: 从晶体设计到药物潜能：兼具增强溶解性与抗菌活性的新型茶碱-硝酸盐一水共晶盐

《Crystal Growth & Design》：From Crystal Design to Pharmaceutical Drug Potential: A New Theophylline-Nitrate Monohydrate Cocrystal Salt with Enhanced Solubility and Antibacterial Activity

本研究成功设计并合成了茶碱（TH）与硝酸（HNO3）的新型一水共晶盐（THNO3）。系统表征（单晶XRD、Hirshfeld表面分析、热分析（TG-DSC）、拉曼光谱）揭示了其独特的晶体结构（三斜晶系，P1?空间群）与分子间相互作用网络。实验表明，该共晶盐在磷酸盐缓冲液（pH 6.8）中的溶解度比纯TH提高了13.2%，并展现了对变异链球菌（Streptococcus mutans）的选择性抑菌活性，为开发多功能性药物固体形式提供了策略。

　　

引言

活性药物成分（API）的多组分晶体材料理性设计，是改善其理化性质（尤其是溶解度、溶出速率、吸收和生物利用度）的有力策略。其中，盐形成因其通过离子配对调控分子相互作用的能力而备受关注。茶碱（TH）作为一种广泛用于治疗哮喘等呼吸系统疾病的甲基黄嘌呤衍生物，其水溶性低的问题限制了疗效并增加了剂量依赖性副作用风险。尽管已有多种TH共晶被报道，但基于TH的盐的开发仍有待探索。以硝酸（HNO₃）为代表的无机酸已被证明是形成此类盐的可行且有前景的共晶配体。本研究报道了一种新的TH-HNO₃多组分体系（命名为THNO₃）的合成与全面表征，旨在阐明其结构、稳定性、溶解性及生物学活性。

材料与方法

THNO₃采用缓慢溶剂蒸发法合成。将TH溶于乙醇，缓慢加入HNO₃，过滤后静置结晶。使用单晶X射线衍射（XRD）确定晶体结构，并通过Hirshfeld表面分析和晶体空隙映射评估分子间相互作用与堆积效率。拉曼光谱结合密度泛函理论（DFT）计算用于振动模式指认。利用同步热重（TG）和差示扫描量热法（DSC）评估热性能。在磷酸盐缓冲液（PBS， pH 6.8， 310 K）中进行溶解度测定。使用肉汤微量稀释法评估THNO₃对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、变异链球菌）和革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌）的抗菌活性。

结果与讨论

1. 1.
   结构描述
   单晶XRD分析表明，THNO₃在三斜晶系P1?空间群中结晶为一水共晶盐。其不对称单元包含一个茶碱阳离子（TH⁺）、一个中性TH分子、一个硝酸根阴离子（NO₃^–）和一个结晶水（H₂O）分子。结构通过复杂的氢键网络稳定，其中包括N–H⁺···O^–（一种异合成子离子氢键）、O–H···O和O–H···N相互作用，形成了D1,1(2)和D2,2(6)超分子基序。此外，芳香环之间还存在π–π堆积相互作用。
2. 2.
   通过Hirshfeld表面的分子间相互作用分析
   Hirshfeld表面分析量化了晶体中的所有分子间接触。H···H（34.4%）和O···H/H···O（30.7%）接触占主导地位，后者明确量化了氢键网络对晶格稳定的关键贡献。形状指数和曲率指数揭示了由π–π堆积相互作用引起的表面拓扑特征。
3. 3.
   晶体空隙量化
   晶体空隙分析显示，单位晶胞的空隙体积仅为65.22 ?³，占总体积的7.14%。这一较低的空隙百分比表明晶体堆积效率高，结构稳定，这与致密的氢键网络密切相关。
4. 4.
   振动研究
   实验拉曼光谱与基于DFT的理论计算谱图高度吻合。在1038 cm^–1处观察到的强拉曼带归属于NO₃^–的ν(NO)振动，证实了硝酸根成功并入晶格。其他特征峰与TH骨架及官能团的振动模式一致。
5. 5.
   热分析
   TG-DSC分析揭示了THNO₃在300-660 K温度范围内的五阶段热分解过程。第一阶段（304–347 K）对应于脱水过程，伴有部分硝酸盐分解，实验失重10.81%，高于理论水分子失重（4.08%），并在341 K处出现吸热峰，证实了其一水合物性质。后续阶段涉及TH⁺和中性TH的逐步分解。与纯TH相比，TH⁺的热稳定性有所降低。
6. 6.
   溶解性分析
   在pH 6.8的PBS缓冲液中，THNO₃的溶解度测定为17.37 ± 0.37 mg/mL，而重结晶纯TH的溶解度为15.34 ± 0.15 mg/mL，溶解度提升了约13.2%。这种提升归因于其离子性质：溶解时，TH⁺和NO₃^–与水分子的离子-偶极相互作用，比中性TH晶体中的氢键网络更易被破坏。此外，晶体结构中存在的水分子作为预组织的溶剂化桥梁，也有助于降低溶解能垒。
7. 7.
   抗菌活性
   抗菌测试表明，THNO₃对变异链球菌表现出选择性抑菌活性，其最小抑菌浓度（MIC）为500 μg/mL，最小杀菌浓度（MBC）>1000 μg/mL。而对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌在测试浓度下（高达1000 μg/mL）无显著活性。其活性机制可能与NO₃^–在细菌（特别是变异链球菌这类可在微氧/厌氧环境下生存的细菌）体内被还原为具有细胞毒性的活性氮物种（如一氧化氮（NO））有关。与标准药物庆大霉素相比，THNO₃活性较低，但可能产生协同作用。

结论

本研究成功合成并全面表征了一种新型的THNO₃一水共晶盐。晶体结构分析揭示了其独特的离子-中性分子共存组成及由氢键和π–π堆积稳定的高效晶体堆积。功能测试证明，该共晶盐不仅将TH的溶解度提高了13.2%，还赋予了其针对变异链球菌的选择性抑菌活性。这项工作凸显了利用无机酸形成共晶盐作为多功能策略，在改善API（如茶碱）的理化性质和引入新生物活性方面的巨大潜力，为开发更有效的药物固体形态和递送系统奠定了基础。