分子模拟研究纳米制剂嵌段共聚物包载抗癌药物机制

川大-灰太狼

“解密”纳米材料包载药物的过程

    ——分子模拟研究嵌段共聚物包载抗肿瘤药物

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sales@moldesinger.com

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合作单位：四川大学
基金支持：国家自然科学基金（No.31525009、No.31222023）
合作成果：Theranostics, 2017, 7(10): 2652-2672. (2016 IF = 8.766)

嵌段共聚物（Block Copolymers）是由化学结构不同的链段通过共价结合形成的特殊线性共聚物，具有可控性强、生物相容性好和可生物降解等优点。本文在此与大家分享分迪科技采用材料模型构建和分子动力学模拟方法研究嵌段共聚物包载药物分子的过程。

                               
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嵌段共聚物自组装和包载过程示意图 [图片源于

1 背景知识
紫杉醇一直是临床治疗癌症的“明星”药物，多西他赛（Docetaxel, DTX）作为它的半合成类似物，因其具有更广的抗瘤谱，是一个非常有前景的抗肿瘤药物，然而溶解性差、选择性低且代谢速度快等缺点限制了DTX在临床的应用[1]。

纳米制剂（Nano-formulations）是一种新型的药物制剂，能够解决传统药物的生物利用度低、缓释性能差和毒性大等关键问题，结合高通透性和滞留效应（Enhanced Permeability and Retention, EPR）还可以实现被动靶向治疗实体瘤[2]。纳米制剂已经成为药物制剂领域研究的热点，目前已有40余种该类制剂进入临床研究[3]。

鉴于DTX的潜在应用价值，以及纳米制剂的优越性能，合作单位将不同分子量的纳米材料制成不同的MPEG-PDLLA和MPEG-PDLLA-PLL嵌段共聚物，并包载DTX，其中MPEG（单甲氧基聚乙二醇）和PLL（聚赖氨酸）为亲水链段，PDLLA（聚D, L-丙交酯）为疏水链段。通过体外释药行为研究发现DTX/MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k纳米制剂在水溶液中的稳定性（图1A）和在pH=7.4缓冲溶液中的缓释效果（图1B）均比DTX/MPEG2k-PDLLA1.7k体系更加优秀[4]，表明PLL的加入和延长疏水链能够增强纳米材料的性能。

                               
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图1 胶束水溶液中DTX的含量（A）和pH=7.4的PBS溶液中DTX制剂的释放曲线（B）。[图片源于Theranostics, 2017, 7(10):

动物实验结果显示DTX/MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k纳米制剂在小鼠体内能够有效抑制肿瘤细胞的增殖[4]。体内外实验结果表明，该纳米制剂能够克服DTX的溶解性差和选择性低等缺点，并有望成为靶向治疗乳腺癌的候选方案之一。

                               
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图2 纳米制剂抑制乳腺癌细胞模型中肿瘤的生长，1：空白对照；2：DTX；3：DTX/MPEG2k-PDLLA1.7k；4：DTX/MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k。[图片源于Theranostics, 2017, 7(10): 2652-2672]

2 方案设计
虽然合作单位通过实验筛选出了性能优良的嵌段共聚物MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k作为DTX的载体，但PLL在整体结构中的作用以及PDLLA链段长度对药物包载的影响尚不可知。经深入沟通，我们设计了如下分子模拟方案来阐释上述问题：

① 分别构建MPEG2k-PDLLA7k和MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k聚合物分子模型并进行分子力场优化；
② 使用Moldesigner分子模拟平台6的分子动力学模块对两个体系分别进行退火模拟；
③ 对退火后的结构进行等温等压系综（NPT）下的平衡分子动力学模拟；
④ 分析体系在模拟过程中的构象变化以及DTX与嵌段共聚物的相互作用。

2.1 体系构象变化
目前，嵌段共聚物与药物分子自组装包载以提升载药量和缓释性能依然停留在实验现象的观测上，本文采用分子动力学模拟方法对药物包载过程进行“可视化”研究。如图3所示，MPEG2k-PDLLA1.7k和MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k共聚物在退火过程中逐渐发生自组装，形成胶束结构。对比两种纳米材料的结构发现，由于MPEG2k-PDLLA1.7k疏水链PDLLA较短，在胶束形成过程中，无法组建较大的疏水空腔结构，导致DTX不能被完整包覆。而在MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k中，长达4000分子量的PDLLA可以提供更长的疏水链，为DTX药物的包载提供更合适的疏水空腔，因此该纳米制剂的稳定性和载药量比MPEG2k-PDLLA1.7k更高。

                               
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图3 退火分子动力学模拟过程中，体系的自组装示意图，绿色为亲水链，蓝色为疏水链，红色为DTX。[图片源于Theranostics, 2017, 7(10): 2652-2672]

2.2 相互作用分析
构象变化从宏观层面分析了嵌段共聚物包载药物的过程，接下来我们对共聚物与药物之间的相互作用强弱进行了分析。首先分析了整体的能量变化，见表1。分别对复合物、嵌段共聚物结构和DTX进行能量计算，进而求得相互作用能（ ΔEinteraction ），计算公式为：

∆Einteraction=Ecomplex–Ecopolymer–EDTX

从表1可以发现DTX/MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k体系的ΔEinteraction比DTX/MPEG2k-PDLLA1.7k小很多，表明前者处于能量更低的状态，体系稳定性更高，有利于靶向给药。

表1 各组分及复合物的能量和相互作用能（kJ/mol）

                               
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那么，是什么影响了ΔEinteraction的大小呢？为了解释这个问题，我们对二者的结合模式进行了研究。如图4所示，MPEG2k-PDLLA1.7k无法形成完整的包载结构，DTX只能以三个氢键结合在表面凹陷进行载药，导致疏水性药物分子暴露在水环境中，因此该纳米制剂的稳定性差，载药量低。而对比DTX/MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k体系发现，较长的PDLLA支链能够自组装形成较大的疏水空腔，与药物DTX发生疏水相互作用。同时，DTX在疏水性空腔中还与共聚物形成了较多的氢键作用。这些因素都使DTX与MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k的结合更加紧密。另外，末端亲水性PLL支链贯穿整个胶束结构，还可以起到“横梁”的作用，支撑整个纳米材料的骨架结构，对于制剂结构的稳定性具有重要作用。总之，这些有利条件都使DTX能够稳定包载在MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k胶束结构中，并有利于靶向给药和增强缓释效果。

                               
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图4  DTX与嵌段共聚物的结合模式图。[图片源于Theranostics, 2017, 7(10): 2652-2672]

3 展望
本课题首先构建了纳米材料的模型，再采用退火分子动力学模拟方法，研究了嵌段共聚物包载药物DTX的过程，并分析得到了DTX/MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k纳米制剂具有更好稳定性和缓释性能的主要原因：是MPEG2k-PDLLA4k-PLL1k不仅能自组装构建较大的疏水空腔，而且与DTX形成较强的氢键和疏水相互作用。模拟结果与体内/外实验研究结果一致。本文的研究方法和思路还可以为其他药物纳米制剂的稳定性和缓释性能的研究提供指导，如布洛芬的聚两性共聚物给药系统[5]，共轭两亲性嵌段共聚物给药系统[6]等。

参考文献

• Drug Deliver. Rev., 2016, 107: 163-175.
• Biomaterials, 2013, 34(4): 1413-1432.
• Nano Today, 2012, 7(5): 467-480.
• Theranostics, 2017, 7(10): 2652-2672.
• Aaps Pharmscitech, 2017, 18(1): 166-174.
• Acs Biomater. Sci. Eng., 2018, 4(2): 566-575.
  

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