药物分子硼替佐米在石墨烯纳米片上负载和释放的分子动力学模拟外文翻译资料

药物分子硼替佐米在石墨烯纳米片上负载和释放的分子动力学模拟

Songwei Zeng,^a Yu Ji,^b Yue Shen,^b Ruiyao Zhu,^b Xiaogang Wang,^b Liang Chen^b and Junlang Chen^*ab

a 浙江农林科技大学信息与工业学院，临安，311300, b 浙江农林科技大学光学工程系，临安，311300

摘要：石墨烯 (graphene, GR) 因其巨大的表面积和较高的细胞摄取率而被认为是将药物转运到靶细胞最有希望的候选物之一。在这项研究中，我们进行了分子动力学模拟，以研究石墨烯作为底物携带和递送药物分子的潜在应用。硼替佐米 (Bortezomib, BOR) 的原子结构和极性适于吸附在未修饰的石墨烯 (pristine graphene, PG) 和氧化石墨烯 (graphene oxide, GO) 上，因此被选作模型药物。首先，BOR 分子被负载到石墨烯表面形成 GR-BOR 复合物，这些复合物易进入脂质双分子层，之后 BOR 从石墨烯表面释放到膜中。GR-BOR 复合物进入膜主要是脂质尾部与纳米片基面之间的疏水相互作用驱使，而 BOR 的极性基团与脂质头部基团之间的静电相互作用有助于 BOR 从石墨烯释放到膜中。与 PG 不同的是，BOR 分子进入脂质双层后很难从 GO 表面去除。含氧基团的静电吸引增强了 BOR 与 GO 的结合。平均力势计算证实，吸附在 GO 表面的 BOR 比吸附在 PG 表面上的 BOR 具有更低的自由能。结果表明，石墨烯纳米片的吸附强度和释放速率可以通过氧化和带电进行调节，并且石墨烯作为载体转运和释放特定的药物分子是可行的。

关键词：石墨烯； 硼替佐米； 药物负载与释放； 分子动力学模拟

1. 引言

石墨烯 (graphene, GR) 及其衍生物由于其独特的原子结构和物理化学性质，在生物医学和生物技术领域显示出越来越大的潜力^[1-3]。在生物医学应用方面，石墨烯及其衍生物因其较大的可用于高效载药的比表面积和丰富的易于表面修饰的官能团而被认为是药物和基因递送的潜在载体^[4,5]。石墨烯基复合材料具有水溶性及较高的细胞摄取率。将药物负载到纳米载体上的意义是避免药物在到达靶细胞之前被酶促降解或水解^[6,7]。2008 年初，Dai 等人^[8]首次将石墨烯基纳米材料引入生物医学科学领域。他们成功地合成了聚乙二醇化的氧化石墨烯 (graphene oxide, GO) 片来吸附喜树碱类似物 SN38。所形成的 GO-PEG-SN38 复合材料可以通过被动渗透或内吞进入细胞内。

自此，人们对其生物医学应用的兴趣得到了极大的发展。功能化纳米石墨烯在生物传感器^[9-12]、细胞成像^[13-15]和药物递送方面的应用已被广泛研究^[16-18]。例如，同一团队使用 GO-PEG 复合物负载另一种抗癌药物阿霉素 (doxorubicin, DOX)，负载的药物表现出 pH 响应释放特性^[19]。Zhang 等人^[20]利用功能化 GO 进一步研究了多种抗癌药物的靶向递送。在他们的研究中，两种抗癌药物 DOX 和喜树碱 (camptothecin, CPT) 被一起负载到叶酸 (folic acid, FA) 偶联的 GO (GO-FA) 上，以特异性靶向 MCF-7 人乳腺癌细胞。GO-FA 复合物对这些阳性细胞具有选择性细胞毒性。在紫杉醇 (paclitaxel, PTX) 的递送方面，Xu 等人^[21]开发了 GO-PEG/PTX 复合材料，这种材料表现出相对较高的负载能力。与游离 PTX 相比，等量的 GO-PEG/PTX 导致细胞存活率降低，A549 和 MCF-7 的细胞存活率分别约为 30% 和 10%。除小的治疗分子递送外，石墨烯基纳米材料由于其独特的物理化学性质也被研究用于基因递送。将负载在 GO–PEI 复合物上的质粒 DNA 或小干扰 RNA 递送到细胞中，以敲除其目的基因的表达^[22-24]。

