含有芘-1-甲醛腙的新型Ru(II)配合物：结构、电子、理论与生物学研究

《Frontiers in Chemistry》：A novel Ru(II) complex with pyrene-1-carbaldehyde hydrazone: structural, electronic, theoretical, and biological studies

　　

摘要：研究人员合成了一种新的Ru(II)半夹心配合物（配合物1），其含有一个η⁶-对甲基异丙基苯配体和（E）-1-（芘-1-基亚甲基）肼，产率良好，并通过FTIR、NMR、元素分析和密度泛函理论（DFT）计算进行了表征。实验与理论FTIR、¹H NMR和¹³C NMR数据的密切吻合证实了所提出的结构，而几何优化揭示了Ru(II)中心周围预期的假八面体“钢琴凳”排列。QTAIM分析表明，金属-配体相互作用，特别是Ru–N和Ru–芳烃键，具有部分共价特征，并在稳定配合物中起关键作用。生物学相互作用研究表明，配合物1主要通过疏水相互作用自发地以中等亲和力结合人血清白蛋白（HSA），并能结合小牛胸腺DNA，这一结论通过荧光分光光度滴定和溴化乙锭置换实验得到证实，表明其具有嵌入和沟槽结合的混合行为。分子对接揭示，在所有研究的靶标中，配合物1与BCL-2/BCL-xL结合最强，同时对JAK2、KRAS和BRAF也表现出良好的亲和力。对接方案得到了HSA和DNA的计算结合自由能与实验值之间高度一致的支持。分子动力学和MM/PBSA分析进一步证实了配合物1–BCL-2/BCL-xL复合物的稳定性和热力学有利性，表明这种抗凋亡蛋白可能代表配合物1最相关的生物学靶标。EPR测量揭示了选择性自由基清除活性，对羟基自由基具有显著效率，但对DPPH、超氧自由基和抗坏血酸自由基的作用则弱得多。体外研究进一步证明了该配合物在多种癌细胞系中的细胞毒活性，其中在MIA PaCa-2细胞中观察到最强效应，并伴有脂质过氧化增加、蛋白质氧化以及基质金属蛋白酶活性的改变，表明氧化应激可能有助于其生物学效应。研究结果表明，配合物1是一种结构明确的Ru(II)化合物，具有良好的蛋白质和DNA结合特性、选择性抗氧化行为以及中等的抗癌潜力。

论文解读：《含芘-1-甲醛腙的新型Ru(II)半夹心配合物的结构、电子、理论与生物学研究》

癌症仍是全球主要的死亡原因之一，对现代医学构成重大挑战。传统治疗策略如手术、放疗和化疗存在局限性，如选择性差、耐药性等问题。金属药物在当代药物化学中扮演重要角色，其中钌配合物因其丰富的配位化学和良好的生物学性质备受关注。与铂类药物相比，许多钌配合物显示出较低的系统毒性、可克服耐药性，并能通过模拟铁离子而被肿瘤细胞优先摄取。半夹心Ru(II)–芳烃配合物，特别是含有PTA配体的RAPTA系列，因其“钢琴凳”结构和可调谐的生物学性质成为研究热点。已有多个钌基配合物进入临床评估，如NAMI-A、KP1019、NKP1339和光敏剂TLD-1433。本研究旨在合成并表征一种含有芘基腙配体的新型Ru(II)芳烃配合物，通过光谱学、理论计算及生物学实验全面评估其结构、电子性质、靶标相互作用、抗氧化与抗癌潜力。相关成果发表于《Frontiers in Chemistry》。

研究人员合成了新的Ru(II)半夹心配合物1，其含η⁶-对甲基异丙基苯和（E）-1-（芘-1-基亚甲基）肼配体。主要采用以下关键技术方法：利用Schlenk技术进行合成；通过FTIR、NMR和元素分析进行表征；采用B3LYP泛函和6-311++G(d,p)（H,C,N,Cl）/LanL2DZ（Ru）基组进行DFT结构优化及NMR预测；通过QTAIM和NBO分析电子结构；采用荧光猝灭法测定HSA和CT-DNA结合；用AutoDock-GPU实施分子对接；用GROMACS进行100 ns分子动力学模拟及MM/PBSA计算；通过EPR评估自由基清除活性；用MTT比色法检测细胞活力，并测定MDA、蛋白羰基含量及MMP-2/9明胶酶谱活性。细胞系来源于美国典型培养物保藏中心（ATCC），包括MDA-MB-231、MIA PaCa-2、A-375、HCC、HEL 92.1.7和K-562。

研究结果如下：

3.1 配合物1的合成与光谱表征：通过前体[{RuCl₂(η⁶-p-cymene)}₂]与配体在THF中室温反应，以62.3%产率获得黄色产物。FTIR光谱显示C=N伸缩振动出现在1584 cm^?1，氨基弯曲振动位于1623 cm^?1且向低波数位移，表明肼配体通过氮原子与Ru(II)配位。¹H和¹³C NMR谱图特征峰进一步证实了结构，如HC=N碳在158.4 ppm，η⁶-p-cym芳香碳在73.0–112.0 ppm。

