癌症(恶性肿瘤)是威胁人类健康最严重的疾病之一，是新世纪人类健康的第一大杀手。化疗是当前治疗癌症的主要手段之一，然而化疗药物的毒副作用以及引起的多药耐药等诸多问题严重制约了它们的临床应用和疗效。因此，寻找新型高效、低毒的靶向性抗癌药物日益迫切、凸显重要。随着生物金属有机化学的发展，某些金属有机化合物凭借其独特的分子构型、丰富的金属中心和配体、氧化还原性质和特殊的作用机理等优势，在新型金属抗癌药物的设计与发展中显示了巨大的潜力。与此同时，碳硼烷药效团由于其独特的三维空间结构、稳定性高、易于衍生和修饰等性质，在药物设计、分子成像、靶向性放疗等生物医学领域的研究备受关注。　　 在本论文的研究工作中，我们将具有生物活性的碳硼烷基团连接到金属有机骨架中得到一系列纳米尺度的新型碳硼烷-金属有机衍生物(图1)：含碳硼烷、二茂铁基、羧基的芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物2a和2b，含不同连接臂的二茂铁-碳硼烷衍生物FcSB1、FcSB2和FcSBCO。通过化学、生物医学等多学科的方法研究了这两组碳硼烷衍生物的生物抗肿瘤活性：在细胞水平上，研究其抑制多种癌细胞增殖和增强抗癌药物细胞内蓄积及其逆转多药耐药的活性；在分子水平上，研究其与几种功能模型蛋白的作用位点与作用机制。在此基础上进一步研究了碳硼烷羧酸衍生物与功能化CdTe量子点协同作用抑制肿瘤细胞增殖的过程和机制。　　 本论文的主要研究内容如下：　　 1)芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物的体外抗癌活性研究：　　 创新性地联合运用实时细胞阻抗分析系统、流式细胞术、光学显微镜等方法研究了芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物2a和2b与靶向癌细胞的相互作用和体外抗癌活性。研究结果表明，二茂铁活性基团的引入显著增强了2a的抗癌活性，2a对多种细胞如肝癌细胞SMMC-7721、肝癌细胞HepG2和人胚肺HELF正常细胞有很强的抑制作用，并明显干扰细胞的周期进程，使SMMC-7721细胞和HELF细胞阻滞于DNA合成前期G0/G1期；若将二茂铁基团替代为羧基后，得到的衍生物2b实现了潜在的选择性杀死癌细胞的抗癌活性，2b对SMMC-7721和HepG2细胞具有抑制增殖作用，而对HELF正常细胞没有细胞毒性。由此可见，芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷骨架是药物设计的“脚手架”，通过连接不同性质的生物活性基团，实现了对化合物抗癌活性的控制，为高效低毒抗癌药物的设计和筛选提供了一个新范例。　　 2)二茂铁-碳硼烷衍生物的体外抗癌活性研究：　　 在以上研究的基础上，我们进一步采用电化学法、MTT，(3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐)、实时细胞阻抗分析等方法研究了新型二茂铁-碳硼烷衍生物FcSB1、FcSB2和FcSBCO的体外抗癌活性，特别地采用电化学分析法揭示了FcSB1、FcSB2和FcSBCO的氧化还原性质，探讨了二茂铁基和碳硼烷基团之间“连接臂”的结构和性质对二茂铁基的影响，及其生物活性和抗癌活性的构效关系。研究结果表明，FcSB1、FcSB2和FcSBCO由于其高亲脂性和疏水性，在无血清培养条件下能够迅速进入细胞，并对细胞产生急性细胞毒作用；而在近生理条件下，与血清蛋白的结合极大地削弱了它们的细胞毒作用。二茂铁-碳硼烷衍生物的体外抗癌活性大小为FcSB2>FcSB1>FcSBCO，与氧化还原式电位高低顺序相反，表明“连接臂”性质的不同“控制”着衍生物中二茂铁基的氧化还原性质，进而影响着二茂铁-碳硼烷衍生物的抗癌活性；FcSB1、FcSB2和FcSBCO显著地抑制了肝癌细胞SMMC-7721和HepG2的增殖，而在相同条件下对正常细胞HELF无明显的体外抑制效应。因而研究结果表明二茂铁-碳硼烷衍生物是潜在的抗癌试剂，官能团二茂铁与碳硼烷的连接和优化设计，对于靶向性药物探索具有重要的价值。　　 