超分子-環(huán)糊精精美生物醫(yī)學(xué)課件

題目超分子化學(xué)在藥學(xué)研究中的應(yīng)用演講人：楊波

2023/3/912023/3/92CellSurfaceCarbohydratesInvolvedinMolecularRecognition2023/3/932023/3/952023/3/96超分子化學(xué)（Supramolecular):“研究分子組裝和分子間鍵的化學(xué)”（Jean-MarieLehn)?！俺椒肿拥幕瘜W(xué)”。當(dāng)代化學(xué)領(lǐng)域的前沿學(xué)科，作為化學(xué)科學(xué)的又一次升華，真正突破了共價(jià)鍵的范疇，將共價(jià)鍵、分子間弱相互作用融為一體，組成更復(fù)雜、更具功能性，甚至更有序、更有目的性的多分子體系。美國《Science》雜志在2005年7月創(chuàng)刊125年紀(jì)念專集中的總結(jié)，21世紀(jì)亟待解決的25個(gè)重大科學(xué)問題，唯一化學(xué)問題之一是“我們能夠推動(dòng)化學(xué)自組裝走多遠(yuǎn)”2023/3/97超分子主體1冠狀化合物2023/3/99超分子主體2環(huán)糊精2023/3/910超分子主體3杯芳烴2023/3/911超分子主體5套索醚2023/3/913超分子主體6富勒烯2023/3/914超分子主體7碳納米管2023/3/915

由于環(huán)糊精中的D-吡喃葡萄糖單元均采取未扭曲的椅式構(gòu)象(4C1構(gòu)象)，因此使得整個(gè)分子呈現(xiàn)一種截錐狀的外形。環(huán)糊精中的所有伯羥基(即6位羥基)坐落于環(huán)的一側(cè)，構(gòu)成了其截錐狀結(jié)構(gòu)的主面(小口端)；而所有仲羥基(即2,3位羥基)則坐落于環(huán)的另一側(cè)，構(gòu)成了環(huán)糊精截錐狀結(jié)構(gòu)的次面(大口端)。這些位于外側(cè)的眾多羥基構(gòu)成了環(huán)糊精親水的外壁，而指向空腔的C3和C5上的氫原子以及糖苷鍵的氧原子則共同構(gòu)成了環(huán)糊精富電性的疏水空腔。2023/3/917

環(huán)糊精由于其自身的特殊結(jié)構(gòu)，具有疏水的空腔和親水的外壁，能夠鍵合各種客體分子形成超分子包結(jié)配合物，作為分子識(shí)別的受體在超分子體系中有著廣泛的應(yīng)用。2023/3/918環(huán)糊精鍵合行為的光譜研究,成為環(huán)糊精對(duì)客體分子識(shí)別研究的主要表征手段紫外–可見(UV-vis)光譜熒光光譜圓二色(CD)光譜紅外(IR)光譜核磁共振(NMR)光譜2023/3/919表1.1進(jìn)入各國藥典的環(huán)糊精及其性能

2023/3/921表1.2含有環(huán)糊精的藥物制劑

2023/3/9222023/3/923Uekama,K.Chem.Pharm.Bull.

2004,52,900.2023/3/925近幾年來糊精與小分子藥物包合物的報(bào)道逐年減少,設(shè)計(jì)新型環(huán)糊精給藥體系成為趨勢(shì)考慮環(huán)糊精或修飾環(huán)糊精與細(xì)胞膜的作用機(jī)制依靠環(huán)糊精對(duì)細(xì)胞膜流動(dòng)性改變，增加細(xì)胞膜的通透性或內(nèi)吞作用將環(huán)糊精作為超分子的筑塊，為靶向給藥系統(tǒng)的構(gòu)筑提供了一個(gè)方向以共價(jià)鍵形式將藥物分子連接在環(huán)糊精上，可以利用環(huán)糊精空腔與細(xì)胞膜的作用或與某些蛋白的作用將藥物輸送到作用靶點(diǎn)

2023/3/926[96]Pun,S.H.;Bellocq,N.C.;Liu,A.;Jensen,G.;Machemer,T.;Quijano,E.;Schluep,T.;Wen,S.-f.;Engler,H.;Heidel,J.;DavisM.E.BioconjugateChem.2004,15,831.

