从抗氧化剂到细胞凋亡：链长度如何调控酞菁的生物功能性

《Polyhedron》：From antioxidants to apoptosis: How chain length governs phthalocyanine biofunctionality

**摘要**
在本研究中，合成了具有不同链长的四取代锌和铟酞花青素。所有化合物均通过FT-IR、1H NMR、MALDI-TOF和UV–Vis光谱进行了表征。利用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯四唑（MTT）试验研究了这些化合物在结肠癌细胞系（DLD-1和HT29细胞）中的抗肿瘤/细胞毒性作用，并比较了链长和中心金属原子对酞花青素细胞毒性效应的影响。同时测定了酞花青素衍生物的荧光量子产率和寿命，以及季铵化酞花青素衍生物的单线态氧量子产率。通过2,2-二苯基-1-吡啶基肼（DPPH）试验评估了这些衍生物的抗氧化活性。结果表明，酞花青素衍生物的DPPH自由基清除活性（4.0–53.8%）低于BHT（88.0%），表明其自由基清除能力较弱且具有化合物依赖性。进一步使用MTT和Annexin V试验评估了这些化合物对人类结肠癌细胞系（DLD-1和HT29）的细胞毒性和凋亡作用。结果显示，这些化合物对DLD-1和HT29细胞系具有抗增殖和诱导凋亡的作用。总体而言，这些衍生物展现出不同的光物理性质、自由基清除能力以及依赖于细胞系的细胞毒性和凋亡作用。然而，需要进一步的机制研究来确定这些性质是否存在功能关联。

**引言**
酞花青素（Pcs）是四吡咯家族的重要成员[1]。其大环结构由四个亚氨基异吲哚单元组成，包含一个18π电子 conjugated体系。酞花青素环的中心空腔可以容纳多种不同的金属离子，从而通过金属配位调整其物理化学和生物性质[2]。尽管与卟啉在结构上相似，但酞花青素是合成化合物，自然界中并不存在，而卟啉的衍生物如叶绿素和血红蛋白则具有生物活性。最初作为染料和颜料开发，由于其独特的光学、电子、化学和生物特性，酞花青素引起了越来越多的科学兴趣[3]–[6]。然而，未取代衍生物的溶溶性较差，这限制了其许多实际应用。通过在分子框架上引入合适的取代基，可以改善其溶溶性并减少芳香环间的聚集，从而有效调整其性质以适应不同应用需求。
含金属的配位体系在许多生物过程中起着关键作用：血红蛋白参与氧气运输和储存，肌红蛋白参与氧气储存，而叶绿素在光合作用中起核心作用。酞花青素与这些天然存在的系统的结构相似性，加上其能够配位多种金属离子的特性，使其在生物活性方面受到广泛关注[7]–[10]。中心金属和外围取代基的变化会显著影响其与生物系统的相互作用，因此结构修饰对于设计具有生物活性的衍生物至关重要。

**癌症**
癌症是一种复杂的疾病，由遗传和环境因素相互作用引起的细胞不受控制地增殖所致[11]。它是全球范围内导致死亡的主要疾病之一，其中胰腺癌、结肠癌、乳腺癌、胃癌、肺癌和前列腺癌最为常见[12]。结肠癌特别重要，因为其发展受到遗传易感性和环境因素的双重影响。不良生活习惯（如不健康的饮食、水果和蔬菜摄入不足、吸烟、饮酒和缺乏运动）会进一步增加患病风险[13]。尽管化疗和放疗被广泛用于结肠癌的治疗，但它们对健康组织的毒性和药物耐药性的出现限制了其效果。因此，亟需具有替代作用机制和更好生物特性的新型治疗手段[14]、[15]。
含金属的化合物因可调节配位环境、几何结构、氧化还原性质及动力学和热力学特性而受到广泛关注。顺铂抗癌活性的发现展示了金属配合物作为治疗剂的潜力，开辟了药物化学的一个重要研究领域。尽管顺铂在临床取得成功，但它仍存在局限性，包括对某些类型癌症的有效性较低、容易产生耐药性以及严重的副作用（如神经毒性、脱发和恶心）[16]、[17]。因此，人们致力于寻找新的含金属结构，以克服传统药物的局限性并提供有效的抗癌效果。

