镍-2，2'-联吡啶-4，4'二羧酸配合物的结构及其生物活性研究

高夏南

(沈阳化工大学科亚学院，辽宁沈阳 110167)

癌症是当前严重威胁人类健康的重要疾病之一，其治疗和预防引起广泛重视.药物化学研究表明:临床上使用的许多抗癌药物都以DNA为主要靶点，通过与癌细胞DNA发生相互作用破坏其结构，进而影响基因调控和表达功能，表现出抗癌活性［1-3］.探讨金属配合物的结构与DNA作用模式及其生物活性之间的关系，能够使人们从分子水平上理解某些疾病的发病机理，并通过分子设计寻找有效的治疗药物，对阐明抗肿瘤抗病毒药物的作用机理、药物体外筛选、致癌物致癌机理的研究都有非常重要的意义.因此，研究金属配合物与DNA的键合与识别机理成为国际上比较活跃的研究领域之一［4-10］.

顺铂是当前临床应用最广的抗癌试剂之一，但是它的一系列毒副作用限制了它的进一步发展应用.因此，研究低毒性而又具有较好抗癌作用的金属配合物的工作迅速展开［11-13］.含羧基类配体是常用的有机配体，具有良好的柔韧性，通常能形成结构新颖的配合物.芳香羧酸因羧基可有多种取代位置和取向，加上羧基丰富的配位方式，因此，在配位聚合物晶体工程中是一类灵活多变的且被广泛采用的有机配体［14］.

金属配合物药物在疾病的治疗中起着重要的作用，过渡金属镍的配合物在药物学、配位化学和生物无机化学学科具有重要的作用［15-16］.镍是组装配位聚合物时常选用的金属元素，易与含N、O配位原子的配体形成配合物，能与羧基以多种配位方式组成各种类型的配位聚合物.因此，本文以镍为中心离子与 2，2'-联吡啶-4，4'二羧酸合成配合物［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O，通过凝胶电泳法证明配合物对pBR322-DNA的切割能力，并研究配合物对HeLa细胞的抑制能力.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker smart 1000 CCD-X射线单晶衍射仪，Nicolet IR-470红外光谱仪，PHS-3C精密数显酸度计，D-MS-I磁力搅拌器，E-201-Cp复合电极，ZFQ 85A旋转蒸发器，HH-4数显恒温水浴锅，AR2140电子分析天平.

2，2'-联吡啶-4，4'二羧酸、硝酸镍、氢氧化钾均为分析纯，HeLa细胞为生化试剂.

1.2 配合物的制备与表征

配合物单晶［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O制备:10 mL、1 mol/L 的 Ni(NO3)2与 10 mL、1 mol/L 的 2，2'-联吡啶-4，4'二羧酸混合，并用0.1 mol/L的KOH调节pH至6.5.搅拌4 h后，静置，将过滤得到澄清溶液置于小烧杯中，用保鲜膜封口，置于空气中，经过几周的溶剂挥发得到晶体.经过Bruker smart 1000 CCD-X射线单晶衍射仪确定晶体的结构为［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O.红外光谱分析结果为:(cm-1，s，强峰;m，中等;w，弱峰):ν(O—H)3 391(m);ν(C==O)1 710(s);ν(C==C)1 637(s)，1 429(m);ν(C—N)1 147(s);δ(C—O)1 250(m);ν(C—H)719(m).元素分析结果为(测定):C，35.29(35.68);H，4.41(4.50);N，6.86(7.29).

2 晶体结构

2.1 配合物晶体结构测定

选取尺寸为0.12 mm ×0.10 mm ×0.08mm的配合物单晶.在 Bruker smart 1000 CCD X-射线单晶衍射仪上，以石墨单色器的MoKα为靶源(λ=0.071 073 nm)，在1.90°＜θ＜26.04°内收集衍射数据.在273 K下，以ω-2θ方式共收集了10 487个衍射数据，其中独立数据1 759个［R(int)=0.030 4］，-7≤h≤7，-14≤k≤16，-26≤l≤24.数据还原应用了 Saint软件包.结构解析采用了直接法.氢原子采用理论加氢法获得，其它非氢原子采用最小二乘法和各向异性修正.具体测定数据见表1与表2.

表1 配合物的晶体学参数Table 1 Crystallographic parameters of the complex

表2 配合物主要的非氢原子坐标和热参数Table 2 Main non hydrogen atoms coordinates and thermal parameters of the complex

2.2 配合物晶体结构及其弱作用

配合物［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O的分子结构如图1所示.从图1中可以看出:镍离子与来自2，2'-联吡啶4，4'-二羧酸配体的2个N原子、水分子中的4个O原子配位，形成六配位的八面体构型.从键长与键角可以看出:4个配位水之间的夹角近似为90°，使整个配合物保持较好的稳定结构.在图2中，可以看到一个一维链结构，它是通过氢键弱作用形成.由π-π堆积作用形成的三维立体结构见图3.

