材料模擬軟件Materials Studio在PLA—PEG共聚物膠束負(fù)載多西紫杉醇給藥系統(tǒng)中的應(yīng)用

辛景+張泉

摘要：借助材料模擬軟件Materials Studio，采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法，研究抗癌藥物多西紫杉醇與聚乳酸-聚乙二醇共聚物（PLA-PEG）的自組裝給藥系統(tǒng)，考察嵌段比例和載藥量對(duì)載藥膠束的影響。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，綜合考慮載藥量和膠束穩(wěn)定性，PLA40-PEG60作為載體時(shí)整體性能較好，藥物、共聚物和水的最佳質(zhì)量配比為4：10：90。Materials Studio計(jì)算機(jī)模擬軟件在載藥膠束的研究領(lǐng)域具有強(qiáng)大潛力和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：多西紫杉醇；膠束；計(jì)算機(jī)模擬

0 引言

紫杉烷類化合物多西紫杉醇（docetaxel，DTX）是新一代抗癌藥物，在治療卵巢癌、乳腺細(xì)胞癌等重大疾病方面得到廣泛應(yīng)用。DTX在水中的溶解度極低，市售制劑采用的增溶劑吐溫80容易讓患者出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)敏反應(yīng)，其臨床應(yīng)用受到了極大影響。兩親性嵌段共聚物能夠在選擇性溶劑中自組裝形成膠束結(jié)構(gòu)，具有親水外殼和憎水內(nèi)核。通過(guò)共聚物膠束負(fù)載抗癌藥物則可以盡量減小其副作用，提高治療效果[1]。

聚乳酸（PLA）是一種良好的可生物降解的單鏈聚酯類聚合物，已被美國(guó)食品藥物管理局批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床，降解產(chǎn)物乳酸可被人體清除，但PLA的水溶性和生物相容性一般。將具有良好的親水性和生物相容性的聚乙二醇（PEG）引入疏水性的PLA鏈段中，可顯著提高聚合物的親水性，使其適用于給藥系統(tǒng)[2～3]。

傳統(tǒng)的共聚物載藥膠束研究方法是實(shí)驗(yàn)手段，需要合成大量載體材料、反復(fù)探索配方組成，消耗大量的原料及時(shí)間成本。采用計(jì)算機(jī)模擬方法則可彌補(bǔ)以上不足，能從分子水平研究藥物在載藥膠束中的分布狀況、藥物釋放機(jī)理等。耗散粒子動(dòng)力學(xué)（Dissipative Particle Dynamics，DPD）便是一種處于介觀層次的模擬方法，廣泛用于嵌段共聚物自組裝、相分離、藥物傳輸?shù)妊芯款I(lǐng)域[4]。

Materials Studio是全尺度材料模擬平臺(tái)，擁有優(yōu)異的操作界面，快捷實(shí)現(xiàn)模型搭建、參數(shù)設(shè)定以及結(jié)果的可視化分析，而且融合多種模擬方法。本文將借助Accelrys公司材料模擬軟件Materials Studio中的DPD方法研究共聚物膠束負(fù)載DTX的給藥系統(tǒng)，探討嵌段比例、載藥量對(duì)載藥膠束微觀結(jié)構(gòu)的影響。這將有助于新型載藥材料開(kāi)發(fā)的初期篩選及配方優(yōu)化。

1模擬方法

1.1 基本原理

Materials Studio多尺度材料模擬平臺(tái)是BIOVIA公司（美國(guó)）在材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心產(chǎn)品。它融合多種模擬方法，實(shí)現(xiàn)從電子結(jié)構(gòu)解析到宏觀性能預(yù)測(cè)的全尺度科學(xué)研究。在國(guó)內(nèi)擁有近400家用戶，分布在石油、化工、環(huán)境、能源、制藥、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域和教育科研部門。Materials Studio模擬軟件采用了先進(jìn)的模擬計(jì)算思想和量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡洛、耗散粒子動(dòng)力學(xué)等多種先進(jìn)算法；同時(shí)產(chǎn)品提供了界面友好的的模擬環(huán)境，研究者能方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各種小分子、納米團(tuán)簇、晶體、非晶體以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過(guò)程進(jìn)行深入的研究，得到切實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

DPD是一種介觀模擬方法，其出發(fā)點(diǎn)是積分牛頓運(yùn)動(dòng)方程。該方法以代表一部分實(shí)際流體物質(zhì)的粗粒化粒子作為基本結(jié)構(gòu)單元。用粒子代替原子簇，用"柔性"勢(shì)能函數(shù)進(jìn)行能量計(jì)算，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程和三種作用力來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。體系中一系列相互作用的粒子隨時(shí)間的演化過(guò)程是由牛頓方程決定的。對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程積分可獲得體系的動(dòng)力學(xué)行為，體系的平衡性質(zhì)，可沿運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均求得。DPD與傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)方法相比，允許更大的時(shí)間尺度、長(zhǎng)度尺度和、更短的模時(shí)擬間[4]。

1.2 模型及參數(shù)