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2023/3/929分子組裝Kaifer,A.E.etal..J.Am.Chem.Soc.

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---環(huán)糊精在固態(tài)中的自組裝2023/3/931Stezowski,J.J.etal.

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2023/3/940帶有多條胺鏈的修飾環(huán)糊精聚輪烷

[106]Li,J.;Yang,C.;Li,H.Z.;etal.Adv.Mater.2006,18,2969.如圖所示的聚輪烷對(duì)非病毒基因傳輸和基因傳輸適用的生物材料的合成有著重要的研究?jī)r(jià)值

2023/3/941Benito,J.M.etal.

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2004,126,12266.2023/3/9472023/3/9482023/3/949第二章印楝素與環(huán)糊精衍生物的包合行為

[實(shí)驗(yàn)部分]2023/3/950主客體的結(jié)構(gòu)式及其模擬圖

2023/3/951圖2.1酚酞(310-5M)在pH10.5水/乙醇(v:v=5:1)混合緩沖溶液中加入主體enβCD(a至g：0~110-3M)的光譜吸收變化圖（插圖為計(jì)算分離常數(shù)（Kd）和摩爾吸光系數(shù)（）的非線性最小二乘曲線擬合分析）競(jìng)爭(zhēng)包結(jié)法測(cè)定該體系的穩(wěn)定常數(shù)成為較好的方法。pH10.5的酚酞可以作為光譜探針

2023/3/952圖2.2在pH10.5水/乙醇(v:v=5:1)混合緩沖溶液中enβCD和AZ-B對(duì)酚酞紫外可見光譜的影響a.310-5M酚酞;b.a+510-4MenβCD;c-g.b+AZ-B(510-4M~510-3M)酚酞的吸光度隨著印楝素B比例加入，呈現(xiàn)規(guī)律性的上升。2023/3/953表2.3客體AZ-A和AZ-A與主體βCD,enβCD,dienβCD,TMβCD,DMβCD和HPCD在25CpH10.5水/乙醇(v:v=5:1)混合緩沖溶液中包合穩(wěn)定常數(shù)(Ks)和吉布斯自由能變化(-G)（1）客體分子與環(huán)糊精主體的尺寸匹配在其配位過程中起主要作用。（2）羥丙基取代基的引入相對(duì)于原有的仲羥基顯然可以擴(kuò)展環(huán)糊精的疏水空腔。(3)βCD的單氨基取代可以造成多種協(xié)同的分子間弱相互作用從而增強(qiáng)配位包結(jié)能力

2023/3/954圖2.3dienβCD和enβCD在25oCD2O中存在和不存在AZ-B的1HNMR譜圖(a)enβCD,(b)enβCD/AZ-B包合物,(c)dienβCD,(d)dienβCD/AZ-B包合物(星號(hào)代表水峰)2023/3/955表2.4在25oCD2O中存在和不存在AZ-B的βCD,TMβCD,en-βCD和dienβCD的化學(xué)位移()

2023/3/956圖2.4在D20中混合穩(wěn)定24小時(shí)后βCD/AZ-B包合物的ROESY相關(guān)譜。(a)TMβCD/AZ-B包合物;(b)enβCD/AZ-B包合物2023/3/957圖2.5CD/AZ-B包合物可能的包結(jié)模式。(a)TMβCD/AZ-B包合物;(b)enβCD/AZ-B包合物TMβCD空腔可能分別從小口端包結(jié)了印楝素B的tigloyl基團(tuán)和A環(huán)單元，從大口端包結(jié)了印楝素B的C環(huán)單元從而形成配位包結(jié)物。enβCD空腔可能較深地從小口端包結(jié)了印楝素B的tigloyl基團(tuán)和C環(huán)單元，從大口端包結(jié)了印楝素B的C環(huán)單元從而形成配位包結(jié)物。2023/3/958水溶性研究

