一種含嗎啉修飾的多吡啶鈀(Ⅱ)配合物的合成、表征與抗金黃色葡萄球菌作用研究

王潤賓,韓天植,李知敏,堯智玲,廖向文,王金濤

(江西科技師范大學(xué)藥學(xué)院,南昌 330013)

0 引 言

金黃色葡萄球菌是一種常見的可引起感染的細(xì)菌[1],應(yīng)對金黃色葡萄球菌感染的問題一直是全球致力關(guān)注和解決的焦點。盡管抗生素對應(yīng)對細(xì)菌感染有著極大的作用和顯著的效果,但是近年來由于抗生素的不當(dāng)使用和誤用,導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性,使得多重耐藥金黃色葡萄球菌的出現(xiàn)再度成為嚴(yán)重的臨床問題[2]。據(jù)估計,到2050年由于感染耐藥菌死亡的人數(shù)可能達(dá)到1 000萬人[3]。因而研究人員需要開始一些新的途徑和方法來尋找替代抗生素的抗菌藥物。

近年來,金屬配合物在抗菌和抗癌等方面的良好表現(xiàn),引起了藥物化學(xué)家的廣泛關(guān)注[4],比如鎵配合物對一些產(chǎn)生多重耐藥性的陰性菌種,如鮑曼不動桿菌、肺炎克雷伯菌和銅綠假單胞菌,具有很強的敏感性,推測鎵配合物可能有多重靶點[5-8]。而一些金屬銅配合物也具有良好的抗菌活性,如金屬銅和駱駝寧堿形成的金屬銅配合物,它對銅綠假單胞菌的抑制圈直徑為8～19 mm,優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的抗菌藥阿莫西林[9-10]。另外釕的多吡啶配合物在抗菌等活性上似乎表現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿?本課題組也一直致力于開發(fā)具有優(yōu)良抗菌活性的多吡啶金屬配合物,例如發(fā)現(xiàn)[Ru(dmb)2(ETPIP)](ClO4)2(Ru(Ⅱ)-1)和[Ru(phen)2(ETPIP)](ClO4)2(Ru(Ⅱ)-2)兩種釕配合物對金黃色葡萄球菌有良好的抗菌活性(最小抑菌濃度MIC值分別為0.05 mg/mL, 0.025 mg/mL),而且金黃色葡萄球菌幾乎對其不產(chǎn)生耐藥性,更為重要的是,發(fā)現(xiàn)Ru(Ⅱ)-2配合物可以抑制代謝控制蛋白A的活性,從而導(dǎo)致細(xì)菌的死亡[11]。具有多種不同結(jié)構(gòu)和功能的多吡啶釕配合物可以和生物分子相互作用,其與長期使用的有機(jī)抗生素相比可能表現(xiàn)出不同的作用機(jī)制[12],這對于應(yīng)對細(xì)菌耐藥來說具有很重要的意義。釕配合物取得的諸多進(jìn)展,對研究其他種類的金屬配合物帶來啟發(fā),例如:一些鈀配合物不僅對革蘭氏陽性菌菌株表現(xiàn)出了良好的抗菌活性,還對陰性菌有良好的活性,比如含N-雜環(huán)卡賓的鈀配合物對革蘭氏陽性菌中的藤黃微球菌和革蘭氏陰性菌中的李斯特菌、鼠傷寒沙門氏菌有中等的抗菌效果(MIC值分別為0.019 7～0.062 5、0.078～1.25和1.25～5 mg/mL)[13]。鈀和釕處于同一族,是否鈀也同樣具有優(yōu)異的抗菌潛力有待進(jìn)一步挖掘,而關(guān)于鈀配合物抗菌方面的研究相對較少?；诖?本文設(shè)計合成了一種含有嗎啉基團(tuán)修飾的三聯(lián)吡啶衍生配體及其配合物Pd1(見圖1),引入嗎啉作為功能基團(tuán)是由于它是一種具有良好的理化、生物和代謝特性的雜環(huán)化合物,適當(dāng)修飾的嗎啉具有廣泛的生物作用,從鎮(zhèn)痛、抗炎、抗氧化、抗肥胖、抗高血脂癥,到抗菌、抗神經(jīng)退行性和抗癌活性等[14-17]。本團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)基于此配體的鉑類配合物展現(xiàn)出良好的抗腫瘤效果,特別是對耐順鉑細(xì)胞株同樣展現(xiàn)出了較好的活性抑制能力[18]。在合成及充分表征此例新結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,評估Pd1對金黃色葡萄球菌的抗菌活性及抑制生物膜的活性?？紤]一些致病菌對常見抗生素耐受性的產(chǎn)生,本文通過棋盤法測定Pd1是否可以作為抑制致病菌對常見抗生素耐藥性產(chǎn)生的抗菌輔助劑,此外還測定了Pd1清除細(xì)菌分泌毒素的活性。

