药物功能化碳纳米管纳米载体的化学调控放射性标记与膜亲和性研究

《Scientific Reports》：Chemically tuned radiolabeling and membrane affinity in Drug-Functionalized carbon nanotube nanocarriers

本研究针对放射性标记纳米载体在靶向癌症治疗中同时递送治疗与诊断剂的需求，通过分子动力学和元动力学模拟，探讨了四种临床药物（甲氨蝶呤、双氯芬酸、酮替芬和吡罗昔康）对锝-99m（99mTc）标记的单壁碳纳米管（SWCNT）纳米载体行为的影响。结果表明，药物结构显著影响放射性核素结合强度、分子扩散及膜亲和性，其中甲氨蝶呤功能化纳米载体表现出最优的稳定性和膜相互作用，为设计高性能多功能纳米载体提供了分子基础。

　　

癌症一直是全球健康面临的重大挑战之一，其发病率和死亡率因人口老龄化、环境污染及生活方式相关风险等因素持续上升。传统治疗手段如手术、化疗和外照射放疗（EBRT）往往存在肿瘤选择性有限和全身性副作用等问题，制约了治疗效果并影响患者生活质量。这些不足凸显了对更精准、微创治疗平台的迫切需求。在現代肿瘤治疗中，近距离放疗（BT）作为一种通过内部放射源局部递送高剂量辐射的技术，在前列腺癌、宫颈癌和乳腺癌等治疗中显示出显著疗效。与传统外照射相比，近距离放疗具有更优的剂量适形性，能更好地保护周围健康组织。然而，传统的近距离放疗方法面临诸如侵入性置入、粒子迁移和辐射分布不均等生物学和操作上的限制，限制了其更广泛的临床应用。

近年来，纳米技术的进步为克服这些限制提供了新途径。纳米近距离放疗这一新兴方法利用放射性纳米粒子替代固体粒子，提供了对剂量分布更优的空间控制以及对肿瘤微环境更强的适应性。在众多纳米材料中，碳纳米管（CNTs），特别是单壁碳纳米管（SWCNTs），因其高比表面积、可功能化修饰的化学基团以及独特的结构特性，作为药物递送和成像应用的潜在纳米载体而备受关注。然而，原始的碳纳米管已知具有细胞毒性和遗传毒性，除非经过适当的功能化修饰，否则可能导致蛋白质错误折叠、DNA损伤等细胞扰动。许多研究强调了非功能化碳纳米管的潜在毒性效应，表明需要通过表面修饰来减轻这些不良反应。碳纳米管的共价或非共价功能化能有效降低其毒性、增强溶解性、改善生物相容性，同时实现对生物分子的选择性靶向。功能化碳纳米管在药物递送应用中显示出潜力，特别是对于化疗药物和放射性药物，能改善细胞摄取并降低体内外毒性。

分子建模和模拟的最新进展为研究纳米材料与生物实体的相互作用提供了强大工具。实验工作已经证明，功能化的单壁和多壁碳纳米管以及介孔碳纳米粒子可以成功用锝-99m（^99mTc）进行放射性标记，并在体外和体内进行追踪，验证了它们作为成像剂和递送载体的潜力。在计算方面，原子级的分子动力学（MD）研究被广泛用于阐明药物在碳纳米管表面的吸附和构象行为，并探索碳纳米管与膜的相互作用；这些建模研究通过提供分子水平的机制见解，补充了实验性的生物分布和放射性标记工作。

放射性药物纳米载体设计的一个核心挑战在于实现纳米材料与放射性核素之间的稳定配位，同时不损害载体的生物功能或完整性。使用双功能螯合剂（Bifunctional Chelators）将像锝-99m（^99mTc）这样的放射性同位素安全地连接到纳米载体骨架上，同时保持靶向能力，已成为一种强有力的策略。然而，理解此类复合物在动态生物环境中的行为——以及治疗或诊断药物分子的选择如何影响其结构稳定性、放射性核素保留和膜亲和性——仍然是一个悬而未决的问题。

