双核[Cu(2,2'-联吡啶bipyridine)(NO3)(OH)]2配合物：结构表征、密度泛函理论(DFT)计算、分子对接及抗乳腺腺癌细胞毒性研究

《Materials Chemistry and Physics》：Binuclear [Cu(bipyridine)(NO3)(OH)]2 complex: structural characterization, DFT calculations, molecular docking, and cytotoxicity against breast adenocarcinoma cells

　　

含芳香族N-杂环配体的铜(II)配合物因可与DNA相互作用并抑制肿瘤细胞增殖，作为潜在抗癌剂受到广泛关注。尽管双核[Cu(Bipyridine)(NO3)(OH)]2配合物的结构表征在近三十年前已有报道，但其理化与生物学特征仍基本未被探究。本研究对该配合物进行了涵盖实验与计算的全面表征。配合物采用慢溶剂蒸发法合成，经粉末X射线衍射(PXRD)结合Rietveld精修确认为三斜晶系（空间群 Pī，Z = 1），晶格参数与文献值吻合良好（ΔV = 0.44%）。紫外-可见(UV-Vis)光谱在641 nm处显示d-d跃迁，据此估算晶体场分裂参数10Dq ≈ 15,601 cm–1，证实2,2'-联吡啶(bipyridine)较水具有更强配体场。采用PBE1PBE泛函在真空、水及甲醇中进行密度泛函理论(DFT)计算，表明三重态为最稳定构型，并发现HOMO-LUMO带隙随溶剂化增大（真空中3.40 eV；水中4.65 eV），反映生理条件下电子稳定性增强。高亲电性指数（ω = 5.05–5.51 eV）支持其与生物亲核基团相互作用的潜力。Hirshfeld表面分析量化了晶格中主导分子间作用，H···O/O···H接触占表面的41.1%。基于群论的正常模式分析实现了实测与DFT计算光谱的合适归属。热分析表明配合物在473 K内稳定，变温PXRD验证至620 K。分子对接显示其对DNA（Ki= 6.27 μM，PDB: 1BNA）及乳腺癌相关3α-羟基类固醇脱氢酶3型(3α-HSD3)酶（Ki= 36.69 μM，PDB: 4XO6）具有亲和性。计算机药代动力学(ADME)分析表明因高拓扑极性表面积(TPSA = 169.18 ?2)口服生物利用度有限，但水溶性良好（Log S = 0.31）且无细胞色素P450(CYP450)抑制，提示肝毒性风险低。细胞毒性实验得MCF-7乳腺腺癌细胞与GM07492A正常成纤维细胞IC50分别为39.73 μM和14.46 μM，选择性指数(SI)为0.36。上述结果表明[Cu(Bipyridine)(NO3)(OH)]2是具有生物学意义的双核Cu(II)候选物，其肿瘤选择性可通过靶向纳米包封策略改善。

论文解读：[Cu(Bipyridine)(NO₃)(OH)]₂双核铜配合物的综合表征及抗乳腺腺癌活性研究

本研究发表于《Materials Chemistry and Physics》。芳香N-杂环配体铜(II)配合物因可经非共价作用与DNA结合（如插层 intercalation）并产生活性氧(ROS)介导的DNA切割，被视为潜在抗癌剂。既往研究多聚焦单核配合物，而双核铜(II)配合物被报道具更高DNA切割效率与结合亲和力；其中含μ₂-羟基桥联2,2'-联吡啶(bipyridine, Bip)的双核配合物[Cu(Bip)(NO₃)(OH)]₂早在1998年即有单晶结构报道，但其溶剂依赖DFT电子结构、群论振动归属、Hirshfeld晶体堆积分析、变温PXRD追踪、针对乳腺癌靶点的分子对接及ADME/细胞毒性评价均属空白。为此，研究人员对该经典双核铜配合物开展了从晶体结构确认、量子化学计算、光谱振动解析、热稳定性评估到DNA/酶分子对接及体外细胞毒性的系统性多技术表征，以明确其理化性质、作用靶点及抗肿瘤潜力，为后续结构优化或纳米载药提供依据。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：慢溶剂蒸发法合成目标双核铜配合物；紫外-可见(UV-Vis)分光光度法测定d-d跃迁；粉末X射线衍射(PXRD)结合Rietveld精修确认晶体结构与变温行为（300–620 K）；密度泛函理论(DFT)几何优化与频率计算采用PBE1PBE/6-311++G(d,p)（轻原子）和SDD（Cu），经积分方程形式可极化连续介质模型(IEFPCM)考虑真空/水/甲醇溶剂效应，并做前沿分子轨道与化学活性描述符分析；傅里叶变换红外(FT-IR)与拉曼(Raman)光谱结合群论进行振动模指认；Hirshfeld表面与二维指纹图分析晶体堆积作用；同步热重-微分热重/差热分析(TG-DTG/DTA)；AutoDock 4.2分子对接至B型DNA二聚体(PDB: 1BNA)与3α-羟基类固醇脱氢酶3型(3α-HSD3, PDB: 4XO6)；SwissADME进行计算机吸收分布代谢排泄(ADME)预测；MTT法检测对MCF-7人乳腺腺癌细胞与GM07492A人正常肺成纤维细胞的活力并计算IC₅₀与选择性指数(SI = IC_50,正常/IC_50,肿瘤)。