圖1 鈀配合物的合成路線Fig.1 Synthetic route of Pd(Ⅱ) complex

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

圖1中配體4′-[4-(4-嗎啉基丁氧基)苯基]-2,2′∶6′2″-三聯(lián)吡啶根據(jù)文獻(xiàn)方法[19]合成,其他試劑、藥品均為市售分析純。

本研究所用儀器為:X射線單晶衍射儀(Bruker D8 VENTURE型),恒溫培養(yǎng)箱和恒溫培養(yǎng)搖床(Yiheng Scientific Instruments),酶標(biāo)儀(BioTek Instruments),高分辨質(zhì)譜儀(Waters Xevo G2-XS Q-TOF instrument),核磁共振儀(Bruker AVANCE 400 spectrometer)。

1.2 最小抑菌濃度(MIC)測定

測定Pd1對金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度。金黃色葡萄球菌在TSB培養(yǎng)基中培養(yǎng)過夜,然后用新鮮的培養(yǎng)基對培養(yǎng)過夜的菌液稀釋1 000倍,將50 μL不同濃度的Pd1和200 μL加入過夜培養(yǎng)菌液后的培養(yǎng)基混合加入96孔板中,在37 ℃下培養(yǎng)20 h后觀察分析結(jié)果。

1.3 生長曲線測定

使用酶標(biāo)儀(800TS)測定Pd1對金黃色葡萄球菌生長曲線的影響。金黃色葡萄球菌在培養(yǎng)基中培養(yǎng)過夜。過夜菌液稀釋100倍,加入到24孔的平板中,在搖菌床中以220 r/min的速度培養(yǎng),用酶標(biāo)儀每小時測定一次菌液的OD595 nm值。

1.4 耐藥性實驗

確定Pd1具有良好的抗菌活性之后,進(jìn)一步評估金黃色葡萄球菌隨著時間的變化是否會對Pd1產(chǎn)生耐藥性。根據(jù)文獻(xiàn)所提出的耐藥性實驗步驟[20],對其進(jìn)行耐藥實驗,首先,對含有單一金黃色葡萄球菌的培養(yǎng)基培養(yǎng)過夜,取過夜菌10 μL然后用新的培養(yǎng)基對它稀釋1 000倍。向96平板加入不同濃度Pd1的含菌培養(yǎng)基,在37 ℃的培養(yǎng)箱里培養(yǎng)20 h,取測定值為0.5倍MIC所對應(yīng)的孔中的菌液5 μL,加入無菌的培養(yǎng)基稀釋1 000倍,然后重復(fù)此操作傳代至20代,觀察第20代與第1代相比MIC值的倍數(shù)變化,同時采用阿米卡星作為對照。

