用于靶向且生物相容的化学光热癌症治疗的镓(III) 舍夫碱配合物纳米复合材料

《Inorganic Chemistry Communications》：Engineering Ga(III) Schiff base complex nanocomposites for targeted and bio-compatible chemo-photothermal cancer therapy

　　摘要：随着癌症患者数量的增加，对癌症治疗的需求也在上升。由于传统治疗方法存在耐药性和副作用等缺陷，开发高效、低毒的抗癌药物已成为研究重点。本研究合理设计出了四种新的卤代吡啶甲醛氨基硫脲席夫碱镓配合物。以氯化、氟化、溴化吡啶甲醛及氨基硫脲衍生物为原料，通过席夫碱缩合反应合成了四种配体（Lg 1–4），再与三价镓结合得到四种镓配合物（CP 1–4）。随后通过多种测试方法和理论计算对这些配体及配合物进行了表征。体外抗癌活性测试表明，CP-1和CP-4对结肠癌细胞HCT-116具有显著的抑制作用，其IC50值可达纳米摩尔级别，比顺铂好两个数量级，且对正常细胞（HUVEC）的毒性较低。机制研究显示，这两种配合物具有不同的细胞周期调控方式：CP-1能阻断细胞处于G1/S期，而CP-4则促使细胞进入S期。两种配合物均通过线粒体去极化和过量活性氧生成诱导细胞凋亡，其中CP-4的效果更佳。分子对接实验表明，这两种配合物通过不同的相互作用与蛋白二硫键异构酶高亲和力结合，且作用于该蛋白的不同结构域。为提升治疗效果，本研究利用多巴胺自聚合并结合叶酸的肿瘤靶向能力，制备了镓复合材料CP-1@PDA-FA和CP-4@PDA-FA，并对其形态和性质进行了表征。光热性能测试显示，这些材料具有良好的光热稳定性：在特定激光照射下能高效将光能转化为热能，且经过多次循环后仍能保持稳定的加热效果。体内实验表明，这两种复合材料与激光照射联合使用可显著抑制肿瘤生长，对正常组织无明显毒性，生物相容性良好。总之，本研究合成的镓配合物及其复合材料在抗癌治疗方面具有巨大应用潜力。CP-1和CP-4具有显著的抗癌活性，为开发金属类抗癌药物提供了新的候选化合物；而这些复合材料则展现出优异的协同化学热疗效果，为复合材料设计及肿瘤治疗策略提供了新思路。

引言：根据世界卫生组织的报告，每年新增的癌症患者数量已超过1400万，与之相关的死亡人数也在上升[1]。传统疗法包括直接切除肿瘤的手术、利用化学药物抑制癌细胞增殖的化疗，以及用高能辐射选择性杀死肿瘤细胞的放疗[2]、[3]、[4]。相比之下，现代疗法更为先进精准，包括免疫疗法、靶向疗法、激素疗法、基因疗法、联合疗法以及光动力疗法[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。传统化疗通常需要使用一种或多种化疗药物。基于金属的药物和成像剂在医学领域至关重要，被广泛用于各种疾病的治疗和诊断。目前，众多类型的金属基药物正处于临床研发阶段，充分体现了含金属分子在疾病治疗中的广阔前景[11]、[12]。以顺铂为代表的铂基抗癌药物彻底改变了肿瘤学的发展，但它们也存在系统性毒性、耐药性以及肿瘤选择性不足等严重缺陷[13]。基于三价镓的非铂金属药物因其独特的氧化还原活性、对肿瘤细胞内铁结合蛋白的强亲和力以及潜在的靶向治疗优势，成为极具前景的替代选择[14]、[15]。不过，如何开发出疗效更好、副作用更少的三价镓配合物仍亟待解决。通过筛选具有抗癌特性的金属离子和配体来设计抗癌金属药物是一种创新方法[16]、[17]。席夫碱配体因其结构多样性及可调节的电子特性，为设计具有特定生物活性的金属配合物提供了理想基础[18]、[19]、[20]。在配体主链上引入卤素取代基（F、Cl、Br）可显著改变其电子效应和空间结构，进而影响金属的配位行为及抗癌效果[21]。尽管前景可观，但关于卤素取代三价镓席夫碱配合物及其作用机制的系统研究仍然较少。光热疗法因其高选择性、低侵袭性以及可调控的时间和空间参数，在肿瘤治疗中得到了广泛应用[22]、[23]。然而，由于光热疗法只能作用于皮肤下或器官内壁的肿瘤组织，因此无法有效清除原发性和转移性肿瘤细胞[24]。化疗药物在肿瘤治疗中的选择性较差，且可能对正常组织和器官造成损伤[25]。在长期治疗过程中，肿瘤细胞容易产生耐药性，这会导致患者健康状况迅速恶化，也会降低化疗药物的疗效。研究表明，CT/PTT协同疗法能有效增强抗癌效果，这是因为光热疗法会改变肿瘤微血管的血流灌注情况，从而影响药物在组织中的分布，促进药物代谢和吸收，提高药物分子的利用率。同时，光热疗法还能改变肿瘤组织细胞膜的通透性，促使药物进入肿瘤细胞内[26]、[27]、[28]、[29]。PDA是通过DA的氧化自聚反应形成的，而多巴胺单体富含儿茶酚、羧基和氨基等多种活性基团，这使得PDA易于进行表面修饰。此外，PDA还具有优异的光热性能，它能有效吸收近红外辐射并将其转化为热量，最终杀死肿瘤细胞[30]、[31]、[32]。因此，基于PDA NAs的靶向CT/PTT协同疗法平台不仅能有效弥补因肿瘤异质性导致的肿瘤组织内热量分布不均问题，从而更有效地杀死深层肿瘤细胞和转移细胞，还能减轻化疗药物非特异性分布对正常组织的损害。在本研究中，我们开展了以下工作：以氯化、氟化、溴化吡啶甲醛及氨基硫脲衍生物为原料，通过席夫碱缩合反应合成了四种配体（Lg 1–4），随后将这些配体与硝酸镓结合，得到了四种镓配合物（CP 1–4）（图1A）。所有配体及配合物均通过1H NMR、MS、元素分析、UV–vis、FT-IR光谱、X射线单晶衍射以及DFT计算进行了系统表征。为提升肿瘤靶向性和治疗效果，我们通过PDA涂层和FA偶联技术制备了CP-1@PDA-FA和CP-4@PDA-FA材料（图1B），并通过SEM、UV vis、FT-IR以及光热成像技术分析了它们的形态、结构及光热转换能力。对HCT-116、MDA-MB-231和HUVEC细胞系的体外细胞毒性筛选结果表明，CP-1和CP-4对结肠癌具有极高的抗癌活性，其效果比顺铂好两个数量级，同时对正常细胞的毒性较低。机制研究结合流式细胞术、ROS探针以及分子对接技术，表明这两种配合物可通过细胞周期阻滞、线粒体去极化以及与PDI的高亲和力来诱导细胞凋亡。体内抗肿瘤实验表明，CP-1@PDA-FA和CP-4@PDA-FA复合材料对HCT-116肿瘤具有显著的抑瘤作用，且对主要器官组织的病理学分析结果显示其全身毒性极低。这一综合策略将理性设计与功能性纳米材料工程相结合，有助于推动基于三价镓的抗癌药物的研发，以及化疗与光疗联合治疗平台的构建（图1C）。