配合物晶体中主要的键长(nm)为:Ni(1)—O(4)#1:0.203 79，Ni(1)—O(4):0.203 79，Ni(1)—O(3)#1:0.206 10，Ni(1)—O(3):0.206 10，Ni(1)—N(1):0.207 63，Ni(1)—N(1)#1:0.207 63.

配合物晶体中主要的键角(°)为:O(4)#1—Ni(1)—O(4):177.05(9)，O(4)#1—Ni(1)—O(3)#1:84.59(6)，O(4)—Ni(1)—O(3)#1:93.19(6)，O(4)#1—Ni(1)—O(3):93.19(6)，O(4)—Ni(1)—O(3):84.59(6)，O(3)#1—Ni(1)—O(3):82.36(8)，O(4)#1—Ni(1)—N(1):90.49(6)，O(4)—Ni(1)—N(1):91.78(6)，O(3)#1—Ni(1)—N(1):174.93(6)，O(3)—Ni(1)—N(1):99.15(6)，O(4)#1—Ni(1)—N(1)#1:91.78(6)，O(4)—Ni(1)—N(1)#1:90.49(6)，O(3)#1—Ni(1)—N(1)#1:99.15(6)，O(3)—Ni(1)—N(1)#1:174.93(6)，N(1)—Ni(1)—N(1)#1:79.77(8).

图1 配合物［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O的分子结构Fig.1 Molecular structure of［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O complex

图2 配合物的一维链结构Fig.2 One-dimensional chain structure of the complex

图3 配合物的三维立体结构Fig.3 Three-dimensional structure of the complex

3 配合物对pBR322质粒DNA的切割作

在外电场的作用下，带电颗粒如不处于等电状态，将向着与其所带电荷电性相反的电极移动.电泳时，样品在电槽中外电场的作用下发生移动，超螺旋带(FormⅠ)分子量较小，在电场的作用下迁移速率较大，开环带(FormⅡ)次之.实验中，随着配合物浓度的降低，FormⅠ解旋慢慢转化为FormⅡ，同时DNA会发生一定降解［17］.

图4是配合物对质粒DNA断裂实验结果.Lane 0是纯的 DNA，Lane 1～3为配合物与DNA在有氧条件下反应1 h的电泳图像，配合物浓度分别为13.2、6.6、3.3 μmol/L.从图 4 可以看出:随着化合物浓度的增加，FormⅠ在逐渐地减少，而FormⅡ在逐渐地增加.此现象表明这些配合物对pBR322质粒DNA具有切割能力.

图4 配合物对pBR322质粒DNA的切割电泳图Fig.4 Photoactivated cleavage of pBR 322 plasmid DNA of the complex

4 配合物的抗肿瘤活性

抗癌药物的筛选大致上有两种方法:体内筛选和体外筛选.两种方法各有优缺点:体内筛选准确度高，但需要动物活体，耗费大，而且周期相对较长.体外筛选虽然准确性相对较差，但操作简单，周期短，耗费低，便于临床进行抗癌药敏试验及新药筛选.1983年，Mosmann等根据细胞能量代谢水平与DNA合成水平相平行的原理［18］，建立了四甲基偶氮唑盐(MTT)染色法.由于黄色的MTT能被活细胞线粒体脱氢酶(如琥珀酸脱氢酶和心肌黄酶)还原成蓝紫色的甲臢(formazan)，死细胞则无这种能力，从而可用比色法推测细胞的存活和增殖程度.该方法操作简单、快速、敏感，明显优于过去常用的染料排斥法，与掺入同位素释放法测定结果一致.

基于配合物本身所具有的一些特性，以及与DNA作用的镍(Ⅱ)配合物可能有较好的肿瘤抑制活性，现以HeLa细胞作为研究目标，并与cis-DDP进行了对照，72 h IC50值见表3.由表3数据可知:该配合物显示出一定的抗肿瘤活性，但其活性不及顺铂.在一定浓度药物作用下，48 h后的细胞存活率见图5，结果与化合物的IC50法产生的结果一致.

表3 配合物对HeLa细胞的抑制活性IC50Table 3 Cytotoxicity of the complex against selected HeLa cells

图5 3 μmol/L配合物对HeLa癌细胞作用48 h后的细胞存活率Fig.5 Effect of 3 μmol/L of the complex on HeLa cells viability after 48 h of incubation

5 结论

(1)采用溶剂挥发法合成了［Ni(BDA)(H2O)4］2H2O 配合物(BDA 为 2，2'-联吡啶-4，4'二羧酸).

(2)通过红外光谱及元素分析对配合物进行了表征，应用X-射线衍射技术测定了配合物的晶体结构.对配合物的结构进行了详细的描述，化合物分子间存在弱的相互作用，通过这些弱作用，形成了一维链状结构，进而向空间扩展，形成了三维结构.

(3)配合物电泳实验表明:配合物对pBR322质粒DNA具有一定的切割能力，且切割能力因配体浓度的不同而略有变化.

(4)MTT实验结果表明该配合物对HeLa细胞具有一定的抑制能力.

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