分子動力學在藥劑學中的應用

分子動力學在藥劑學中的應用

長期以來，藥物尚未被視為一種技術手段，實驗方法是一種傳統(tǒng)的藥物研究方法。近年來,隨著計算機技術的快速進步及各種分子力場的發(fā)展,以分子動力學模擬為代表的理論方法已可用于研究較大的分子體系,并且滲透到藥劑學領域,在分子水平上提供了許多實驗所不能提供的數(shù)據(jù),彌補了實驗的一些缺陷,解釋了許多實驗現(xiàn)象。本文介紹了分子動力學的基本原理和常用軟件,并總結了其在環(huán)糊精包合物、陽離子脂質體、含脂肪酸甘油酯的體系及聚合物載體等幾個方面的應用。1分子動力學程序分子動力學的理論基礎是牛頓運動方程的求解。一般先由系統(tǒng)中各原子的位置計算系統(tǒng)的勢能,再由勢能求得各原子所受的力與加速度,然后求得經(jīng)過一個很短時間間隔后各原子的位置、速度及加速度。不斷重復上述步驟,可得到各時間下系統(tǒng)原子運動的位置、速度及加速度等。通過動力學軌跡分析,可獲得體系結構(含構象)隨時間的動態(tài)變化規(guī)律,以及體系的各種熱力學、動力學和光譜性質。將分子動力學應用于研究藥物制劑體系,可獲得評價藥物制劑體系穩(wěn)定性的焓、熵及自由能等參數(shù),評價藥物釋放性能的擴散系數(shù),評價靶向制劑與靶點相互作用的結合能參數(shù),及評價藥物在載體中分布的徑向分布函數(shù)等。從而在分子水平上揭示載體的性質及藥物與載體相互作用等微觀本質,為劑型的篩選與改進提供技術支持和理論指導。常見的分子動力學程序包括Amber、Charmm、Gromacs、Tinker和Discover等。Amber主要用于生物大分子(如蛋白質)的模擬,它采用熱力學積分(thermodynamicintegration,TI)、自由能微擾(freeenergyperturbation,FEP)及分子力學/泊松-波爾茲曼表面積(molecularmechanic/Poisson-Boltzmannsurfacearea,MM/PBSA)等方法預測藥物和蛋白質的結合自由能。該軟件可申請免費使用。Charmm是主要用于預測生物大分子(如核酸)和藥物性質的商業(yè)軟件,支持FEP和TI計算。Gromacs和Tinker是免費軟件,前者積分速度快,廣泛用于研究生物大分子、聚合物和液晶等;后者可計算分子體積、分子表面積和分子的溶劑化自由能等。Discover軟件支持多種力場,適于各種體系的模擬,可計算結合自由能。研究者可根據(jù)不同的研究體系,選取不同的分子力場和模擬程序。2該分子動力學在醫(yī)藥中的一些應用2.1奧美拉唑--cd包合物的表觀穩(wěn)定性和分子動力學模擬在藥劑學研究中,環(huán)糊精及其衍生物廣泛用于包合藥物,以提高藥物的溶解度、穩(wěn)定性和生物利用度。因此,在分子水平上理解藥物和環(huán)糊精的相互作用,有助于人們更好地制備和應用環(huán)糊精包合物。Figueiras等采用Gromacs程序考察了奧美拉唑分別與β-環(huán)糊精(β-CD)、甲基化-β-環(huán)糊精(M-β-CD)的相互作用。β-CD的初始結構從HIC-Up數(shù)據(jù)庫中獲取,M-β-CD則通過在β-CD結構的基礎上增加取代基獲得。將奧美拉唑-環(huán)糊精包合物置一立方體水盒(3.9nm×3.7nm×33nm)中。整個體系包含1個奧美拉唑分子、1個環(huán)糊精分子以及1565個水分子。用周期性邊界條件的算法維持系統(tǒng)中粒子數(shù)恒定,密度不變。模擬步長設為2.0fs,體系模擬時間不低于7.5ns。動力學軌跡分析顯示,在奧美拉唑-β-CD包合物中,奧美拉唑結構中(見圖1A)的苯環(huán)、咪唑環(huán)和a、b兩個碳原子的質量中心,至環(huán)糊精分子的質量中心(即指由所有O1原子構成的質量中心,見圖1B)的距離分別約為0.05、0.15和0.25nm;在奧美拉唑-M-β-CD包合物中,這3個距離分別約為0.10、0.11和0.21nm。從而可推測β-CD的質量中心位于奧美拉唑的c、d兩個碳原子之間,而M-β-CD的質量中心位于奧美拉唑中苯環(huán)的質量中心與a、b兩個碳原子的質量中心之間,即奧美拉唑包合在M-β-CD中的位置比其在β-CD中的位置更深。這些數(shù)據(jù)意味著奧美拉唑的M-β-CD包合物比奧美拉唑的β-CD包合物更穩(wěn)定。而實際測得β-CD包合物和M-β-CD包合物的表觀穩(wěn)定常數(shù)Ks分別為57和77L/mol,可見理論能獲得與實驗完全一致的結論。