作为实验研究的补充，密度泛函理论 (density functional theory, DFT) 和分子动力学(molecular dynamics, MD) 模拟已被广泛用于研究石墨烯负载和递送药物分子^[25-30]。理论计算可以提供药物与其纳米载体之间的详细相互作用，如 pi;-pi; 堆积、静电相互作用和氢键结合。例如，Mahdavi 等人^[28]进行 MD 模拟，研究药物 DOX 在未修饰的石墨烯 (pristine graphene, PG) 和 GO 上的负载和释放。他们发现药物在石墨烯上的吸附和解吸附与 pH 有关。中性 pH 值有利于 GO 载药，而释药发生在酸性条件下 (pH = 5) 。Hasanzade 等人^[29]使用 DFT 和 MD 模拟，研究了抗癌药硫鸟嘌呤 (thioguanine, TG) 在 GO 片上的吸附。DFT 计算表明，TG 分子与 GO 官能团之间的氢键相互作用在吸附中起主要作用。MD 结果证明，当水和乙醇存在时，药物与 GO 结合所需的时间更长，体系变得不稳定。同样，Safdari 等人^[30]进行了 DFT 和 MD 模拟，以研究另一种抗癌药物 5-氟尿嘧啶 (5-fuorouracil, 5-FU) 与 GO 的相互作用。结果表明，5-FU 在 GO 上的吸附是放热的，提高模拟温度有利于其极性基团之间形成氢键。

然而，上述计算仅在气相或无细胞膜的水溶液中进行。石墨烯-药物复合物被动渗入膜和随后的药物释放尚待理论研究。在这项研究中，我们使用经典的 MD 模拟来研究小分子药物硼替佐米 (Bortezomib, BOR) 在 PG 和 GO 水溶液中的载药以及在脂质膜中的释放。我们发现 GR-BOR 复合物可以很容易地穿透脂质双层，之后 BOR 分子开始从 PG 释放到双层中，但它很难从 GO 表面离开。平均力势 (potential of mean force, PMF) 计算证实 BOR 与 GO 的结合亲和力比与 PG 的结合亲和力强得多。氢键增强了 BOR 在 GO 表面的吸附。

2. 计算方法

模拟体系由完全水合的脂质双层、石墨烯纳米片和小分子药物组成。Tieleman 等人^[31]开发的水合双层膜由 128 个二棕榈酰磷脂酰胆碱 (dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC) 脂质分子和约 5000 个水分子组成。抗癌药 BOR 作为模型药物分子，具有两个芳环，易与石墨烯形成 pi;-pi; 堆积。构建了两种石墨烯纳米片 (PG 和 GO)。GO 纳米片基于 Lerf-Klinowski 模型开发，其环氧基、羟基附着在基面上，羧基随机键合在边缘^[32]。碳原子与环氧基、羟基和羧基的比例为 20 : 2 : 2 : 1，此为 PG 的典型氧化^[33]。DPPC 脂质和 PG 的力场参数分别来自 Berger 等人和 Patra 等人的研究^[34,35]。BOR 的力场参数来自自动拓扑生成器^[36]。水由 SPC 模型表示^[37]。PG 中的碳原子被视为不带电荷的 Lennard-Jones (LJ) 球，其截面 sigma; = 0.34 nm，势阱深度 ɛ = 0.36 kJ mol^-1[38]。所有参数均与 GROMOS 53a6 力场兼容^[39]。

所有模拟均在等温-等压 (NPT) 系综下进行，使用 Gromacs 软件包 5.1.2，在所有三个方向上都具有周期性边界条件^[40-42]。vdW 相互作用使用 1.2 nm 的光滑截断计算，而长程静电相互作用的计算采用 particle-mesh Ewald (PME) 方法^[43,44]。通过 Berendsen 恒压器将压力半各向同性控制在 1 bar，并使用 V-rescale 方法将温度稳定在 323 K^[45,46]。水和非水分子内的键长受到 SETTLE 和 LINCS 算法的约束，允许的时间步长为 2.0 fs^[47,48]。

