《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Computationally guided nanoemulsion with natural deep eutectic solvent: Interfacial mechanism and enhanced transdermal delivery of puerarin
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基于COSMO-RS筛选出最优自然深共熔溶剂BET-PG，并与表面活性剂复合制备纳米乳剂，显著提高异黄酮透皮递送效率及稳定性，分子动力学模拟揭示了界面协同作用机制。
张淼淼|王娟|刘凤毛|高志强|张显昭|彭清荣|孙潘
中国农业大学理学院应用化学系农药研究创新中心，北京100193
摘要
普尔兰（PUE）是一种具有良好治疗潜力的生物活性异黄酮，但其溶解度低且皮肤渗透性不足。本文通过计算筛选、界面工程和实验评估相结合，合理设计了一种基于天然深共晶溶剂（NADES）的纳米乳液。对200种NADES系统的COSMO-RS筛选表明，甜菜碱-丙二醇（BET-PG）是一种具有优异溶解性和物理化学性质的理想溶剂。随后，将BET-PG作为功能极性相加入由Span 80、乙醇和异丙基肉豆蔻酸酯组成的纳米乳液（PUE/BET-PG-NE）中。优化后的纳米乳液具有纳米级液滴（77 nm）、低多分散性（PDI < 0.2）、高包封效率（约98%）以及优异的离心和储存稳定性，在25°C和40°C下储存30天后，其尺寸、PDI和药物含量变化可忽略不计。量子化学和分子动力学分析显示，PUE与BET-PG之间存在强烈的静电互补性和协同氢键作用，同时NADES和界面成分的重新分布形成了有利于药物包封的稳定纳米结构。利用切除的大鼠皮肤进行Franz扩散实验，并结合共聚焦显微镜和组织学观察，证实BET-PG尤其是PUE/BET-PG-NE显著增强了PUE在皮肤中的渗透和保留效果，同时保持了HaCaT细胞的存活率。本研究展示了一种通过物理化学方法设计基于NADES的纳米乳液，作为难溶性药物经皮输送的可调谐胶体载体的策略。
引言
普尔兰（PUE）是一种从葛根中提取的生物活性异黄酮，具有心脏保护、神经保护[1]、抗氧化[2]、[3]和抗炎[5]、[6]作用。然而，其临床应用受到水溶性差的限制，导致生物利用度低且不稳定，同时传统给药途径还存在不良反应[7]、[8]。经皮给药系统（TDDS）通过皮肤输送药物，可用于局部或全身治疗[9]、[10]、[11]、[12]、[13]，绕过肝脏首过代谢，实现持续释放，从而维持更稳定的药物水平，减少给药频率和毒性[14]、[15]、[16]、[17]。尽管已有成熟的经皮药物筛选指南[18]，但由于PUE的对数P值低且在水相和油相中的溶解度有限，其在角质层的分布仍然具有挑战性[17]、[19]、[20]、[21]。传统载体（水凝胶[22]、[23]、[24]、[25]、脂质体[26]和囊泡[27]、[28]）可以改善局部沉积效果，但往往存在溶解能力不足、界面调控有限或长期稳定性差的问题。纳米乳液（NEs）是由表面活性剂稳定的纳米级油水液滴组成的动力学稳定的胶体分散体系，为药物溶解和转运提供了较大的界面面积[29]、[30]、[31]、[32]。因此，NEs具有较高的载药潜力[33]、[34]，但其性能很大程度上取决于极性相和界面微环境，对于像PUE这样的难溶性药物来说，优化这一环境颇具挑战性[35]。因此，天然深共晶溶剂（NADES）作为水的生物相容性替代品受到了越来越多的关注[10]、[36]，可能提高PUE的溶解度和基于纳米乳液的TDDS的性能。
NADES由于其可调的设计和独特的物理化学性质，在药物输送应用中展现出巨大潜力[37]、[38]。NADES是由氢键受体和氢键供体以特定摩尔比组成的二元或三元共晶混合物[39]、[40]、[41]。作为深共晶溶剂（DES）的一个子类，NADES易于制备、成本低廉、环保，并符合绿色制药发展的趋势[42]。NADES内的氢键相互作用不仅降低了混合物的熔点，还增强了其溶解能力和皮肤渗透性[37]、[43]。然而，NADES的成分种类繁多，导致可能的组合数量庞大，使得筛选过程极其困难[43]。传统的实验方法耗时且不适用于单独评估每种组合。因此，迫切需要一种科学高效的方法来准确预测药物在NADES中的溶解度。
