一种具有抑制硝基自由基阴离子生成能力的CuII-异烟肼复合物实现氧化还原调控与生物分子靶向

《Inorganic Chemistry Communications》：Redox modulation and biomolecular targeting by a CuII-Secnidazole complex having suppressed nitro radical anion generation

　　

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  Secnidazole 的 Cu^II 单体配合物 [Cu(Secnz)₂Cl₂] 产生较少的硝基自由基阴离子。
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  硝基自由基阴离子是细胞毒性所必需的，但与神经毒性副作用有关。
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  生成的还原自由基/分子物种被允许与核酸碱基和 DNA 相互作用。
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  金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌被用作抑制生物膜形成的靶标。
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  Secnidazole 的 Cu^II 配合物在预防生物膜形成方面显示出更高的效力，可与阿莫西林相媲美。

引言

5-硝基咪唑类药物在对抗致病微生物方面具有已确立的疗效 [1], [2], [3], [4]。它们在缺氧细胞中被还原激活，随后 undergo 氧化还原循环以分解并形成具有细胞毒性的产物 [1], [2], [3], [4]。随着越来越多的属于该家族的化合物被使用，人们开始意识到其不良反应。神经毒性副作用和耐药性是其应用中面临的两大主要挑战 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。甲硝唑、替硝唑、奥硝唑和塞克硝唑是成功进入临床的重要成员，被用于多种药物制剂中 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。

现已确立，许多致病细菌并非仅仅以浮游形式存在，而是倾向于统一形成生物膜——一种嵌入自产胞外多糖基质（EPM）中的微生物细胞结构化群落 [9]。这一策略使细菌集落获得显著的生存优势，包括增强对抗生素的抵抗力和干扰宿主免疫反应，使得感染难以治疗。临床上，生物膜相关感染涉及从呼吸道到泌尿道再到伤口感染的广泛疾病，对各种治疗失败有显著贡献 [10]。抗菌剂不仅杀死致病细菌，还能破坏或预防生物膜形成的能力，是有效对抗持续感染的关键参数。

5-硝基咪唑类药物的疗效归因于硝基自由基阴离子（R-NO₂^•–）的生成 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [11], [12], [13]。由寄生虫引起的感染在此类分子首先被丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR）作为电子汇还原时被处理 [8], [11], [12], [13]。硝基的还原为它们通过被动扩散进入细胞做准备，形成有利的浓度梯度 [8], [11], [12], [13]。进入靶细胞后，其抗菌毒性取决于 R-NO₂^•– 和其他反应性物种（亚硝基、羟胺等）的形成。作为辐射增敏剂，它们与 DNA 在与其与水辐射裂解产物相互作用后形成的自由基发生相互作用，形成 R-NO₂^•–，据报道可增强链解旋和/或链断裂 [5], [6], [8], [14]。

由于 R-NO₂^•– 与神经毒性副作用有关，特别是在长期使用时，这对于此类药物是一个令人担忧的问题 [8], [11], [12], [13], [14]。因此，在神经毒性或其他已确立副作用的情境下，它们阻碍了使用，促使人们控制 R-NO₂^•– 的生成 [8], [11], [13], [14], [15]。因此，生成正确量的 R-NO₂^•– 和/或通过在需要部位进行缓慢化学释放使其可用，是一个新兴的研究方面 [12], [16], [17]。本研究试图通过形成该家族重要成员 Secnidazole 与 Cu^II 的配位化合物来展示 R-NO₂^•– 的调控 [11], [13], [18]。其想法是观察配位化合物是否产生细胞毒性所需的正确量，而不留有可能触发神经毒性副作用的过量物质。选择 Cu^II 是因为它具有稳定的较低氧化态，且已在调控分子各部分的电子流动中可能发挥关键作用方面得到确立 [19], [20]。不同 Cu^II 配位化合物的生物学作用已被研究 [21], [22], [23], [24], [25]。尽管学术发现总体上令人鼓舞，但事实上没有一种配合物真正符合高级人类临床试验的资格。原因各不相同 [21], [22], [23]。Cu^II 配位化合物从体外研究到临床前研究的低成功率，尽管令人担忧，但仍促使人们继续寻找能够成功将实验室发现推进到临床试验的化合物 [22], [23], [24]。Cu^II 配合物在人类临床试验中无效的主要原因归因于其在生物液体中的浸出和形态变化。对我们制备的配合物进行的生物物理和电化学研究表明，与许多极其有效的 Cu^II 配合物类似，我们的配合物在生物液体中也是稳定的，显示出电子调节能力，要么在 Cu^I 和 Cu^II 氧化态之间穿梭，要么从金属中心到配体位点，在实验进行的时间尺度内不会发生浸出或形态变化 [21], [22], [23], [24], [25]。因此，该研究再次强化了 Cu^II 配合物的治疗能力，为开发稳定的基于铜的硝基咪唑药物提供了受生物启发的途径，但它是否具有临床相关性则是另一个问题。

部分摘要

材料与方法

Secnidazole [纯度（HPLC）：>98.0%] 购自日本 TCI。氯化铜(II) 购自印度 E. Merck。从牛奶中分离的黄嘌呤氧化酶（XOD）购自 Sigma Aldrich，以硫酸铵溶液悬浮液形式获得。次黄嘌呤和小牛胸腺 DNA 购自印度 Sisco Research Laboratories。磷酸盐缓冲液（pH ~ 7.4）使用 NaH₂PO₄ 和 Na₂HPO₄（Merck, 印度）配制。NaCl（AR, Merck, 德国）用于维持生理条件。KCl（AR,

来自单晶 X 射线衍射数据的晶体结构

该化合物结晶于三斜晶系，空间群为 P-1。其不对称单元包含半个结晶学独立的 Cu²⁺ 离子、一个 Secnz 和一个氯离子。分子结构（先前已确定）[54] 如图 S1a、SI 所示。Cu²⁺ 处于平面正方形构型，与两个 Secnz 的两个咪唑氮原子和两个氯阴离子配位。CuN 键的平均距离为 2 ?，而 CuCl 键的平均距离为 2.26 ?。N/Cl–Cu–N/Cl 键角为

结论

Secnidazole 的 Cu^II 配合物，尽管酶测定法显示硝基自由基阴离子生成减少，但对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌表现出抗菌效力和强效的生物膜抑制特性。该配合物在生长抑制、膜破坏以及生物膜基质成分减弱（包括胞外多糖）方面优于母体化合物。研究表明存在浓度依赖性抑制

CRediT 作者贡献声明

Rakhi Das：数据整理、形式化分析、验证、可视化。Tusar Kanti Mandal：数据整理、形式化分析、调查研究、方法论、可视化。Rupsa Bhattacharya：数据整理、形式化分析、调查研究、可视化、撰写—原稿。Arnab Sarkar：形式化分析、可视化。Dibyajit Lahiri：形式化分析、调查研究、方法论、验证、可视化、撰写—原稿。Moupriya Nag：概念化、数据整理、形式化分析，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

SD 感谢印度政府通过 Jadavpur 大学运营的"RUSA 2.0"项目，他通过该项目获得了重点方向"可持续发展研究"中的"研究支持教职员工"（批准号 R-11/438/19，日期 2019 年 5 月 30 日）。Moupriya Nag 博士和 Dibyajit Lahiri 博士实验室的工作得到了大学工程与管理学院（加尔各答）资金的资助。

SD 感谢 Partha Mahata 博士在从单晶解决配合物结构方面提供的帮助。

Rakhi Das|Tusar Kanti Mandal|Rupsa Bhattacharya|Arnab Sarkar|Dibyajit Lahiri|Moupriya Nag|Saurabh Das