3.2 理论结构表征：由于未能获得单晶，采用DFT优化几何结构。计算得到Ru–Cl键长2.462/2.444 ?、Ru–N键长2.172 ?，与文献相符。配合物呈现典型的假八面体“钢琴凳”构型，平均Ru–C键长2.246 ?，Cl–Ru–Cl角88.94°，N–Ru–Cl角79.88°和82.34°的偏差源于大体积芘基的空间位阻。理论FTIR与NMR数据与实验高度一致。

3.3 QTAIM分析：BCP分析显示Ru–C、Ru–N和Ru–Cl相互作用电子密度约0.06–0.08 a.u.，总能量为负，-G(r)/V(r)比值小于1，表明具有部分共价特征。Ru–N相互作用能最高（?133.2 kJ mol^?1）。NBO分析进一步确认LP(N)→LP*(Ru)（158 kJ mol^?1）和π(C–C)→LP*(Ru)（59–447 kJ mol^?1）等关键稳定化作用。

3.4 溶液稳定性：UV-Vis监测显示配合物在PBS/10% DMSO中前6小时电子结构基本保持，24小时后出现缓慢变化，符合Ru–Cl键逐步水合的特征，未观察到配体快速解离。

3.5 蛋白质结合亲和力：荧光滴定表明配合物1能有效猝灭HSA内源荧光，KSV为6.34–7.46×10⁴ M^?1，K_b在300–310 K为1.02–2.65×10⁵ M^?1，n≈1。ΔH_b=74.4 kJ mol^?1、ΔS_b=340.1 J mol^?1K^?1，ΔG_b为?28.6至?32.0 kJ mol^?1，表明以疏水相互作用驱动的自发放热结合。

3.6 DNA结合亲和力：配合物1与CT-DNA结合的KSV为5.54×10⁴ M^?1，K_b=6.35×10³ M^?1，ΔG=?21.8 kJ mol^?1，结合为自发过程。EB置换实验显示K_b=1.15×10⁴ M^?1，n≈0.98，提示部分嵌入结合及可能的沟槽结合。

3.7 分子对接与分子动力学：对接显示配合物1对BCL-2/BCL-xL结合能最负（?46.3 kJ mol^?1，Ki=0.008 μM），其次为JAK2、KRAS、BRAF。HSA和DNA的预测结合能与实验值偏差仅0.9和0.7 kJ mol^?1，验证了对接协议的可靠性。100 ns MD模拟表明1–BCL-2/BCL-xL复合物RMSD为0.20±0.03 nm，RMSF为0.14±0.06 nm，Rg为2.68±0.01 nm，结构稳定。MM/PBSA计算得到总结合自由能?72.38±14.7 kJ mol^?1，以静电和范德华相互作用为主要驱动力。

3.8 EPR自由基清除实验：配合物1对羟基自由基清除率达83.00%，对DPPH仅0.70%，对超氧阴离子为12.60%，对抗坏血酸自由基为14.67%，显示出明显的自由基选择性。

3.9 体外细胞毒性与氧化应激效应：MTT实验显示配合物1对A-375和HCC细胞具有浓度依赖性细胞毒作用，IC50分别为233.6±24.8和94.2±19.1 μM，而对其他细胞系效果甚微。在A-375细胞中MDA水平升高2倍以上，A-375和HCC细胞中蛋白羰基含量均显著增加。MMP-2活性在HCC细胞中显著降低，MMP-9在两种细胞中变化不显著。

讨论部分指出，配合物1的较低细胞毒性与其含较大芘基结构有关，结构修饰显著影响生物学性质。虽然细胞外EPR显示高效羟基自由基清除，但细胞内氧化应激升高可通过破坏氧化还原稳态间接产生ROS。研究结果将1确定为结构明确的Ru(II)化合物，具有有价值的蛋白质和DNA结合特性、选择性抗氧化及中等抗癌潜力，BCL-2/BCL-xL可能是其最相关的分子靶标，但需进一步实验验证。

结论：研究人员成功合成并表征了含（E）-1-（芘-1-基亚甲基）肼配体的新型Ru(II)半夹心芳烃配合物1，实验与理论数据吻合良好，确认了假八面体“钢琴凳”构型。QTAIM分析表明部分共价的Ru–N、Ru–Cl和Ru–芳烃相互作用有助于其稳定性。配合物1能结合HSA和CT-DNA，计算分析提示BCL-2/BCL-xL为可能靶标。它表现出对羟基自由基高选择性的清除活性，并对黑色素瘤和肝细胞癌细胞具有选择性中等细胞毒作用，伴随脂质和蛋白质氧化增加。这些发现表明配合物1具备生物学相关的蛋白质/DNA结合特性和中等抗癌潜力，为深入研究该类（芳烃）Ru(II)配合物提供了依据。