Координационная химия, 2023, T. 49, № 1, стр. 27-35
Изучение восстановления комплексов кобальта(III) in situ c помощью спектроскопии ЯМР
Е. А. Хакина 1, 2, *, И. А. Никовский 1, Д. А. Бабакина 3, Г. Л. Денисов 1, 2, Ю. В. Нелюбина 1, 2
1 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
Москва, Россия
2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Москва, Россия
3 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Москва, Россия
* E-mail: khakina90@ineos.ac.ru
Поступила в редакцию 04.05.2022
После доработки 06.06.2022
Принята к публикации 08.06.2022
- EDN: ERVRRS
- DOI: 10.31857/S0132344X22700037
Аннотация
Предложен подход, позволяющий осуществлять мониторинг процессов редокс-активации лекарственных препаратов в комплексах кобальта(III) in situ с помощью спектроскопии ЯМР. С использованием предложенного подхода исследовано восстановление гетеролептических комплексов кобальта(III), содержащих молекулу 6,7-дигидроксикумарина в качестве модельного лекарственного препарата. Показано, что замена бипиридинового лиганда в комплексе кобальта(III) на фенантролин приводит к значительному увеличению скорости редокс-активируемого высвобождения лекарственного препарата.
Химио- и радиотерапия, часто применяемые в клинической практике, значительно теряют свою эффективность при лечении так называемых “твердых” опухолей из-за наличия в них регионов с низким уровнем кислорода [1]. Однако дифференциация пораженных раком и здоровых тканей по уровню кислорода позволила разработать новую стратегию селективной химиотерапии, заключающуюся в применении химических соединений, ингибирующая способность которых активируется в условиях гипоксии “твердых” опухолей (редокс-активируемые препараты).
В качестве одного из способов уменьшения негативного воздействия противораковых лекарственных препаратов на организм человека в последнее время активно рассматриваются “молекулярные платформы”, позволяющие осуществлять их адресную доставку в клетки опухолей, на основе молекулярных комплексов биогенных металлов [2, 3]. Среди различных вариантов подобных платформ особый интерес представляют редокс-активные соединения биогенных металлов, например кобальта [4, 5]. Ион кобальта(III) способен координировать и инактивировать цитотоксичные лиганды с образованием инертных комплексов, которые могут циркулировать в организме человека по кровеносным сосудам без повреждения здоровых тканей. В условиях гипоксии в тканях опухолей повышается концентрация биогенных восстановителей, таких как восстановленный никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADPH) или восстановленный глутатион и аскорбат, что приводит к активации таких комплексов при восстановлении иона кобальта(III) до иона кобальта(II) [6]. Это сопровождается диссоциацией комплексов, в результате которой происходит высвобождение лекарственного препарата, выполнявшего роль органического лиганда. Селективность действия данного препарата в тканях с низким уровнем кислорода обеспечивается быстрым обратным окислением иона кобальта(II) до иона кобальта(III) в здоровых тканях с нормальной концентрацией кислорода [7]. К настоящему моменту получен ряд комплексов кобальта(III) c некоторыми лекарственными препаратами и их предшественниками, продемонстрировавшими высокий потенциал данного подхода. Среди них – комплексы кобальта(III) c соединениями из класса алкилирующих противораковых препаратов, являющихся аналогами азотистого иприта [8, 9], ингибитором матричной металлопротеиназы широкого спектра действия маримастатом [10], ингибиторами рецептора эпидермального фактора роста [11], эскулетином (производным кумарина, потенциально обладающим противораковой активностью) [5] и фенилаланином (являющимся модельным соединением противоракового препарата мелфалана) [12].
Несмотря на полученные к настоящему моменту обнадеживающие результаты, для перехода разработанной стратегии редокс-активации в стадию клинических испытаний необходимо преодолеть множество ограничений. Одна из основных проблем заключается в том, что многие результаты, полученные in vitro, не удалось воспроизвести in vivo. Это делает необходимым дальнейшую оптимизацию свойств комплексов кобальта для использования в качестве молекулярной платформы для редокс-активируемой доставки лекарственных препаратов.
Для успешного решения данной проблемы необходима разработка метода, позволяющего исследовать процессы редокс-активации лекарственных препаратов в комплексах кобальта in situ в условиях, приближенных к биологическим. Наиболее часто для исследования процессов восстановления используют оптическую спектроскопию поглощения [5]. Основной недостаток данного метода заключается в перекрывании полос поглощения исходных комплексов и продуктов реакции, что значительно затрудняет анализ.