本研究通过进行全面的分子动力学研究，探讨了与^99mTc配位的SWCNT-螯合剂-药物复合物的行为，从而解决了这一关键空白。评估了四种临床相关药物——甲氨蝶呤（Methotrexate）、双氯芬酸（Diclofenac）、酮替芬（Ketotifen）和吡罗昔康（Piroxicam）——对所得纳米复合物与^99mTc离子和生物膜物理化学相互作用的影响。研究人员采用分子动力学（MD）和元动力学（Metadynamics）模拟来探索系统性能的几个关键方面，包括均方根偏差（RMSD）、径向分布函数（RDF）、均方位移（MSD）和扩散系数分析、距离度量以及膜相互作用能（范德华力和静电作用）和自由能景观。

研究结果揭示了药物对^99mTc结合行为的强烈依赖性调制。值得注意的是，甲氨蝶呤功能化的SWCNTs表现出最高的吸附能、最低的扩散系数以及与脂质膜最稳定的相互作用——这突出了它们在稳健和局部放射性药物递送方面的潜力。相比之下，酮替芬功能化系统显示出更短暂的相互作用和更高的锝迁移率，表明其可能应用于响应性成像或短期诊断。据我们所知，这是第一个在生物学相关环境中，系统地将药物部分的化学特性与放射性标记的SWCNT复合物的空间限制、迁移率和热力学亲和性联系起来的研究。这些发现为开发用于靶向纳米近距离放疗的下一代纳米载体提供了有价值的设计见解，通过调整载体系统的化学微环境来实现对治疗结果的精确控制。

本研究采用分子动力学模拟，利用GROMACS软件和CHARMM36力场，模拟了锝标记的碳纳米管药物递送系统的行为。关键方法包括：构建了四种分别连接甲氨蝶呤、双氯芬酸、酮替芬和吡罗昔康药物的单壁碳纳米管（SWCNT）-螯合剂-^99mTc复合物模型；进行了105纳斯的分子动力学模拟以分析复合物结构与^99mTc的相互作用；利用均方根偏差（RMSD）、径向分布函数（RDF）、均方位移（MSD）和扩散系数评估系统稳定性和^99mTc迁移率；构建了磷脂酰胆碱（POPC）脂质双分子层作为细胞膜模型，进行了200纳斯的膜吸附模拟；采用元动力学（Metadynamics）模拟，以复合物与膜质心距离为集体变量，重建了吸附自由能表面（FES）。

3.1 ^99mTc在SWCNT-螯合剂-药物复合物上的吸附

3.1.1 放射性锝在载体表面的吸附

模拟初始和最终构型显示，放射性锝粒子从初始距离约18 ?处自发迁移至载体表面，最终定位于药物分子上，与碳和氮基团形成相互作用，表明吸附相互作用的形成。

3.1.2 能量分析

能量分析揭示了不同药物功能化系统与^99mTc相互作用的显著差异。甲氨蝶呤功能化系统表现出最显著的静电相互作用能下降，总相互作用能最低（-825.80 kJ/mol），其中静电贡献（-795.93 kJ/mol）占主导，范德华力贡献（-29.87 kJ/mol）为辅。吡罗昔康系统次之（-705.15 kJ/mol），双氯芬酸（-374.55 kJ/mol）和酮替芬（-296.89 kJ/mol）系统结合较弱。这表明药物身份通过其分子特性（如极性表面积、供体/受体位点、空间可及性）决定了锝结合的热力学景观。

3.1.3 SWCNT-螯合剂-药物复合物的均方根偏差（RMSD）

所有系统在模拟初始15纳秒内达到结构平衡，RMSD值稳定，表明功能化SWCNT复合物在与放射性锝粒子相互作用时保持了结构完整性和稳定性。

3.1.4 径向分布函数（RDF）分析

RDF图谱显示，所有系统在距离约0.8 nm处均出现主峰，表明^99mTc倾向于在纳米管表面附近形成稳定的配位层。甲氨蝶呤系统峰值最高且最尖锐，表明最强、最局域化的相互作用，与高吸附能一致。酮替芬系统峰值最低且分布最宽，表明相互作用较弱且更分散。双氯芬酸和吡罗昔康系统表现出中等行为。

