利用太赫兹时域光谱技术对卡马西平-白花丹素共晶的特性分析：对其溶解度与肝毒性的影响

《Optical Materials》：Characterization of carbamazepine-baicalein cocrystal using terahertz time-domain spectroscopy: Implications for solubility and hepatotoxicity

　　王志鹏|高乐宇|耿启福|庞壮|高扬|张新瑞|杨慧玉|张胜波|苏波|崔海林|张存林中国教育部太赫兹光电子学重点实验室，北京，100048摘要卡马西平的溶解度较低，且存在剂量依赖性的肝毒性。具有保肝作用的黄芩素也存在类似的溶解度问题。本研究首次通过缓慢蒸发法合成了比例为1:1的卡马西平-黄芩素共晶。该共晶通过0.2至2.2 THz的太赫兹时域光谱、50至2000 cm?1的拉曼光谱、粉末X射线衍射以及差示扫描量热法进行了全面表征。通过密度泛函理论计算确定了其振动模式。太赫兹吸收光谱显示，卡马西平在1.22和1.81 THz处的特征峰以及黄芩素在1.21和2.18 THz处的特征峰消失了。重要的是，在1.90 THz处出现了一个新的峰，密度泛函理论分析认为这是由卡马西平的–CONH2基团与黄芩素的CO基团之间的氢键振动引起的，从而证实了共晶的形成。拉曼光谱在724至1310 cm?1区域的变化进一步支持了这一结论。在pH为6.8的模拟肠道液中，该共晶使卡马西平的溶解度提升了18%，从150.0 μg/mL上升至177.1 μg/mL，同时使原本几乎不溶的黄芩素在0.12 μg/mL时也可被检测到。通过对小鼠肝细胞NCTC 1469的CCK-8实验检测，发现该共晶能使细胞存活率从单独使用卡马西平时的59.6%在12小时后上升至76.1%，24小时后上升至68.3%，表明共晶的形成显著降低了卡马西平引起的肝毒性。因此，卡马西平-黄芩素共晶是一种有望同时提升药物溶解度并减轻其肝毒性的策略。引言癫痫是一种常见的神经系统疾病，会严重影响患者的生活质量及身心健康。全球约有5000万人患有癫痫。癫痫发作是由于大脑中神经元异常放电所致，具有反复发作的特点。卡马西平通过调节神经元离子通道并稳定细胞膜电位，从而抑制异常神经元放电，有效控制癫痫发作。然而，卡马西平的临床应用受到多种因素限制。其较低的溶解度导致其在体内溶解和吸收速度缓慢，进而影响药物的生物利用度。较低的生物利用度使得药物难以达到有效的治疗浓度，降低治疗效果。此外，卡马西平还具有肝毒性，长期使用可能引发肝脏损伤，进一步限制了其临床应用[1]。以往的研究中，人们已经制备了许多共晶来改善卡马西平的物理化学性质及生物利用度[2]。Artem O. Surov等人制备了卡马西平-对羟基苯甲酸甲酯的两种多晶型，并证明多晶型II更为稳定[3]。周等人研究了卡马西平与烟酰胺、糖精以及富马酸形成的共晶，通过太赫兹光谱表征和密度泛函理论计算，发现这些共晶的太赫兹光谱与各组成成分的光谱有明显差异，表明太赫兹光谱技术在识别晶体方面具有良好性能[4]。谢等人将红外光谱、拉曼光谱与偏最小二乘法以及主成分分析相结合，成功用于同时定量柚皮素、卡马西平以及柚皮素-卡马西平共晶的三元混合物[5]。Kumari等人则结合拉曼光谱和时域太赫兹光谱对抗生素头孢克肟进行了表征，确定了其吸收系数、折射率以及活性成分（磺胺吡啶和磺胺噻唑）的浓度，以此评估不同厂家生产的该药物的疗效和副作用[6]。黄芩素是一种强效的天然抗氧化剂，提取自常用中药黄芩的根。它由两个苯环和一个吡喃环连接而成。这种三环结构是黄芩素发挥多种生物活性的基础。连接到三环结构上的多个酚羟基在其抗氧化和抗炎药理作用中起着重要作用[7]。研究表明，黄芩素能够有效清除体内的自由基，抑制氧化应激反应，从而减少氧化损伤对细胞和组织的损害。在众多功效中，黄芩素的保肝作用尤为突出。它可以通过调节肝脏的代谢功能并增强肝脏的解毒能力，保护肝细胞免受损伤[8]。然而，与卡马西平类似，黄芩素的溶解度也较低。这不仅会影响其在体内的吸收和分布，限制其药理作用的发挥，也给药物制剂的开发带来了挑战。药物共晶是指活性药物成分与共晶形成剂通过氢键或其他非共价相互作用而形成的晶体结构。