В настоящей работе мы предложили подход, позволяющий осуществлять мониторинг восстановления комплексов кобальта(III) in situ с помощью спектроскопии ЯМР. В качестве объектов исследования выбраны комплексы кобальта(III) [Co(Bipy)2(coumarin)]ClO4 (I) и [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 (II) [5, 13], содержащие в качестве лигандов бипиридин или фенантролин и дианион 6,7-дигидроксикумарина (cхема 1). Выбор этих комплексов обусловлен их способностью к высвобождению кумарина при восстановлении иона кобальта(III) биогенными восстановителями, что обуслoвливает их перспективные биологические свойства. Так, ранее была продемонстрирована цитотоксичность I по отношению к клеткам рака кишечника в условиях гипоксии [5], а II исследован in vitro в качестве препарата для фотодинамической терапии рака [13].
Схема 1 .
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Синтез I и II проводили по литературным методикам [5, 13]. В качестве предшественников использовали комплексы кобальта(III) [Co(L)2Cl2]Cl (L = Bipy, Phen), полученные при окислении соответствующих комплексов кобальта(II) газообразным хлором [14]. Хлор получали при взаимодействии перманганата калия с концентрированной соляной кислотой и осушали пропусканием через концентрированную серную кислоту [15]. 1,10-Фенантролин (99%, Sigma-Aldrich), 2,2'-бипиридин (99%, Sigma-Aldrich), хлорид кобальта(II) (98%, безводный, Sigma-Aldrich), 6,7-дигидроксикумарин (98%, Sigma-Aldrich), перхлорат лития (98%, Alfa Aesar), триэтиламин (99%, Sigma-Aldrich) использовали без предварительной очистки.
Общая процедура синтеза комплексов I, II. Раствор 6,7-дигидроксикумарина (0.5 ммоль, 89 мг) и триэтиламина (1 ммоль, 101.2 мг, 139 мкл) в 10 мл метанола добавляли к раствору [Co(L)2Cl2]Cl (L = = Bipy, Phen) (0.5 ммоль) в 15 мл метанола. Полученную смесь кипятили в течение 3 ч, затем охлаждали до комнатной температуры, добавляли раствор перхлората лития (1.25 ммоль, 133 мг) в 5 мл метанола и перемешивали 30 мин при охлаждении на водяной бане для кристаллизации целевых комплексов. Образовавшийся зеленый осадок отделяли фильтрованием, промывли изопропанолом, диэтиловым эфиром и высушивли при пониженном давлении.
I: выход 258 мг (80%). 1Н ЯМР (300 МГц; D2O; δ, м.д.): 5.92 (д., J = 9.3 Гц, 1H, СНСНСОО), 6.50 (с., 1Н, СН), 6.70 (с., 1Н, СН), 7.42–7.45 (м, 4Н, СН), 7.61 (д, J = 9.4 Гц, 1H, СНСНСОО), 7.74–7.80 (м, 2Н, СН), 8.19–8.25 (м, 2Н, СН), 8.36–8.42 (м, 2Н, СН), 8.52 (д., J = 8.0 Гц, 2H, СН), 8.62 (д., J = = 8.1 Гц, 2H, СН), 8.69 (д., J = 5.7 Гц, 1H, СН), 8.76 (д., J = 5.7 Гц, 1H, СН). Масс-спектр (ESI), m/z: [Co(Bipy)2(coumarin)]+, рассчитано 547.08, найдено 547.1.
II: выход 290 мг (83%). 1Н ЯМР (300 МГц; СD3CN; δ, м.д.): 5.83 (д., J = 9.4 Гц, 1H, СНСН-СОО), 6.46 (с., 1Н, СН), 6.57 (с., 1Н, СН), 7.49 (д., J = 9.4 Гц, 1H, СНСНСОО), 7.63–7.71 (м., 4Н, СН), 8.20–8.21 (м., 4Н, СН), 8.36–8.39 (м., 2Н, СН), 8.72–8.76 (м., 2Н, СН), 9.01 (д., J = 8.2 Гц, 2H, СН), 9.10 (д., J = 5.3 Гц, 1H, СН), 9.17 (д., J = 5.2 Гц, 1H, СН). Масс-спектр (ESI), m/z: [Co(Phen)2(coumarin)]+, рассчитано 595.08, найдено 595.0.