3.1. UV-Vis

研究人员测得配合物甲醇溶液中d⁹Cu(II)的d-d跃迁吸收峰位于641 nm，相较Cu(NO₃)₂·3H₂O水合离子（791 nm）蓝移150 nm，计算得晶体场分裂能10Dq ≈ 15,601 cm^–1（水合Cu²⁺约12,641 cm^–1），证实Bip配体场强于H₂O且配合物具Jahn-Teller畸变之扭曲八面体构型。

3.2. PXRD at room temperature

研究人员以Rietveld法精修室温PXRD图谱，确认配合物属三斜晶系空间群 Pī（Z = 1），晶胞参数a = 7.637(2) ?, b = 8.502(3) ?, c = 9.907(7) ?, α = 110.821(5)°, β = 108.866(1)°, γ = 97.552(5)°, V = 546.425 ?³，与Tadsanaprasittipol等(1998)单晶数据偏差＜0.30％（ΔV = 0.44％），Cu···Cu距离2.98 ?，具μ₂-OH桥联中心对称的双核二聚体结构。

3.3. DFT Study

研究人员在真空、水、甲醇中以PBE1PBE/IEFPCM优化几何，热力学数据表明三重态（自旋多重度3）为基态且配合物形成过程ΔG²⁹⁸为负值（水中–418.57 kcal·mol^–1，甲醇中–423.40 kcal·mol^–1），甲醇中配合更稳定。前线分子轨道显示HOMO主要定域于NO₃^–、μ-OH及Cu(II)中心（电子供体特征），LUMO集中于Bip芳环（电子受体特征）。HOMO-LUMO带隙(HLG)真空中3.40 eV，水中增至4.65 eV、甲醇中4.62 eV，表明极性介质提升电子稳定性。化学硬度η水中最大(2.33 eV)，软度真空中最大(0.59 eV^–1)；亲电性指数ω真空中5.51 eV、溶剂中约5.05 eV，均高于一般值，提示较强亲电性与潜在生物亲核相互作用能力。

3.4. Hirshfeld Surface analysis

研究人员绘制Hirshfeld表面d_norm、形状指数及二维指纹图，量化晶体堆积作用：H···O/O···H接触占比41.1％，为最主要稳定作用；H···H接触24.3％；C···H/H···C 14％；C···C π···π堆积9.8％；N···H/H···N 6.2％；其余O···O、N···N等弱色散作用＜3％。形状指数表面呈红蓝三角对，证实Bip芳环间存在π···π堆积。

3.5. Vibrational study

研究人员依Ci点群进行简正模对称性分析，FT-IR与Raman实验谱与DFT标度因子0.9594校正后理论谱吻合良好。OH伸缩3458 cm^–1；Bip芳环C–H伸缩~3109–3077 cm^–1；Bip环反对称伸缩1609 cm^–1；配位NO₃^–反对称伸缩1600–1447 cm^–1；Bip环面内变形δ(Bip) 1058–1028 cm^–1；NO₃^–扭转~763 cm^–1；Bip环扭转及面外变形810/805 cm^–1；Cu–N键剪式变形γ(N–Cu–N) 366 cm^–1；桥联μ-OH–Cu扭转τ(O–Cu–Cu–O) 246 cm^–1；＜215 cm^–1为晶格模式，与Hirshfeld分析之分子间作用对应。

3.6. Thermal analysis and PXRD under high-temperature conditions

研究人员经TG-DTG/DTA发现配合物在~473 K前质量无明显损失，503 K出现吸热熔融伴分解峰，~466–557 K失重约36％（对应Bip配体分解），533 K有燃烧放热峰，557–803 K再失重~11％（残余配体）。变温PXRD显示300–380 K衍射图形貌不变；≥420 K主峰(2θ≈12°)强度降并略向大角位移；480 K起峰宽化减弱；580 K部分非晶化；620 K完全非晶，与热分析相符。

3.7. Molecular docking

研究人员将配合物对接至B型DNA二聚体(PDB: 1BNA)，结合自由能–12.60 kJ·mol^–1，抑制常数K_i= 6.27 μM；Bip芳环与DNA碱基(DG B:22, DT B:20)形成π-π堆积，NO₃^–氧与DC A:3、DG A:4、DC B:21形成氢键，并与DC A:3有π-阴离子作用，与DC B:21有π-σ作用，Bip与DG A:2、DA A:5、DC B:23有范德华作用。对接至3α-HSD3(PDB: 4XO6)得结合自由能–25.31 kJ·mol^–1，K_i= 36.69 μM；NO₃^–与Lys9(A链)形成氢键，与Leu261/262/263、Gln206、Arg211、Ile265、Val212（A链）等有范德华力，与Lys207、Asn210（A链）有静电/π作用。两靶点为自发结合。

