基于超分子杯[4]吡咯的人工阴离子通道及其作为抗癌剂的应用

《Chemistry – An Asian Journal》：An Artificial Anion Channel Based on Supramolecular Calix[4]Pyrrole and Its Application as an Anti-Cancer Agent

　　

顺式-二吡啶基杯[4]吡咯钯(II)配合物（cis-DPC+Pd²⁺）形成笼状超分子结构，该结构作为离子通道发挥作用，单离子通道电流观测结果证实了这一点。荧光素荧光检测（Lucigenin fluorescence assay）表明，cis-DPC+Pd²⁺可跨膜转运氯离子。HPTS荧光检测（HPTS fluorescence assay）表明，cis-DPC+Pd²⁺选择性转运氟离子和氯离子。在使用THP-1细胞的细胞增殖检测中，cis-DPC+Pd²⁺处理组的细胞存活率低于trans-DPC或trans-DPC+Pd²⁺处理组。这些结果表明，cis-DPC+Pd²⁺通过形成超分子孔道，使得更多离子通过，从而引起细胞死亡。

**研究背景**
在生物体内，无机离子（如钠离子、氯离子）跨细胞膜的浓度梯度是维持膜电位形成和神经信号传递等关键生物学现象的基础。细胞膜磷脂双分子层通过阻止带电粒子穿过而维持这一梯度。然而，细胞自身具备促进离子跨膜运动的机制，通过离子转运体（即载体和通道）生成或消除浓度梯度，以参与生命活动。为模拟脂膜上的快速离子转运，研究人员已开发出多种人造阳离子通道。相比之下，由于阴离子半径大于阳离子，合成允许阴离子通过的人造阴离子通道更为困难。近年来，多种分子和大环化合物被用作骨架，形成尺寸适配阴离子的孔道。近期研究表明，人造氯离子转运体可破坏细胞内氯离子浓度和pH平衡，抑制自噬并诱导细胞凋亡，展现出作为抗癌治疗剂的潜力。本研究聚焦于通过形成带有阴离子识别基团的大孔来模拟离子通道的超分子体系，旨在高效诱导细胞死亡，从而开发潜在的抗癌化合物。杯[4]吡咯（Calix[4]pyrrole）是一种基于吡咯的中性阴离子受体，但其小孔无法使阴离子通过。尽管已有一些杯[4]吡咯衍生物被报道作为脂膜载体，但尚未有作为离子通道的报道。此前，研究人员合成了在顺式位置带有两个吡啶基的二吡啶基杯[4]吡咯，并证明两个此类分子可与Pd²⁺配位形成面对面笼状结构。该超分子受体形成一个大阴离子识别基团（直径约10 ?的孔道），因此研究人员预期其可作为高效阴离子通道。本研究采用电化学方法、脂质体检测和基于细胞增殖的细胞毒性检测，评估了化合物cis-DPC+Pd²⁺的阴离子通道能力。该论文发表在《Chemistry – An Asian Journal》。

**关键技术方法**
研究人员采用以下主要技术方法开展研究：
1. **平面脂双层膜方法**（planar lipid bilayer membrane method）：用于测量离子通道电流，通过将化合物与脂质预混合形成膜，记录跨膜电流。
2. **荧光素荧光检测**（lucigenin fluorescence assay）：利用荧光素包埋的脂质体，检测氯离子跨膜转运引起的荧光猝灭。
3. **HPTS荧光检测**（HPTS fluorescence assay）：基于pH敏感荧光探针HPTS（8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐），研究不同外源阴离子存在下的选择性转运。
4. **细胞增殖检测**（cell proliferation assay）：使用THP-1人单核细胞系（来源：ATCC或类似细胞库），评估化合物对细胞存活率的影响。

**研究结果**
**2.1 离子通道电流测量**
通过平面脂双层膜方法，研究人员在顺式-二吡啶基杯[4]吡咯（cis-DPC）加入钯(II)试剂后观察到电流显著增加，而反式构型（trans-DPC+Pd²⁺）无电流。当将cis-DPC+Pd²⁺与脂质预混合时，施加±150 mV电压时观测到离散的阶梯式电导波动（单离子通道电流），呈现反复开关状态，表明该超分子结构在脂双层膜内形成孔道并发挥离子通道功能。随时间推移（约1小时），开关行为消失，可能因Pd²⁺部分带电荷而被引入水相，导致结构扭曲。

**2.2 荧光素荧光检测**
在荧光素（lucigenin）包埋的脂质体中，加入cis-DPC+Pd²⁺后荧光强度迅速降低，表明氯离子进入脂质体并与荧光素反应。猝灭程度随化合物浓度增加而增强，归因于嵌入膜中的化合物量增加，提示形成瞬时孔道。

**2.3 HPTS检测**
HPTS荧光检测显示，当外源阴离子为氟离子（F^?）时，荧光猝灭最显著，表明氟离子转运效率高于氯离子（Cl^?）。氯离子存在时也观察到荧光强度下降，随后逐渐恢复，这是由于脂质体对质子的渗透性导致H⁺浓度梯度消散。溴离子（Br^?）存在时无荧光变化，归因于cis-DPC+Pd²⁺对溴离子的低结合亲和力。这些结果表明，cis-DPC+Pd²⁺在膜内形成超分子孔道，作为阴离子选择性通道促进离子通量增强。

**2.4 细胞增殖检测**
在THP-1细胞增殖检测中，顺式构型（cis-DPC）处理组的细胞存活率低于反式构型（trans-DPC）处理组；当cis-DPC与钯(II)试剂共同给药时，存活率进一步降低，低于不加钯试剂的情况。相比之下，trans-DPC+Pd²⁺未检测到离子电流，且细胞存活率较高。因此，cis-DPC+Pd²⁺诱导了最显著的细胞死亡。研究人员推测，由于超分子结构尺寸约10 ?，而脂双层厚度约40–50 ?，因此两个或多个cis-DPC+Pd²⁺分子进入上下单层后，通过侧向扩散重叠形成孔道，允许离子通过。

**总结讨论与结论翻译**
在讨论中，研究人员指出：平面脂双层膜方法中，当cis-DPC与钯(II)试剂在腔室中混合时，检测到脂双层膜分隔的两个腔室间有显著电流，表明两者共同形成超分子结构（cis-DPC+Pd²⁺），允许离子通过脂双层膜。在细胞增殖检测中，用cis-DPC或trans-DPC及其相应钯试剂处理的THP-1细胞显示，cis-DPC+Pd²⁺处理的细胞存活率低于未检测到离子电流的trans-DPC+Pd²⁺。这些结果提示，cis-DPC与钯(II)试剂的组合通过形成超分子结构cis-DPC+Pd²⁺的孔道，使更多离子通过，从而引起细胞死亡。此外，由于观测到单离子通道电流，证实cis-DPC+Pd²⁺作为离子通道发挥作用。荧光素荧光检测表明cis-DPC+Pd²⁺可跨膜转运氯离子，而HPTS荧光检测发现其选择性转运氟离子和氯离子，其中氟离子转运最为显著。