РСА. Рентгенодифракционное исследование монокристаллов комплекса I, полученных диффузией паров диэтилового эфира в его раствор в ацетонитриле, проводили на дифрактометре Bruker Quest D8 CMOS (MoKα-излучение, графитовый монохроматор, ω-сканирование). Структура расшифрована с использованием программы ShelXT [16] и уточнена в полноматричном МНК с помощью программы Olex2 [17] в анизотропном приближении по $F_{{hkl}}^{2}.$ Положения атомов водорода рассчитаны геометрически, и они уточнены в изотропном приближении по модели наездника. Основные кристаллографические данные и параметры уточнения представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Параметр | Значение |
---|---|
Брутто формула | C31H23N5O8ClCo |
М | 687.92 |
T, K | 1 |
Сингония | Ромбическая |
Пр. группа | Fddd |
Z | 32 |
a, Å | 34.4574(6) |
b, Å | 45.2707(9) |
c, Å | 16.4894(3) |
α, град | 90 |
β, град | 90 |
γ, град | 90 |
V, Å3 | 25 722.0(8) |
ρ(выч.), г см–3 | 1.421 |
μ, см–1 | 6.74 |
F(000) | 11 264 |
2θmax, град | 52 |
Число измеренных отражений | 65 190 |
Число независимых отражений | 6339 |
Число отражений с I > 3σ(I) | 5323 |
Количество уточняемых параметров | 432 |
R1 | 0.0945 |
wR2 | 0.2045 |
GOОF | 1.166 |
Остаточная электронная плотность (max/min), e Å–3 | 0.515/–0.598 |
Полный набор рентгеноструктурных параметров для комплекса I депонирован в Кембриджском банке структурных (CCDC № 2169544; http://www.ccdc.cam.ac.uk/).
In situ спектроскопия ЯМР. Раствор комплекса I или II (7.6 мкмоль) в смеси 200 мкл D2O и 400 мкл CD3CN помещали в ампулу для спектроскопии ЯМР с последующим добавлением 10 мкл раствора аскорбиновой кислоты в D2O (6.25 × 10–7 М). При исследовании процесса восстановления в атмосфере аргона перед добавлением аскорбиновой кислоты (АА) через раствор комплекса с помощью длинного стеклянного капилляра барботировали аргон в течение 5 мин.
Спектры ЯМР 1H с полученных смесей регистрировали при комнатной температуре на спектрометре Bruker Avance 300 с рабочей частотой для протонов 300.15 МГц. Значения химических сдвигов (δ, м.д.) в спектрах определяли относительно остаточного сигнала растворителя (1Н 1.94 м.д. для CD3CN). Регистрацию спектров ЯМР проводили каждые две минуты в течение 40 мин. Использовали следующие параметры регистрации: диапазон спектра – 170 м.д., время регистрации – 0.2 с, длительность релаксационной задержки – 0.6 с, длительность импульса – 9.5 мкс, количество накоплений – 32. Полученные спады свободной индукции для повышения соотношения сигнал/шум обрабатывали при помощи экспоненциального взвешивания с коэффициентом до 1. Скорость конверсии оценивали по расходованию исходных комплексов. Содержание комплексов в смеси (в % от исходного) рассчитывали по отношению интегральной интенсивности сигнала остаточных протонов CD3CN к интегральной интенсивности сигнала мультиплета 8.60–8.69 м.д. для I и 8.60–8.89 м.д. для II, выбранного из-за удобства интегрирования, поскольку он наблюдается на всем протяжении восстановления и не перекрывается с другими сигналами.
Масс-спектрометрия. Масс-спектрометрический анализ продуктов восстановления выполняли с использованием жидкостного хромато-масс-спектрометра модели LCMS-2020 (Шимадзу, Япония) с ионизацией электрораспылением и квадрупольным детектором (регистрация положительных и отрицательных ионов с m/z в диапазоне 50–2000). Температуры линии десольватирования и нагревательного блока составляли 250 и 400°C соответственно. В качестве распылительного и осушающего газа использовали азот (99.5%), подвижная фаза – ацетонитрил (99.9+%, для В-ЭЖХ, ChemLab) со скоростью потока 0.4 мл/мин. Объем анализируемой пробы – 0.1 мкл.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Выбранные комплексы кобальта(III) [Co(Bipy)2-(coumarin)]ClO4 (I) и [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 (II) были синтезированы по описанным методикам [5, 13] при взаимодействии 6,7-дигидроксикумарина с [Co(L)2Cl2]Cl (L = Bipy, Phen) в присутствии триэтиламина и перхлората лития. Они были выделены в индивидуальном виде и охарактеризованы при помощи спектроскопии ЯМР. Строение комплекса I также было подтверждено при помощи рентгеноструктурного анализа (рис. 1) его кристаллосольвата с ацетонитрилом, использовавшемся в качестве одного из растворителей при кристаллизации. Согласно полученным таким образом данным ион кобальта(III) находится в низкоспиновом состоянии, на что однозначно указывают длины связей Co–N < 1.96 Å [18]. Его координационное окружение, образованное четырьмя атомами азота бипиридиновых лигандов (Co–N 1.917(5)–1.944(5) Å) и двумя атомами кислорода дианиона 6,7-дигидроксикумарина (Co–O 1.797(16)–1.961(15) Å), имеет форму, близкую к октаэдрической. Количественно это можно подтвердить при помощи “меры симметрии” [19], описывающей отклонение координационного полиэдра CoX6 (X = O, N) от идеального октаэдра. Чем это значение меньше, тем лучше форма полиэдра описывается соответствующим многогранником. В комплексе II соответствующая величина, оцененная на основе рентгенодифракционных данных при помощи программы Shape 2.1 [19], составляет всего 0.376. Для сравнения “мера симметрии”, описывающая отклонение координационного полиэдра от идеальной тригональной призмы, принимает заметно более высокое значение, равное 15.400.
