新型β-环糊精-甲基氨基乙醇衍生物（βCD-MEA）作为纳米载体用于香芹酚递送：增强水溶性、抗菌及抗生物膜活性研究

《Carbohydrate Polymers》：Optimizing ultrasonic-assisted extraction of peach gum polysaccharide: Balancing yield and bioactivity through response surface methodology and structural insights

本刊推荐：为解决疏水性药物香芹酚（CAR）水溶性差、稳定性低等问题，研究人员合成了一种新型β-环糊精衍生物（βCD-MEA），并系统评价其作为纳米药物载体的性能。研究表明，βCD-MEA可自组装形成水溶性纳米聚集体，能有效包载CAR并显著提高其稳定性，复合物不仅保留了CAR的抗氧化和抗菌活性，βCD-MEA本身还展现出独特的抗金黄色葡萄球菌生物膜能力。该研究为开发新型环糊精基纳米抗生素（nanobiotics）提供了新思路。

　　

在医药研发领域，如何有效递送疏水性活性分子一直是个棘手难题。许多天然产物或合成药物虽具备良好的药理活性，却因水溶性极差、化学稳定性低或在体内易被快速代谢而限制了其临床应用。香芹酚（Carvacrol, CAR）便是其中之一，这种来源于牛至等植物的单萜酚具有显著的抗氧化、抗菌和抗炎特性，但其强烈的挥发性和不稳定性使其在制剂开发和实际应用中面临巨大挑战。环糊精（Cyclodextrin, CD）因其独特的“外亲水、内疏水”的锥形空腔结构，被誉为“分子容器”，能够包合疏水性客分子形成包合物，从而改善客分子的溶解性、稳定性和生物利用度。其中，β-环糊精（β-CD）因其空腔尺寸适中、生产成本较低而应用最广，但其本身水溶性有限（约18.5 mg/mL），且对某些分子的包合能力和稳定性仍有提升空间。因此，通过对β-CD进行化学修饰，开发新型、高效、安全的环糊精衍生物作为药物载体，成为当前研究的热点。

在此背景下，一项发表于《Carbohydrate Polymers》的研究报道了一种新型β-环糊精衍生物——七（6-甲基氨基乙醇-6-脱氧）-β-环糊精（βCD-MEA）的合成、表征及其作为香芹酚纳米载体的性能评价。该研究由Sonia Pedotti、Giuseppe Granata、Antonia Nostro和Grazia Maria Letizia Consoli等学者合作完成。

为了评估βCD-MEA的潜力，研究人员运用了多项关键技术：通过核磁共振波谱（NMR）和电喷雾电离质谱（ESI-MS）对合成产物进行结构确证；利用动态光散射（DLS）和原子力显微镜（AFM）表征其在水中的自组装行为和纳米聚集体形貌；通过相溶解度研究测定其与香芹酚包合物的表观稳定常数（K_c）和包合效率（CE）；采用分子模拟（GFN2-xTB方法）预测包合物的最稳定构象；通过卤虫（Artemia salina）致死实验进行初步毒性评估；并采用微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC），以及通过结晶紫染色法评价样品对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）生物膜形成和预成型生物膜的影响。

3.1. βCD-MEA的合成与结构表征

研究人员通过简单的亲核取代反应，以商业化七（6-碘-6-脱氧）-β-环糊精为原料，与N-甲基乙醇胺反应，以80%的收率成功合成了βCD-MEA。NMR和ESI-MS分析结果证实了目标产物的结构，且为高度对称的七取代产物。与天然β-CD相比，βCD-MEA的水溶性显著提高，从18.5 mg/mL增至至少100 mg/mL。

3.1.1. βCD-MEA的自聚集与形貌分析

DLS分析显示，βCD-MEA在水中能形成平均流体动力学直径为248 ± 1 nm、多分散指数（PDI）为0.19的纳米聚集体，分布均匀。Zeta电位为-46 ± 1 mV，表明体系具有较好的静电稳定性。AFM图像揭示了其准球形的纳米结构，且在不同浓度下形貌保持稳定。

