关于环糊精介导的姜黄素-BSA相互作用调节的机制研究：光谱分析与分子建模的结合

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Mechanistic insights into Cyclodextrin-mediated modulation of curcumin–BSA interactions: Integrated spectroscopic and molecular modeling

曲美他嗪通过β-环糊精竞争性结合降低牛血清白蛋白对其的相互作用并改变其构象。摘要部分总结研究目的、方法及主要发现，使用荧光光谱和分子动力学模拟揭示HPβCD与BSA-CUR的竞争机制。

　　

沈全业|沈文康|薛云生|王佳宇|艾凤伟

徐州医科大学药学院，中国江苏省徐州市通山路209号，221004

摘要

环糊精（CDs）在提高姜黄素（CUR）的水溶性和化学稳定性方面显示出显著效果。然而，尽管其对CUR的组织分布、代谢和生物利用度具有潜在影响，但它们对血清白蛋白（BSA）与CUR之间相互作用的影响仍了解不足。本研究利用多光谱技术、分子对接和分子动力学（MD）模拟方法，研究了羟丙基-β-环糊精（HPβCD）对牛血清白蛋白（BSA）与CUR相互作用的影响。多光谱分析显示，HPβCD与BSA的结合亲和力很低，但通过与CUR竞争性结合显著减弱了BSA与CUR之间的直接相互作用。在298 K时，加入HPβCD后，BSA–CUR复合物的结合常数从6.22 × 10⁶ L/mol降至1.60 × 10⁶ L/mol。同时，HPβCD减轻了CUR引起的BSA构象和微环境变化，使α-螺旋含量从63.5%降至55.9%。分子对接结果表明结合亲和力顺序为：BSA–CUR > HPβCD–CUR > BSA–HPβCD，这一结果通过基于分子力学的Poisson–Boltzmann表面积方法计算出的热力学结合自由能得到了证实。此外，MD模拟显示CUR存在两种不同状态：要么与HPβCD结合，要么从载体解离后与BSA结合，而BSA与HPβCD之间没有形成稳定的相互作用。这些发现阐明了BSA–CUR–HPβCD三元体系中的竞争性结合机制，为设计具有可调蛋白质结合特性的CUR–CD制剂提供了分子基础。

引言

姜黄素（CUR，图1A）是一种天然存在的多酚化合物，具有独特的风味和显著的营养价值，以及多种生物特性和药理活性，使其在食品和医药应用中具有重要价值[1]、[2]、[3]。烯烃结构中的双键、苯环上的羟基以及中心的β-二酮结构被认为是CUR有益特性的主要贡献者[4]。然而，这些结构基团的固有不稳定性导致CUR在光照、高温和不同pH条件下的稳定性较差。此外，CUR在常温和中性pH下的水溶性极低，估计仅为1–10 μg/mL[5]。CUR的固有物理化学性质导致其体外和体内的生物活性评估结果存在差异，以及不良的药代动力学特性[5]、[6]。因此，改善CUR的物理化学性质对于提高其在目标组织中的生物利用度和扩大其在食品和制药行业的应用范围至关重要。

已经采取多种策略来提高CUR的化学稳定性和水溶性[3]、[7]、[8]。其中，研究人员对基于环糊精（CDs）的载体表现出浓厚兴趣，因为它们具有增强稳定性、提高水溶性、减少不适感和消除不良味道等优点[9]、[10]。CDs是由6、7或8个α-1,4-葡萄糖苷连接的葡萄糖单元组成的锥形分子，通过添加甲氧基、羟丙基或磺丁基醚基团可以合成一些具有增强水溶性、结合亲和力和生物相容性的衍生物。CDs多样的内部腔体直径和结构特性使其成为制药制剂中的宝贵成分。特别是使用CDs封装和递送CUR是一种有前景的方法，可以克服CUR的固有局限性[8]、[10]。其中，羟丙基-β-环糊精（HPβCD，图1B）因其增强的水溶性、更高的结合亲和力和良好的生物相容性，成为形成1:1和2:1 M比例复合物的最广泛研究的载体[8]、[11]。虽然复合作用提高了CUR的溶解度和稳定性，但要充分发挥其生物潜力，还需要将其有效递送到靶点并在体内保持其生物活性形式。