DPD模擬方法中的基本顆粒是珠子，它代表一個(gè)分子中的某個(gè)基團(tuán)或幾個(gè)基團(tuán)。本文中，一個(gè)水分子仍用一個(gè)DPD粒子W來(lái)代表；共聚物PLA-PEG用彈簧-珠鏈模型來(lái)代表，劃分為兩種DPD粒子A、G，分別為PLA、PEG各自的重復(fù)單元。一個(gè)藥物分子多西紫杉醇劃分為三個(gè)DPD粒子：D1、D2、D3，其粗粒化模型構(gòu)建如圖1所示。

DPD模擬需要確定各珠子間的相互作用參數(shù)aij，aij與Flory-Huggins參數(shù) 間的關(guān)系：

（1）

其中，同類珠子間的相互作用參數(shù)aii=25[5]，而χij可由溶解度參數(shù)δ求得[6～7]：

（2）

本文利用Materials Studio軟件中Discover和Amorphous Cell模塊計(jì)算各珠子的溶解度參數(shù)δ及各珠子的體積Vi，然后計(jì)算珠子之間的相互作用參數(shù)aij。

聚合物鏈上相鄰粒子之間是通過(guò)一個(gè)線性諧振彈簧相連的，其中彈性常數(shù)為4.0。粒子的密度為3.0，因此相同類型粒子之間的排斥作用力為aii=25.0。模擬時(shí)間步長(zhǎng) 為0.05，模擬步數(shù)一般為1×105。根據(jù)體系中膠束形貌、保守能和均方旋轉(zhuǎn)半徑隨時(shí)間的變化情況來(lái)判斷體系是否達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

考慮到在計(jì)算機(jī)模擬中，模擬盒子尺寸是影響最終結(jié)果正確與否的重要因素。模擬體系太小會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果失真，而體系太大對(duì)計(jì)算條件要求過(guò)高，計(jì)算時(shí)間也大大增加[4]。為了獲得較為理想的盒子尺寸，首先在不同盒子體系下進(jìn)行了一系列平行模擬。盒子尺寸由20×20×20rc3變化到40×40×40rc3。通過(guò)結(jié)果比較表明：當(dāng)盒子尺寸等于或大于25×25×25rc3時(shí)，共聚物混合物在模擬盒子里能夠形成基本相同的膠束形貌。因此，在不影響最終結(jié)論的前提下，在本文中采用25×25×25rc3盒子以提高計(jì)算效率，模擬中還用周期性邊界條件來(lái)進(jìn)一步減小有限尺寸效應(yīng)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 嵌段比例對(duì)載藥膠束的影響

共聚物嵌段比例會(huì)對(duì)其在水溶液中的自組裝及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本節(jié)將考察濃度為10%的不同嵌段比例的共聚物膠束形貌。共聚物的重復(fù)單元總數(shù)保持為100，PEG重復(fù)單元數(shù)為80、60、40、20時(shí)，PLA-PEG共聚物的自組裝形貌如圖2所示。

通過(guò)模擬直觀看出，不同嵌段比例的PLA-PEG共聚物基本都能在水溶液中自組裝形成核殼結(jié)構(gòu)的膠束，其中親水性的PEG嵌段為外殼，疏水性的PLA嵌段為內(nèi)核，疏水藥物DTX將會(huì)因疏水作用聚集在內(nèi)核。當(dāng)PEG嵌段的摩爾分?jǐn)?shù)為80%時(shí)（圖2a），PEG殼層的厚度比較大。共聚物嵌段總長(zhǎng)度一定，PEG所占比例偏大時(shí)，PLA所占比例勢(shì)必偏小，PLA膠束內(nèi)核也會(huì)偏小導(dǎo)致載藥量過(guò)小，這樣實(shí)際上是不經(jīng)濟(jì)的。PEG殼層不必太厚，有一定的厚度能包覆住PLA內(nèi)核、保證膠束的穩(wěn)定性即可。當(dāng)PEG嵌段的摩爾分?jǐn)?shù)為60%時(shí)（圖2b），可以看到PEG嵌段仍然能夠?qū)LA疏水內(nèi)核完全覆蓋，這類膠束結(jié)構(gòu)比較緊湊穩(wěn)定。當(dāng)PEG嵌段的摩爾分?jǐn)?shù)降低為40%時(shí)（圖2c），PLA基本被PEG包裹，形成PEG為外殼、PLA為內(nèi)核的核殼結(jié)構(gòu)，但PEG外殼厚度比較薄，出現(xiàn)不均勻的情況。再降低PEG的比例為20%時(shí)（圖2d），外層的PEG嵌段不足以將更大的PLA疏水內(nèi)核完全覆蓋，部分PLA嵌段會(huì)因缺少PEG外殼的"保護(hù)"而暴露在水中，這類膠束不再適用于給藥系統(tǒng)。

負(fù)載藥物后膠束內(nèi)核尺寸會(huì)變大，導(dǎo)致殼層變薄，需要協(xié)調(diào)載藥量與體系穩(wěn)定性的關(guān)系，以期得到比較合理的載藥膠束配方。因此殼層相對(duì)較厚、PEG組成為60%的膠束結(jié)構(gòu)在負(fù)載藥物后的穩(wěn)定性應(yīng)該更強(qiáng)。在本節(jié)工作中，共聚物的組成為PLA40-PEG60時(shí)即為合理配方。

