《Materials Chemistry and Physics》：Small shift, big impact: How nitrogen position controls risedronate-calcium zeolite interactions
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结构异构体对钙交换沸石的吸附与释放行为研究显示，3-RSD和4-RSD因氮原子位置不同导致与Ca2?结合能力差异显著，2-RSD因分子内氢键亲和力最低，DFT计算证实结构影响吸附能，为骨靶向递送系统设计提供依据。
莫妮卡·齐耶林斯卡（Monika Zielińska）|保琳娜·莱赫瓦尔（Paulina Lechwar）|卡塔日娜·加韦尔-贝本（Katarzyna Gawe?-B?ben）|迈克尔·菲舍尔（Michael Fischer）|巴托什·奥尔瓦特（Bartosz Orwat）|伊雷内乌什·科瓦纳茨基（Ireneusz Kownacki）|玛丽亚·拉塔伊恰克（Maria Ratajczak）|马柳什·桑多米尔斯基（Mariusz Sandomierski）
波兰波兹南工业大学化学技术与工程学院
摘要
在这项研究中，我们阐明了瑞舒伐坦（risedronate）中微妙的结构变化如何影响其与钙交换沸石（CaX）的相互作用。我们合成了瑞舒伐坦（3-RSD）及其区域异构体（2-RSD和4-RSD），这些异构体在吡啶环内的氮原子位置上有所不同，并比较了它们的吸附行为和释放特性。由于瑞舒伐坦的临床效果依赖于其与富含钙的矿物质（如羟基磷灰石）的强结合能力，因此将3-RSD作为参考化合物进行了研究。
尽管它们的结构相似，但氮原子的位置对与钙沸石表面的亲和力有显著影响。吸附研究表明，3-RSD和4-RSD在CaX上的吸附能力较强，而2-RSD的亲和力明显较弱。密度泛函理论（DFT）计算证实，2-RSD中的分子内氢键限制了其与Ca2+离子的配位能力，从而导致吸附能量降低。扫描电子显微镜/能量色散谱（SEM/EDS）分析证实了表面存在双膦酸盐，且未观察到可见沉淀物。
在模拟体液（SBF）中进行的释放研究表明，3-RSD和4-RSD具有持续的释放特性，而2-RSD由于初始结合力较弱而完全释放。体外实验表明，CaX及其载药系统具有生物相容性。
总体而言，这些结果表明，即使吡啶环中氮原子的位置发生微小变化，也会显著改变钙与药物的相互作用，为理解双膦酸盐在沸石载体中的吸附和释放机制提供了新的见解。
引言
双膦酸盐（BPs）是一类广泛用于治疗骨骼相关疾病（包括骨质疏松症和佩吉特病）的化合物，因为它们能够抑制破骨细胞介导的骨吸收[1]。其作用机制主要基于双膦酸盐对羟基磷灰石（骨组织的主要矿物质成分）的高亲和力。这种亲和力使双膦酸盐能够在骨骼中积累并抑制破骨细胞活性，从而减少骨转换率并帮助维持骨密度。双膦酸盐分为两大类：不含氮的双膦酸盐和含氮的双膦酸盐。后者由于对骨矿物质的更强亲和力以及对破骨细胞中法尼基焦磷酸合成酶途径的抑制作用，具有更强的降低骨吸收的能力[[2], [3], [4]]。
瑞舒伐坦（3-RSD）是一种含氮的双膦酸盐，是目前最有效且最常用的预防骨质疏松症的药物之一。其吡啶侧链能够与羟基磷灰石中的钙离子发生强相互作用，这是其在骨骼中有效保留的原因。然而，与其他双膦酸盐一样，3-RSD在口服生物利用度方面存在挑战。由于其结构中的磷酸基团，3-RSD在脂质细胞膜中的渗透性较低，导致口服吸收率很低（低于1%）[[5], [6], [7]]。最近的临床综述还强调了双膦酸盐除了已知的抗吸收作用外，还具有其他系统效益。阿仑膦酸盐（alendronate）、瑞舒伐坦（risedronate）或唑来膦酸盐（zoledronate）的给药与骨质疏松症患者的总体死亡率降低有关，这表明双膦酸盐基治疗系统具有进一步研究的价值[8]。
瑞舒伐坦（3-RSD），又称NE-58095，的研发始于20世纪80年代，由辛辛那提迈阿密谷实验室（Cincinnati Miami Valley Laboratories）和宝洁公司旗下的诺里奇伊顿实验室（Norwich Eaton Laboratories）共同完成[7]。它被设计成一种在R2位含有吡啶亚甲基、R1位含有羟基的化合物，具有显著的抗吸收作用。研究发现，3-RSD在细胞实验中的效力优于阿仑膦酸盐，但骨结合亲和力较低，因此停药后骨转换率的抑制作用消退得更快[9,10]。1998年，3-RSD被批准用于治疗佩吉特病，2000年被批准用于绝经后妇女和使用糖皮质激素的患者的骨质疏松症治疗和预防。多年来，为了提高患者的依从性，引入了多种给药方案，包括每周和每月一次的选项。尽管取得了这些进展，3-RSD和其他双膦酸盐仍面临口服生物利用度和与食物成分（尤其是钙）相互作用的挑战[7]。
