探索一种新型不对称三杂环铱(III)配合物作为靶向线粒体的抗癌剂

《Journal of Inorganic Biochemistry》：Exploring a novel asymmetric tris-heteroleptic iridium(III) complex as mitochondria-targeted anticancer agents

　　基于铱(III)配合物的抗肿瘤研究：新型不对称三异质铱配合物Ir2通过线粒体靶向机制诱导凋亡并抑制HeLa细胞 xenograft肿瘤生长（IC50=1.54 μM，抑制率61.80%），其结构-活性关系经DFT计算验证。

　　

刘安莉|陈思宇|周秦|于发彪|李高楠|牛志刚

中国海南省海口市电化学储能与光能转换材料重点实验室，海南师范大学化学与化学工程学院，海口571158

摘要

有机金属铱(III)配合物是一类极具前景的抗癌剂。在本研究中，合成了三种双/三杂环铱(III)配合物——[Ir(piq)₂(bpy)]PF₆（Ir1）、[Ir(piq)(btp)(bpy)]PF₆（Ir2）和[Ir(btp)₂(bpy)]PF₆（Ir3），其中piq = 1-苯基异喹啉，btp = 2-(苯并噻吩基)吡啶，bpy = 2,2'-联吡啶。研究了它们的光物理性质，并通过理论计算进一步了解了这些配合物之间的差异。所有配合物均表现出对肿瘤细胞的强细胞毒性，其中三杂环配合物Ir2对HeLa细胞的活性尤为显著，因此对其进行了全面的抗肿瘤研究。激光共聚焦实验表明Ir2通过能量依赖的摄取机制进入细胞，并具有特定的线粒体靶向性，这一点通过高皮尔逊共定位系数（PCC = 0.93）得到证实。后续的生物学实验（包括细胞凋亡分析、细胞周期停滞、活性氧（ROS）水平及线粒体膜电位（MMP）变化）表明Ir2通过线粒体功能障碍诱导HeLa细胞凋亡。体内抗肿瘤活性实验证实Ir2能有效抑制HeLa移植鼠的肿瘤生长（抑制率为61.80%），且对主要器官无不良影响。总体而言，Ir2是一种新型的不对称三杂环铱(III)配合物，其在抗癌应用中表现出优异的效果，显示出作为传统抗癌药物替代品的潜力。

引言

癌症仍是全球最致命的疾病之一，2022年全球新增病例近2000万例，死亡人数约1000万[1]。基于铂的药物在癌症治疗中取得了显著成效；然而，其耐药性和严重的副作用影响了临床应用[2,3]。因此，迫切需要开发具有强抗癌活性和低副作用的新非铂基抗癌药物。近年来，基于铱的配合物因其优异的光物理性质（如良好的光稳定性、高量子产率和延长的发光寿命）以及卓越的抗癌活性（如有效的细胞通透性、高细胞毒性、特异性生物靶向性和强大的活性氧生成能力）[4],[5],[6]而成为有前景的替代品[4],[5],[6]。与铂基配合物相比，环金属化铱(III)配合物在修饰配体取代基和调整分子结构方面具有更多优势[7],[8],[9]，旨在提高肿瘤治疗效果。

铱(III)配合物中配体的选择对其在生物成像和癌症治疗中的应用至关重要。例如，Mao等人报道了一种含有铁烯修饰二膦配体的铱(III)配合物，该配合物能定位于溶酶体并诱导铁死亡，从而实现有效的癌症免疫治疗[10]。Liang等人合成了一系列阳离子铱(III)配合物，其中含有异喹啉生物碱配体，这种配合物通过自噬依赖的铁死亡机制协同诱导免疫原性细胞死亡（ICD）并抑制吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）[11]。Liu等人制备了十种三苯胺修饰的半夹心铱(III)吡啶配合物，这些配合物表现出优异的荧光特性、潜在的抗增殖活性和有效的抗迁移能力[12]。人们一直在努力探索铱基化疗药物，重点研究不同配体如何影响细胞死亡机制[13],[14],[15]。然而，铱(III)配合物分子结构的生物学影响却鲜有研究。

传统的双齿铱(III)配合物，如同环[Ir(C^N)₃]和杂环双[Ir(C^N)₂(L^X)]，已被广泛研究，其结构-活性关系也已被充分建立[16],[17],[18]。近年来，不对称杂环铱(III)配合物（通常是三[Ir(C^N)(C^N)′(L^X)]）作为一种新的荧光材料出现[19],[20],[21]；然而，它们的抗肿瘤应用目前报道较少。本文设计了一种新型的不对称三杂环铱(III)配合物[Ir(piq)(btp)(bpy)]PF₆（Ir2），结合了三种经典配体——1-苯基异喹啉（piq）、2-(苯并噻吩基)吡啶（btp）和2,2'-联吡啶（bpy），并探讨了其抗肿瘤潜力。为了对比，我们还合成了两种双环金属化铱配合物[Ir(piq)₂(bpy)]PF₆（Ir1）和[Ir(btp)₂(bpy)]PF₆（Ir3），并通过密度泛函理论（DFT）计算详细研究了它们的光物理性质，以阐明结构-活性关系。有趣的是，Ir2的不对称三杂环结构有效调节了其亲脂性，从而通过促进线粒体定位显著增强了对HeLa细胞的细胞毒性。为了获得更多信息，系统研究了其在体外的抗肿瘤机制和体内的抗肿瘤活性，突显了其作为新型抗癌剂的潜力。

合成与表征

三种铱(III)配合物(Ir1-Ir3)的合成路线如图1所示。首先，根据相关文献中的方法分别制备了环金属化配体1-苯基异喹啉（piq）[22]和2-(苯并噻吩基)吡啶（btp）[23]。随后，将这些配体与IrCl₃·nH₂O反应生成相应的氯桥联铱二聚体。在氮气氛围下，这两种氯桥联铱二聚体进一步与其他试剂反应

结论

本文设计、合成并全面表征了一系列含有bpy辅助配体的piq和btp基铱(III)配合物（Ir1-Ir3）。MTT实验结果显示，这些配合物对测试的肿瘤细胞的细胞毒性较弱。其中，Ir2表现出最明显的细胞毒性和选择性，尤其是对HeLa细胞系（IC₅₀ = 1.54 ± 0.19 μM），这促使我们进一步研究其抗肿瘤机制。

材料

1-苯基异喹啉（piq）和2-(苯并噻吩基)吡啶（btp）按照文献方法[22,23]合成。2,2'-联吡啶（bpy）和六氟磷酸铵（NH₄PF₆）购自Rakuen Reagent。除非另有说明，所有商业试剂均按原样使用。所有溶剂均经过标准纯化处理，用于光谱测定的溶剂为光谱级。

铱(III)二聚体的合成

环金属化的氯桥联铱二聚体[Ir(piq)₂(μ-Cl)]₂、[Ir(piq)(btp)(μ-Cl)]₂

CRediT作者贡献声明

刘安莉：撰写——初稿撰写、验证、实验研究、数据分析。陈思宇：数据可视化、实验研究、数据分析。周秦：实验研究、数据分析。于发彪：项目监督、软件使用、资源获取、资金筹集。李高楠：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源管理、资金筹集、概念构思。牛志刚：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法学研究、资金筹集。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22061016、22261016、22264013）和海南省自然科学基金（编号225RC746、823MS042）的支持。