壳聚糖纳米载体对西咪替丁与牛血清白蛋白相互作用的影响及其对蛋白质构象的调控作用

《Chemico-Biological Interactions》：Effect of Chitosan Nanocarriers on the Interaction between Cimetidine and Bovine Serum Albumin and Its Regulation of Protein Conformation

　　

余世军|黄家伟|孙海婷|顾家丽

渤海大学化学学院，中国锦州121013

摘要

本研究探讨了壳聚糖纳米颗粒（CS NPs）作为药物载体的应用，旨在改善西咪替丁（CMT）的递送效果、调节药物-蛋白质相互作用并维持蛋白质功能。研究考虑了吸附机制、分子相互作用、蛋白质构象和生物功能。通过扫描电子显微镜和动态光散射等方法进行表征，发现CMT通过氢键非共价结合到CS NPs上，形成具有多孔结构的稳定复合物。该复合物的平均粒径为415.7纳米，ζ电位为+31.52毫伏。吸附动力学和等温线拟合结果表明，CMT在CS NPs上的吸附遵循伪二级动力学模型和朗缪尔等温线吸附模型，最大吸附容量为1.67毫克/克；吸附过程是自发的且放热的。在最佳吸附条件下，药物负载量可达9.76%。体外模拟消化实验表明，CS NPs–CMT复合物在模拟胃肠道环境中的总生物可利用性提高了80%。光谱分析显示，与游离CMT相比，CS NPs–CMT复合物与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用显著增强，表现为更高的结合亲和力（Kb=5.57×10^6 M^-1）和强烈的荧光淬灭效应（淬灭率为59.95%）。CS NPs–CMT复合物导致BSA的结构变化更为明显（α-螺旋含量从55.60%降至49.50%）。位点竞争实验表明，游离CMT主要结合到BSA的位点II，而结合到CS NPs后，其结合位点转移到位点I。此外，负载到CS NPs上可部分缓解CMT对BSA酯酶活性的竞争性抑制，同时保持CMT对BSA巯基的保护作用。

引言

西咪替丁（CMT）是一种经典的组胺H2受体拮抗剂，常用于治疗胃和小肠溃疡、上消化道出血以及胃食管反流[1]。它通过竞争性阻断壁细胞中的组胺H2受体来抑制胃酸分泌[2]。然而，CMT存在一些局限性，包括强疏水性[3]、低肠道通透性[4,5]和短半衰期[6]。药物递送载体可以改善药物性能。其中，基于天然聚合物材料的纳米级递送系统因其生物相容性、提高生物利用度的能力以及增强溶解度同时降低毒性的能力而表现出优异的性能[7]。

壳聚糖（CS）具有生物相容性、无毒性和可生物降解性[8]。其表面的氨基和羟基赋予了优异的吸附能力[9]，使得通过分子间相互作用有效负载药物成为可能[10]。先前的研究表明，基于CS的纳米载体在改善药物递送方面具有巨大潜力[11]。例如，设计了一种CS/海藻酸钠纳米载体[12]来封装油菜籽中的肽变体，以增强生物活性和治疗效果。Al-Zubaidi等人[13]开发了载有甘草苷的纳米胶束，用于促进胰腺导管腺癌的药物递送，而Hasnat等人[14]制备了载有多柔比星的CS NPs，证明了它们作为高效化疗纳米载体的潜力。这些发现表明，基于CS的药物载体在改善药物释放行为、增强疗效和减少副作用方面具有广阔前景[15]。因此，载有CS的CMT有望克服现有局限性，实现更安全、更有效的治疗。

然而，目前关于药物递送系统的研究主要集中在提高靶向递送效率、增强疏水性药物的溶解度和延长血液循环时间[16]上。对其与生物分子相互作用机制的全面研究仍然有限。大多数药物在给药后进入血液并与血清白蛋白（SA）结合形成“药物-蛋白质复合物”[17]。这一过程直接影响药物在体内的分布、代谢、生物利用度、疗效和毒性，是决定其药代动力学和药效学的关键因素[18]。值得注意的是，使用载药材料可能会改变药物与蛋白质的相互作用方式，干扰药物与SA的结合，或改变SA的结构和功能，从而影响体内的药物转运和疗效。然而，对NPs与SA相互作用机制的理解不足阻碍了它们的临床转化[19]。因此，比较药物与SA之间的相互作用机制不仅揭示了载体对药物体内行为的影响，还为全面评估纳米递送系统的生物学效应和促进其临床转化提供了重要见解。

人血清白蛋白（HSA）是人体循环系统中主要的药物载体。它与药物的结合亲和力和结合位点直接决定了体内的游离药物浓度[20]，从而影响关键的药代动力学特性，如血液中的循环时间和组织分布[21]。然而，由于HSA的成本高昂且供应有限，BSA常被用作体外药物-蛋白质相互作用研究的替代模型[22]。BSA因其与HSA的高度结构同源性（约76%的氨基酸序列相似性）[23]以及相似的配体结合特性[24]而被广泛用作模型蛋白。BSA还包含两个主要的药物结合位点（位点I和II）[25]，在药理功能上与HSA非常相似。尽管与HSA在配体结合细节上存在细微差异[26]，但使用BSA作为模型蛋白为初步探索CMT与血浆载体蛋白之间的相互作用机制以及阐明纳米药物递送系统对药物-蛋白质结合模式和蛋白质构象变化的影响提供了可靠的实验基础。因此，本研究选择BSA作为模型蛋白，以了解CS NPs–CMT在人体内的相互作用，并预测其体内的药代动力学行为。

本研究通过制备CS NPs–CMT并采用多种光谱和分析技术，系统比较了游离CMT和CS NPs–CMT复合物的结合亲和力和BSA构象变化。该研究不仅阐明了NPs在分子水平上对药物-SA相互作用的调节机制，还为解决CMT的强疏水性和短半衰期等临床挑战提供了参考。这项工作对于推进纳米药物递送系统的临床转化具有重要意义。

章节摘录

材料

CMT（纯度≥99%）和三聚磷酸盐（TPP，纯度≥98%）购自Aladdin，超纯水用于制备储备溶液。CS也从Aladdin购买并溶解在1%醋酸中。BSA（纯度≥98%）溶液在Tris-HCl缓冲液（pH 7.4，0.1 M NaCl）中制备，来源为Biobomei（中国）。

CS NPs的制备

采用离子交联方法合成CS NPs[27]。在持续搅拌下，将TPP溶液逐滴加入CS溶液中（体积比=1:3）

表征结果

扫描电子显微镜（SEM）结果（图1A）显示，CMT具有规则的棒状晶体结构，表面光滑，边缘清晰，这是晶体药物的特征。CS NPs则呈现无定形的片状或纤维状结构，表面粗糙且有皱纹。相比之下，CS NPs–CMT复合物既没有保留CMT的晶体形态，也没有片状结构，表面粗糙且没有明显的规则形态。这表明CMT

结论

本研究制备了CS NPs和CMT的复合物，并系统比较了CS NPs负载前后CMT与BSA之间的相互作用机制，同时评估了其对BSA构象和功能的影响。结果表明，CS NPs可以有效地负载CMT并形成稳定的复合物。CMT在CS NPs上的吸附过程可以用伪二级动力学和朗缪尔等温线模型很好地描述。在吸附过程中，既有颗粒内扩散也有膜扩散

CRediT作者贡献声明

余世军：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。孙海婷：验证、软件。黄家伟：验证、监督、软件。顾家丽：撰写——审稿与编辑、资金获取

利益冲突声明

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?作者声明以下可能被视为潜在竞争性利益的财务利益/个人关系：无