水溶性多孔有机穴番笼的聚集及水相中氙–聚集体相互作用：对主客体化学与超极化129Xe NMR生物传感的启示

《Physical Chemistry Chemical Physics》：Aggregation of porous organic cryptophane cages and xenon–aggregate interactions in aqueous media: implications for host–guest chemistry and hyperpolarized 129Xe NMR biosensingOpen Access

　　

分子自组装与聚集是超分子化学和主客体化学中普遍存在的现象，尤其在水相介质中。宿主分子的聚集会影响客体的结合以及体系的谱学性质。多孔有机穴番（cryptophane, Cry）笼是超极化¹²⁹Xe NMR生物传感器（XBS）中捕获氙的金标准。尽管Cry结构疏水且芳香，二者均会促进聚集，但XBS领域迄今大多考虑单体（孤立）Xe@cage体系，其中双位点Xe交换仅发生在笼与溶剂环境之间。基于此，研究人员对水溶性Cry笼和游离Xe原子在水相条件下进行了大规模分子动力学（MD）模拟，以在分子水平研究Cry聚集及Xe–聚集体相互作用。模拟预测聚集强烈依赖于笼上亲水基团的数量，亲水基团越少的笼聚集越强。该聚集趋势在每个笼的三套独立模拟中、使用两种不同力场以及在升高盐浓度下均得到重现。对Xe与笼及其聚集体相互作用的分析表明，Xe在笼表面累积，且随聚集体尺寸增大而增强。分析还揭示了迄今未报道的溶剂暴露Xe结合位点，出现在聚集最强笼的全部三套模拟中；其中一套模拟还发现一个埋藏位点，Xe驻留时间超过一百纳秒。这些发现表明，在穴番及其他多孔有机笼的主客体化学和应用中应考虑其聚集。特别地，在存在聚集时，XBS领域通常假定的双位点Xe交换模型的有效性应被仔细评估。

论文解读

研究背景：分子自组装与聚集在超分子化学和主客体化学中普遍存在，水相中疏水效应及π–π堆积可驱动非极性分子或芳香基团聚集，并影响客体结合、交换速率和谱学性质。多孔有机穴番（cryptophane, Cry；一类具有内部空腔的多孔有机笼）是超极化¹²⁹Xe NMR生物传感器（XBS）中捕获Xe的“金标准”。尽管Cry疏水且含六个芳环，XBS领域长期主要采用单体（孤立）Xe@cage（笼内包合氙）图像，认为Xe仅在笼内与溶剂间进行双位点交换。近期Dmochowski and co-workers用动态光散射发现水溶性Cry及XBS会自发聚集，且靶标结合引起的Xe化学位移响应很大部分可归因于聚集体解离而非直接结构变化；更早也有聚集推测。因此，需在分子水平理解Cry聚集、Xe–聚集体相互作用及聚集中的Xe NMR参数，以避免错误解释实验数据，并支持安全应用。

研究人员开展的工作与意义：研究人员对生理条件下含Na⁺和Cl^?的水相中空水溶性穴番-A（cryptophane-A, CryA）笼与游离Xe原子混合物进行经典分子动力学（MD）模拟，比较1AC、3AC、6AC（分别含1、3、6个羧酸基团，生理pH去质子化为羧酸盐）的聚集及Xe相互作用。模拟支持水相聚集发生，π–π相互作用重要；羧酸盐增加导致整体负电荷和空间位阻增加，聚集从1AC到6AC系统减弱。该工作为穴番及其他多孔有机笼的主客体化学和Xe生物传感提供分子层面启示。

关键技术方法（≤250字）：采用大规模经典MD模拟（GROMACS 2025.4），每个体系进行三套独立模拟；用GAFF2/RESP进行笼的力场参数化（HF/6-31G*几何优化、RESP电荷、antechamber分配GAFF2参数），Xe采用近期优化的Lennard-Jones参数，水为TIP3P、离子为AMBER ff99参数；生产模拟时长分别800、1000、600 ns（293.15 K、1 bar）。另以0.5 M NaCl和CHARMM36/CGenFF力场检验稳健性。轨迹分析包括径向分布函数（RDF；描述笼质心间距离概率）、基于接触的图连通分量、HDBSCAN（分层密度聚类）等。本研究无实验样本队列来源。