3.8. ADME

研究人员以SwissADME预测：分子量597.5 g·mol^–1，拓扑极性表面积TPSA = 169.18 ?²（＞140 ?²限），胃肠道吸收低；脂水分配系数LogP_o/w= –7.99（高度亲水）；水溶性Log S = 0.31（可溶，~2.03 mol·L^–1）；不透过血脑屏障(BBB)，是P-糖蛋白(P-gp)底物；不抑制CYP1A2/CYP2C19/CYP2C9/CYP2D6/CYP3A4，提示低肝毒性风险；违反Lipinski规则（MW＞500, 可旋转键/氢键供受体数超标），但金属配合物本不严格适用此规则，建议静脉或纳米载药途径给药。

3.9. Cell viability assay

研究人员以MTT法测24 h暴露后活力：MCF-7细胞IC₅₀= 39.73 ± 1.76 μM，GM07492A正常成纤维细胞IC₅₀= 14.46 ± 1.28 μM，选择性指数SI = 0.36（＜1，对正常细胞毒性更大）。阳性对照顺铂5 μM下MCF-7与GM07492A分别存留约94.5％与87.8％活力。研究人员提出可能机制含Bip芳环DNA插层＋NO₃^–氢键稳定＋π作用（对接佐证），Cu(II)/Cu(I) Fenton样循环产ROS致氧化DNA损伤，及对3α-HSD3弱抑制协同作用；MCF-7高P-gp外排与强DNA修复致肿瘤IC₅₀偏高，而GM07492A P-gp低致胞内累积高、毒性大，故SI＜1，后续可用纳米包封改善选择性。

讨论与结论总结

Tadsanaprasittipol等(1998)曾报道[Cu(Bip)(NO₃)(OH)]₂单晶结构，Fei等(2013)简述其与鲑鱼精子DNA作用及部分细胞毒，但本研究首次给出该双核铜配合物系统的溶剂依赖DFT电子结构（三重基态、HLG与亲电性随介质变化）、群论振动归属（含低频晶格模）、Hirshfeld表面定量晶体堆积分析（H···O主导，π···π次要）、变温PXRD热稳定性追踪（至620 K全非晶）、DNA与乳腺癌3α-HSD3双靶点分子对接亲和力（K_i分别为6.27与36.69 μM）、SwissADME药代属性（高水溶性、无CYP450抑制、胃肠吸收受限）及MCF-7/GM07492A双细胞系毒性（IC₅₀39.73/14.46 μM，SI = 0.36）。配合物在生理温度下稳定、具高亲电性(ω = 5.05–5.51 eV)、可与DNA插层并结合3α-HSD3，但因P-gp外排与缺乏肿瘤靶向致选择性不足(SI＜1)。鉴于其明确DNA/酶亲和力与水溶性及低CYP抑制，研究人员认为该双核Cu(II)配合物是有价值的抗癌候选骨架，后续可通过配体修饰或纳米包封（脂质体、聚合物纳米粒等）提高肿瘤靶向与选择性。结论如下（译自原文Conclusions）：本研究提供[Cu(Bip)(NO₃)(OH)]₂首份全面理化与生物学表征，显著拓展文献中有限数据。PXRD-Rietveld确认三斜Pī（Z=1）晶胞参数与文献吻合良好(ΔV=0.44%)。UV-Vis d-d跃迁641 nm得10Dq≈15,601 cm^–1，证实Bip强于H₂O配体场及d⁹Cu(II)之Jahn-Teller畸变。DFT确立三重态为基态，HLG真空3.40 eV至水中4.65 eV反映生理条件稳定性增强；高亲电性(ω=5.05–5.51 eV)定量支持其抗肿瘤潜力。Hirshfeld表面分析示H···O/O···H接触占41.1％为主晶格作用，形状指数证π···π堆积。实验与计算FT-IR/Raman谱吻合良好，完成振动模指认。TG-DTG/DTA示473 K内稳定，变温PXRD至620 K全非晶化。分子对接示DNA(K_i=6.27 μM)与3α-HSD3(K_i=36.69 μM)亲和性，支持DNA插层、ROS损伤与酶抑制之多效细胞毒机制。虽违Lipinski规则，但具良水溶性且无CYP450抑制——金属配合物本不严格适用Rule of Five。细胞毒IC₅₀为MCF-7 39.73±1.76 μM、GM07492A 14.46±1.28 μM（SI=0.36），属同类Cu(II)-Bip配合物活性范围；P-gp外排与DNA修复差异可解释有限选择性，纳米包封为可行改善路径。综上，结果确立[Cu(Bip)(NO₃)(OH)]₂为双核Cu(II)抗癌配合物中有生物学意义的候选物。