在这种体系中，活性药物成分和共晶形成剂在室温下都保持纯固态。药物共晶中的共晶形成剂可以是生理上可接受的酸碱盐以及非离子化分子，如食品添加剂、防腐剂、药物辅料、维生素、矿物质、氨基酸以及其他活性分子，甚至是其他活性药物成分。这些共晶形成剂可以通过氢键、π?π堆叠、范德华力等非共价相互作用与活性药物成分在同一晶格中结合[9]。从化学角度来看，活性药物成分分子本身保持不变，因此仍具有原有的药理功效。不过，共晶药物的溶解度、生物利用度和稳定性可以得到显著提升[10]，这对于口服药物制剂的开发尤为有利。本研究将卡马西平与黄芩素结合形成共晶，不仅提升了两种药物的溶解度，还降低了卡马西平的肝毒性。通过太赫兹时域光谱、PXRD、拉曼光谱以及DSC等多种先进的表征技术，充分证明了该共晶的成功形成。通过密度泛函理论模拟计算，探讨了晶格振动对共晶形成的影响。此外，还评估了该共晶的溶解度及其对肝细胞的毒性。这项工作不仅为难溶性天然生物活性化合物的进一步应用提供了理论依据，也为理解药物共晶的形成机制带来了新的思路和视角。太赫兹时域光谱技术是一种基于飞秒激光技术的新型光谱分析技术。太赫兹波是指频率在0.1至10 THz之间的电磁波，介于微波和红外光之间。太赫兹波具有能量低、穿透性强以及对生物组织无电离损伤等独特特性。太赫兹时域光谱的基本原理是利用飞秒激光脉冲产生和检测太赫兹波。当太赫兹波与样品相互作用时，会发生吸收、散射和折射等现象。通过测量太赫兹波在样品中的传播特性，如振幅和相位的变化，就可以获得样品的光谱信息。这些光谱信息包含了样品分子的结构和动态特征，有助于分析样品的成分、结构和物理性质[11]。近年来，太赫兹时域光谱技术已广泛应用于多个领域。在医学领域，它可以用于成像生物组织、诊断疾病，检测组织中的细微变化，为早期疾病诊断提供有力支持[12]。在材料科学领域，它被用于材料的结构分析和性能表征，帮助研究人员更深入地了解材料的性质[13]。在药物研究领域，太赫兹技术也展现出巨大潜力，被用于药物多晶型分析、纯度检测以及药物共晶研究[14]。试剂与材料卡马西平（CBZ，纯度≥98%）和黄芩素（BAI，纯度≥98%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司，其结构如图1所示。HPLC级别的二甲基亚砜和磷酸盐缓冲液购自天津富宇化工有限公司。模拟肠道液（pH 6.8）购自东莞创伟测试仪器有限公司。小鼠肝细胞（NCTC 1469）购自中国典型培养物中心（武汉）。太赫兹吸收光谱在0.1–1.0 THz范围内，由于样品颗粒内的多次反射，出现了强烈的法布里-珀罗干涉条纹，这些并非真正的吸收特征。因此，我们重点观察了1.0–2.25 THz范围，该范围内所有样品都出现了可靠的特征峰。为便于比较，所有光谱/图像都经过归一化处理，重点显示峰的位置而非强度。通过快速方法获得的卡马西平的太赫兹吸收光谱结论本研究成功制备了卡马西平-黄芩素共晶，并对其进行了全面研究。通过太赫兹时域光谱、PXRD、拉曼光谱以及DSC等多种先进的表征技术，充分证明了该共晶的成功形成。太赫兹吸收光谱、拉曼光谱、PXRD图谱的变化，以及差示扫描量热法中出现的独特熔点峰，均为共晶形成的有力证据。此外，……数据与材料的获取本研究的相关数据可应请求向相应作者索取。资金支持北京市自然科学基金（4232066）；国家自然科学基金（61575131）；国家关键研发计划（2021YFB3200100）。作者贡献声明王志鹏：概念设计、正式分析、研究实施、方法设计、结果可视化、初稿撰写。高乐宇：结果验证、文章润色与编辑。耿启福：结果验证、文章润色与编辑。庞壮：结果验证、文章润色与编辑。高扬：结果验证、文章润色与编辑。张新瑞：结果验证、文章润色与编辑。杨慧玉：结果验证、文章润色与编辑。张胜波：资源提供、研究指导。苏波：资金筹集。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢首先，我要衷心感谢我的学术导师，感谢他给予我的宝贵指导与激励。没有他的建议和指导，这项研究就无法完成。我还要感谢我的同学们，他们的支持与慷慨让我深受感动。最后，我必须感谢我的家人，尤其是我的父母。