1.5 生物膜形成的抑制

使用24孔板對Pd1進(jìn)行生物膜實驗。金黃色葡萄球菌在TSB培養(yǎng)基里培養(yǎng)過夜,然后用新鮮的培養(yǎng)基對過夜培養(yǎng)的菌液稀釋1 000倍,再在24孔板中加入不同濃度含Pd1的培養(yǎng)基,24孔的平板在37 ℃下培養(yǎng)48 h,用無菌水洗去沒有黏附的細(xì)菌三次,在室溫下過夜晾干。

1.6 溶血實驗

金黃色葡萄球菌在培養(yǎng)基中培養(yǎng)過夜,將過夜菌稀釋100倍,5 mL不同濃度的含Pd1的稀釋菌液的培養(yǎng)基,在搖菌床中以220 r/min的速度培養(yǎng)13 h,測定菌液的OD值,菌液在7 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心,吸取菌液上清液。在EP管中加入25 μL的菌液、100 μL洗凈的兔紅細(xì)胞和1 mL的磷酸緩沖鹽(phosphate buffered saline, PBS)溶液。在37 ℃下培養(yǎng)30 min,用離心機(jī)在2 000 r/min的速度下離心。測定離心后的混合液上清液OD543 nm的值。

1.7 聯(lián)用實驗

通過棋盤法測定抗生素和Pd1之間的協(xié)同作用。金黃色葡萄球菌在培養(yǎng)基中培養(yǎng)過夜。將過夜菌液稀釋100倍,200 μL的含有稀釋菌液的培養(yǎng)基、25 μLPd1和25 μL抗生素以梯度稀釋的濃度加入到96孔的平板中,96孔的平板在37 ℃條件下培養(yǎng)20 h。

1.8 合成與表征

根據(jù)類似三聯(lián)吡啶鈀(Ⅱ)配合物合成的文獻(xiàn)報道[19],取4′-[4-(4-嗎啉基丁氧基)苯基)]-2,2′∶6′,2″-三聯(lián)吡啶[18](46.6 g,0.1 mmol),醋酸鈀(22.4 mg,0.1 mmol)和四丁基氯化銨(206 mg,0.7 mmol)至20 mL的圓底燒瓶中,加入7 mL乙腈,室溫下反應(yīng)24 h得到綠色沉淀。反應(yīng)結(jié)束后,通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙腈,出現(xiàn)黏稠狀液體,加入10 mL甲基叔丁基醚后出現(xiàn)沉淀,將此沉淀離心,真空干燥,得到綠色配合物(Pd1)151 mg,產(chǎn)率80.1%。1H NMR (400 Hz, DMSO) δ 8.88-8.74(m, 4H), 8.56(d,J=5.3 Hz, 2H),8.41(d, J=7.1 Hz, 2H),8.13(d, J=8.0 Hz, 2H),7.8(d, J=6.1 Hz, 2H),7.15(d, J=8.3 Hz, 2H),4.14(s, 2H),3.59(s, 4H),3.5(s, 2H),2.39(s, 4H),1.81(s, 2H),1.63(s, 2H)。高分辨質(zhì)譜(HRMS,乙腈),測試值m/z: 607.109 1,[Pd1-Cl]+(理論值607.109 2)。元素分析按C29H30ClN4O2Pd計算值(%): C 54.09, H 4.70, N 8.70; 測試值(%): C 53.84, H 4.86, N 8.61。通過甲醇揮發(fā)可得黃色晶體。通過X射線單晶衍射儀在液氮低溫條件下收集了配合物Pd1(0.19 mm×0.15 mm×0.04 mm)衍射數(shù)據(jù),儀器配置單色石墨Mo Ka輻射衍射儀(λ=0.071 073 nm)。全部結(jié)構(gòu)分析工作在SHELX2015程序完成[21]。化合物的主要晶體學(xué)數(shù)據(jù)列于表1。CCDC:2106064。

表1 Pd1的晶體和結(jié)構(gòu)解析數(shù)據(jù)Table 1 Crystal and structure refinement data for Pd1

