《Molecules》：Molecular Insights into β-Cyclodextrin-Based Supramolecular Deep Eutectic Solvent Formation and Its Interactions with Curcumin
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本研究利用经典全原子分子动力学（MD）模拟，探究了姜黄素在氯化胆碱（ChCl）：甘油（Gly）：β-环糊精（βCD）超分子低共熔溶剂（supraDES）中的分子组织与相互作用行为。研究人员主要通过分子快照、径向分布函数（RDFs）、氢键分析、相互作用能、密度分
本研究利用经典全原子分子动力学（MD）模拟，探究了姜黄素在氯化胆碱（ChCl）：甘油（Gly）：β-环糊精（βCD）超分子低共熔溶剂（supraDES）中的分子组织与相互作用行为。研究人员主要通过分子快照、径向分布函数（RDFs）、氢键分析、相互作用能、密度分布和均方根偏差（RMSD）等手段，分析了含βCD的supraDES的形成及其与姜黄素的相互作用。关于supraDES的形成，分子结构、RDF、氢键及相互作用能分析揭示，βCD的引入改变了DES组分的局部配位环境。加入姜黄素后，观察到姜黄素与βCD之间存在相关性，表明姜黄素与该超分子宿主之间存在优先关联，这一发现由经典全原子MD模拟输出的分析所揭示。未来研究应将MD模拟与实验研究及增强的自由能计算相结合，以进一步阐明主客体结合机制，并评估基于βCD的supraDES用于姜黄素增溶与递送的潜力。
一、研究背景与科学问题
姜黄素是姜黄中的主要生物活性多酚，具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗菌和神经保护等多种药理活性，在制药、食品和生物医学领域具有广阔的应用前景。然而，其极低的水溶性（约1 μg/mL）以及对光、热和pH的显著化学不稳定性，导致口服生物利用度极差，严重限制了其实际应用。
低共熔溶剂（DES）由天然氢键供体与受体（如铵盐、有机酸、糖类和多醇）组成，是一类可生物降解、低挥发性且性质可调的绿色溶剂，能够溶解包括姜黄素类在内的亲水性和疏水性生物活性化合物。超分子低共熔溶剂（supraDES）则更进一步，将宿主分子（尤其是环糊精）引入低共熔基质中。β-环糊精（βCD）具有亲水外表和疏水空腔，可包合疏水性姜黄素类化合物，从而将高效提取与保护性微环境相结合。
已有大量实验研究探讨了环糊精结构与电离状态对主客体复合物形成及水溶性的影响，但这些数据几乎全部来自稀水缓冲液体系。在拥挤且充满氢键的低共熔介质中，空腔匹配度和电荷效应如何发挥作用，仍是未解之谜。近期有研究报道了一种基于ChCl:Gly:βCD的supraDES（摩尔比1:2:0.02，含10% w/w水），该体系改善了姜黄素类化合物的提取效率，并将30天降解率从62.8%（无βCD的ChCl:Gly DES）降至47.5%。然而，该体系的分子组织方式——包括姜黄素是否进入βCD空腔、DES组分如何竞争空腔与边缘、以及姜黄素如何被溶剂化——尚未得到表征。由于姜黄素降解涉及数天至数周内发生的断键反应，无法用经典力场在纳秒时间尺度上描述。而经典全原子MD模拟非常适合解析此类体系的分子结构、氢键、RDF和相互作用能量学。
因此，本研究利用经典全原子MD模拟，考察ChCl:Gly:βCD基supraDES的形成以及姜黄素与βCD及各DES组分之间的相互作用，旨在识别可用于指导supraDES介质理性设计的结构与分子间相互作用特征。
二、主要关键技术方法
研究人员采用经典全原子分子动力学（MD）模拟方法，使用GROMACS（版本2021.4）软件进行模拟。ChCl、Gly、βCD和姜黄素的初始拓扑及力场参数来源于自动拓扑构建数据库（ATB），确保与GROMOS54A7力场兼容，水分子采用SPC/E模型。模拟体系包含750个ChCl、1500个Gly、15个βCD、1443个水分子，以及1个或5个姜黄素分子，分别对应姜黄素浓度约4.4 mM和22 mM（0.13和0.64 wt%），即姜黄素:βCD摩尔比为1:15和1:3。所有模拟均在298 K和1 bar条件下进行，采用LINCS算法约束键长，短程相互作用截断距离为1.0 nm，长程静电作用采用PME方法，温度控制采用Nosé-Hoover恒温器，压力控制采用Berendsen恒压器。每个体系均进行了三次独立模拟，所有分析基于生产运行最后5 ns的数据。
三、研究结果
2.1. 超分子低共熔溶剂（supraDES）的形成
2.1.1. 分子结构： 分子快照显示，在纯DES（体系1）中，胆碱阳离子、甘油分子和氯离子均匀混合，未见相分离。在supraDES（体系2）中，βCD分子分布于整个模拟盒中，被胆碱、甘油和氯离子包围，水分子分散于DES网络中，未形成独立水相。