3.1.5 ^99mTc在SWCNT-螯合剂-药物复合物相互作用中的迁移率

通过均方位移（MSD）计算的扩散系数显示，甲氨蝶呤功能化系统中^99mTc的迁移率最低（0.0070 x 10^-5 cm2/s），表明锝在纳米管表面被强烈固定化。酮替芬系统迁移率最高（0.0144 x 10^-5 cm2/s）。吡罗昔康（0.0082 x 10^-5 cm2/s）和双氯芬酸（0.0127 x 10^-5 cm2/s）系统处于中间水平。这反映了药物部分对^99mTc迁移性的关键影响，强结合有利于持续定位，但需根据临床应用需求平衡动态分布。

3.2 药物递送系统与细胞膜的接近性

3.2.1 SWCNT-螯合剂-药物-^99mTc复合物吸附到膜上的能量分析

膜相互作用能分析表明，吸附行为由极性（静电）和非极性（色散）力协同驱动。甲氨蝶呤功能化复合物与膜表现出最强的静电相互作用（总吸附能-1376.02 kJ/mol），归因于其多个极性和带电基团与磷脂头基形成稳定吸引。双氯芬酸系统虽然范德华相互作用更突出，但总相互作用能最弱（-426.24 kJ/mol），表明缺乏足够的极性接触难以建立稳健吸附。酮替芬和吡罗昔康系统表现出中间行为。这强调了药物身份是纳米载体设计中系统级行为的基本决定因素。

3.2.2 SWCNT-螯合剂-药物-^99mTc复合物吸附到膜上的自由能计算

元动力学模拟得到的自由能表面显示，甲氨蝶呤复合物在距膜中心约6.3 nm处存在全局自由能最小值（-184.99 kJ/mol），而双氯芬酸复合物在该距离的自由能稍高（-174.94 kJ/mol）。甲氨蝶呤更负的自由能证实了其更强、更稳定的膜相互作用，这与该系统的整体更高吸附能一致。自由能表面的形状也揭示了可能影响吸附动力学的能垒。

3.2.3 SWCNT-螯合剂-药物-^99mTc复合物与脂质膜的相互作用

动态轨迹观察显示，所有复合物均自发吸附至膜表面。甲氨蝶呤功能化复合物表现出最深、最稳定的相互作用，与膜表面强烈对齐并整合。双氯芬酸复合物相互作用有限，保持相对松散的关联和较浅的取向。酮替芬和吡罗昔康复合物表现出平衡的相互作用模式。膜的静电景观是引发相互作用的主导因素，极性头基通过电荷吸引引导复合物对齐，随后范德华力起辅助稳定作用。这些动态发现与自由能景观高度一致。

本研究通过分子动力学和元动力学模拟，系统地揭示了连接药物的化学特性对^99mTc标记的功能化单壁碳纳米管（SWCNT）纳米载体的物理化学行为的显著影响。在研究的甲氨蝶呤、双氯芬酸、酮替芬和吡罗昔康四种系统中，甲氨蝶呤功能化复合物脱颖而出，表现出最高的锝吸附能（-825.80 kJ/mol）、最局域化的RDF峰、最低的扩散系数（0.0070 x 10^-5 cm2/s）以及最强的膜相互作用能（-1376.02 kJ/mol）和最稳定的吸附自由能（-184.99 kJ/mol）。这些结果表明甲氨蝶呤能实现稳健的放射性核素固定化和有效的膜定位，这对于实现靶点处持续的放射性药物保留至关重要，是有效近距离放疗的关键要求。相比之下，酮替芬功能化系统结合较弱，迁移率较高，可能适用于短期诊断或响应性药物释放场景。双氯芬酸和吡罗昔康系统表现出中等特性。

该研究的原创性贡献在于将关注点从单独的螯合剂转向药物-螯合剂协同作用，将其视为放射性药物保留和生物分布行为的决定因素。它首次在模拟生物学环境中系统地将药物特性、锝相互作用动力学和膜结合效率关联起来。这些发现引入了一种结构驱动的策略，通过调整复合物的分子组分，可以定制吸附强度、迁移率和膜亲和性，以满足特定的临床需求——从肿瘤组织中的长期保留到诊断设置中的快速清除。这项工作为合理设计具有改善膜亲和性和递送潜力的功能化纳米管提供了指导原则，将分子水平模拟与临床转化联系起来，为下一代纳米放射性药物系统的开发铺平了道路。未来的研究应将该设计策略扩展到其他放射性核素、连接子结构和癌症特异性配体，并在实验和生物学模型中验证模拟结果，以加速临床转化。