Jadhav等用Discover程序考察了達那唑和β-CD的相互作用。從蛋白質數(shù)據(jù)庫(proteindatabank,PDB)中獲取了β-CD的初始結構。原子電荷和勢能用一致性價分子力場(theconsistentvalenceforcefield,CVFF)優(yōu)化得到。并將達那唑分子手工對接到β-CD的空腔里,得到包合物體系。體系依次經(jīng)最速下降法(steepestdescents)和共軛梯度法(conjugategradients)優(yōu)化,然后進行分子動力學模擬,步長設為1fs,模擬時間為5ps。模擬結果顯示,達那唑-β-CD包合物的總能量(286.2kcal/mol)較包合前兩分子能量和(239.0kcal/mol)下降了47.2kcal/mol,說明達那唑-β-CD包合物的結構較穩(wěn)定。核磁共振結果顯示,與游離達那唑相比,包合物中達那唑結構中甾體氫的化學位移有所增加,由此可推測兩者相互作用有利于包合物的穩(wěn)定,支持理論預測的結果。對模擬結果的進一步分析表明,達那唑被β-CD包合后,其極性總表面積無明顯變化,但非極性表面積減少了55%,這可能是難溶性藥物可通過β-CD包合來提高溶解度的主要原因。這兩個例子說明分子動力學模擬已可用于研究環(huán)糊精包合物體系,模擬的關鍵點是獲得合理的環(huán)糊精初始構型,及通過對接或者手工的辦法獲得包合物的模型。對模擬中沒有原子類型定義的情況,可通過量子化學的方法擬合或者從互聯(lián)網(wǎng)絡獲得力場參數(shù)。在結果分析中,藥物與環(huán)糊精的結合能、距離分布和極性總表面積等是解釋實驗現(xiàn)象的重要參數(shù)。2.2鹽離子的濃度對含鹽的雙分子層結構的影響陽離子脂質體可與DNA形成穩(wěn)定的復合物,成為有效的基因傳遞系統(tǒng),其載藥量和釋放度與脂質體膜的性質密切相關。兩親性離子——二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿(1,2-dimyristoyl-SN-glycero-3-phosphatidylcholine,DMPC)和陽離子——二肉豆蔻酰三甲銨基丙烷(1,2-dimyristoyl-3-trimethylammoniumpropane,DMTAP)是組成陽離子脂質體膜的常用材料。Gurtovenko等由于生理條件存在鹽離子,Gurtovenko等還應用Gromacs程序考察了單價鹽離子(NaCl)對3種組成不同的陽離子DMPC-DMTAP膜(DMTAP的摩爾分數(shù)XTAP分別為0.06、0.50和0.75)的影響。選取了前期研究中所建立的DMPC-DMTAP雙分子層結構作為建模的起點。因為鹽離子可與水分子結合,降低脂質的水合度,所以將雙分子層的水分子數(shù)目增加至5100(XTAP=0.06)~5500(XTAP=0.75),獲得不含鹽離子的雙分子層的最初構型,作為考察鹽離子對脂質雙分子層影響的參照物。將不含鹽離子的雙分子層預平衡20ns后,用Na+和Cl-隨機取代水分子,得到含鹽的雙分子層模型。不含鹽的脂質雙分子層模擬時間為50~60ns,含鹽的脂質雙分子層模擬時間為70ns。結果顯示,鹽離子對膜的誘導改變主要取決于膜的組成。當DMTAP的摩爾分數(shù)較小(XTAP=0.06)時,單價鹽離子的加入可導致單位脂質面積顯著減小,在宏觀上表現(xiàn)為脂質膜明顯壓縮。這是由于Na+滲到膜里,并和DMPC的羰基結合的緣故。相反,DMTAP的摩爾分數(shù)較高(XTAP=0.50和0.75)時,脂質膜表面帶正電,阻止了Na+和脂質的結合,所以DMTAP含量較高的脂質膜對單價鹽離子不敏感。Bandyopadhyay等用PINY-MD程序,構建了DMPC-DMTAP-DNA復合物的模型,并對其進行分子動力學模擬。首先,在已達到平衡的DPPC雙分子層的基礎上構建了DMPC-DMTAP雙分子層,接著將DNA雙螺旋垂直插到雙分子層中,再除去多余的水分子。整個模擬體系包含24個DMPC、20個DMTAP、1003個水分子和1個DNA雙螺旋。系統(tǒng)經(jīng)平衡后,在恒溫恒容系綜中執(zhí)行4ns的分子動力學模擬,計算得到PC頭基的P-到PC頭基的N+和到TAP的N+間的距離均約為0.45nm,說明DMPC中PC頭基的P-與DMTAP中TAP的N+間具有靜電作用。這使得DMPC的N+能指向雙分子層外部,與陽離子脂質——DMTAP競爭結合DNA帶負電的磷酸基團。該結果與文獻報道的實驗數(shù)據(jù)相吻合。