N-杂环卡宾金属配合物抗肿瘤和抗菌活性的研究进展

卢倩倩 刘 英 严 密 刘彬彬 蔡 轶 王 君 邹黎黎

1.三峡大学肿瘤微环境与免疫治疗湖北省重点实验室，湖北宜昌 443000；2.三峡大学感染与炎症损伤研究所，湖北宜昌 443000；3.三峡大学第一人民医院科技科，湖北宜昌 443000

近年来，设计和合成具有药理作用的金属配合物，是无机生物化学家在现代药物发展和开发领域的主要目标。N-杂环卡宾（N-heterocycliccarbenes，NHC）是一种中性双电子供体，通常是指从偶氮盐脱质子化得到的环碳烯，能够与硬质和软质金属结合（图1）。Wanzlick 等[1-3]合成了第一个NHC 过渡金属铬汞配合物。随后，大量的NHC-金属配合物（N-heterocyclic carbene metal complexes）被合成，且在高分子导电材料、发光材料及生物医药应用领域发挥着重要作用。尤其在生物医药应用领域，NHC-金属配合物展现出良好的抗肿瘤和抗微生物活性。其中包括NHC-金（Au）[4-6]、NHC-银（Ag）[7-9]、NHC-钯（Pd）[10-12]、NHC-铂（Pt）[13-14]、NHC-钌（Ru）[15-16]等。据此，本文就NHCs等金属配合物的在抗恶性肿瘤增殖和抗微生物活性两个方面进行综述。

图1 N-杂环卡宾化学结构示意图

1 抗肿瘤活性

目前，临床抗肿瘤化疗药物所使用的细胞毒性药物是直接作用于DNA 或作用于有丝分裂干扰蛋白质合成，通常具有较强的肿瘤细胞杀伤力。然而，此类金属化合物稳定性较低，选择性差，导致其在向肿瘤组织传递过程中失活，产生毒副作用。为了克服这些缺点，许多化学家致力于提高金属化合物的稳定性，而提高稳定性最有效的策略即加入强供体配体[17]。

NHC 碳烯中心两个相邻的氮原子能够维持化合物的稳定性且与金属结合时其形成的C-M 键强于P-M 键；其次，NHC 配体是零电荷且不会干扰金属离子的阳离子电荷。此外，NHC-金属配合物可作为独特的结构支架来靶向与癌症相关的特定生物分子[18-19]，也预示着NHC-金属配合物在抗肿瘤领域的巨大开发价值。

1.1 NHC-Au 抗肿瘤活性

在过去的十年间，以NHC-Au 为首的阳离子卡宾金配合物在医学治疗研究方面展现出良好的应用前景[6]。Hickey 等[20]曾首次报道了NHC-Au 具有抗肿瘤活性。鉴于NHC-Au 类化合物制备简便且具有高活性和高稳定性，越来越多的NHC-Au 被不断合成。为了进一步深入研究，Liu 等[21]发现化合物NHC-Au（Ⅰ）（5 d）不仅比顺铂活跃，且以细胞中的硫氧还蛋白还原酶（thioredoxin reductase，TrxR）为主要靶点，而硫氧还蛋白还原酶在癌细胞增殖、转移及肿瘤血管生成中有着非常重要的作用。此外，Fung 等[22]也发现Au-NHC5a 对TrxR 也有体外抑制作用，且对细胞摄取与死亡及DNA 的相互作用均有一定程度的影响[22]。鉴于NHC-Au 化合物在肿瘤细胞杀伤方面起到的重要作用，Esther 等[23]以NHC-Au-L 为配体，合成的5a 化合物仍以TrxR 为靶点，通过增强硫氧还蛋白（thioredoxin，Trx）1 和Trx2 的氧化，介导肿瘤细胞死亡。从以上研究结果可知，TrxR 在多种癌细胞中表达量显著升高，而这些化合物的主要作用机制即通过调控Trx 系统，抑制其活性，导致癌细胞内活性氧大量聚集，从而诱发癌细胞氧化应激，以此来介导肿瘤细胞的死亡。由此可见，TrxR 是NHC-Au 抗肿瘤作用机制的主要靶标，甚至可成为早期肿瘤筛查与诊断的主要指标。