環(huán)糊精/印楝素B包合物大幅度地提高了印楝素極低的水溶性(50μg/mL)β-CD/AZ-B、TMβCD/AZ-B、enβCD/AZ-B、dienβCD/AZ-B包合物的水溶性分別達(dá)到約4.0mg/mL、4.4mg/mL、5.7mg/mL和6.3mg/mL(以印楝素B計(jì))這一結(jié)果證明了環(huán)糊精-印楝素B包合物令人滿意的水溶性，有利于制備水溶性高含有印楝素B的生物農(nóng)藥或保健藥物。2023/3/959圖2.6室溫下在pH7水溶液中AZ-B及其包合物隨時(shí)間而分解變化的規(guī)律(在215nm用紫外-可見光譜測(cè)定)這一結(jié)論對(duì)于環(huán)糊精作為生物農(nóng)藥、植物藥或保健品載體有著重要作用，從而為設(shè)計(jì)新型印楝素制劑打開新的途徑。2023/3/960第三章-,-,-環(huán)糊精及其衍生物與燈盞花乙素的配位包結(jié)行為研究2023/3/961主客體的結(jié)構(gòu)式及其模擬圖2023/3/962

圖3.1.在pH7.2緩沖溶液中于278nm([β-CD]+[SCU]=5.0×10?5M)處βCD/SCU包合體系的Job曲線天然β-環(huán)糊精與燈盞花乙素在摩爾分?jǐn)?shù)為0.5處紫外光譜強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，說明主-客體間的包結(jié)配位比是1:1。

2023/3/963燈盞花乙素(310-5M)在pH7.2和pH10.5緩沖溶液中加入客體βCD(a至g：0~110-3M)的光譜(ΔA在278nm)吸收變化圖（插圖為計(jì)算穩(wěn)定（Ks）和摩爾吸光系數(shù)（）的非線性最小二乘曲線擬合分析）2023/3/964表3.1.在緩沖溶液[(25.00.1)C]中燈盞花乙素和環(huán)糊精的包合穩(wěn)定常數(shù)(logKS)和吉布斯自由能(-G)。當(dāng)一種化合物配位包結(jié)進(jìn)入大環(huán)，首要的條件是主客體之間的尺寸/形狀匹配。在該理論的基礎(chǔ)上，已知各種弱相互作用，如離子-偶極，偶極-偶極，范德華力，靜電相互作用，氫鍵和疏水相互作用協(xié)同貢獻(xiàn)于主客體包結(jié)配位作用。2023/3/965圖解3.3燈盞花乙素在離子和非離子溶液中存在的離子和非離子形式燈盞花乙素的離子程度隨pH的增大而增大，因此，CD與中性水溶液中的非離子燈盞花乙素形成了較強(qiáng)的配位包結(jié)。2023/3/966表3.2在25oCD2O中βCD,HPβCD,-CD,βCD/SCU包合物,HPβCD/SCU包合物和-CD/SCU包合物的化學(xué)位移()。

2023/3/967圖3.4βCD和HPβCD在25oCD2O中存在和不存在AZ-B的1HNMR譜圖(a)βCD,(b)βCD/SCU包合物,(c)HPβCD,(d)HPβCD/SCU包合物(星號(hào)代表水峰，窗口顯示了放大的6至8ppm的NMR譜)。2023/3/968圖3.5在D20中HPβCD/SCU包合物的ROESY相關(guān)譜2023/3/969圖3.6HPCD/SCU包合物可能的包結(jié)模式燈盞花乙素從大口端插入HPβCD的空腔，其中A環(huán)和C環(huán)定位與空腔的大口端。

2023/3/970水溶性研究

環(huán)糊精/燈盞花乙素包合物大幅度地提高了燈盞花乙素極低的水溶性(大約160μg/mL)βCD/SCU、HPβCD/SCU和CD/SCU包合物的水溶性分別達(dá)到約9.0mg/mL、10.3mg/mL、8.2mg/mL(以燈盞花乙素計(jì))。這一結(jié)果證明了環(huán)糊精-燈盞花乙素包合物令人滿意的水溶性。2023/3/971第四章蒿甲醚/羥丙基--環(huán)糊精主客體體系:性能，相溶解和分子模型2023/3/972主客體的結(jié)構(gòu)式及其模擬圖2023/3/973圖4.2在25℃時(shí)HPβCD/ATM主客體體系的相溶解曲線圖（Kf是273M-1）根據(jù)Higuchi和Connors建立的模型,該體系相溶解度圖屬于AL型,表明體系中形成1:1包合物。2023/3/974表4.1在25oCD2O中βCD,HPβCD/ATM包合物和CDCl3中ATM的化學(xué)位移()。