2 結(jié)果與討論

2.1 合成與表征

配合物的合成路線方案都通過圖1所示的步驟,并通過氫譜、碳譜、元素分析及高分辨質(zhì)譜進(jìn)行表征。用于X射線衍射晶體研究的Pd1通過甲醇揮發(fā)得到,具體的晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示,Pd1屬于單斜晶系,P21/n空間群,晶體衍射的數(shù)據(jù)收集見表1。

圖2 Pd1的晶體結(jié)構(gòu)圖。(a)Pd1在三維分子結(jié)構(gòu)下的熱橢球圖(30%的橢球率,省略氯離子和氫原子);(b)Pd1結(jié)構(gòu)中分子的π-π堆積Fig.2 Crystal structure of Pd1. (a) Thermal ellipsoid plot of Pd1 in ORTEP view. Solvent molecules, counteranion Cl- and hydrogen atoms have been omitted for clarity; (b) intramolecular π-π stacking interactions in Pd1

圖2晶體結(jié)構(gòu)表明,配合物Pd1是經(jīng)典的四配位鈀配合物,其中鈀與螯合三聯(lián)吡啶配體的三個氮原子和一個氯原子結(jié)合,呈現(xiàn)出常見的四配位結(jié)構(gòu)。如表2所示,在配合物Pd1中,四個配位鍵的鍵長分別是Pd1—Cl1為0.228 6(10) nm,Pd1-N1為0.203 6(3) nm,Pd1—N2為0.192 2(3) nm,Pd1—N3為0.202 7(3) nm,鍵角分別是N1—Pd1—Cl1為100.01(9)°,N2—Pd1—N1為80.77(11)°,N2—Pd1—N3為81.03(11)°,N3—Pd1—Cl1為98.16(9)°,總和為359.87°,接近360°,呈現(xiàn)出良好的平面幾何構(gòu)型。同時,每個配合物分子附近有三個甲醇分子。在空間結(jié)構(gòu)上,兩個分子頭尾相間,局部趨于平行,分子之間近似環(huán)中心之間的距離為0.361 5和0.391 6 nm(見圖2(b)),表明分子之間存在π-π弱堆積作用。

表2 Pd1的主要鍵長和鍵角Table 2 Selected bond lengths and angles for Pd1

2.2 Pd1對金黃色葡萄球菌的抗菌活性

首先,為了測定引入嗎啉修飾基團(tuán)的Pd1對金黃色葡萄球菌的抗菌活性,通過最小抑菌濃度MIC對Pd1進(jìn)行評估,得到的MIC值為62.48 μg/mL,由此可以看出,在引入含嗎啉修飾的基團(tuán)后形成的Pd1具有良好的抗菌活性。隨后,通過繪制生長曲線(見圖3),可以看出Pd1對金黃色葡萄球菌有明顯的抑制作用,在MIC下金黃色葡萄球菌的生長明顯被抑制,此抑制活性呈現(xiàn)濃度依賴效應(yīng),在低濃度下(0.5倍MIC),細(xì)菌的生長受到明顯抑制。

圖3 Pd1在不同的濃度下對金黃色葡萄球菌的生長的抑制作用Fig.3 Inhibition effect of Pd1 on the growth of S.aureus with different concentration

2.3 Pd1的耐藥實驗

細(xì)菌容易產(chǎn)生耐藥性是抗菌藥物的研發(fā)過程中面臨一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步評估金黃色葡萄球菌在Pd1處理條件下是否容易對Pd1產(chǎn)生耐藥性,本文進(jìn)行了耐藥實驗。所得實驗結(jié)果如圖4所示,發(fā)現(xiàn)Pd1在重復(fù)傳代20次培養(yǎng)之后,MIC值只增長了1倍,然而對照的抗生素阿米卡星則是增長了64倍。此結(jié)果表明Pd1不容易使金黃色葡萄球菌產(chǎn)生耐藥性,而且它的效果顯著。通常,化合物可能對一些與產(chǎn)生耐藥性有關(guān)的物質(zhì)有著顯著影響,而生物膜作為產(chǎn)生耐藥性的重要物質(zhì),可能是其作用靶點之一。