2.1.2. 势能： 所有体系的势能在生产运行前10 ns左右下降后趋于平稳，最后5 ns的平均势能残差漂移低于总势能的0.015%每ns，三次重复间的标准误差低于总势能的0.1%，表明各体系达到相同能量状态。
2.1.3. 均方根偏差（RMSD）： βCD的RMSD在前2.5 ns快速升至约1.25 ?，随后缓慢上升，最后5 ns平均值为1.72 ± 0.07 ?，远小于βCD大环尺寸（外径约15 ?），表明βCD在supraDES中保持完整环状构象。
2.1.4. 径向分布函数（RDFs）： 在DES中，甘油氧（GlyO）-氯离子（Cl?）的RDF峰最尖锐（2.93 ?，g(r)=7.31），对应O-H···Cl?氢键，是DES的主要短程结构基序。胆碱氮（ChN）-Cl?的峰较宽（4.38 ?），反映阳离子-阴离子堆积。在supraDES中，所有峰位置基本不变，但第一壳层配位数降低10-12%，表明水和βCD部分取代了DES-DES接触。
2.1.5. 氢键数量： 在DES中，甘油-氯离子氢键最多（每氯离子2.84个）。在supraDES中，DES组分间氢键减少9-32%，其中胆碱-甘油氢键降幅最大（-31.7%）。βCD与甘油的氢键最多（每βCD 1.66个），其次为水（0.85）、氯离子（0.71）和胆碱（0.20）。
2.1.6. 相互作用能： DES中，氯离子-甘油对的静电能最负（-153,273 kJ/mol）。在supraDES中，所有DES-DES相互作用能减弱15-31%。βCD与甘油的相互作用最强（总短程相互作用能每βCD约-286 kJ/mol），其次为胆碱（-166）、氯离子（-93）和水（-61 kJ/mol）。
2.2. 超分子低共熔溶剂（supraDES）与姜黄素的相互作用
2.2.1. 分子结构： 分子快照显示，姜黄素分子位于βCD分子旁边，被胆碱、甘油、氯离子和水包围。在含五个姜黄素的体系（体系4）中，五个姜黄素分子分散于盒子中，各自邻近一个βCD分子，未见堆叠聚集。
2.2.2. 势能： 含姜黄素体系的势能同样在前10 ns后趋于平稳，最后5 ns用于所有分析。
2.2.3. 均方根偏差（RMSD）： 含姜黄素体系中βCD的RMSD（约1.3 ?）低于不含姜黄素的supraDES（1.72 ?），且更平坦，但所有体系中βCD的RMSD均低于2 ?，表明βCD保持环状构象。
2.2.4. 径向分布函数（RDFs）： βCD与DES组分的RDF在含与不含姜黄素的体系中几乎一致。姜黄素与βCD的RDF显示，姜黄素氧（O）-βCD氧（O）的最大值出现在4.2-4.8 ?（g(r)≈4），表明两者空间相关，但该距离不在氢键范围内（约2.7-3.0 ?）。姜黄素-姜黄素RDF在约6.5 ?以下为零，配位数极低，表明姜黄素未发生自聚集。
2.2.5. 氢键数量： βCD的氢键模式不受姜黄素影响。姜黄素主要与水、甘油和氯离子形成氢键，与βCD的氢键极少（每姜黄素分子少于0.1个）。
2.2.6. 姜黄素-βCD距离： 在体系4中，15个姜黄素-βCD对（5个分子×3次重复）中有14对在整个分析窗口内保持持续接触，最小重原子距离约3.1 ?。质心（COM）距离差异较大（2.7-11.7 ?），表明部分姜黄素接触βCD的边缘或外表面，而非深入空腔。
2.2.7. 相互作用能： 姜黄素与βCD的相互作用以范德华力为主（vdW/静电比约6.5），占总短程相互作用能的12-16%。姜黄素与甘油、氯离子和水的相互作用更强。
2.2.8. 密度分布： DES组分和水沿Z轴的密度分布基本平坦，表明体系均匀无分层。βCD和姜黄素的分布不均匀，但二者的一维密度剖面无明显相关性。
四、讨论与结论
本研究的经典全原子MD模拟阐明了ChCl:Gly:βCD基supraDES的形成机制及其与姜黄素的相互作用。关于supraDES的形成，βCD和水的引入保留了ChCl:Gly DES的主要结构基序（即甘油-氯离子的O-H···Cl?氢键和胆碱-氯离子配对），但使第一壳层配位数降低10-12%，DES组分间氢键减少9-32%，DES-DES短程相互作用能减弱15-31%，因为水和βCD部分取代了DES-DES接触。βCD保持环状构象（RMSD < 2 ?），主要被甘油溶剂化（每βCD约1.7个氢键），其次是水和氯离子，而胆碱主要通过范德华力与βCD相互作用。
关于supraDES与姜黄素的相互作用，姜黄素与βCD存在空间相关性（姜黄素O-βCD O的RDF最大值在4.2-4.8 ?）。在含五个姜黄素的体系中，15个姜黄素-βCD对中有14对在分析窗口内保持持续接触，且姜黄素未发生自聚集。然而，姜黄素-βCD的关联以范德华力为主，每姜黄素分子与βCD形成的氢键少于0.1个，仅占姜黄素总短程相互作用能的12-16%。姜黄素的大部分相互作用能和氢键涉及甘油、氯离子、胆碱和水。姜黄素的存在未明显改变βCD被DES组分的溶剂化方式。
这些结论仅限于分子间相互作用：成对相互作用能并非结合自由能，主客体包合几何结构、结合热力学以及姜黄素的化学稳定性均未涉及。未来需结合实验研究与增强采样自由能计算来进一步阐明这些问题。