**氧化应激**
氧化应激是与细胞损伤和疾病发展相关的另一个重要因素。活性氧（ROS）既可来源于细胞内的正常氧化过程，也可来自外部因素（如空气污染、化学物质暴露和医疗辐射）[18]。当其生成量超过抗氧化防御系统的能力时，这些高活性物质会损害细胞成分。抗氧化剂通过中和活性氧发挥防护作用，主要分为酶促和非酶促两类。过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶是重要的酶促抗氧化剂，而非酶促抗氧化剂包括天然存在的分子（如维生素E、维生素C、褪黑素和多酚）[19]。合成抗氧化剂（如BHT、BHA、TBHQ和PG）也广泛应用于食品工业，以延缓氧化变质并提高储存稳定性[20]。

**新型抗氧化剂的研究**
对新型合成抗氧化剂的探索引发了对结构多样化合物的兴趣，包括酞花青素衍生物。多项研究证实了它们的抗氧化能力[21]–[25]。除了抗氧化作用外，这些大环结构的多样性允许通过改变外围取代基和配位金属离子来调节其生物活性，这对抗癌研究尤为关键，因为氧化平衡和与细胞靶标的相互作用会影响癌细胞的反应。

**纳米材料与药物递送**
纳米材料和功能性无机材料的进步为癌症治疗和药物递送开辟了新的途径。碳基纳米材料及相关功能性材料因其能增强治疗剂的递送效果和生物性能、影响肿瘤微环境而受到关注[26]–[28]。这些发展强调了在设计抗癌系统时控制分子结构、表面功能和物理化学特性的重要性。其中，金属酞花青素特别具有吸引力，因为中心金属离子和外围取代基均可系统性地进行修饰。这些修饰可影响溶解性、聚集行为、电子结构、细胞相互作用以及最终生物活性，特别是在暗条件下。含有氨基烷基的功能化金属酞花青素已被广泛研究，因为引入这些基团可以提高其溶溶性并为进一步修饰提供便利。例如，Gürsoy等人报道了带有二甲基氨基乙硫基的Zn(II)和Co(II)酞花青素及其水溶性季铵化衍生物[29]；Arslano?lu和Hamuryudan报道了含有二甲基氨基乙硫基的四取代钛酞花青素及其季铵化类似物[30]；B?y?kl?o?lu等人还报道了带有2-[2-(二甲基氨基)乙氧基]乙氧基取代基的锌酞花青素及其季铵化衍生物[31]。

**实验方法**
在本研究中，设计了在同一侧链中结合硫醚和醚官能团的外围取代基（S(CH?)nOCH?CH?N(CH?)?），研究了两种不同的间隔段长度（n=2和6），并制备了Zn(II)和In(III)Cl酞花青素及其相应的季铵化衍生物。虽然之前已有关于氨基修饰和季铵化酞花青素的报道，但本工作系统地比较了间隔段长度、中心金属和季铵化作用的影响。这种结构方法还允许研究这些修饰与所得酞花青素物理化学和生物性质之间的关系。通过 established 测定方法评估了它们的抗氧化活性，并通过MTT试验评估了细胞毒性。还测定了荧光量子产率，以研究烷基链长对衍生物荧光性质的影响。所有生物实验均在暗条件下进行，以评估合成结构的直接、光独立的细胞毒性。进一步通过Annexin V试验评估了它们对人类结肠癌细胞DLD-1和HT29细胞活力的影响及凋亡作用。结果表明，这些衍生物对两种结肠癌细胞系具有抗增殖和诱导凋亡作用。此外，还比较了烷基链长和中心金属离子对抗氧化和细胞毒性效应的影响。总之，这些发现揭示了分子结构与生物活性之间的关系，表明这些酞花青素衍生物是抗癌研究的潜在候选对象。

**参考文献**
[省略具体参考文献]

**致谢**
本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）的资助（项目编号123Z124）。作者感谢TUBITAK的支持。Hacer Yasemin Yenilmez感谢伊斯坦布尔技术大学研究基金（项目编号：TAB-2024-46360）的资助。