合成与晶体结构：四种配体Lg 1–4是以氯代、氟代、溴代吡啶甲醛及硫半卡巴腙衍生物为原料，通过席夫碱缩合反应合成的（图1A）。这四种席夫碱配体是通过直接席夫碱缩合反应制得的，随后通过直接过滤或重结晶进行纯化。在乙醇中，这些配体与三价镓发生直接配位反应，得到了四种三价镓配合物（CP 1–4）。CP 1–4的晶体结构已得到确定。

结论：本研究成功合成了四种卤代席夫碱三价镓配合物（CP 1–4），并通过单晶X射线衍射、NMR、MS、UV–Vis、FT-IR以及DFT计算验证了它们的结构。其中，CP-1和CP-4对HCT-116结肠癌细胞具有显著的纳米摩尔级细胞毒性，其效果远优于顺铂，同时对正常细胞的毒性较低。机制研究揭示了它们能够引发活性氧生成、破坏细胞功能等作用机制。

材料与表征：所用材料包括三水合三价镓Ga(NO3)3·xH2O（纯度=99.9%，CAS号：69365-72-6）、4-氯吡啶-2-甲醛（纯度≥97%，CAS号：63071-13-6）、3-氟吡啶-2-甲醛（纯度≥98%，CAS号：31224-43-8）、5-溴吡啶-2-甲醛（纯度≥98%，CAS号：31181-90-5）、3-溴-2-甲醛吡啶（纯度≥97%，CAS号：405174-97-2）、硫半卡巴腙（纯度≥98%，CAS号：79-19-6）、4-甲基硫半卡巴腙（纯度≥98%，CAS号：6610-29-3）、4,4-二甲基-3-硫半卡巴腙（纯度≥98%）。

RediT作者贡献声明：周轩：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据整理、概念设计；李向宇：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、研究、数据整理、概念设计；桑若希：撰写——审阅与编辑、指导、软件应用；杨云：软件应用、方法学、研究、数据整理；冯启鸿：撰写——审阅与编辑、研究；任晓霞：撰写——审阅与编辑、指导、概念设计；徐静远……

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：21967019）、云南省应用基础研究计划（项目编号：202201AT070067）以及云南大学研究生科研创新基金项目（项目编号：KC-24248732）的资助。作者感谢云南大学先进分析检测中心提供的样品检测服务。

谢明进教授：办公室地址：化学楼121室，电话：86-(0)871–65035640，邮箱：[e-mail]，地址：中国云南省昆明市翠湖路2号北侧，云南大学化学科学与技术学院，邮编650091。简介：云南大学教授（2012年起），华威大学访问科学家（2013–2014年），南开大学博士（2002–2005年），昆明贵金属研究所硕士（1997–2000年），南开大学学士（1990–1994年）。研究兴趣：药物化学。

作者名单：周轩|李向宇|桑若希|杨云|冯启鸿|任晓霞|徐静远|谢明进
单位：中国云南省昆明市650091，云南大学化学科学与技术学院