新型哌嗪-四唑杂合体抗肝癌HepG2与乳腺癌MCF-7细胞系的分子机制及生物活性研究

本研究针对癌症治疗中多药耐药性挑战，设计合成新型哌嗪-四唑杂合体TBNP，通过分子对接(MD)、分子动力学模拟(MDS)、密度泛函理论(DFT)及体外实验证实其对HepG2(IC50=29.4 μM)和MCF-7(IC50=46.51 μM)的显著抑制活性，发现其与靶蛋白2P33/1ZUA的高亲和力，为开发低毒高效抗癌药物提供新思路。

　　

癌症作为全球第二大死因，其治疗面临多药耐药性和药物毒性的双重挑战。世界卫生组织数据显示，2020年癌症导致1000万人死亡，预计2040年新增病例将达3020万例。传统化疗药物因缺乏靶向性常伴随严重副作用，而氮杂环化合物因其结构多样性成为抗癌药物研发的热点。其中，哌嗪和四唑类化合物因其独特的生物活性备受关注，但两者杂合体的抗癌机制尚未明晰。

为突破这一瓶颈，来自政府工程学院（萨勒姆）的研究团队设计合成新型化合物1-(4-(1H-tetrazol-5-yl)benzyl)-4-(4-nitrophenyl)piperazine（TBNP），通过多学科技术验证其抗肝癌和乳腺癌潜力，成果发表于《Journal of Molecular Structure》。研究采用核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和质谱（MS）进行结构确证，通过MTT法测定细胞毒性，运用AutoDock Vina和GROMACS 2020进行分子对接与100ns分子动力学模拟，结合pkCSM/SwissADME/ProTox II进行ADMET预测，并采用Gaussian 16完成密度泛函理论（DFT）计算。

关键研究结果

1. 化合物合成与表征：通过两步法合成TBNP，LC-MS证实纯度>95%，¹H-NMR显示特征峰δ 3.55（哌嗪-CH₂）和δ 8.15（硝基苯环）。
2. 体外活性：对HepG2和MCF-7的IC₅₀分别为29.4 μM和46.51 μM，显著优于对照药物5-氟尿嘧啶。
3. 分子对接：从28个PDB蛋白中筛选出肝细胞癌靶点2P33（ΔG=-9.8 kcal/mol）和乳腺癌靶点1ZUA（ΔG=-8.6 kcal/mol），结合模式显示硝基与ARG193形成氢键。
4. 动力学模拟：100ns轨迹分析表明2P33-TBNP复合物RMSD<0.2 nm，结合能-142.24 kJ/mol，稳定性优于1ZUA体系。
5. 电子特性：DFT计算显示HOMO-LUMO能隙0.14224 au（3.87 eV），预示良好电荷转移能力。

结论与意义
该研究首次阐明哌嗪-四唑杂合体通过双重作用机制抑制癌症细胞：一方面通过硝基-精氨酸氢键阻断蛋白活性位点，另一方面借助低能隙促进电子转移诱导细胞凋亡。ADMET预测显示TBNP符合Lipinski五规则（logP=2.1），且无心脏毒性风险（ProTox II评分0.3）。这项工作不仅为开发靶向抗癌药物提供先导化合物，更建立了从合成化学到计算生物学的多尺度研究范式，对推动个性化癌症治疗具有重要价值。未来研究可进一步优化苯环取代基以提高对EGFR通路的特异性。