《Journal of Molecular Liquids》：Integrating NMR spectroscopy, molecular docking, and molecular dynamics simulations to elucidate fenbendazole–cyclodextrin complexation and its pH-dependent behavior.
编辑推荐：
•首次对芬苯达唑–β-环糊精复合物的pH依赖性进行研究。•pH值和电离状态决定复合物稳定性、结合模式和主客体动力学。•相溶解度研究表明芬苯达唑溶解度显著提高并形成超分子组装体。•核磁共振证实芬苯达唑的疏水性基团被包合进入β-环糊精空腔。•量子力学/分子力学和分子动力学模拟阐明
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首次对芬苯达唑–β-环糊精复合物的pH依赖性进行研究。
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pH值和电离状态决定复合物稳定性、结合模式和主客体动力学。
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相溶解度研究表明芬苯达唑溶解度显著提高并形成超分子组装体。
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核磁共振证实芬苯达唑的疏水性基团被包合进入β-环糊精空腔。
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量子力学/分子力学和分子动力学模拟阐明了pH依赖性复合物稳定性的机制。
引言
芬苯达唑（FBZ）是一种苯并咪唑衍生物，在兽医学中广泛用作驱虫剂[1]、[2]。除其已确认的抗寄生虫活性外，FBZ在抗癌潜力方面也日益受到关注[3]、[4]。然而，其极低的水溶性（0.3 μg/mL）严重限制了其疗效，导致溶出性差和口服生物利用度低[4]。根据生物药剂学分类系统（BCS），FBZ被归类为Ⅱ类药物，其特征为低溶解度和高渗透性[5]。值得注意的是，FBZ的溶解度强烈依赖于pH值，在低pH下增加，在中和碱性pH下降低[6]。因此，在酸性胃液和近中性肠道介质等不同的生理环境中，溶解行为可能出现显著差异。目前已研究多种制剂策略以提高FBZ的溶解度和溶出速率，包括固体分散体[7]、[8]、聚合物胶束[9]、微纳米制剂[5]、[6]、[10]、[11]、药用盐[12]以及热熔挤出工艺[13]。然而，这些方法中的某些存在明显局限性，例如加工过程中使用有机溶剂以及储存过程中药物可能重新结晶，这可能损害制剂的长期稳定性和性能。使用天然和修饰β-环糊精（CD）形成的包合物已被证明可显著提高FBZ的水溶性和药代动力学性能[14]、[15]、[16]。然而，与许多其他苯并咪唑衍生物类似，由于苯并咪唑环上的可电离氮原子，FBZ的溶解度也具有pH依赖性。这些基团的质子化状态随pH变化，直接调节药物的水溶性和溶解行为[17]、[18]、[19]（图1）。在酸性pH条件下，苯并咪唑基团的质子化通常可增强水溶性，而在中性或碱性条件下，非电离形式占主导，导致溶解度显著降低[12]、[20]。尽管FBZ的不同pKa值已有报道，但最广泛接受的是表观pKa约为5.12，该值可充分描述其弱碱性和pH依赖性溶解度特征[12]、[21]。相比之下，光谱学研究提出了额外的电离平衡，pKa值分别为3.38、4.06和10.07，对应于苯并咪唑和氨基甲酸酯基团涉及的质子化/去质子化事件[22]。这一物理化学特性可显著影响FBZ与CD之间的相互作用，因为电离程度可能改变药物对疏水性CD空腔的亲和力以及所得包合物的整体稳定性。此外，pH依赖性引起的分子极性、氢键能力和药物构象的变化可能影响FBZ–CD体系的包合效率、化学计量比和热力学稳定性[23]、[24]。因此，理解这些pH依赖性相互作用对于合理设计基于CD的药物递送系统至关重要。本研究首次评估了胃肠道pH值（1.2、4.5和6.0）是否影响FBZ与天然环糊精之间的包合行为。样品通过相溶解度研究进行表征。在所评估的环糊精（α-、β-和γ-CD）中，β-CD对芬苯达唑溶解度的提升最大。因此，选择FBZ:β-CD包合物进行进一步的物理化学和分子表征。通过测定其包封率（EE）和产率对复合物进行表征，同时使用1H和13C核磁共振波谱评估主客体相互作用和复合物形成情况。采用多尺度分子建模策略，探索与生理相关pH环境相关的不同质子化状态下主客体相互作用的结构和能量特性[25]、[26]。进行分子力学（MM）和量子力学（QM）计算以优化FBZ–CD复合物的几何构型并分析其结构特征。随后进行分子动力学模拟，研究FBZ–β-CD包合物在500 ns模拟期间的稳定性和动态行为。为定量评估主客体亲和力，使用分子力学泊松-玻尔兹曼表面积（MM-PBSA）计算估算芬苯达唑（FBZ）与β-环糊精（β-CD）之间的结合自由能，并辅以伞形采样模拟。该综合方法使复合物热力学稳定性的评估更加可靠，并允许比较不同pH依赖性质子化状态之间的结合亲和力。
章节摘要
材料
芬苯达唑（FBZ，分子量 = 299.349 g/mol，批号 60,309,033）由Chemo Romikin（阿根廷布宜诺斯艾利斯）提供。α-环糊精（α-CD，分子量 = 972.84 g/mol）和γ-环糊精（γ-CD，分子量 = 1291.12 g/mol）购自Sigma Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。β-环糊精（β-CD，分子量 = 1134.98 g/mol，Roquette）购自Ferromet SA（阿根廷布宜诺斯艾利斯）。所有实验均使用超纯水（Millipore，德国埃施博恩）。其他化学试剂为高效液相色谱级。
加工条件和pH对FBZ溶解度的影响
本研究旨在比较原药在不同pH条件下的溶解度与其经历与包合物相同加工条件后溶解度的差异。结果清楚地证明了FBZ溶解度的强pH依赖性（图1）。纯药物在pH 1.2时溶解度最高（约0.07 mg/mL），在pH 4.5和pH 6.0时溶解度降低，数值几乎可忽略不计。该行为与FBZ的弱碱性一致
结论
本研究首次证明生理pH值和药物电离状态是决定FBZ:β-CD包合物稳定性、结合模式和动力学的基本因素。在所评估的环糊精中，β-CD的增溶效率最高，表明其空腔尺寸提供了最佳的位阻和疏水互补性以容纳药物分子。此外，核磁共振分析（1H、13C和ROESY）提供了包合的直接实验证据，证实
CRediT作者贡献声明
Lina Vargas Michelena：方法学，研究。Giselle R. Bedogni：撰写—初稿，方法学，研究，形式分析。Gustavo A. Barraza：方法学，研究。María C. Lamas：撰写—初稿，可视化，研究，形式分析。Angel M. Sanchez：撰写—初稿，可视化，验证，研究，资金获取。Claudio J. Salomon：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督，研究，
资金
本研究部分得到罗萨里奥国立大学（PID 80020180100134UR）、阿根廷国家科学技术研究委员会（CONICET）（PIP 3179）和阿根廷科学技术部（MINCYT）（PICT 2019–4180）的支持。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
LVM非常感谢国家科学技术研究委员会（CONICET）提供的博士学位奖学金。
Lina Vargas Michelena|Giselle R. Bedogni|Gustavo A. Barraza|María C. Lamas|Angel M. Sanchez|Claudio J. Salomon