3.1.2. βCD-MEA的初步毒性评估

采用卤虫致死实验进行初步毒性筛查，结果显示在所有测试浓度下（最高1.75 mg/mL），βCD-MEA对卤虫无幼虫的存活率均为100%，半数致死浓度（LC₅₀）高于1.75 mg/mL，表明其具有潜在的安全性。

3.2. βCD-MEA/香芹酚包合物的制备与表征

采用冷冻干燥法制备了βCD-MEA/CAR包合物。测定其载药量为13%，包封效率高达85%。相溶解度研究显示，CAR的溶解度随βCD-MEA浓度增加呈线性增长（A_L型），表明形成了1:1化学计量的包合物，其表观稳定常数（K_c）为1127 M^-1，高于文献报道的天然β-CD与CAR的包合物（155 M^-1），说明甲基氨基乙醇基团的引入增强了包合作用。

3.2.1. NMR和ATR-FTIR光谱表征

¹H NMR谱图中，包合物中CAR的芳香质子（H2, H4）和βCD-MEA空腔内质子（H3, H5）的化学位移发生变化。二维ROESY谱显示了CAR的H2/H4质子与βCD-MEA的H3/H5质子之间的相关信号，确证了包合作用。ATR-FTIR光谱中CAR特征峰的位移也支持了包合物的形成。

3.2.2. 分子模拟

分子模拟获得了包合物的最低能量构象，显示CAR以异丙基朝向βCD-MEA空腔窄边的方向被包合，分子间原子距离与ROESY实验结果相符。这种取向有利于CAR的酚羟基暴露在外，维持其抗氧化活性。

3.2.3. βCD-MEA/CAR复合物的尺寸与形貌

DLS显示包合物纳米聚集体的平均粒径为300 ± 11 nm，PDI为0.22，Zeta电位为-36 ± 1 mV。AFM显示其保持了准球形形貌，尺寸略有增加。

3.2.4. 抗氧化活性

DPPH自由基清除实验表明，空的βCD-MEA无抗氧化活性，而βCD-MEA/CAR包合物中的CAR保持了其自由基清除能力，在0.2 mg/mL浓度下清除率约为16%，与游离CAR在该浓度下的活性相当。

3.3. 微生物学研究

抗菌实验显示，βCD-MEA/CAR包合物与游离CAR对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有相似的MIC值（0.05-0.1 mg/mL），而空的βCD-MEA在最高测试浓度下无抗菌活性，说明包合物有效保留了CAR的抗菌作用。在抗生物膜实验中，βCD-MEA/CAR和CAR均能显著抑制S. aureus生物膜的形成（在0.5×MIC浓度下抑制率分别为64%和66%）。尤为重要的是，空的βCD-MEA本身也显示出抑制生物膜形成（35%）和破坏预成型生物膜的能力（在1.34 mg/mL浓度下对24小时预成型生物膜的生物量减少率达84%），表明其氨基醇基团可能直接与生物膜基质发生相互作用。

4. 结论

本研究成功设计并合成了一种新型水溶性β-环糊精衍生物βCD-MEA。该衍生物能自组装形成尺寸均一、形貌规整的纳米聚集体，并可作为高效纳米载体包合疏水性药物香芹酚。所形成的包合物显著提高了CAR的表观溶解度和稳定性，同时保留了其抗氧化和抗菌活性。更引人注目的是，βCD-MEA本身展现出无毒性和内在的抗生物膜活性。这种将环糊精的包合特性与氨基醇基团的潜在生物活性相结合的策略，为开发兼具药物递送和自身抗菌/抗生物膜功能的“纳米抗生素”（nanobiotics）提供了新的候选物，在对抗耐药菌感染领域具有重要的研究意义和应用前景。