圖4 金黃色葡萄球菌對Pd1和抗生素阿米卡星的耐受性變化,數(shù)值變化是每代最小抑菌濃度值除以第一代最小抑菌濃度值的倍數(shù)Fig.4 Resistance development of S. aureus to Pd1 and the antibiotics amikacin. Values are fold change of the MIC of each generation divided by the MIC of first generation

2.4 Pd1對易引發(fā)耐藥性的生物膜形成的抑制

生物膜是一種自我產(chǎn)生的將細(xì)菌菌落包含在細(xì)胞外基質(zhì)的聚合物質(zhì),它黏附在生物或非生物的表面[22]。為了進(jìn)一步探究Pd1是否能夠抑制金黃色葡萄球菌生物膜的形成,通過對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出良好抑菌活性的Pd1來測定其對生物膜形成的影響,并通過結(jié)晶紫染色來對生物膜進(jìn)行初步定量。如圖5所示,金黃色葡萄球菌在濃度為0.25倍MIC、0.5倍MIC的Pd1的培養(yǎng)基中培養(yǎng)48 h,生物膜的形成分別減少了48.7%、74.1%,這可以看出Pd1對生物膜形成的抑制是非常明顯的。生物膜的形成與細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性密切相關(guān),而通過耐藥性實驗,已經(jīng)得出金黃色葡萄球菌不容易對Pd1產(chǎn)生耐藥性,這表明Pd1可以通過抑制生物膜的形成很好地阻止細(xì)菌耐藥性的發(fā)生,這對于開發(fā)新型抗菌藥物是非常重要的。另外值得說明的是,用于生物膜分析測定的濃度(0.25倍MIC、0.5倍MIC)對于金黃色葡萄球菌來說都是抑制性而非致死性的,都不足以殺死金黃色葡萄球菌。

圖5 Pd1分別在0、15.62和31.24 μg/mL的濃度下對金黃色葡萄球菌的生物膜形成的影響(該實驗對三個平行對照組進(jìn)行測定)。(a)在24孔板中用結(jié)晶紫染色后并用50%的冰醋酸溶解后的生物膜;(b)Pd1在0、15.62和31.24 μg/mL的濃度下對生物膜形成抑制的數(shù)據(jù)趨勢圖Fig.5 Effect on biofilm formation of S. aureus strains with 0, 15.62 and 31.24 μg/mL of Pd1 (this experiment were investigated with three biological replicates). (a) The biofilm stained by crystal violet and dissolved with 50% of glacial acetic acid in 24-well plate; (b) the data trend graph reflected that Pd1 inhibit the formation of biofilm at different concentration of 0, 15.62 and 31.24 μg/mL

2.5 Pd1對金黃色葡萄球菌毒素的抑制

細(xì)菌毒素在細(xì)菌感染中發(fā)揮非常重要的作用,它可以通過一定的生物機(jī)制引起細(xì)胞不同形態(tài)和生理學(xué)上的變化從而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡[23]。為了研究Pd1清除細(xì)菌毒素的抗菌活性,通過測定OD543 nm處的吸光度值來測定紅細(xì)胞破裂的程度。如圖6所示,紅細(xì)胞在濃度為0.25倍MIC及0.5倍MIC時,它的破損分別減少18.5%、63.7%,由此可以看出Pd1清除金黃色葡萄球菌毒素或抑制其分泌毒素的活性顯著。而細(xì)菌發(fā)揮它的毒害作用,主要是通過產(chǎn)生毒素,Pd1對金黃色葡萄球菌產(chǎn)生毒素的抑制可以阻止它對感染者造成進(jìn)一步的損害。

