淺述水溶性Cu卟啉配合物體外抗腫瘤活性研究*

武 彧，劉家成

(1 黔南民族師范學院化學化工學院，貴州 都勻 558000；2 西北師范大學化學化工學院，甘肅 蘭州 730070)

卟啉及其衍生物是一類由4個吡咯環通過次甲基相連而成的具有18電子體系的共軛大分子雜環化合物。它不僅有獨特的光電性能，而且與特定腫瘤細胞有較好的親和性，在醫學上作為抗癌光敏劑[1-2]。卟啉光敏劑在抗癌光動力療法方面有獨特用途，可以誘導氧破壞許多靶細胞，精準定位腫瘤細胞[34]。隨著深入研究，人們發現金屬配合物也具有抗癌藥物的生物效果，主要有順鉑類配合物、釕類配合物、多酸化合物、席夫堿配合物、酰腙類配合物等[5-7]。利用卟啉對癌細胞的精準定位，把卟啉與金屬配合物基團連接起來，這樣更有效的抑制腫瘤細胞增長[8]。在生物和醫學方面發展的一個主要障礙是水溶解性，通過引入親水取代基，可以很好解決卟啉類抗癌藥物的水溶性[9-11]。

2002年，Lottner C[12]合成了一系列卟啉-順鉑配合物，研究表明抗癌活性最高的是水溶性最好卟啉。其中吡啶基陽離子卟啉[13]，是研究水溶性卟啉抗癌中應用最廣泛的一類，吡啶基團及其金屬配合物通過與DNA結合對腫瘤細胞產生不可逆的損害，干擾基因正常表達，從而有效抑制腫瘤細胞增殖。磺酸基團也是一類較好的水溶性基團[14]，具有較高的單線態氧量子產率，對癌細胞具有殺傷力。

金屬鉑是這些年研究最有效的抗腫瘤金屬離子[15]，隨著新型藥物的開發，其他無機金屬離子也被關注[16]。金屬Cu具有生物活性優良、人體生活必須的微量元素等優勢，也逐漸進入人們研究領域。目前所報道的Cu配合物作用于線粒體中的半光天冬酶或擾亂細胞周期，使細胞凋亡[17]，但是其水溶性不好。綜上，結合水溶性卟啉及金屬Cu配合物等優點，本論文重點綜述了本組近些年報道的水溶性酰腙Cu卟啉、水溶性席夫堿Cu卟啉體外抗腫瘤活性研究。

1 水溶性卟啉化合物抗腫瘤研究進展

卟啉化合物廣泛存在自然界中，血紅素鐵卟啉參與了生物體內很多重要過程。卟啉衍生物由于結構的獨特，使其在生物活性方面得到了廣泛應用，尤其是水溶性卟啉化合物在抗腫瘤方面有獨特性能。

近些年水溶性卟啉在抗癌方面的應用，主要集中在光動力療法的光敏劑[18]，利用卟啉對癌細胞的特殊選擇性，更有效抑制惡性腫瘤細胞的增殖，成為治療惡性腫瘤的一種有效手段。含磺酸基的水溶性卟啉也是一類很好的光敏劑。2019年，Cui等[19]設計合成了一種以質酸為主鏈，磺酸鹽為載體的水溶性梳狀卟啉聚合物(如圖1所示)。該聚合物可作為光動力療法的潛在光敏劑，該光敏劑有較高水溶性、低的暗細胞毒性、較高的單線態氧量子產量，對癌細胞有較強的殺傷作用。

圖1 梳狀卟啉聚合物光敏劑應用于光動力治療Fig.1 Comb-like porphyrin polymer for photodynamic therapy

本部分介紹了四種含2-吡啶基陽離子水溶性酰腙卟啉Cu配合物，通過體外抗腫瘤實驗表明，Cu-P4具有對腫瘤細胞具有更強的親和力，主要是因為Cu-P4分子結構及尺寸較小。從MTT測試結果表明，卟啉環對腫瘤細胞具有選擇性，尤其是Cu-P4表現出較強的毒性，對A549惡性腫瘤細胞有較強效果，充分證明了Cu-P4光敏劑具有潛在的抗腫瘤活性。

圖2 水溶性金納米粒子用于光動力治療Fig.2 Water-soluble gold nanoparticles for photodynamic therapy

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2 酰腙Cu卟啉配合物體外抗腫瘤研究

含N配體的銅配合物對DNA相互作用能力強，體外抗腫瘤活性高。結合一些具有抗腫瘤活性的銅配合物，可以調節靶向金屬與親油/親水平衡從而改變其溶解度和滲透能力，有效抑制癌細胞增殖。本章中，介紹了本組設計合成的四種2-吡啶基陽離子酰腙Cu卟啉配合物[21]，并對其體外抗腫瘤活性研究(如圖3所示)。