COSMO-RS模型基于量子化学和统计热力学，为此提供了一种高效的筛选方法[44]、[45]、[46]。例如，Wang等人利用COSMO-RS成功筛选了1768种NADES，发现了对三唑类杀菌剂具有优异溶解性的NADES[47]。Ding等人使用COSMO-RS筛选从油茶叶中提取多酚的NADES，并基于氯化胆碱构建了17个DES分子虚拟簇，以预测油茶多酚的活性系数。最终选择氯化乙酰胺作为溶剂，显著提高了总酚含量[48]。通过COSMO-RS模型的计算和分析，可以快速准确地筛选出适用于特定应用场景的低熔点溶剂，为各个领域的研究提供了有力支持[49]、[50]、[51]、[52]。
在本研究中，建立了一个基于COSMO-RS的工作流程，以确定合适的NADES并开发基于NADES的纳米乳液平台，用于增强PUE的经皮输送。首先使用COSMO-RS高通量筛选评估NADES候选物，并确定PUE的组成-溶解度关系。根据这些预测，选择BET-PG并通过实验验证其作为最佳NADES，然后将其作为功能极性相加入纳米乳液中，以实现高药物载量和优异的胶体稳定性。通过量子化学和分子动力学模拟阐明了纳米乳液的界面相互作用。此外，还使用切除的皮肤进行Franz扩散研究，并结合共聚焦显微镜和组织学观察来评估经皮性能。计算机模拟结果为最终配方的界面设计提供了依据，形成了结合COSMO-RS筛选、实验配方和验证以及基于MD的机制阐明的综合工作流程，以实现难溶性药物的经皮输送。
部分摘录
NADES的COSMO-RS模拟和筛选
共构建了200种NADES系统，这些系统由10种氢键受体（HBAs）和20种氢键供体（HBDs）组成，选择这些成分是因为它们的成本低廉且具有生物相容性。使用TURBOMOLE 22.0.0和密度泛函理论（DFT）优化了HBAs、HBDs和PUE的几何结构和电荷密度，分子结构来自PubChem。生成的COSMO文件用于在COSMOthermX 22.0.0（BP-TZVP-22ctd）中进行后续的COSMO-RS分析。每个NADES中PUE的溶解度预测
COSMO-RS筛选结果
基于COSMO-RS理论，我们系统地筛选了10种HBAs和20种HBDs，构建了200种潜在的NADES系统，通过σ曲线和溶剂化自由能计算评估它们的PUE溶解能力。溶解度热图（图1a）直观展示了NADES库中的溶解能力，其中颜色从红色到蓝色的渐变表示COSMO-RS预测的PUE溶解度逐渐降低。
结论
总之，我们开发了一种基于物理化学方法的策略，用于设计基于NADES的纳米乳液以实现PUE的经皮输送。COSMO-RS筛选确定了BET-PG作为合适的NADES，将其作为Span 80/乙醇/IPM纳米乳液的极性相，制备出了粒径小、粒径分布窄、包封效率高且具有优异离心和储存稳定性的液滴。ESP、IGMH分析和MD揭示了协同的静电和氢键作用
CRediT作者贡献声明
高志强：可视化、形式分析。张显昭：可视化、形式分析。刘凤毛：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。彭清荣：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。孙潘：可视化。张淼淼：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、数据管理。王娟：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法学、研究。
资助
作者衷心感谢苏州和乐春医疗设备有限公司的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：彭清荣报告称获得了苏州和乐春医疗设备有限公司的财务支持，并与该公司存在咨询或顾问关系。其他作者声明没有已知的财务利益或可能影响研究的个人关系。