研究结果：聚集行为（Aggregation of cryptophane cages）：通过代表性快照、RDF及笼–笼接触截断（rc=15 ?）后的图连通分量分析，6AC大多保持单体，仅瞬态二聚；3AC形成2–5个笼的小簇，最常见约4个笼、每笼约3个邻居；1AC在120–220 ns内快速形成含全部18个笼的单一较大且相对稳定聚集体。三套模拟、两种力场及高盐浓度均重现该排序。原因在于羧酸盐增加静电排斥并空间阻碍CTB碗上芳环π–π堆积，而Na⁺仅部分屏蔽并桥接，CHARMM36/CGenFF无Na⁺桥接时趋势仍存。聚集埋藏笼表面：1AC聚集体中平均45–49%溶剂可及表面被邻近笼覆盖，门户阻塞平均22–28%（3AC约7%），阻碍客体进入。3AC模拟与实验95 nm聚集体存在差异，原文认为更可能是聚集时间尺度超出1 μs，力场精度亦可能有关；高盐和不同力场调节聚集强度但不改变排序。

Xe–聚集体相互作用（Xe–aggregate interactions）：通过近端分布g(d)分析，Xe已在单体笼周围富集，6AC和3AC接触峰约4和6（d≈3.8 ?），第一溶剂壳富集1.6和2.1倍；随簇增大而增强，3AC六笼以上簇接触峰约14、第一壳约4，1AC聚集体约22和6，第一壳超额Xe数约增至三倍。对稳定的1AC聚集体，用三维Xe密度图和HDBSCAN识别结合位点：三个聚集体分别有8、6、4个暴露位点（共18个），平均驻留0.4–3.5 ns，最长5–20 ns，群体分数0.1–1%/位点；一个埋藏位点（Sim. 1）仅4次事件，但平均驻留36.6 ns、最长139.9 ns、群体分数1.63%。暴露位点结合常数约1–11 M^?1，埋藏位点约21 M^?1，远低于Xe@3AC的3.3×10⁴ M^?1。原文将结合位点定义为Xe密度增强且驻留远长于扩散时间的小区域。

对Xe NMR生物传感应用的启示（Implications for Xe NMR biosensing applications）：讨论指出聚集引入额外Xe环境：溶剂游离Xe(f)、单体笼内Xe@cage(m)、聚集体中笼内Xe@cage(a)及聚集体结合位点Xe(s)。双位点模型假定全部笼为单体且可及，但聚集会阻塞门户并改变结合/交换；Xe@cage(a)的化学位移和弛豫可能不同于Xe@cage(m)；Xe(s)与Xe(f)快速交换不产生独立信号，而平移/展宽Xe(f)。按池化群体分数3.11%、τ_eff=7.5 ns、假设Δδ=50 ppm（11.7 T）估算R_2,ex≈0.4 s^?1，主要来自埋藏位点；在约100 μM直接检测浓度下，因p_s随聚集笼浓度缩放，展宽和位移约小200倍（R_2,ex≈0.002 s^?1，位移<0.01 ppm），hyper-CEST（化学交换饱和转移的超极化方法）浓度下更小，故现模拟中的表面位点在实验条件下不明显影响Xe(f)信号。若实验大聚集体含更多长驻留埋藏位点，可能形成可饱和池并影响hyper-CEST；Xe在聚集体上池化还可提高门户附近局部浓度、加速入笼。原文建议用MD结合量子化学NMR性质计算和自旋动力学模拟的多尺度方法，并设计浓度/盐依赖DLS与hyper-CEST、比较1AC/3AC/6AC、测定游离Xe横向弛豫等实验检验。

讨论部分总结：讨论强调聚集使传统双位点Xe交换模型可能不足，需考虑多站点交换及有效量；当前结合位点对Xe(f)信号影响小，但更大聚集体中的长寿命埋藏位点及Xe池化可能影响hyper-CEST去极化。结论翻译：本研究在生理水相条件下开展长达约1 μs的大规模MD模拟，研究1AC、3AC、6AC三种水溶性多孔有机笼的聚集。1AC形成单一大型聚集体，3AC形成几个笼的小簇，6AC大多为单体；三套独立模拟、不同力场和高盐浓度均重现。羧酸臂增加静电排斥和空间位阻，抑制笼–笼相互作用及相邻笼芳环π–π相互作用，效应从1AC到3AC到6AC增强。聚集埋藏大部分笼表面并部分阻塞门户，阻碍客体进入。Xe在所有笼表面累积并随聚集体增大而增强；1AC聚集体上多个Xe结合位点，多为溶剂暴露，一个埋藏位点驻留可达140 ns。结果提示聚集存在时广泛采用的双位点Xe交换模型应重新检验，并需更复杂的多站点交换模型描述自旋动力学和实验可观测量。总体而言，研究为穴番聚集及其对Xe基NMR生物传感的影响提供分子层面新见解，并希望促进进一步实验和计算研究。