水溶性酰腙大环作为逆转顺阿曲库铵诱发神经肌肉阻滞的强效药物

《Journal of Materials Chemistry B》：Water-soluble acylhydrazone macrocycles as potent reversal agents for cisatracurium-induced neuromuscular blockade

在临床麻醉中，顺阿曲库铵(Cis)等神经肌肉阻断剂(NMBA)的残留阻滞可导致严重并发症，亟需新型高效拮抗剂。本研究表明，研究人员设计合成了一种具有富电子空腔的水溶性酰腙大环分子(PEG-MC)，能通过与Cis形成1:1主客体复合物（结合常数高达5.58 × 105M?1），有效逆转Cis诱导的神经肌肉阻滞(NMB)，将小鼠自主呼吸恢复时间从78.8 s显著缩短至51.5 s。这为开发基于大环的NMBA超分子拮抗剂提供了新策略。

在麻醉手术的舞台上，有一种药物扮演着至关重要的“肌肉松弛”角色，它就是神经肌肉阻断剂(NMBA)。它能让患者在手术中肌肉完全放松，为外科操作提供理想条件。然而，手术结束，麻醉醒来，如果这种肌肉松弛效果没有完全消失，残留的神经肌肉阻滞(RNMB)就可能带来大麻烦——患者可能无法自主呼吸，甚至需要重新插管抢救，这是麻醉医生最不想看到的危急情况之一。为了应对这个问题，临床上常使用乙酰胆碱酯酶抑制剂（如新斯的明）来尝试“唤醒”肌肉功能，但这类传统逆转剂效果有限，还常伴随心率过缓、支气管痉挛等副作用，并非完美解药。近年来，一种基于“分子包裹”的超分子策略带来了新希望，代表性药物是能高效包裹特定NMBA的γ-环糊精衍物Sugammadex。但遗憾的是，对于临床上另一种广泛使用的、尤其适用于危重患者的NMBA——顺阿曲库铵(Cis)，Sugammadex却束手无策。Cis的分子结构庞大而刚性，难以被环糊精的空腔有效容纳。因此，寻找一种能“捕获”Cis的新型分子笼子，成为临床麻醉领域一个迫切的需求。这驱使科学家们将目光投向另一类结构可调、空腔富电子的新型大环化合物——芳香酰胺/腙大环，探索其作为Cis超分子拮抗剂的潜力。

本研究由华中科技大学等机构的研究人员完成，并发表于《Journal of Materials Chemistry B》。为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，通过合成化学方法，成功制备了亲脂性模型大环(C8-MC)和最终具有生物应用潜力的水溶性聚乙二醇(PEG)功能化大环(PEG-MC)；其次，综合利用核磁共振氢谱(¹H NMR)滴定、紫外-可见光谱(UV-vis)和等温滴定量热法(ITC)等分析技术，在溶液（有机相和水相）中系统表征并量化了大环分子与Cis之间的主客体相互作用模式、化学计量比及结合常数；接着，采用密度泛函理论(DFT)计算、分子静电势(ESP)分析和独立梯度模型(IGM)等理论模拟方法，从电子结构和非共价相互作用层面深入阐明了主客体复合物的稳定化机制；此外，通过动态光散射(DLS)和透射电子显微镜(TEM)技术，考察了主客体复合物在溶液中的自组装行为与形貌；最后，通过体外细胞毒性(MTT)实验评估了PEG-MC的生物相容性，并构建了Cis麻醉的小鼠模型，通过监测膈肌运动和自主呼吸恢复时间，在体内验证了PEG-MC对Cis神经肌肉阻滞的逆转功效。

结果与讨论

C8-MC与Cis之间的主客体相互作用

研究人员首先设计合成了带有辛基链的酰腙大环C8-MC，并在有机相中研究其与Cis的相互作用。¹H NMR滴定实验表明，随着Cis浓度增加，C8-MC和Cis的特征质子信号均发生显著变化，证实了两者之间存在明确的主客体相互作用。通过化学位移变化分析和Job曲线，确定了二者以1:1的化学计量比结合，结合常数(K_a)为4.40 × 10³M^?1。理论计算进一步揭示，Cis的季铵头部带有正电，而大环MC的空腔内具有强负电势，这种静电互补性以及阳离子-π等非共价相互作用驱动了稳定复合物的形成。

Cis与PEG-MC之间的主客体相互作用

为了使大环适用于生物体系，研究人员在骨架中引入九个PEG链，合成了水溶性的PEG-MC。尽管PEG-MC在水中有聚集现象，但¹H NMR滴定仍观察到Cis质子信号的显著变化，表明相互作用发生。UV-vis和ITC实验在水溶液中进一步证实了PEG-MC与Cis形成1:1复合物，且结合力更强，结合常数分别达到5.98 × 10⁵M^?1和5.58 × 10⁵M^?1。热力学参数表明复合物的形成是焓驱动过程。DLS和TEM表征显示，Cis的加入显著促进了PEG-MC的进一步聚集，形成了更大的球形纳米颗粒。

体内逆转Cis的实验

在开展动物实验前，MTT细胞毒性实验证实PEG-MC具有良好的生物相容性，在80 μM浓度下细胞存活率仍高于80%。随后，在异氟烷麻醉并气管插管的大鼠模型中评估了PEG-MC的逆转效果。结果显示，仅注射Cis的对照组，其自主呼吸恢复时间为78.8秒，而静脉注射PEG-MC能将该恢复时间显著缩短至51.5秒。这表明PEG-MC能在体内有效结合游离的Cis分子，与突触后膜上的烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)竞争结合位点，从而逆转Cis引起的神经肌肉传递阻滞，促进麻醉动物自主呼吸的快速恢复。

结论

综上所述，本研究成功合成了水溶性酰腙大环PEG-MC。该分子能与临床常用神经肌肉阻断剂顺阿曲库铵(Cis)形成稳定的1:1主客体复合物，结合常数高达10⁵M^?1数量级。体外实验证明了其优异的生物相容性，体内实验进一步表明，PEG-MC能有效逆转Cis诱导的小鼠神经肌肉阻滞，将自主呼吸恢复时间从78.8秒缩短至51.5秒。这些发现不仅验证了PEG-MC作为一种有潜力的Cis临床逆转剂候选分子，更凸显了超分子治疗策略在生物医学干预，特别是在麻醉和神经肌肉阻滞逆转领域的广阔应用前景。这项工作为开发针对传统拮抗剂无效的NMBA的新型超分子解药提供了新的设计思路和有力证据。