两种二聚γ-凯金型锗钨酸盐：合成、广谱抗癌活性及作用机制研究

《Journal of Molecular Structure》：Two Dilacunary γ-Keggin-Type Germanotungstates: Synthesis, Broad-Spectrum Anticancer Activity, and Mechanistic Insights

稀释酸性γ-Keggin型锗 tungstates化合物1和2的合成及其通过抑制AKT/STAT3通路和诱导线粒体凋亡发挥广谱抗肿瘤作用，并揭示结构差异导致药效分化的机制。

　　

黄晓辉|聂林芳|应少明|胡晓静|黄晓星

福建省宁德师范学院新能源与材料学院，福建省生物化学工业特色材料重点实验室，中国福建省宁德市352100

摘要

我们合成了两种双孔γ-凯金型锗钨酸盐化合物：[Cu(1,2-dap)₂][Cu(1,2-dap)₂(H₂O)]{[Cu(1,2-dap)₂]₂[GeW₁₀O₃₆]}·2.5H₂O（化合物1）和H[H₂pip][Cu(1,2-dap)₂]_0.5[Cu(1,2-dap)₂(H₂O)]₂[GeW₁₀O₃₆]·4H₂O（化合物2）。这两种化合物对多种人类癌细胞系表现出强烈的广谱细胞毒性，IC??值低于15 μmol/L。在HCT116结肠癌细胞中的机制研究表明，这些化合物通过下调关键信号通路（包括AKT和STAT3）来抑制细胞增殖。此外，它们还能诱导由Bcl-2家族蛋白调控的半胱天冬酶依赖性线粒体凋亡。细胞周期分析显示，化合物1导致S期停滞，而化合物2导致G1期停滞。另外，这两种化合物通过抑制上皮-间质转化（EMT）有效抑制癌细胞迁移。这两种化合物不同的信号抑制特性和功效归因于它们的结构差异。这些发现凸显了锗钨酸盐作为抗癌剂的潜力，并为基于多金属氧酸盐的化疗药物的结构设计提供了宝贵的见解。

引言

多金属氧酸盐（POMs）是一类由早期过渡金属与氧原子配位的金属-氧阴离子簇。POMs具有可调的结构、氧化还原性质和独特的酸性，使其能够响应肿瘤微环境（TME），因此在癌症治疗中具有很高的研究价值[1,2]。随着医疗技术的进步，基于POM的材料越来越多地应用于化疗（CT）[3]、光动力疗法（PDT）[4,5]、光热疗法（PTT）[6,7]和化学动力学疗法（CDT）[8,9]中。

最近，多种基于多金属氧酸盐（POM）的化疗药物通过诱导凋亡（一种程序性细胞死亡过程）表现出良好的抗癌活性，从而抑制肿瘤生长[10]。例如，以钒为中心的安德森型多金属氧酸盐B1（甲基修饰）和B7（羟基修饰）通过抑制PI3K/AKT通路和下调Bcl-2和Caspase-9，对A549、HeLa和MCF7细胞表现出强烈的抗肿瘤活性[11]。类似地，{Sb₂₁Tb₇W₅₆} POM通过联合诱导铁死亡和凋亡，对人类非小细胞肺癌细胞H1299和A549表现出强烈的抗肿瘤效果，IC₅₀值分别为3.245 μmol/L和3.591 μmol/L[12]。林德奎斯特型多金属氧酸盐（TBA）₂[MO₃V₃O₁₆(C₁₄H₂₃N₂O₆)]通过提高线粒体ROS诱导线粒体自噬，触发乳腺癌细胞的凋亡，并在体内抑制肿瘤生长和转移[13]。在肝细胞癌（HepG-2）细胞中，两种多钒酸盐[M(1-vIM)₄]₂[V₄O₁₂]·H₂O（POVs-1中的M为Ni²?，POVs-2中的M为Mn²?）通过线粒体功能障碍和ROS生成促进凋亡，其中Mn²⁺类似物表现出更强的效果[14]。Ag-{Mo₃₆}对A549肺癌细胞具有细胞毒性，可激活caspase9和多聚ADP-核糖聚合酶1（PARP1），并提高Bax/Bcl-2的比例[15]。Ang-Te-Ag-Ce纳米颗粒能够有效穿过血脑屏障（BBB），通过降低Bcl-2和GPX4、增加Bax和切割的caspase3，在胶质瘤细胞中诱导线粒体凋亡[3]。这些发现强调了凋亡和细胞周期停滞作为POMs抗增殖作用的主要机制。大多数情况下，这些凋亡是由Bcl-2家族蛋白驱动的线粒体功能障碍介导的。