2.1 分子結構

圖3 四種銅卟啉配合物分子結構Fig.3 The molecular structures of porphyrin base Cu(II) complexes

2.2 細胞毒性實驗

本章主要是采用MTT法來分析CuP1～CuP5對腫瘤細胞的抑制情況，MTT分析法是一種研究細胞存活的方法。將含不同濃度的培養基分別作用于四個腫瘤細胞，分別培養24 h，48 h，72 h，如圖6所示。從圖6可以看出，五種卟啉配合物對腫瘤細胞都有一定的抑制作用。CuP4和CuP5兩種卟啉表現出細胞毒性較弱，CuP1-CuP3配合物表現出適度的抗腫瘤活性。從圖6可以看出對于A549、H1975(肺癌細胞)、HepG2(肝癌細胞)，這三個癌細胞來說，CuP2的細胞毒性是最好，尤其是對于H1975細胞，在72 h，表現最有效，其主要原因歸結于CuP2結構中咪唑環的作用，咪唑基團由于空間效應和富電子性，增加了其生物活性[26]。對于T47D細胞(人乳腺癌細胞)來說，CuP1的細胞毒性是最好的，其原因主要在于CuP1較小的空間結構，但是，這些配合物的細胞毒性明顯弱于其他三個細胞，這也充分說明了此系列配合物對癌細胞的良好選擇性；而CuP4和CuP5對四個細胞的毒性都很弱，這主要歸結于其較差的溶解性，但是CuP5得細胞毒性明顯強于CuP4，主要原因也是姜黃素配體在起作用。

上述介紹了一些水溶性卟啉染料光動力治療方面的應用。實質上酰腙、席夫堿基團也具有特殊的生物活性和較強的配位能力。這類化合物在抗菌、抗結核、抗炎癥、抗腫瘤等方面具有一定的藥理活性。但是針對于這些基團配合物的報道，其水溶性較差，限制了其抗腫瘤方面使用。本課題組結合上述報道、選擇具有較好生物活性基團，設計合成了一系列水溶性Cu卟啉配合物，并對其體外抗腫瘤活性進行研究。

本實驗中采用MTT法測試了四種配合物對肺癌細胞(A549)，肝癌細胞(HepG2)和正常乳腺細胞(Hs 578Bst)存活率的影響。將三種細胞置于不同濃度的四種卟啉配合物培養基中分別培養24 h，48 h，72 h，如圖4所示。從圖4可以看出四種配合物對兩種癌細胞有明顯的抑制作用，而對正常乳腺細胞呈現很弱的細胞毒性，這充分表明卟啉大環對癌細胞的選擇性[22]。四種不同卟啉配合物對癌細胞作用具有不同的增殖活性更主要是連接酰腙基團的配體不同，Cu-P1和Cu-P2對細胞毒性的影響可能是取代基-OCH3，而另外兩種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，從圖4可以看出，Cu-P4具有更強的細胞毒性，尤其是A549細胞作用72 h時，表現出更強的細胞毒性，這主要是Cu-P4卟啉分子尺寸結合外圍離去基團的作用。

圖4 不同時間，不同劑量下，化合物對A549和HepG2細胞存活率的影響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 結

2017年María E. Alea-Reyes等[20]報道了兩親性吡啶基團構建金屬鋅水溶性卟啉融入金納米粒子用于光動力治療(如圖2所示)。該納米粒子具有高的單線態氧量子產率，并對其細胞毒性和光毒性進行研究。

席夫堿具有非常高的生物活性，當與金屬Cu配位后，隨著大π體系變大，配合物穿透細胞能力也變強，進一步增強了席夫堿配合物的生物活性[24]。水溶性卟啉與席夫堿配合物共軛結合，作用腫瘤細胞會起到很好的作用。本章中，介紹了本組設計合成的五種席夫堿Cu水溶性卟啉配合物[25]，并對其體外抗腫瘤活性研究(如圖5所示)。

3 席夫堿Cu卟啉配合物體外抗腫瘤研究

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3.1 分子結構

圖5 五種銅卟啉配合物分子結構Fig.5 The molecular structures of porphyrin base Cu(II) complexes

3.2 細胞毒性實驗

噻唑蘭是一種接受氫離子的染料，簡稱MTT。MTT為黃色化合物，可透過細胞膜進入細胞內，作用于活細胞線粒體中的呼吸鏈。在琥珀酸脫氫酶和細胞色素C的作用下四唑環(Tetrazolium)環開裂，生成水不溶性的藍紫色甲瓚(Formazan)結晶，并沉積在細胞中。

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圖6 不同劑量下，化合物對A549、H1975、HepG2、T47D和Hs 578Bst細胞72 h存活率的影響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 結

本部分介紹了五種水溶性丙酮席夫堿卟啉Cu配合物，通過體外抗腫瘤實驗表明，細胞毒性大小順序為CuP2>CuP1>CuP3>CuP5>CuP4，充分說明CuP2細胞毒性最強。另外，席夫堿配體與銅離子結合配位后顯著提高了其抗腫瘤活性，也說明了不同配合物卟啉對不同癌細胞具有選擇性，這主要是由配合物空間構型所決定。

觀察組35μg/kg舒芬太尼聯合麻醉0.2μg/kg瑞芬太尼,0.2-0.3mg/kg依托咪酯,0.1mg/kg順阿曲庫銨,微泵連續靜脈麻醉維持。2μg/(kg·h)舒芬太尼和0.06~0.20mg/(kg·min)丙泊酚。

4 結 語

水溶性Cu卟啉配合物是有效的一類抗腫瘤光敏劑，研究結果證明卟啉環外取代基團和配合物的空間效應，直接影響著化合物的水溶性以及配合物的抗腫瘤效果。通過研究表明，此類化合物在抗腫瘤方面有一定的潛在應用。但是由于金屬Cu熒光很弱，難以對亞細胞定位及熒光成像，因此本課題組后期工作中可以通過優化卟啉分子結構，選擇不同金屬進行配位，將水溶性卟啉配合物的優良光學性能與對惡性腫瘤的富集有效結合起來，從而將化學治療與熒光成像結合起來，更加提高治療惡性腫瘤的手段。