浅述水溶性Cu卟啉配合物体外抗肿瘤活性研究*

武 彧，刘家成

(1 黔南民族师范学院化学化工学院，贵州 都匀 558000；2 西北师范大学化学化工学院，甘肃 兰州 730070)

卟啉及其衍生物是一类由4个吡咯环通过次甲基相连而成的具有18电子体系的共轭大分子杂环化合物。它不仅有独特的光电性能，而且与特定肿瘤细胞有较好的亲和性，在医学上作为抗癌光敏剂[1-2]。卟啉光敏剂在抗癌光动力疗法方面有独特用途，可以诱导氧破坏许多靶细胞，精准定位肿瘤细胞[34]。随着深入研究，人们发现金属配合物也具有抗癌药物的生物效果，主要有顺铂类配合物、钌类配合物、多酸化合物、席夫碱配合物、酰腙类配合物等[5-7]。利用卟啉对癌细胞的精准定位，把卟啉与金属配合物基团连接起来，这样更有效的抑制肿瘤细胞增长[8]。在生物和医学方面发展的一个主要障碍是水溶解性，通过引入亲水取代基，可以很好解决卟啉类抗癌药物的水溶性[9-11]。

2002年，Lottner C[12]合成了一系列卟啉-顺铂配合物，研究表明抗癌活性最高的是水溶性最好卟啉。其中吡啶基阳离子卟啉[13]，是研究水溶性卟啉抗癌中应用最广泛的一类，吡啶基团及其金属配合物通过与DNA结合对肿瘤细胞产生不可逆的损害，干扰基因正常表达，从而有效抑制肿瘤细胞增殖。磺酸基团也是一类较好的水溶性基团[14]，具有较高的单线态氧量子产率，对癌细胞具有杀伤力。

金属铂是这些年研究最有效的抗肿瘤金属离子[15]，随着新型药物的开发，其他无机金属离子也被关注[16]。金属Cu具有生物活性优良、人体生活必须的微量元素等优势，也逐渐进入人们研究领域。目前所报道的Cu配合物作用于线粒体中的半光天冬酶或扰乱细胞周期，使细胞凋亡[17]，但是其水溶性不好。综上，结合水溶性卟啉及金属Cu配合物等优点，本论文重点综述了本组近些年报道的水溶性酰腙Cu卟啉、水溶性席夫碱Cu卟啉体外抗肿瘤活性研究。

1 水溶性卟啉化合物抗肿瘤研究进展

卟啉化合物广泛存在自然界中，血红素铁卟啉参与了生物体内很多重要过程。卟啉衍生物由于结构的独特，使其在生物活性方面得到了广泛应用，尤其是水溶性卟啉化合物在抗肿瘤方面有独特性能。

近些年水溶性卟啉在抗癌方面的应用，主要集中在光动力疗法的光敏剂[18]，利用卟啉对癌细胞的特殊选择性，更有效抑制恶性肿瘤细胞的增殖，成为治疗恶性肿瘤的一种有效手段。含磺酸基的水溶性卟啉也是一类很好的光敏剂。2019年，Cui等[19]设计合成了一种以质酸为主链，磺酸盐为载体的水溶性梳状卟啉聚合物(如图1所示)。该聚合物可作为光动力疗法的潜在光敏剂，该光敏剂有较高水溶性、低的暗细胞毒性、较高的单线态氧量子产量，对癌细胞有较强的杀伤作用。

图1 梳状卟啉聚合物光敏剂应用于光动力治疗Fig.1 Comb-like porphyrin polymer for photodynamic therapy

本部分介绍了四种含2-吡啶基阳离子水溶性酰腙卟啉Cu配合物，通过体外抗肿瘤实验表明，Cu-P4具有对肿瘤细胞具有更强的亲和力，主要是因为Cu-P4分子结构及尺寸较小。从MTT测试结果表明，卟啉环对肿瘤细胞具有选择性，尤其是Cu-P4表现出较强的毒性，对A549恶性肿瘤细胞有较强效果，充分证明了Cu-P4光敏剂具有潜在的抗肿瘤活性。

图2 水溶性金纳米粒子用于光动力治疗Fig.2 Water-soluble gold nanoparticles for photodynamic therapy

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2 酰腙Cu卟啉配合物体外抗肿瘤研究

含N配体的铜配合物对DNA相互作用能力强，体外抗肿瘤活性高。结合一些具有抗肿瘤活性的铜配合物，可以调节靶向金属与亲油/亲水平衡从而改变其溶解度和渗透能力，有效抑制癌细胞增殖。本章中，介绍了本组设计合成的四种2-吡啶基阳离子酰腙Cu卟啉配合物[21]，并对其体外抗肿瘤活性研究(如图3所示)。

2.1 分子结构

图3 四种铜卟啉配合物分子结构Fig.3 The molecular structures of porphyrin base Cu(II) complexes

2.2 细胞毒性实验

本章主要是采用MTT法来分析CuP1～CuP5对肿瘤细胞的抑制情况，MTT分析法是一种研究细胞存活的方法。将含不同浓度的培养基分别作用于四个肿瘤细胞，分别培养24 h，48 h，72 h，如图6所示。从图6可以看出，五种卟啉配合物对肿瘤细胞都有一定的抑制作用。CuP4和CuP5两种卟啉表现出细胞毒性较弱，CuP1-CuP3配合物表现出适度的抗肿瘤活性。从图6可以看出对于A549、H1975(肺癌细胞)、HepG2(肝癌细胞)，这三个癌细胞来说，CuP2的细胞毒性是最好，尤其是对于H1975细胞，在72 h，表现最有效，其主要原因归结于CuP2结构中咪唑环的作用，咪唑基团由于空间效应和富电子性，增加了其生物活性[26]。对于T47D细胞(人乳腺癌细胞)来说，CuP1的细胞毒性是最好的，其原因主要在于CuP1较小的空间结构，但是，这些配合物的细胞毒性明显弱于其他三个细胞，这也充分说明了此系列配合物对癌细胞的良好选择性；而CuP4和CuP5对四个细胞的毒性都很弱，这主要归结于其较差的溶解性，但是CuP5得细胞毒性明显强于CuP4，主要原因也是姜黄素配体在起作用。

