水溶性固体制剂可以改善药物的口服吸收。鉴于这些考虑，我们研究了抗癌药物PCB中的金属团簇之间的相互作用。 DFT技术可以高精度且低成本地计算分子的化学性质[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。近年来，关于金属团簇和治疗化合物的研究大量发表[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]。在本工作中，使用量子计算技术研究了吸附在Au₃团簇上的PCB的各种特性。DFT技术被应用于研究PCB与Au之间的相互作用机制。

计算方法

计算方法

使用Gaussian16在B3LYP/SDD水平上分析了PCB与不同配置的金属团簇的分子结构、光学特性和相互作用[56]。为了实现最佳相互作用，将PCB分子放置在最活跃的位点附近（PCB1、PCB2、PCB3分别位于哌嗪环的N6原子、N7和N8原子附近，C22=O2和C16=O1附近），保持它们之间3 ?的间距。

吸附特性

大多数情况下，结构特性控制着PCB与金属团簇之间的相互作用。优化的PCB、Au₃和PCB-Au₃的结构分别显示在图1、S1和图2中。

为了最大化相互作用并找到与金属团簇的结合位点，首先将PCB放置在金属团簇附近，距离小于3 ?。这是基于PCB的分子能量图（MEP）中观察到的最活跃区域（图1c）。PCB在吸附过程中的键长（?）变化为：C24-N5（从1.4844变为

结论

本研究全面评估了Palbociclib在金纳米团簇上的吸附情况及其对传感、电子调制和生物识别的影响。我们的DFT分析表明，Au₃的吸附会导致PCB内部的电荷重新分布，降低其能隙，同时增强极化率和非线性光学响应特性，这些特性对于基于光学和SERS的传感器技术非常有利。光谱模拟证实了这种强

CRediT作者贡献声明

Y. Sheena Mary：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、数据分析。 Jamelah S. Al-Otaibi：撰写——原始草稿、软件开发、数据分析。 Maria Cristina Gamberini：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、软件开发、数据分析。 A. Saral：撰写——原始草稿、软件开发、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

Princess Nourah Bint Abdulrahman大学支持项目编号（PNURSP2025R13），沙特阿拉伯利雅得11671，Princess Nourah Bint Abdulrahman大学