圖6 Pd1在0、15.62和31.24 μg/mL的濃度下對金黃色葡萄球菌毒素的作用(該實驗對三個平行對照組進(jìn)行測定)。(a)在ep管中受毒素影響兔血紅細(xì)胞的破裂程度;(b)Pd1在0、15.62和31.24 μg/mL的濃度下對毒素形成抑制的數(shù)據(jù)趨勢圖Fig.6 Effect on toxins against S. aureus with 0, 15.62 and 31.24 μg/mL Pd1 from left to right (this experiment were investigated with three biological replicates). (a) The degree of red blood cell rupture influenced by toxin in eppendorf tube; (b) the data trend graph reflected that Pd1 inhibit the formation of toxins at different concentration of 0, 15.62 and 31.24 μg/mL

2.6 Pd1與抗生素的聯(lián)用

為了克服耐藥性,包括抗菌輔助劑在內(nèi)的許多方法策略被研究人員采用,許多阻止細(xì)菌對現(xiàn)有抗生素產(chǎn)生耐受性的分子可以增加細(xì)菌對金黃色葡萄球菌的敏感性。因此采用棋盤法[24]來測定Pd1和許多種來自不同類別的抗生素之間是否有聯(lián)用效果。包括鹽酸克林霉素、氨芐青霉素、氧氟沙星和阿奇霉素。金黃色葡萄球菌加入到新的培養(yǎng)基培養(yǎng)過夜,然后將過夜培養(yǎng)的菌液用新鮮的培養(yǎng)基稀釋,加入到96孔板的孔中,并按照梯度稀釋的方式用DMSO溶解Pd1以及選擇好的常見抗生素。96平板在37 ℃下培養(yǎng)過夜。部分抑菌濃度指數(shù)FICI(fractional inhibition concentration indices)定義為每個藥聯(lián)合使用得到的MIC除以每個藥分開使用得到的MIC之和。當(dāng)FICI≥4時,兩者體現(xiàn)為拮抗作用,當(dāng)FICI<0.5時,兩者體現(xiàn)為協(xié)同作用。棋盤法評估和結(jié)果如表3所示。通過測定發(fā)現(xiàn)鹽酸克林霉素和Pd1的FICI的值為0.375,因此兩者具有協(xié)同作用,Pd1可以增強鹽酸克林霉素對金黃色葡萄球菌的敏感性(其他幾種抗生素FICI的值均大于0.5,表現(xiàn)出無協(xié)同作用)。目前,研究發(fā)現(xiàn)了一部分抗生素作用于細(xì)菌的靶點,Pd1和鹽酸克林霉素之間的聯(lián)合作用增強了金黃色葡萄球菌對鹽酸克林霉素的敏感性,這一結(jié)果可以用來進(jìn)一步研究Pd1和鹽酸克林霉素的作用靶點及作用機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)。

表3 抗生素和Pd1聯(lián)合使用的不同抗生素的最小抑菌濃度和部分抑制濃度指數(shù)Table 3 MIC and FICI of different antibiotics used in combination with Pd1

3 結(jié) 論

本文合成了含嗎啉修飾基團(tuán)的三聯(lián)吡啶鈀配合物(Pd1),它顯示出了對金黃色葡萄球菌的良好抗菌活性(MIC=62.48 μg/mL),生長曲線呈現(xiàn)明顯的濃度依賴,當(dāng)Pd1濃度為MIC時,金黃色葡萄球菌的生長幾乎被完全抑制。更重要的是,金黃色葡萄球菌對Pd1幾乎不產(chǎn)生耐藥性,這可能意味著其作用于細(xì)菌的時間短、效力強。此外,還發(fā)現(xiàn)Pd1對抑制生物膜的生長和細(xì)菌毒素的分泌有顯著的效果,這為研究人員尋找和設(shè)計Pd1的抗菌機(jī)制提供了重要的參考?？傊?Pd1表現(xiàn)出的優(yōu)良抗菌活性表明其在抗菌方面具有極大的應(yīng)用潛力,值得進(jìn)一步挖掘和探索。