1.2 NHC-Ag 抗肿瘤活性

大多数银化合物中的Ag+释放速度快，稳定性较差，且长期使用极易产生耐药性。而NHC-Ag 则可形成稳定的C-Ag 键，从而克服了原来的缺陷，达到了缓释Ag+的目的。银配合物在氮原子的侧链上结合取代基不仅能提高配合物的稳定性，其脂溶性的提高使其更容易被癌细胞摄取。鉴于此，Eloy 等[24]研究了配合物silver（Ⅰ）-NHCs 抗肿瘤活性5 作用于肿瘤细胞的具体机制，5 可诱导肿瘤细胞凋亡，通过凋亡诱导因子AIF 和caspase-12 分别从线粒体和内质网转入细胞核，导致DNA 碎裂而引起细胞死亡。此外，在另外两种新合成的银配合物中，发现也是通过影响线粒体的完整性，诱导caspase 和活性氧的早期凋亡来介导肿瘤细胞死亡；且此两种配合物比顺铂对多种癌细胞系表现出更强大的抗肿瘤活性，包括对顺铂耐药细胞系[25]。由此可见，与NHC-Au 不同的是NHC-Ag 主要以线粒体为靶点，通过诱导线粒体膜电位去极化并改变线粒体的完整性导致癌细胞的死亡。这些结果可能为更好地研究金属中心对抗肿瘤细胞的潜能及作用机制开辟了一条路径。

1.3 NHC-Pt 抗肿瘤活性

自1978 年发现顺铂287 在膀胱和睾丸肿瘤的治疗中有效愈合率达到90%后，顺铂就成为癌症治疗化疗中的主要药物[26]。顺铂抗癌的主要机制即与DNA结合，阻止DNA 复制进而抑制肿瘤细胞生长。但在临床使用中所产生的毒副作用、耐药性等问题在一定程度上限制了其临床应用。寻找高效、无毒能够替代铂类药物的新型金属抗癌药物成为关键。Sébastien 等[27]首次报道了NHC-Pt 的抗癌机制是与DNA 链之间的相互作用。为了提高NHC-Pt 类化合物的稳定性和降低毒副作用，直接氧化相应的NHC-Pt 配合物，并成功合成了稳定性更高的NHC-Pt 1b/6a，与传统顺铂类药物作用机制一样均是阻止DNA 复制[13]。为研究NHC-Pt 在体内是否也有良好的抗癌活性，Chekkat等[28]将合成的NHC-Pt 2a、2c 作用于体内小鼠模型中，发现也可诱导癌细胞死亡，并且主要以核和线粒体为靶点。由此可见，NHC-Pt 除了以DNA 为靶标通过影响DNA 加合物形成之外，还可能涉及线粒体的死亡来共同介导肿瘤细胞死亡。到目前为止，NHC-Pt 的出现极大程度推进了金属铂类化合物的发展。

1.4 NHC-Pd 抗肿瘤活性

铂和钯化合物的配位化学性质相似性促进了钯化合物作为抗癌药物的研究[29]。Tommy 等[30]合成的NHC-Pd 1d 效果最为显著，对多种癌细胞系均有良好抗肿瘤效果，且化合物1 d 在裸鼠成瘤模型中能明显抑制肿瘤生长，且其作用机制是诱导线粒体功能障碍和内皮细胞抗血管生成活性。随后，新配位双配体双核NHC-Pd 络合物的出现进一步推动了钯化合物抗肿瘤活性的研究。这些化合物对不同的癌细胞系和卵巢癌肿瘤显示出高选择性的抗增殖活性，通过破坏线粒体释放细胞色素C 及线粒体膜的持续去极化来介导肿瘤细胞死亡[31]。可见，NHC-Pd 抗癌作用机制也是通过靶向肿瘤细胞线粒体介导细胞死亡，且NHC-Pd体内抗癌的研究结果也充分证明了钯类化合物的潜在抗癌活性。

