结构-性质关系以及水合基质介导的芳香客体在复性β-1,3-1,6-葡聚糖纳米颗粒中的嵌入

《Carbohydrate Polymers》：Structure–property relationships and hydrated-matrix-mediated aromatic guest inclusion in renatured β-1,3-1,6-glucan nanoparticles

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摘要

天然化的β-1,3-1,6-葡聚糖纳米粒子（r-葡聚糖NPs）是通过碱解和中和诱导的葡聚糖链再生而形成的含水多糖纳米结构。与刚性的分子载体不同，它们作为客体物质的容纳环境具有灵活性、异质性，并且可以与水相互作用。本文以白藜芦醇为模型客体，结合32种苯并噻吩、偶氮苯和桂酸衍生物作为分子探针，研究了芳香客体在r-葡聚糖NPs中的掺入行为。溶剂置换实验表明，丙酮依赖的装载条件影响了白藜芦醇的保留情况、r-葡聚糖NPs的瞬态胶体状态、恢复后的复合体状态以及保留白藜芦醇的手性排列。基于描述符的分析显示，客体物质的摩尔分数与极性和氢键相关的描述符（如tPSA、OH基数和偶极矩）呈正相关，而logP和疏水表面积则呈负相关。双描述符回归分析确定logP/OH基数组合是最具化学解释性的描述符组合，这突显了在实现羟基稳定化的同时抑制过度疏水自聚集的必要性。这些结果支持这样一种模型：芳香客体的掺入过程首先通过溶剂置换过程中的动力学选择，随后在含水葡聚糖基质中稳定下来。本研究明确了灵活含水多糖基质的包容特性，并为芳香客体在r-葡聚糖NPs中的掺入提供了基于描述符的设计原理。

引言

基于多糖的纳米结构是可持续的、生物相容的且结构可调的材料，在制药、食品、化妆品和生物医学应用中可用于功能化合物的稳定和释放（Ma等人，2024年；Plucinski等人，2021年）。基于多糖的系统的一个独特特点是它们能够在水介质中形成含水聚合物基质。这种基质不仅仅是简单的疏水相，而是提供了一个异质环境，在其中小分子可以通过氢键、疏水相互作用、静电相互作用和范德华相互作用与聚合物链、水合水和瞬态微区域相互作用（Barclay等人，2019年；Liu等人，2020年；Pushpamalar等人，2021年）。因此，阐明水合和聚合物结构如何控制客体的容纳对于开发基于碳水化合物的载体材料至关重要。

环糊精是典型的基于碳水化合物的分子载体，它们通过将客体分子纳入相对明确的疏水腔中来解决难溶于水的化合物的表观溶解度和稳定性问题（Del Valle，2004年；Mura，2014年；Szejtli，1998年）。因此，客体的掺入通常与腔体-客体尺寸和形状的互补性、疏水相互作用、氢键和脱溶作用相关联。相比之下，基于β-葡聚糖的载体系统包含结构多样的架构，而不仅仅是单一类型的预组织分子腔体。例如，中空酵母衍生的葡聚糖颗粒已被研究用于靶向载药的递送（Soto等人，2012年），而可溶的单链β-1,3-1,6-葡聚糖已被用于改善难溶于水的化合物的溶解性和膜渗透性（Uchiyama等人，2020年）。灵活的基于葡聚糖的基质还可以表现出对客体响应的构象和光学行为，如在含水介质中对色团或卟啉修饰的curdlan系统的研究中所展示的（Fukuhara等人，2017年；Fukuhara & Inoue，2010年）。因此，多糖纳米颗粒和网络不一定具有固定几何形状的刚性腔体。它们的客体容纳环境可能是含水的、异质性的，并且构象可变。在这样的系统中，客体的掺入不仅取决于疏水性亲和力，还取决于聚合物链的灵活性、局部水合、分子极性、氢键能力、分子大小和形状以及溶剂依赖的聚合物基质重组。这些特性排除了在环糊精中的非共价相互作用的重要性，但简单的固定腔体描述不足以描述灵活的多糖基质。控制客体在这些含水且动态组织的环境中掺入的结构-性质关系尚不完全清楚。

β-1,3-1,6-葡聚糖是通过分子间和分子内氢键形成有序的高级结构的真菌多糖（Kono等人，2020年；Manabe & Yamaguchi，2021年）。它们还具有优异的生物相容性和生物识别特性，使其成为健康相关应用的理想材料（De Marco Castro等人，2021年；Sarkar等人，2025年）。然而，天然的β-1,3-1,6-葡聚糖通常具有较差的水溶性并倾向于形成大聚集体（Caseiro等人，2022年；Kono等人，2020年）。为了解决这些问题，我们的团队通过碱解后的中和诱导再生方法开发了天然化的β-1,3-1,6-葡聚糖纳米粒子（r-葡聚糖NPs）（Kodama等人，2020年）。在此过程中，天然的高级结构首先分解为含水单葡聚糖链，然后在不进行化学修饰、共价交联或使用表面活性剂的情况下部分重组为稳定的纳米粒子。由于r-葡聚糖NPs是从含水的单链状态重组而来的，它们的客体容纳环境可能包括部分有序的葡聚糖结构域、灵活的含水链区域和可與水相互作用的微区域。因此，r-葡聚糖NPs可以被视为灵活的含水碳水化合物-聚合物基质，而不是刚性的疏水载体。