Наличие в составе комплекса двух типов ароматических лигандов привело к появлению в его кристалле множества стекинг-взаимодействий, которые бипиридиновые лиганды образуют друг с другом и с дианионами 6,7-дигидроксикумарина. В результате в кристалле I наблюдаются 2D-слои (рис. 2), параллельные кристаллографической плоскости ac, с расстояниями между центроидами соответствующих ароматических колец и углами между ними в диапазонах 3.535(4)–4.120(4) и 1.3(5)°–6.0(3)° соответственно.
Для исследования восстановления комплексов кобальта(III) I и II in situ c помощью спектроскопии ЯМР в ампулу, содержащую раствор комплекса в смеси ацетонитрила-d3 и дейтерированной воды (2 : 1), добавляли 1 эквивалент аскорбиновой кислоты в виде раствора в дейтерированной воде с последующей регистрацией спектров 1Н ЯМР. Выбор смеси растворителей обусловлен неприемлемой для быстрой регистрации спектров ЯМР 1Н растворимостью комплекса II в воде и одновременно низкой растворимостью восстановителя – аскорбиновой кислоты в ацетонитриле. Перед восстановлением в инертной атмосфере раствор комплекса барботировали аргоном в течение 5 мин до добавления аскорбиновой кислоты. Предполагаемые продукты восстановления представлены на схеме 2 .
Схема 2 .
На рис. 3 приведены спектры 1Н ЯМР, демонстрирующие динамику процесса восстановления комплекса II аскорбиновой кислотой. В спектрах можно выделить диамагнитную (от 0 до 10 м.д.) и парамагнитную (от 15 до 120 м.д.) области. Первая содержит сигналы исходного комплекса, аскорбиновой кислоты, продукта еe окисления и свободного 6,7-дигидроксикумарина, а вторая – сигналы образующихся комплексов кобальта(II). Видно, что по мере протекания реакции интенсивность сигналов в диамагнитной области уменьшается, а в парамагнитной, наоборот, увеличивается. При этом количество наблюдаемых сигналов в парамагнитной области спектра остаeтся постоянным в процессе восстановления, несмотря на потенциальную возможность образования нескольких комплексов кобальта(II) (схема 2 ). Число сигналов, их химический сдвиг и интегральная интенсивность соответствуют комплексу [Co(Рhen)3]2+, что дополнительно подтверждается масс-спектрометрическим анализом продуктов восстановления. Масс-спектр реакционной смеси, изображенный на рис. 4, содержит интенсивные сигналы с m/z 299.7, 517.9 и 453.9, относящиеся к ионам [Co(Рhen)3]2+, [Co(Рhen)2-(ClO4)]+ и [Co(Рhen)2Cl]+. Появление в масс-спектре аддуктов с хлорид-анионом может быть связано с неполной заменой хлорид-иона на перхлорат при синтезе [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 из [Co(Рhen)2Cl2]Cl. Масс-спектр отрицательных ионов (рис. 5) содержит сигналы с m/z 177, 220.8 и 277, соответствующие ионам дигидроксикумарина, их сольватам с одной молекулой ацетонитрила и аддуктам с перхлорат-анионом, что дополнительно подтверждает релиз модельного лекарственного препарата в процессе восстановления.