以上幾篇文獻所構建的陽離子脂質雙分子層模型較接近實際的陽離子脂質體(包括電解質的影響),因而獲得了與實驗數(shù)據(jù)較接近的模擬結果。由于脂質雙分子層初始結構不是來自晶體結構,因此動力學采樣前需要較長的預平衡時間[納秒(ns)級]。對于如此大體系的長時間動力學模擬,積分速度較快的Gromacs是較好的選擇。2.3羧酸甘油酯體系脂肪酸甘油酯是構成脂肪乳和固體脂質納米粒等脂類載體的重要輔料,對含脂肪酸甘油酯體系的結構、動力學及熱力學的研究可用于預測其微觀結構及藥物在脂類載體中的相對溶解度等性質。Rane等應用Amber軟件對三辛酸甘油酯的結構性質進行分子動力學模擬。模擬主要分兩步。第一步,用熱力學微擾(thermodynamicperturbation)和熱力學積分(thermodynamicintegration)相結合的方法計算n-癸烷轉變?yōu)槿了岣视王サ倪^程中,極性基團對自由能的貢獻。第二步,構建含121個三辛酸甘油酯分子、9個水分子和1個苯甲酰胺分子(作為溶質)的體系,使之平衡后,運行30ns進行動力學模擬。徑向分布函數(shù)分析顯示,液態(tài)三辛酸甘油酯存在著一些作用很弱的雙分子層區(qū)域。二面角分析表明,三辛酸甘油酯外面兩條碳鏈與中間碳鏈夾角為±(50~100°),并且它們在運動過程中沒有明顯的耦合。三辛酸甘油酯的3個羰基氧原子間的距離足夠大,以至于溶質苯甲酰胺的酰胺氫原子只能和三辛酸甘油酯其中一個羰基氧原子形成氫鍵。Warren等用Gromacs軟件對混合脂肪酸甘油酯體系進行模擬。結果顯示,單甘油酯-雙甘油酯體系、單甘油酯-雙甘油酯-丙二醇體系以及單甘油酯-雙甘油酯-三甘油酯體系在微量水存在的條件下均呈反相膠束結構,這種含微量水的混合甘油酯體系代表了軟膠囊劑中輔料的實際情況。還研究了不同含水量的脂肪酸甘油酯體系,結果顯示隨著含水量從0提高到20%,反相膠束內(nèi)的水相區(qū)域不斷膨脹,反映了脂肪酸甘油酯體系在胃腸道中分散的情況?？梢?分子動力學模擬在預測脂類體系的結構和性質方面具有較大的潛力,有助于分析、設計和優(yōu)化脂類處方。2.4復配模型藥物與聚合物的相互作用聚乙烯醇(PVA)和殼聚糖(CS)是制備載藥微粒的常用輔料,目前學術界對二者的混合相容性有一定的爭議。Jawalkar等用MesoDyn軟件考察了兩者的混合性。用可描述非干擾鏈構象的旋轉同分異構狀態(tài)(rotationalisomericstate,RIS)理論來構建聚合物最初的結構。當PVA的重復單元數(shù)為80、CS的重復單元數(shù)為20時,聚合物的溶解度參數(shù)是一個穩(wěn)定的值。因此在試驗中,PVA選取80個重復單元,CS取20個重復單元作為模型。在298K下,于恒溫恒容系綜中進行動力學模擬。用最后幾百皮秒的軌跡來計算Flory-Huggins相互作用參數(shù)(χ)。結果表明,當PVA和CS的重量比在10﹕90~40﹕60時,χ小于臨界值(χcritical),說明兩者可混溶;當PVA和CS的重量比在50﹕50~90﹕10時,χ大于臨界值(χcritical),說明兩者不可混溶。該模擬取得與熱力學試驗相符的數(shù)據(jù)。Costache等用分子動力學與對接相結合的方法考察了ABA型嵌段共聚物與藥物的相互作用。其中,A是聚乙二醇單元,B是酪氨酸衍生的聚芳酯化合物,模型藥物是紫杉醇、姜黃素和維生素D3。研究顯示,紫杉醇、姜黃素、維生素D3與聚合物的結合自由能分別是-4.36、-7.19和-10.30,而實驗測得的最大載藥量分別是12%、29%和36%,將藥物與聚合物的結合自由能對載藥量進行線性回歸,R2為0.93,說明兩者有較好的線性相關性。隨著高分子科學的發(fā)展,越來越多的聚合物被用作藥物傳遞系統(tǒng)的載體。分子動力學模擬在一定程度上可預測聚合物的性質、藥物與聚合物的相互作用等情況,從而為藥物傳遞系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和優(yōu)化節(jié)省了時間和科研經(jīng)費。3關于生物制劑的動力學模擬本文歸納了幾個分子動力學模型在藥劑學中應用的例子,其研究大致分為建模、運算和軌跡分析3個步驟。鑒于大部分載體沒有晶體結構,而體系的能量和性質取決于體系的結構,因此構建合理的計算模型和獲得體系的初始結構是進行藥劑學的動力學模擬的關鍵。如DMPC、DMTAP雙分子層和環(huán)糊精的晶體結構已可從網(wǎng)上獲得,是較適宜的初始計算模型。鑒于大部分生化過程是在μs~s