3)新型碳硼烷金属有机衍生物协同抗癌药物柔红霉素的抗癌活性及其逆转多药耐药的研究：　　 采用生化分析和光电检测等手段研究了新型碳硼烷金属有机衍生物分子探针对白血病K562敏感细胞株和K562/A02耐药细胞株体外抗癌活性与逆转肿瘤多药耐药的作用。结果表明，芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物2a和2b显著提高了抗癌药物分子柔红霉素在两种靶向癌细胞内的蓄积，并使K562/A02耐药细胞内的药物有效浓度显著提高。与此同时，进一步研究了二茂铁-碳硼烷衍生物FcSB1、碳硼烷和二茂铁小分子对K562敏感细胞株和K562/A02耐药细胞株的抗癌活性及其协同抗癌药物柔红霉素逆转多药耐药的机制。FcSB1可协同抗癌药物柔红霉素进入细胞，增强胞内药物有效浓度，而在相同条件下，单独的碳硼烷和二茂铁小分子无协同效应，表明分子结构中多个官能团的共同存在与协同作用在新型抗癌药物设计及多药耐药逆转剂的研究中具有重要的作用。　　 4)碳硼烷羧酸衍生物与功能化CdTe量子点的相互作用和其体外协同抑制肿瘤细胞增殖研究：　　 荧光光谱法研究结果表明，碳硼烷羧酸与带正电荷的半胱胺功能化CdTe量子点(CA-CdTeQDs)发生静电作用而影响CA-CdTe QDs表面结构。激光共聚焦荧光显微镜、实时细胞阻抗分析和细胞生物学方法等研究结果表明，碳硼烷羧酸衍生物与CA-CdTe QDs自组装形成的纳米复合物能够增强CA-CdTe QDs活细胞识别与成像能力，并对肿瘤细胞如SMMC-7721肝癌细胞具有明显的协同抑制作用；由于碳硼烷分子的疏水性和亲脂性，碳硼烷羧酸-CdTe QDs纳米复合物更易进入细胞，增强了在细胞内的吸收与分布，诱使细胞产生更高水平的活性氧(ROS)而引起细胞凋亡，从而对肿瘤细胞产生更大的细胞毒性。这一工作为碳硼烷的量子点标记和肿瘤多模式治疗提供新的方法和思路。　　 5)新型碳硼烷金属有机衍生物与功能模型蛋白如血红蛋白、肌红蛋白和牛血清白蛋白的相互作用机制研究：　　 光谱电化学方法的研究结果表明，二茂铁-碳硼烷衍生物(FcSB1、FcSB2和FcSBCO)与血红蛋白(Hb)、肌红蛋白(Mb)分子的作用明显大于芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物(2a和2b)。二茂铁-碳硼烷衍生物中裸露的富电性硫原子可取代血红素蛋白(Mb和Hb)天然构象中血红素铁卟啉中心第六个配体水分子(或氧分子)，与铁配位。因而这一配位作用可促使Mb的铁卟啉中心由六配位高自旋态变成六配位低自旋态，并进一步改变铁卟啉辅基的化学微环境；而Fe-S配位作用使Hb发生变构效应，即可从氧合态(R态)逐渐转变为脱氧态(T态)。与此同时，二茂铁-碳硼烷衍生物中硫原子附近基团的微环境性质影响了衍生物与血红素铁卟啉中心的相互作用。随着二茂铁-碳硼烷衍生物浓度增加，二茂铁-碳硼烷衍生物将不同程度地影响四聚体蛋白Hb和单体蛋白Mb的天然构象，使蛋白逐渐解折叠。在解折叠过程中，FcSB1、FcSB2和FcSBCO通过疏水作用、氢键作用等方式影响着蛋白中氨基酸残基所处的微环境。进一步分析了二茂铁-碳硼烷衍生物对Hb和Mb构象和氨基酸残基微环境的影响与衍生物自身结构的关系，表明FcSB1、FcSB2和FcSBCO与Mb和Hb的识别能力不同，对其构象影响不同。芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物2a和2b由于芳烃基等基团的化学空间位阻效应，使得硫原子不能与血红素辅基作用，因而其对Hb和Mb的构象和相应氨基酸微环境的影响微小。　　 白蛋白是体内外源性疏水性物质的重要载体，二茂铁-碳硼烷衍生物和芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物可与牛血清白蛋白(BSA)形成稳定的非荧光性复合物而猝灭BSA的荧光。在与BSA作用过程中，FcSB1、FcSB2和FcSBCO显著地影响了BSA的空间构象，并使色氨酸和酪氨酸残基尤其是酪氨酸残基附近微环境的极性降低，疏水性增强。而芳烃钌(Ⅱ)-碳硼烷衍生物2a和2b对BSA构象影响小于二茂铁-碳硼烷衍生物。