先前的研究表明，r-葡聚糖NPs可以提高难溶于水的芳香化合物（包括姜黄素、全反式视黄醇和雷巴米肽）在水中的分散性，并且其释放行为可以通过组成葡聚糖链的分子量来调节（Kodama等人，2020年；Nonoguchi等人，2020年）。这些研究确立了r-葡聚糖NPs作为难溶性生物活性化合物载体的潜力，但主要研究了单个客体化合物和载体的性能。因此，尚未系统地确定与高效掺入和稳定保留相关的分子特性。由于r-葡聚糖NPs的客体容纳环境是含水的、异质性的，并通过葡聚糖链的非共价重组形成，因此仅使用固定腔体描述难以定义其物理化学特性。因此，结构相关的芳香客体分子可以作为分子探针，用于研究这种葡聚糖基质中的结构-性质关系。

在这里，我们使用芳香客体分子作为分子探针来研究r-葡聚糖NPs的客体掺入特性。核心假设是，客体的保留可能反映了溶剂置换过程中的兼容性以及在含水且动态重组的葡聚糖基质中的稳定化，而不仅仅是转移到预组织的疏水腔中。本研究有三个主要进展：首先，使用白藜芦醇作为模型客体，我们研究了溶剂置换装载条件的变化如何影响客体的保留、葡聚糖基质的胶体状态以及保留客体的分子排列；其次，我们系统地比较了32种结构相关的苯并噻吩、偶氮苯和桂酸衍生物，以确定客体掺入与代表疏水性、极性、氢键能力、分子大小和分子形状的分子描述符之间的经验关系；第三，通过结合溶剂置换和基于描述符的分析，我们提出了一种工作模型，包括溶剂置换过程中的动力学选择以及随后在灵活的含水葡聚糖基质中的稳定化。从应用角度来看，这些经验性的结构-性质关系可以为优先考虑将难溶于水的芳香生物活性化合物掺入基于葡聚糖的水基制剂提供实际依据。这种基于描述符的筛选有助于在开展更广泛的配方和性能研究之前，识别出有前景的候选结构，尽管还需要用其他客体分子进行外部验证以确认其更广泛的预测能力。我们结合了动态光散射（DLS）、紫外-可见（UV–vis）吸收光谱、圆二色性（CD）光谱、皮尔逊相关分析和双描述符回归来研究这些关系。实验策略总结在图1中。所建立的框架旨在描述实验支持的趋势，而不是直接解析r-葡聚糖NPs的内部结构。

片段

r-葡聚糖NPs的材料和制备

所有试剂均按接收状态使用。丙酮、白藜芦醇、反式苯并噻吩、对氨基偶氮苯、有机溶剂、酸、碱和酚购自FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation（日本大阪）。苯并噻吩、偶氮苯和桂酸衍生物购自Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.（日本东京）、Kanto Chemical Co., Inc.（日本东京）或Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。一种从担子菌培养液中提取的β-1,3-葡聚糖酶制剂

依赖溶剂置换的r-葡聚糖NPs和白藜芦醇掺入的胶体行为

在研究结构-客体摩尔分数关系之前，我们首先评估了溶剂置换条件如何影响r-葡聚糖NPs的瞬态胶体状态和加载了白藜芦醇的复合体的恢复状态。选择白藜芦醇作为模型客体是因为它具有带有羟基的苯并噻吩骨架且水溶性较低。在溶剂置换过程中，丙酮改变了白藜芦醇和r-葡聚糖NPs周围的环境；因此，客体的分散情况

结论

本研究阐明了芳香客体分子如何在r-葡聚糖NPs的灵活含水葡聚糖基质中掺入和保留。使用白藜芦醇作为模型客体表明，溶剂置换条件影响客体的分散、瞬态胶体状态、恢复后的复合体异质性以及保留客体的手性排列。这些结果表明，客体的掺入不仅仅是简单地分配到预形成的疏水腔中，而是

CRediT作者贡献声明

Yukina Kometani: 验证、研究。Shoma Kannan: 验证、研究。Yasushi Nishida: 验证、研究。Toshio Suzuki: 资源获取。Kazuya Koumoto: 撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、项目管理、方法论、概念化。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来帮助改进英文文本的可读性、清晰度和语法准确性。作者根据需要审查和编辑了输出内容，并对发表文章的内容负全责。

资助

本工作得到了日本Konan Gakuen学术研究Hirao Taro基金会的支持。

利益冲突声明

Kazuya Koumoto是B-Lab Co., Ltd.的CEO，该公司与β-葡聚糖和甜菜碱技术相关。本研究是在Konan大学独立进行的。B-Lab Co., Ltd.没有参与研究设计、数据收集、数据分析、结果解释、手稿准备或决定提交文章发表。其他作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响

Yukina Kometani|Shoma Kannan|Yasushi Nishida|Toshio Suzuki|Kazuya Koumoto

纳米生物化学系，Konan大学创新科学技术前沿（FIRST），日本神户中央区Minatojima-minamimachi 7-1-20，650-0047

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