在我们之前的工作中，我们表征了两种具有抗癌活性的凯金型锗钨酸盐，它们通过诱导胃癌细胞中的线粒体介导的凋亡来抑制细胞生长和增殖[16]。这表明凯金型锗钨酸盐作为化疗剂的潜力值得深入研究。在这项研究中，我们通过水热法合成了两种锗钨酸盐：[Cu(1,2-dap)₂][Cu(1,2-dap)₂(H₂O)]{[Cu(1,2-dap)₂]₂[GeW₁₀O₃₆]}·2.5H₂O（化合物1）和H[H₂pip][Cu(1,2-dap)₂]_0.5[Cu(1,2-dap)₂(H₂O)]₂[GeW₁₀O₃₆]·4H₂O（化合物2）。初步验证这两种化合物对多种人类癌细胞具有广谱细胞毒性。在此，我们进一步探讨了它们在HCT116结肠癌细胞中的作用机制。化合物1和化合物2均通过Bcl-2家族蛋白诱导线粒体凋亡，并通过EMT抑制细胞迁移。这些结果为双孔γ-凯金型锗钨酸盐的结构设计和抗癌治疗提供了理论基础。

化合物1的合成

将K?Na?[A-α-GeW?O??]·25H?O（0.459 g，0.150 mmol）、CuCl₂·2H?O（0.1462 g，0.858 mmol）、哌嗪（0.157 g，1.823 mmol）、1,2-丙二胺（100 μL）和蒸馏水（5.00 mL）混合后搅拌1小时（最终pH=11.06），然后密封在25.0毫升的特氟龙内衬不锈钢高压釜中，于160 °C加热3天。洗涤后通过过滤获得紫色块状晶体。分析计算得出C₂₄Cu₄GeN₁₆O_39.5W₁₀H₈₇的元素组成：H 2.56；C 8.47；N 6.59；Cu 7.65；Ge 2.13；W 54.11；

晶体结构

化合物1的结构属于四方空间群P4₁2₁2。一个不对称单元由一个多氧阴离子 {[Cu(1,2-dap)₂]₂[GeW₁₀O₃₆]}^4-、一个[Cu(1,2-dap)₂(H₂O)]²⁺阳离子、[Cu(1,2-dap)₂²⁺和2.5个自由水分子组成（图1A）。[Cu(1,2-dap)₂]²⁺阳离子不占据双孔[γ-GeW₁₀O₃₆]^{8?簇的空位，而是与[γ-GeW₁₀O₃₆]8?簇的末端（O5）和桥接（O29）氧原子结合。这些阳离子上的1,2-dap配体进一步}

结论

在这项研究中，我们成功合成了两种新型的双孔γ-凯金型锗钨酸盐化合物1和化合物2，它们对多种人类癌细胞系表现出强烈的广谱细胞毒性（IC₅₀ < 30μmol/L）。在HCT116结肠癌细胞中的机制研究表明，这两种化合物主要通过下调AKT和STAT3信号通路来抑制细胞增殖。值得注意的是，化合物2的促凋亡活性比化合物1更强。

CRediT作者贡献声明

黄晓辉：撰写——原始草稿、可视化、方法学、资金获取、正式分析、数据管理。聂林芳：研究、数据管理。应少明：可视化。胡晓静：数据管理。黄晓星：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了福建省自然科学基金（2022J01661）、福建省生物化学工业特色材料重点实验室（编号FJKL_FBCM202508）和宁德师范学院（2023Y09、2024T02）的支持。