В отличие от II восстановление комплекса I в аналогичных условиях протекает гораздо медленнее. На рис. 6 приведено сравнение скоростей конверсии комплексов II и I на воздухе и в атмосфере аргона по данным спектроскопии ЯМР. Видно, что скорость реакции восстановления I аскорбиновой кислотой в присутствии воздуха крайне мала. Следует отметить, что по истечении 24 ч после добавления аскорбиновой кислоты к комплексу II в присутствии воздуха происходит обратимое окисление и содержание исходного комплекса возрастает до 70%, в то время как в атмосфере аргона его содержание сохраняется на уровне 4%.
Ранее с помощью масс-спектрометрии было показано, что при восстановлении I образуется катион [Со(Bipy)2(H2O)]2+ [5]. Так, в парамагнитной области спектра ЯМР присутствует восемь сигналов, что как раз может соответствовать катиону [Со(Bipy)2(H2O)]2+ или смеси нескольких комплексов (рис. 7). В масс-спектре смеси обнаружен ион с m/z 405 (рис. 8), соответствующий катиону [Co(Bipy)2Cl]+. Как уже было замечено выше, наличие аддуктов с хлорид-ионом может быть связано с неполной заменой хлорид-иона на перхлорат при получении II. Однако при концентрировании раствора и повторном растворении остатка в ацетонитриле-d3 наблюдается лишь четыре сигнала в парамагнитной области спектра ЯМР, соответствующие протонам катиона [Со(Bipy)3]2+ (рис. 7), а в масс-спектре появляются интенсивные сигналы ионов [Co(Bipy)3]2+, [Co(Bipy)2(ClO4)]+ и [Co(Bipy)2Cl]+ (рис. 8).
Таким образом, нами предложен подход, позволяющий отслеживать процесс редокс-активации лекарственных препаратов в комплексах кобальта(III) in situ с помощью спектроскопии ЯМР. С использованием предложенного подхода исследовано восстановление комплексов [Co(Bipy)2-(coumarin)]ClO4 (I) и [Co(Phen)2(coumarin)]ClO4 (II), содержащих в своем составе анион 6,7-дигидроксикумарина в качестве одного из лигандов. Оказалось, что восстановление комплекса II аскорбиновой кислотой протекает заметно быстрее. С помощью спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии также удалось показать, что конечным продуктом восстановления указанных комплексов кобальта(III) являются комплексы кобальта(II) состава [Co(Phen)3]2+A2– и [Co(Bipy)3]2+A2–.
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Список литературы
Brown J.M., Wilson W.R. // Nat. Rev. Cancer. 2004. V. 4. P. 437.
Zhang P., Sadler P.J. // Eur. J. Inorg. Chem. 2017. P. 1541.
Areas E.S., Paiva J.L.A., Ribeiro F.V. et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 2019. V. 37. P. 4031.
Renfrew A.K., O’Neill E.S., Hambley T.W. et al. // Coord. Chem. Rev. 2018. V. 375. P. 221.
Palmeira-Mello M.V., Caballero A.B., Ribeiro J.M. et al. // J. Inorg. Biochem. 2020. V. 211. P. 111211.
Jungwirth U., Kowol C.R., Keppler B.K. et al. // Antioxid. Redox. Signal. 2011. V. 15. P. 1085.
Graf N., Lippard S.J. // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2012. V. 64 P. 993.
Ware D.C., Siim B.G., Robinson K.G. et al. // Inorg. Chem. 1991. V. 30. P. 3750.
Craig P.R., Brothers P.J., Clark G.R. et al. // Dalton Trans. 2004. V. 4. P. 611.
Failes T.W., Cullinane C., Diakos C.I. et al. // Chem. Eur. J. 2007. V. 13. P. 2974.
Karnthaler-Benbakka M.S.C., Groza M.S.D., Kryeziu M.K. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2014. V. 53. P. 12930.
Souza I.S.A., Santana S.S., Gomez J.G. et al. // Dalton Trans. 2020. V. 49. P. 16425.
Sarkar T., Kumar A., Sahoo S. et al. // Inorg. Chem. 2021. V. 60. P. 6649.
Vlcek A.A. // Inorg. Chem. 1967. V. 6. P. 1425.
Ma D.-L., Wu C., Cheng S.-S. et al. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. P. 341.
Sheldrick G.M. // Acta Crystallogr. A. 2008. V. 64. P. 112.
Dolomanov O.V., Bourhis L.J., Gildea R.J. et al. // J. A-ppl. Cryst. 2009. V. 42. P. 339.-
Stamatatos T.C., Bell A., Cooper P. et al. // Inorg. Chem. Commun. 2005. V. 8. P. 533.
Alvarez S. // Chem. Rev. 2015. V. 115. P. 13447.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Координационная химия