采用伞形取样，根据平均力势 (potential of mean force, PMF) 计算 BOR 在水相 PG 上的吸附能^[49]。首先，我们进行了拉伸分子动力学模拟，将分子沿垂直于 PG 表面 (z 轴) 的方向拉离 PG 表面^[50]。然后，生成 32 个窗口，每个窗口中分子与 PG 之间 COM 距离的 z 坐标相差约 0.1 nm，以确保足够的采样。每个窗口运行 10 ns，最后 5 ns 的数据用于采样。最后，通过加权直方图分析方法 (Weighted Histogram Analysis Method , WHAM) 得到 PMF 分布，并将其写入 GROMACS 软件包中，作为 gmx wham ^[51]。用同样的方法计算 BOR 跨脂质膜的自由能。

3. 结果和讨论

3.1 在 PG 和 GO 上负载 BOR

为了评价 GR-BOR 复合物在水相中的稳定性，我们首次用固定的 PG 或 GO 纳米片研究了 BOR 在水溶液中的分布。令人感兴趣的是，作为药物载体的石墨烯纳米片，其单层片的两面都可以用于药物结合。如图 1A 所示，平衡后，所有 BOR 分子均吸附在 PG 和 GO 纳米片的两侧。BOR 的质量密度表明它们几乎均匀分布在基面的两侧（见图 1C)。两个对称峰位于 z = 0.38 nm 处，接近 PG 上碳原子的 vdW 半径。BOR 在垂直于石墨烯表面不同位置的 PMF 能更好地定量描述吸附强度(图1D)。在远离 PG/GO 表面的水相中，BOR 与石墨烯的相互作用可以忽略，BOR 的 PMF 被设为零。我们发现 PMF 的最小值在 z = 0.39 nm 处，这一位置与质量密度分布相吻合，进一步证实了 BOR 在 PG 和 GO 表面在这些位置具有能量上的优势。此时的结合能高达-60.11.3 kJ mol^-1和-81.92.2 kJ mol^-1，表明 BOR 在 PG/GO 表面的吸附是热力学稳定的。

图 1 BORs 在 PG 和 GO 纳米片上的吸附。(A和B) PG/GO 表面 BOR 分子结构，

(C) BOR 的质量密度分布。PG/GO 的中心设置为 z = 0。(D) PG/GO 表

面 BOR 的 PMF 分布。误差线表示使用自举误差分析计算的标准差。

BOR 在石墨烯表面的强吸附主要源于疏水性 pi;-pi; 堆积相互作用，这是基于两个几何准则确定的：两个相邻芳香平面之间的距离 (d lt; 0.48 nm) 和垂直于芳香结构两个相邻平面的轴线之间的角度 (alpha; lt; 30°)^[52,53]。结果表明，在第一层吸附层中，BOR 上有一个或两个芳环附着在 PG/GO 表面。pi;-pi; 堆积的典型结构如图 2A 和图 2B 所示，其中两个芳环接近 PG/GO 表面，方向几乎平行。关于 GO，需要指出的是，芳环与 GO 的非氧化区之间建立了 pi;-pi; 相互作用。两个芳环和 PG/GO 之间的垂直距离和夹角这两个参数，用于表征这些相互作用，如图 2C 和 2D 所示。芳环与 PG/GO 表面最可能的垂直距离位于 z = 0.36 nm 处，这与碳原子的 vdW 半径一致。同时，BOR 和 PG/GO 之间最可能的夹角约为 10° 和 22°，表明 BOR 的芳环几乎平行于 PG 表面。这些结果进一步证实了 BOR 在 PG/GO 上的负载是高度稳定的，并且 pi;-pi; 堆积是这种吸附的主要作用力。除了 pi;-pi; 相互作用外，由于含氧基团的存在，BOR 和 GO 之间平均形成 1.4 个氢键（图 2E），这可以解释 BOR 在 GO 表面的吸附能 (~20 kJ mol^-1) 高于在 PG 表面的吸附能。同样，由于疏水 pi;-pi; 堆积相互作用，BOR 分子在水溶液中容易形成团簇。因此，我们计算了 BOR 在水相的结合能，用不同位置 BOR 的 PMF 来描述，如图 3 所示。BOR 团簇的结合能约为 -48.50.8 kJ mol^-1，略弱于 BOR 在 PG 上的吸附能 (-60.1 kJ mol^-1, 图1C)，表明 BOR 能较好地吸附在 PG/GO 表面。另一方面，这种强大的结合能使得 BOR 分子紧密堆积。结果表明，

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