关于香叶醛-2-羟基丙基-β-环糊精包合物的实验与计算研究，及其作为杀螨剂的创新应用

《Journal of Molecular Structure》：Experimental and computational investigations of citral-2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex and its innovative application as an acaricidal agent

　　

沃尔特·塞萨尔·塞莱里·比吉（Walter Cesar Celeri Bigui）|比安卡·德·奥利维拉·博特略（Bianca de Oliveira Botelho）|卡米拉·费雷拉·查维斯（Kamila Ferreira Chaves）|安娜·弗拉维娅·巴蒂斯塔·席尔瓦（Ana Flávia Batista Silva）|塔蒂亚娜·弗雷塔斯·博尔加蒂（Tatiane Freitas Borgati）|路易斯·克劳迪奥·阿尔梅达·巴博萨（Luiz Claudio Almeida Barbosa）|赫贝尔特·德·保拉（Heberth de Paula）|奥顿·索托·坎波斯（Othon Souto Campos）|卢卡斯·德·索萨·索亚雷斯（Lucas de Souza Soares）|阿迪尔松·维达尔·科斯塔（Adilson Vidal Costa）|瓦格纳·特巴尔迪·德·凯罗斯（Vagner Tebaldi de Queiroz）

巴西圣埃斯皮里图联邦大学（Universidade Federal do Espírito Santo）化学与物理系，Alto Universitário，地址：s/n 29500-000，阿莱格雷（Alegre），圣埃斯皮里图州（ES）

摘要

由于香叶醇（CIT）具有高挥发性和低水溶性，在食品和制药工业以及农用化学品开发中的应用受到限制。本研究旨在通过实验技术和计算研究的结合，阐明香叶醇与2-羟基丙基-β-环糊精（ICHβCIT）之间的包合物结构并理解其形成机制。此外，还评估了其在体外对Rhipicephalus microplus幼虫的杀螨活性。实验技术（FTIR、PXRD、SEM、NMR和TGA）和计算研究（NMR理论、NCI和1500 ns MD模拟）表明，形成的包合物稳定性较高，但结合亲和力较低。研究发现，ICHβCIT的主要作用力是范德华相互作用。生物测试表明，与游离香叶醇（90%至64.61%）和物理混合物（79.42%至60.86%）相比，包合物能够延长香叶醇的生物活性（86.30%至81.59%），持续时间为48小时。因此，ICHβCIT作为一种新型杀螨剂，为动物健康和福利产品的开发提供了新的应用途径。

引言

牛蜱和其他影响牲畜的外寄生虫严重影响了牛奶和肉类的生产，导致全球每年损失超过220亿美元[1]。控制蜱虫的主要方法是使用杀螨剂；然而，不合理的杀螨剂使用可能导致抗性蜱虫的出现、环境污染以及动物产品中的残留物带来的健康风险[2]。为了应对这些挑战，可以单独或联合使用精油（EO）及其成分等替代控制方法，以减轻传统杀螨剂的不良影响[3]。

香叶醇（3,7-二甲基辛-2,6-二烯醛，CIT）在制药、化妆品以及农用化学品和动物健康领域具有多种应用价值，包括杀菌[4]、杀虫[5]、杀菌[6]和对牛蜱（Rhipicephalus microplus）的杀螨活性[7]。然而，由于其高挥发性、对光和氧等环境因素的敏感性以及在水中的低分散性，CIT在技术应用上存在局限性[8]。

为克服这些局限性，人们研究了香叶醇与环糊精（CDs）及其改性衍生物（如2-羟基丙基-β-环糊精（HPβCD）形成的包合物（ICs），通过形成超分子结构来改善多种化合物的物理性质[9]。CDs具有疏水内腔和亲水外层，这使得它们成为通过氢键、疏水效应和范德华相互作用稳定封装的有效载体[10]。因此，用CDs制备的ICs提高了被封装化合物的溶解度、热稳定性，并增强了其抗氧化性，从而提升了其生物活性[11]。

在此背景下，研究香叶醇与CDs（特别是HPβCD）形成的ICs的特性成为研究的重点。理解包合机制和结构是关键步骤。采用多种分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）和核磁共振（NMR），来研究CDs的结构变化，从而实现活性成分在CD腔内的封装[12,13]。

实验方法之外，密度泛函理论（DFT）研究、分子对接和分子动力学（MD）模拟等计算工具也有助于评估、预测或验证分子间的相互作用，并获得实验技术难以获得的数据[14]。DFT计算提供了关于结合能、分子间相互作用的定性和定量信息（如共价或离子性质、键能、相对化学反应性），以及光谱性质（如拉曼、FTIR、NMR）等实验数据的直接模拟。此外，MD计算还能提供分子定位、随时间变化的分子轨迹、构象分析及热波动等信息[15]。因此，实验方法与理论模拟的结合对于深入理解包合机制和结构特性至关重要。