上述介绍了一些水溶性卟啉染料光动力治疗方面的应用。实质上酰腙、席夫碱基团也具有特殊的生物活性和较强的配位能力。这类化合物在抗菌、抗结核、抗炎症、抗肿瘤等方面具有一定的药理活性。但是针对于这些基团配合物的报道，其水溶性较差，限制了其抗肿瘤方面使用。本课题组结合上述报道、选择具有较好生物活性基团，设计合成了一系列水溶性Cu卟啉配合物，并对其体外抗肿瘤活性进行研究。

本实验中采用MTT法测试了四种配合物对肺癌细胞(A549)，肝癌细胞(HepG2)和正常乳腺细胞(Hs 578Bst)存活率的影响。将三种细胞置于不同浓度的四种卟啉配合物培养基中分别培养24 h，48 h，72 h，如图4所示。从图4可以看出四种配合物对两种癌细胞有明显的抑制作用，而对正常乳腺细胞呈现很弱的细胞毒性，这充分表明卟啉大环对癌细胞的选择性[22]。四种不同卟啉配合物对癌细胞作用具有不同的增殖活性更主要是连接酰腙基团的配体不同，Cu-P1和Cu-P2对细胞毒性的影响可能是取代基-OCH3，而另外两种卟啉可能是配位模式不同以及末端原子Cl和H2O分子的作用[23]。此外，从图4可以看出，Cu-P4具有更强的细胞毒性，尤其是A549细胞作用72 h时，表现出更强的细胞毒性，这主要是Cu-P4卟啉分子尺寸结合外围离去基团的作用。

图4 不同时间，不同剂量下，化合物对A549和HepG2细胞存活率的影响Fig.4 The influence of the cell survival of Complexes towards A549 and HepG2 cell lines in different cultivated time and diverse doses

2.3 小 结

2017年María E. Alea-Reyes等[20]报道了两亲性吡啶基团构建金属锌水溶性卟啉融入金纳米粒子用于光动力治疗(如图2所示)。该纳米粒子具有高的单线态氧量子产率，并对其细胞毒性和光毒性进行研究。

席夫碱具有非常高的生物活性，当与金属Cu配位后，随着大π体系变大，配合物穿透细胞能力也变强，进一步增强了席夫碱配合物的生物活性[24]。水溶性卟啉与席夫碱配合物共轭结合，作用肿瘤细胞会起到很好的作用。本章中，介绍了本组设计合成的五种席夫碱Cu水溶性卟啉配合物[25]，并对其体外抗肿瘤活性研究(如图5所示)。

3 席夫碱Cu卟啉配合物体外抗肿瘤研究

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3.1 分子结构

图5 五种铜卟啉配合物分子结构Fig.5 The molecular structures of porphyrin base Cu(II) complexes

3.2 细胞毒性实验

噻唑兰是一种接受氢离子的染料，简称MTT。MTT为黄色化合物，可透过细胞膜进入细胞内，作用于活细胞线粒体中的呼吸链。在琥珀酸脱氢酶和细胞色素C的作用下四唑环(Tetrazolium)环开裂，生成水不溶性的蓝紫色甲瓒(Formazan)结晶，并沉积在细胞中。

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图6 不同剂量下，化合物对A549、H1975、HepG2、T47D和Hs 578Bst细胞72 h存活率的影响Fig.6 Comparison of anticancer activity of complexes CuP1-CuP5 against A549 cells, H1975 cells, HepG2 cells, T47D and Hs 578Bst cells, after 72 h

3.3 小 结

本部分介绍了五种水溶性丙酮席夫碱卟啉Cu配合物，通过体外抗肿瘤实验表明，细胞毒性大小顺序为CuP2>CuP1>CuP3>CuP5>CuP4，充分说明CuP2细胞毒性最强。另外，席夫碱配体与铜离子结合配位后显著提高了其抗肿瘤活性，也说明了不同配合物卟啉对不同癌细胞具有选择性，这主要是由配合物空间构型所决定。

观察组35μg/kg舒芬太尼联合麻醉0.2μg/kg瑞芬太尼,0.2-0.3mg/kg依托咪酯,0.1mg/kg顺阿曲库铵,微泵连续静脉麻醉维持。2μg/(kg·h)舒芬太尼和0.06~0.20mg/(kg·min)丙泊酚。

4 结 语

水溶性Cu卟啉配合物是有效的一类抗肿瘤光敏剂，研究结果证明卟啉环外取代基团和配合物的空间效应，直接影响着化合物的水溶性以及配合物的抗肿瘤效果。通过研究表明，此类化合物在抗肿瘤方面有一定的潜在应用。但是由于金属Cu荧光很弱，难以对亚细胞定位及荧光成像，因此本课题组后期工作中可以通过优化卟啉分子结构，选择不同金属进行配位，将水溶性卟啉配合物的优良光学性能与对恶性肿瘤的富集有效结合起来，从而将化学治疗与荧光成像结合起来，更加提高治疗恶性肿瘤的手段。