基于分子动力学的六角液晶相纳米颗粒药物分配与释放机制研究

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Molecular dynamics simulations of a hexagonal liquid crystal phase to study drug partitioning and release mechanisms

本研究针对脂质纳米粒药物递送系统中药物释放机制不明确的问题，通过构建PHY:FAR (90:10)比例的HII相（六角相）模型，并利用全原子分子动力学（MD）模拟，揭示了抗生素克拉霉素（CLA）和万古霉素（VAN）在六角体（hexosomes）内的定位差异及Pluronic F127聚合物界面重组对药物释放能垒的调控作用。研究结果表明，聚合物的存在通过形成混合界面显著降低了VAN的释放能垒，该发现与体外释放实验相互印证，为理性设计高效药物递送系统提供了分子水平的深刻见解。

　　

在纳米医学的广阔天地中，如何将药物精准、高效地递送到体内靶点，同时控制其释放速度，一直是科学家们努力攻克的难题。脂质纳米粒作为一种有前途的载体，因其良好的生物相容性和可降解性而备受关注。其中，非层状液晶纳米颗粒（LCNPs），如基于内部六角相（H_II）的六角体（hexosomes），展现出比传统脂质体更高的药物负载能力和表面积体积比，能够改善药物的溶解性、稳定性和吸收。然而，与研究较多的立方相（cubosomes）相比，人们对六角体在药物递送方面的完整潜力，尤其是在分子水平上药物如何分布以及如何从这些复杂的纳米结构中释放出来的机制，仍存在认知空白。理解这些过程对于设计更智能、更有效的递送系统至关重要。

为了填补这一空白，来自瑞典乌普萨拉大学的研究团队在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》上发表了一项研究，他们巧妙地结合了计算模拟与实验验证，深入探究了药物在六角体中的行为。研究人员关注一种由植烷三醇（PHY）和法尼醇（FAR）以90:10比例组成的特定六角体系统，该组合此前已被证明能增强对肠道酶降解的抵抗力。研究重点在于两种性质迥异的抗生素——亲脂性的克拉霉素（CLA）和两亲性的万古霉素（VAN）在该系统中的命运。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，他们基于实验数据，利用MemGen和BUMPy等工具构建了PHY:FAR (90:10)的H_II相全原子模型。其次，他们进行了长时间尺度（500纳秒）的分子动力学（MD）模拟，使用GROMACS软件和CHARMM36力场，分析了模型的结构稳定性、药物与基质组分的相互作用。接着，为了研究药物释放的能垒，他们采用了伞形采样（umbrella sampling）技术来计算药物从六角体内部迁移到外部水相的自由能变化（PMF）。最后，他们通过体外实验制备了载药六角体，并利用超滤离心和高效液相色谱（HPLC）分析了药物在磷酸盐缓冲液（PBS）中的释放动力学，为模拟结果提供了实验佐证。

3.1. PHY:FAR (90:10) H_II系统的结构特征和稳定性

研究人员首先验证了他们构建的H_II模型在不同水脂比（n_w = 4, 5, 6）下的结构稳定性。通过计算晶格参数（d_hex）、水通道半径（R_w）、每个脂质的面积（APL）和碳-氘序参数（S_CD）等关键结构参数，发现随着水含量的增加，d_hex、R_w和APL几乎线性增加，而脂质尾部有序度降低。这些参数的变化趋势与之前的实验数据和其他H_II系统的模拟研究一致。模拟快照显示，在较低水合度时，水通道沿轴线呈现明显弯曲，但随着水合度增加，通道扩张并呈现更稳定的圆柱形几何结构，表明模型系统在整个模拟过程中保持了六角堆积的结构完整性，为后续药物行为研究提供了可靠的基础。

3.2 药物分子与PHY:FAR (90:10) H_II系统组分的相互作用

在确认模型稳定性后，研究转向核心问题：药物在六角体中的定位。他们模拟了四种不同的载药系统（CLA随机插入、CLA置于脂相、VAN随机插入、VAN置于水相）。通过分析药物与脂质和水的接触分数发现，无论初始位置如何，高亲脂性的CLA最终稳定地与脂质环境结合（脂质接触分数约0.75）。而两亲性的VAN则倾向于定位于水-脂界面，与水和脂质都有相当的相互作用（水接触分数约0.5）。对VAN的残基水平分析进一步证实了其界面定位特性，某些疏水残基优先与脂质相作用。这些结果从分子层面清晰地表明，药物的理化性质（如亲脂性）直接决定了其在H_II相纳米结构中的分布位置，这对其滞留和释放行为具有重要影响。

3.3. 聚合物、脂质和水之间的相互作用促进初始表面药物释放

为了模拟更接近真实六角体纳米颗粒的情况并研究释放初期过程，研究人员构建了扩展系统，包含四个重复的H_II单元，两侧用Pluronic F127聚合物包裹并添加过量水。长达500纳秒的非约束MD模拟揭示了动态的界面重组过程。最初，外部过量水与内部组分是分离的。随着模拟进行，聚合物与水的强氢键作用促使水渗透过聚合物层，与界面脂质和内部水相互作用，导致H_II界面从清晰的聚合物-脂质-水区域转变为混合的聚合物-水-脂质界面。接触分析和氢键分析表明，位于界面附近的药物分子与过量水和聚合物的接触显著增加，表明其局部环境发生了改变。

为了量化这种界面重组对药物释放难易程度的影响，研究人员对模拟初始（0 ns）和最终（500 ns）构型进行了伞形采样计算。自由能曲线显示，在模拟结束后，由于混合界面的形成，两种药物从六角体内部迁移到外部水相所需的能量壁垒都显著降低了。特别值得注意的是，对于VAN，能垒的降低更为明显，以至于在最终构型中，VAN的释放能垒反而低于CLA。这归因于VAN的两亲性使其与重组后的混合界面相容性更好。体外释放实验在一定程度上验证了模拟预测：在最初的10分钟内，VAN的释放率（约15%）高于CLA（约10%），表现出更快的早期释放。这种初始突释行为与界面重组降低了释放能垒的机制相符。

综上所述，这项研究通过精细的分子动力学模拟，成功揭示了六角液晶纳米颗粒中药物分配和释放的分子机制。它不仅证实了药物理化性质对其在纳米载体中定位的决定性作用，更重要的是，阐明了Pluronic F127稳定剂通过界面重组调控药物释放动力学的新机制。该研究所开发的H_II模型系统具有高度的适应性和可扩展性，为未来研究多肽、RNA等多种治疗剂在复杂脂质载体中的行为提供了一个强大的计算平台。这些分子水平的深刻见解极大地促进了对脂质基药物递送系统的理解，并将有力地推动更高效、更可控的药物制剂的设计与开发。