文献综述显示，关于香叶醇与HPβCD（此处称为ICHβCIT）形成的分子间相互作用的详细研究较少。此前的一些研究使用了不同的技术对IC-CIT-HPβCD进行了表征，例如Campos等人[16]评估了其镇痛和抗炎活性，Shen等人[8]研究了其在草莓储存中的防腐效果；这两项研究均采用传统实验技术从结构和分子层面进行了表征。另一项研究中，Silva等人[9]结合实验和计算方法，通过50 ns MD研究探讨了IC-CIT-HPβCD在奶酪保存中的抗菌活性。然而，模拟时间较短，限制了对缓慢构象变化的观察，阻碍了对包合过程中非共价相互作用（NCIs）的全面解析。

本研究旨在探讨香叶醇与HPβCD之间的分子相互作用，以阐明ICHβCIT的形成机制，从而进行结构分析和针对Rhipicephalus microplus幼虫的生物活性评估。通过相溶解度研究和Job图确定了反应物的摩尔比。所得IC通过FTIR、PXRD、SEM、NMR、TGA和DSC进行分析，并结合NCI分析和在二甲基亚砜（DMSO）及水中的1500 ns MD模拟进行了表征。此外，还评估了ICHβCIT的产率、封装效率（EE）、药物装载量（DL）以及其对R. microplus的杀螨活性。

本研究的重点在于开发香叶醇的递送系统，因为使用ICs是一种提高其生物效力的有效策略。研究结果有望推动基于HPβCD的香叶醇封装技术在动物健康领域的更广泛应用和技术进步。

章节摘录

材料

所有试剂均从商业渠道购买，无需进一步纯化即可使用。香叶醇（CAS: 5392-40-5）由Sigma Aldrich提供（批次MKBX5371V）。HPβCD（CAS: 128446-35-5，白色结晶粉末，纯度99%）由Ambeed提供（批次A405837-009）。乙醇（批次230552）和乙腈（ACN，批次226824）购自LabSynth有限公司（巴西圣保罗），DMSO（批次69264）购自Dinamica有限公司（巴西圣保罗）。实验中使用的是超纯水。

相溶解度研究

相溶解度方法和Job方法常用于研究宿主与客体之间的包合比例。图1A展示了不同HPβCD浓度下香叶醇的相溶解度曲线。香叶醇的溶解度从15 mmol L^-1增加到32 mmol L^-1，增加了2.13倍，并且与HPβCD浓度的增加呈线性关系（[CIT]= 0.5600 [HPβCD]?+?15.2542；R²= 0.9990）。

Higuchi和Connors[17]根据复合体对...

结论

本研究通过物理化学、光谱和分子建模技术表征了香叶醇与HPβCD形成的包合物（IC），证实了其通过 kneading 方法形成。HPβCD作为一种超分子载体系统，能够提高难溶于水的化合物（如香叶醇）的溶解度。MD结果显示，香叶醇与HPβCD之间的主要作用力是范德华相互作用，主要涉及香叶醇的H8与HPβCD的H6。

CRediT作者贡献声明

沃尔特·塞萨尔·塞莱里·比吉（Walter Cesar Celeri Bigui）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法设计、实验设计、数据整理、概念构建。比安卡·德·奥利维拉·博特略（Bianca de Oliveira Botelho）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。卡米拉·费雷拉·查维斯（Kamila Ferreira Chaves）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。安娜·弗拉维娅·巴蒂斯塔·席尔瓦（Ana Flávia Batista Silva）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。塔蒂亚娜·弗雷塔斯·博尔加蒂（Tatiane Freitas Borgati）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：

作者在本研究中不存在利益冲突。瓦格纳·T·德·凯罗斯（Vagner T. de Queiroz）表示获得了圣埃斯皮里图研究与创新基金会（FAPES）的财政支持，这可能被视为潜在的利益冲突。

致谢

本研究部分由巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）和圣埃斯皮里图研究与创新基金会（FAPES，资助编号21/2022；资助条款1094/2022；FAPES，资助编号28/2022；资助条款976/2023）资助。VTQ获得了FAPES和AVC的研究奖学金，LCAB获得了CNPq的研究奖学金。

作者衷心感谢圣埃斯皮里图联邦大学（UFES）的化学工程实验室1（CCAE/UFES）和化学实验室3（LQ3）的支持。