2023/3/975圖4.3βCD和HPβCD在25oCD2O中存在和不存在AZ-B的1HNMR譜圖:(a)βCD,(b)βCD/ATM包合物,(c)HPβCD,(d)HPβCD/ATM包合物(星號(hào)代表水峰，窗口顯示了放大的0.5至3ppm的NMR譜)2023/3/976圖4.4在D20中HPβCD/ATM包合物的ROESY相關(guān)譜2023/3/977圖4.5HPCD/ATM包合物可能的包結(jié)模式蒿甲醚中兩個(gè)六元環(huán)上的甲基從大口端插入環(huán)糊精的空腔。

2023/3/978圖4.6粉末X-射線衍射圖(Cu-κα):(a)HPβCD;(b)蒿甲醚;(c)HPβCD/蒿甲醚1:1(摩爾比)物理混合物;(d)冷凍干燥的HPβCD/蒿甲醚包合物

包合物生成后，蒿甲醚自身的大多數(shù)晶態(tài)峰消失，說明蒿甲醚與環(huán)糊精的包結(jié)配合后，蒿甲醚在某種程度上重新排列，比起單一的蒿甲醚化合物具有更顯著的不定形結(jié)構(gòu)。

2023/3/979圖4.7ATM-HPCD包合物的形成常數(shù)Kf隨溫度的變化

隨著溫度的升高,包合體系的表觀穩(wěn)定常數(shù)逐漸增加,說明主客體系可能趨于包合,更多客體分子又從水相環(huán)糊精腔外進(jìn)入環(huán)糊精腔內(nèi),包合物的穩(wěn)定性增加。2023/3/980圖4.8ATM-HPCD包合物的lnKf對(duì)1/T作圖直線的截距可計(jì)算反應(yīng)的熵變。穩(wěn)定常數(shù)可求得不同溫度下的自由能變化。熵變和自由能變化可計(jì)算出不同溫度下包合反應(yīng)的焓變2023/3/981表4.2不同溫度下ATM/HPCD包合物的形成常數(shù)Kf,?rSm?,?rGm?及?rHm?包合反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力包括焓、熵、范德華力、疏水作用力以及氫鍵作用力。其中，分子內(nèi)識(shí)別是包合過程中焓變的主要來源，而ATM分子的構(gòu)象變化是熵變的主要來源。包合反應(yīng)過程是一個(gè)自發(fā)過程。2023/3/982圖4.9TG(a–d)(N2,10℃/min)曲線：(a)artemether;(b)HPCD;(c)HPBCD/artemether1:1(摩爾分率)物理混合物；(d)HPCD/artemether包合物包合物中藥物成分蒿甲醚的熱性質(zhì)在包結(jié)前后相對(duì)單一的蒿甲醚化合物有加大的提高，而相對(duì)于HP-CD并未發(fā)生明顯的變化。2023/3/983圖4.10DSC(a–d)(N2,10℃/min)曲線：(a)artemether;(b)HPCD;(c)HPBCD/artemether1:1(摩爾分率)物理混合物；(d)HPCD/artemether包合物HPCD/ATM的物理混合物顯然僅僅包含兩種物質(zhì)的混合信息。然而，我們可以發(fā)現(xiàn)HPCD/ATM包合物中歸屬于蒿甲醚的170C附近的放熱峰消失了，隨之而來的是分別在80C和360C左右出現(xiàn)的新的吸熱峰，這個(gè)證據(jù)與包合物的形成相關(guān)。2023/3/984第五章β-環(huán)糊精/燈盞花乙素鍵接物的合成及其水溶性

2023/3/985§5.1引言環(huán)糊精可被結(jié)腸內(nèi)部的微生物發(fā)酵，降解成為單糖或雙糖，這樣能被大腸所吸收由于環(huán)糊精具有如此獨(dú)特的生物學(xué)性質(zhì)，它可作為藥物直腸靶點(diǎn)載體，從而較少藥物的毒副作用。環(huán)糊精鍵接物前藥為構(gòu)架新型的盲直腸藥物輸送體系提供了一個(gè)通用的途徑。