2 抗微生物活性

耐药细菌的不断增长给人类健康带来了巨大的挑战，迫切需要新的抗菌化合物来对抗日益增长的抗生素耐药性威胁。金属离子被结合到有机配体中获得的金属配合物可作为新型的抗生素，通常被称为金属抗生素。金属基药物可作为载体，在达到靶细胞后通过适当的触发（如pH 值变化）原位释放药物[32-33]。几种过渡金属如Ag、Au 等已被用于合成新型取代NHC配体金属配合物。

2.1 NHC-Au 抗生物活性

NHC-Au 不仅在抗恶性肿瘤增殖方面有良好的活性，在治疗微生物感染方面也表现出良好的抑菌作用。Alba 等[34]将NHC-Au 和激素衍生物结合在一起的复合物显示出有趣的体外抗菌特性，Steroid-Au（Ⅰ）-NHC 1 对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌均有良好抗菌活性，这一发现可能代表了金属雌激素作为有效抗菌剂的重要新发展。为了提高此类化合物在组织和细胞中的活性，更好地发挥杀菌作用，Gabriela 等[35]将磺酸基作为Gold-NHC 的配体，磺酸基的亲水性能大大提高了NHC-Au 在体内外的杀菌效率。NHC-Au 通过结合不同的配体来赋予化合物不同的性质，从而发挥不同的生物功能，来对微生物感染进行多靶点治疗。

2.2 NHC-Ag 抗生物活性

Ag 化合物在医学上的应用已经有100 多年的历史[36]，在发现NHC 后不久，其不断被合成用于抗菌，且NHC-Ag 可作为有效广谱抗菌剂。Despoina 等[37]与Sainath 等[38]均对Ag-NHC 配合物进行了研究，发现化合物有良好的抗菌活性，通过破坏细菌细胞壁而导致细菌死亡。为了深入研究NHC-Ag 破壁后对细菌氧化微环境的影响，Matthias 等[39]合成了抗菌药物SBC3，发现SBC3 可靶向抑制巯基氧化还原系统。随后，又对革兰氏阳性菌与真菌进行测定，发现当SBC3 用量25 μg/ml 时，对金黄色葡萄球菌的抑制率为71.2%，对假丝酵母菌的抑制率为86.2%[40]。总的来说，NHC-Ag在抗菌方面的活性在过去的几年里得到了充分的证明，但其毒性也不可忽视，因此寻求能够降低NHCAg 毒性的方法仍是一个难题。

3 小结与展望

癌症和微生物感染一直对全球人类健康构成严重威胁。抗癌和抗菌药物使用不断增加导致了多种药物耐药，寻找新化合物治疗成为这一领域的主流。金属配合物作为抗菌剂和抗癌剂的研究引起了化学家和医学界的广泛关注，用于治疗微生物感染和癌症的新化合物数量也大幅增加，包括NHC-金属配合物在内的金属化合物对多种细菌和癌细胞系均表现出良好的活性也表明NHC-金属配合物具有作为抗菌和抗癌候选药物的潜力。研究人员开发了多种方便的途径制备主要基团和过渡金属的NHC-金属复合物，通过分子侧链结合靶向部分也可为特定组织开发新的药物。此外，NHC-金属复合物除了金属中心的性质及其反应性特征外，整体的化学结构也会影响每一种NHC 的生物行为，如一些更容易穿透线粒体膜或细胞膜。但仍需要对NHC-金属复合物的分子靶点和作用机制进行确定，体内抗肿瘤和抗菌活性及毒性进行研究。综上所述，这些结果可以指导今后改进金属基药物的发展，特别是用于治疗人类健康包括细菌感染和癌症疾病的Ag 和Au 复合物。