血清白蛋白是血浆中的主要蛋白质，在活性分子的输送和分布中起着关键作用，从而调节其组织分布、代谢和生物活性[12]、[13]。因此，活性分子与目标蛋白质之间的相互作用是决定分子能否在全身循环中传播并定位于作用部位的关键因素。牛血清白蛋白（BSA，图1C）由于其高结构同源性和功能相似性，以及成本效益和广泛可用性，是实验研究中常用的血清白蛋白模型[12]、[14]、[15]。多项先前的研究使用各种实验技术研究了BSA与CUR之间的相互作用[12]、[14]、[15]。CUR通过其与蛋白质的中等结合能力，从循环系统运输到特定组织和器官[16]、[17]。Zhang等人报告称，辛烯基琥珀酸修饰的环糊精增强了槲皮素与HSA的结合，并利用多光谱技术调节了它们的相互作用[18]。类似地，Hu等人采用实验方法研究了CDs对CUR与血浆蛋白结合的影响[17]。尽管这些实验研究提供了有价值的现象学见解，但血浆蛋白、小分子和CDs之间的分子尺度竞争性相互作用仍了解不足。这一知识空白限制了对观察结果的机制解释，并阻碍了对CDs对小分子组织分布、代谢和生物活性影响的预测。因此，需要进行系统的理论研究以阐明控制这些相互作用的机制。

生物化学和计算生物物理学的最新进展极大地加速了使用计算建模对主客体系统的研究。分子力学和量子化学方法特别有助于绘制主客体复合物的构象景观，并揭示它们的相互作用模式和结合事件的动态[19]、[20]、[21]。结合计算和实验方法可以为深入理解主客体结合过程提供强大的途径[22]。然而，由于建模和传统实验研究仍经常单独进行，因此模拟与实验之间缺乏稳健的定量相关性。因此，整合实验方法和计算建模以确保研究结果的可验证性和可靠性至关重要[23]。

在这里，我们假设量化分子间相互作用是实验与模拟之间的自然桥梁，有助于理解CDs如何调节BSA–CUR相互作用。为了验证这一假设，我们结合了互补的光谱和计算方法：使用荧光、紫外-可见吸收、圆二色性和傅里叶变换红外（FT-IR）光谱来表征CD对BSA–CUR系统的影响，而分子对接和分子动力学（MD）模拟则确定了相对亲和力、结合位点和原子级别的构象变化。通过将实验观察与分子建模相结合，我们提供了现象学证据和分子级别的见解，从而获得了对CD介导的BSA–CUR–CD三元体系中配体置换和调节的交叉验证理解。

材料与化学品

姜黄素（CUR，C₂₁H₂₀O₆，分子量（Mw）：368.4 g/mol，纯度 >98%）和BSA购自中国上海的中药化工试剂有限公司。HPβCD（PubChem ID：56972821，取代度：6.6，平均Mw：约1518.3 g/mol）由中国滨州的山东滨州智源生物有限公司提供。其他化学品为分析级，从商业供应商处购买。

建模数据集

BSA（PDB ID：4F5S）[24]和CUR（PubChem ID：969516）的晶体结构来自

CUR和HPβCD–CUR复合物对BSA的荧光淬灭

荧光光谱是一种灵敏且易于使用的分析技术，具有低操作成本和先进的自动化功能，有助于详细表征蛋白质-配体复合物中的荧光团微环境[37]。蛋白质的固有荧光主要来源于Tyr、Trp和苯丙氨酸残基，这些残基的荧光特性对其环境变化非常敏感。因此，固有荧光的变化

结论

在本研究中，我们结合多光谱分析和分子建模来表征存在和不存在HPβCD时BSA与CUR之间的相互作用。BSA与CUR之间的复合作用是一个自发的放热过程，主要由范德华（vdW）相互作用驱动。然而，加入HPβCD显著削弱了BSA与CUR之间的直接相互作用，并降低了BSA–CUR复合物形成的自发性。同时，HPβCD的加入减轻了CUR的影响

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了江苏省大学生创新创业培训计划（202310313036Z）的支持。