2.2 載藥量對(duì)載藥膠束的影響

將PLA40-PEG60設(shè)為本節(jié)的共聚物模型。PLA40-PEG60與水的質(zhì)量比設(shè)定為10：90，同時(shí)將不同質(zhì)量的藥物加入共聚物溶液，研究載藥量對(duì)自組裝膠束的影響，結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)DTX：PLA-PEG的質(zhì)量比為2：10時(shí)（圖3a），體系自組裝形成了一個(gè)球狀結(jié)構(gòu)，可觀察到該球狀結(jié)構(gòu)以PLA為核、PEG為殼，藥物分子比較均勻地分布在核內(nèi)；當(dāng)DTX：PLA-PEG質(zhì)量比為4：10時(shí)（圖3b），體系依然能夠自組裝形成球狀核殼結(jié)構(gòu)，但是由于藥物增多，由PLA和藥物構(gòu)成的內(nèi)核尺寸開(kāi)始增大，PEG殼層變薄。當(dāng)DTX：PLA-PEG質(zhì)量比為6：10時(shí)（圖3c），雖然還基本是球形核殼結(jié)構(gòu)，但是PEG殼層因?yàn)樽兊酶《穸炔辉倬鶆颍糠諨TX和PLA會(huì)出現(xiàn)在球狀膠束表面，使得體系穩(wěn)定性下降。進(jìn)一步增加藥物的量，當(dāng)DTX：PLA-PEG質(zhì)量比為8：10時(shí)（圖3d），由于共聚物和藥物的總量比較大，體系不再自組裝形成藥物傳輸領(lǐng)域常用的球狀核殼膠束結(jié)構(gòu)，而是形成了柱狀結(jié)構(gòu)，其中PLA和藥物DTX依然構(gòu)成了內(nèi)核部分，PEG形成保護(hù)性殼層。當(dāng)核尺寸增加到一定程度后，PEG殼層不足以完全將柱狀結(jié)構(gòu)包裹而導(dǎo)致部分藥物與水接觸，此時(shí)的載藥膠束如果進(jìn)入人體，可能會(huì)與血液中的蛋白質(zhì)疏水微區(qū)發(fā)生相互作用而粘附在一起，對(duì)人體健康產(chǎn)生不利的影響[1]。

球狀結(jié)構(gòu)比柱狀結(jié)構(gòu)更容易通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入癌細(xì)胞從而達(dá)到治療效果，因此當(dāng)PLA40-PEG60與水的質(zhì)量比固定為10：90時(shí)，球狀膠束給藥系統(tǒng)的最大載藥量為6：10時(shí)的37.5%（圖3c）。PEG層應(yīng)該具有一定的厚度從而保證球狀載藥膠束的穩(wěn)定性，所以本節(jié)工作中最優(yōu)載藥量應(yīng)為4：10時(shí)的28.6%（圖3b）。

3 結(jié)論

本文借助計(jì)算機(jī)材料模擬軟件Materials Studio中的Mesocite模塊，對(duì)抗腫瘤藥物DTX與PLA-PEG共聚物的自組裝膠束進(jìn)行了DPD模擬。研究了嵌段組成和載藥量對(duì)自組裝膠束形貌的影響，給出較為合理的配方設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬看到，PLA-PEG和DTX自組裝形成核殼的膠束結(jié)構(gòu)，PLA40-PEG60作為載體時(shí)整體性能較好，多西紫杉醇：共聚物：水的最佳質(zhì)量比為4：10：90。本文工作充分體現(xiàn)Materials Studio軟件在給藥系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，為載藥系統(tǒng)的配方設(shè)計(jì)提供理論預(yù)測(cè)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉紅艷，郭泓雨，周健.PLGA-PEG共聚物負(fù)載多西紫杉醇的藥物輸運(yùn)體系的計(jì)算機(jī)模擬[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（23）：2445-2450.

[2]季冬英，吳瓊珠，平其能.PLA-mPEG的合成和多西紫杉醇聚合物膠束的制備[J].中國(guó)藥科大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（03）：223-227.

[3] 涂增清，李敬豪，周月廣.PLA嵌段PEG聚合物膠束載藥系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].廣州化工，2014，（15）：13-16+33.

[4] 辛景.嵌段共聚物多隔段膠束的耗散粒子動(dòng)力學(xué)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

[5] Groot R D，Warren P B.Dissipative particle dynamics： Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation[J].Journal of Chemical Physics，1997，107（11）：4423- 4435.

[6] Koelman J M V A，Hoogerbrugge P J.Dynamic simulation s of hard- sphere suspensions under steady shear[J].Europhysics Letters，1993，21 （3）：363- 368.

[7] Groot R D，Madden T J.Dynamic simulation of diblock copolymer microphase separation[J].Journal of Chemical Physics，1998，108 （20）：8713- 8724.

作者簡(jiǎn)介：

辛景，女（1981-），河北石家莊人，講師，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算化學(xué)、化學(xué)工程。

基金項(xiàng)目：河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目（QN2015329）