由于双膦酸盐能够抑制破骨细胞介导的骨吸收，因此它们通常是骨质疏松症的一线治疗药物[11]，从而维持骨密度并降低骨折风险[11]。然而，长期使用双膦酸盐会带来某些风险，如非典型股骨骨折和双膦酸盐相关性颌骨坏死（BRONJ）[5,6,[11], [12], [13]]。因此，许多临床指南建议在长期治疗后暂停使用双膦酸盐，具体时长取决于患者的骨折风险，通常为3-5年。这种治疗暂停可以减少长期使用双膦酸盐的潜在副作用，同时仍保持其治疗效果[11,14,15]。
为了克服传统口服疗法在生物利用度、胃肠道副作用和系统分布方面的局限性，人们探索了多种双膦酸盐的替代给药系统。这些系统包括实现控释的经皮系统[16]、提供非侵入性给药和改善生物利用度的鼻内纳米颗粒载体[17]，以及用于促进骨再生和骨整合的可降解支架和植入物涂层[18]。近期综述文章强调了基于双膦酸盐材料的兴趣，特别是在骨科和牙科应用的涂层和混合系统方面。张等人总结了将双膦酸盐掺入无机和聚合物基质中以改善骨再生、骨整合和控释的策略[19]。同样，史等人回顾了旨在实现抗骨质疏松药物靶向递送的双膦酸盐改性纳米系统的最新进展，强调了钙结合亲和力和界面化学在实现高效骨特异性积累中的重要性[20]。在此基础上，多项研究提出了增强双膦酸盐（包括瑞舒伐坦）骨靶向递送的新方法。金等人开发了一种原位Mn-卟啉水凝胶，该凝胶在骨缺损部位结合抗氧化活性和控释瑞舒伐坦的功能，展示了体外和体内的治疗效果[21]。在另一项研究中，刘等人提出了一种针对目标的氨基羧酸和双膦酸盐衍生碳点（EGTA-CDs、ALN-CDs、HEDP-CDs）的合成方法，这些碳点具有强钙离子螯合能力和对羟基磷灰石的高亲和力，为设计先进的骨靶向药物载体提供了新平台[22]。
基于钙的材料，如钙蒙脱石和钙沸石，因能够调节双膦酸盐的释放而受到关注[[23], [24], [25]]。它们的高吸附能力和离子交换能力，加上多孔结构，使得在生理条件下实现控释成为可能。在我们之前的研究中，钙蒙脱石在模拟体液（SBF）中释放了高达92%的吸附瑞舒伐坦，显示出其作为骨靶向治疗智能载体的潜力。
我们还研究了瑞舒伐坦及其区域异构体（2-RSD和4-RSD）在羟基磷灰石和PCL/HA复合膜上的吸附行为[26]。所有化合物都表现出高亲和力（>96%的吸附率），但2-RSD的结合力最强，其次是3-RSD和4-RSD。本研究通过使用钙交换沸石进一步探讨了瑞舒伐坦及其区域异构体的吸附和释放特性（图1）。我们假设吡啶环内氮原子位置的变化改变了其与沸石框架中钙位点的配位，从而影响药物的装载和释放。这些发现为理解微妙的结构变化如何调节双膦酸盐与载体的相互作用提供了新的见解，并为设计骨治疗控释系统提供了依据。本研究的目的是利用密度泛函理论计算，探讨瑞舒伐坦中氮原子位置对其在钙交换沸石载体中的吸附、释放行为和生物反应的影响。
瑞舒伐坦单钠盐（3-RSD）及其区域异构体2-RSD和4-RSD是根据先前描述的微波辅助方法合成的[26]。氯化钙（99%）、钠沸石13X（Na-X粒径约2微米）、三（羟甲基）氨基甲烷（TRIS）、盐酸（36-38%）及其他试剂均从Sigma-Aldrich购买。所有溶液均使用HLP 20P（Hydrolab）去矿物质器制备的超纯水配制。
Na-X沸石被转化为...
在本研究的第一阶段，确定了药物结构对钙沸石吸附行为的影响。钙交换沸石的吸附能力因所测试的化合物而异。3-RSD和4-RSD在钙交换沸石上的吸附率非常高，一周后均超过60%（图2）。3-RSD的吸附能力最高，达到73.87%（0.0985毫克/毫克沸石），而4-RSD的吸附率略低但仍相当可观。
本研究表明，瑞舒伐坦及其区域异构体中的微妙结构变化对其在钙交换沸石（CaX）中的吸附、释放和生物活性有显著影响。3-RSD和4-RSD均表现出较高的吸附能力，而2-RSD由于分子内氢键的存在，与Ca2+离子的配位能力较弱。密度泛函理论（DFT）建模证实了这些观察结果，揭示了氮原子位置对...
莫妮卡·齐耶林斯卡（Monika Zielińska）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。
保琳娜·莱赫瓦尔（Paulina Lechwar）：实验研究。
卡塔日娜·加韦尔-贝本（Katarzyna Gawe?-B?ben）：初稿撰写、实验研究。
迈克尔·菲舍尔（Michael Fischer）：初稿撰写、软件应用。
巴托什·奥尔瓦特（Bartosz Orwat）：审稿与编辑。
伊雷内乌什·科瓦纳茨基（Ireneusz Kownacki）：审稿与编辑。
玛丽亚·拉塔伊恰克（Maria Ratajczak）：实验研究。
马柳什·桑多米尔斯基（Mariusz Sandomierski）：审稿与编辑、资金支持。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本文得到了波兰国家科学中心（grant number UMO-2020/39/B/ST5/00320）的财政支持。MF通过德国研究基金会（DFG）的海森堡奖学金（项目编号455871835）获得资助。MF感谢NHR@ZIB中心的高性能计算机“Lise”提供的计算资源（项目编号hbc00062）。该中心由联邦教育与研究部共同支持。