我們合成了燈盞花素乙素與β-環(huán)糊精的鍵接物(6A-O-scutellarin-β-CyD)，將燈盞花乙素分子以共價(jià)鍵形式鍵接到β-環(huán)糊精主面上的羥基上。2023/3/986圖5.1燈盞花乙素修飾-環(huán)糊精合成路線（1)對(duì)甲苯磺酰氯與-環(huán)糊精反應(yīng)可以方便地得到6位單取代的對(duì)甲苯磺?；揎?環(huán)糊精(單6-OTs-β-CD)。（2)單6-OTs-β-CD很容易與烷基胺反應(yīng)得到胺基修飾β-環(huán)糊精，（3)利用胺基與羧基的縮合反應(yīng)，可將燈盞花乙素連接在乙二胺修飾-環(huán)糊精上。2023/3/987圖5.2β-CD-SCU鍵接物的1HNMR譜圖(星號(hào)代表水峰)其中δ2.6–3.1(4H)為Py-CD乙二胺鏈上的4個(gè)氫，3.2–4.0(47H)是環(huán)糊精C2、C3、C4、C5和C6上的42個(gè)氫和燈盞花乙素上糖元的C1、C2、C3、C4和C5上的5個(gè)氫，4.90(7H)是環(huán)糊精C1上的7個(gè)氫，7.2(1H)是修飾基團(tuán)燈盞花乙素上甙元的H-8,7.6(m,3H)是修飾基團(tuán)燈盞花乙素上甙元的H-3和H-3’,5’，8.0(m,2H)是修飾基團(tuán)燈盞花乙素上甙元的H-2’,6’。2023/3/988表5.1環(huán)糊精-燈盞花乙素鍵接物及包合物的溶解度環(huán)糊精/燈盞花乙素鍵接物有令人滿意的水溶性，溶解度達(dá)到17.5mg/mL，明顯高于環(huán)糊精/燈盞花乙素包合物的溶解度。這一結(jié)果提示我們：將燈盞花乙素鍵合到環(huán)糊精上形成鍵接物，相比包合物，在體內(nèi)能出現(xiàn)更高的血藥濃度，有望提高燈盞花乙素的生物利用度。2023/3/989圖5.325℃時(shí)b

-CD-SCU鍵接物的溶解度變化環(huán)糊精-燈盞花乙素鍵接物在25℃時(shí)水溶性的變化。鍵接物在第一天時(shí)是3.8×10?2M，到第六天時(shí)減少為3.5×10?2M。原因?yàn)橄嘧円?，即由高水溶性無定形的相態(tài)轉(zhuǎn)化為低水溶性結(jié)晶的相態(tài)。2023/3/990第六章天然黃酮、萜類藥物與環(huán)糊精的分子識(shí)別研究進(jìn)展

2023/3/991圖6.1.采用分子模擬研究獲得的兒茶酚與環(huán)糊精（β-CD，DMβCD和HPβCD）的包結(jié)模式圖

2023/3/992圖6.2.槲皮黃酮/β-CD包合物在水中的分子力學(xué)模擬結(jié)構(gòu)圖2023/3/993圖6.3環(huán)糊精/印楝素A包合物可能的包結(jié)模式。β-CD-azadirachtincomplex

TMβCD-azadirachtincomplex

2023/3/994圖6.4紫杉醇-DMβCD包合物的立體圖象描述

2023/3/995圖6.5環(huán)糊精/紫杉醇包合物可能的包結(jié)模式2023/3/996圖6.6青蒿素分子在環(huán)糊精空腔中的定位（青蒿素的極性氧原子部分定位于環(huán)糊精空腔的外部）2023/3/997第七章：甲基化-環(huán)糊精對(duì)生物堿的分子識(shí)別及可控釋放研究2023/3/9982023/3/999Job’splotoftheb-CD/QUNsystem([b-CD]+[QUN]=5.0×10-6M)inapH1.5buffer.FluorescencespectralchangesofQID(0.007