引 言

纳米管材料由于具有空腔管体结构、能跨越生物体的多重屏障等特点，被广泛地应用于药物输运的研究[1-4]。相比于碳纳米管（CNTs），氮化硼纳米管(BNNTs)由于具有较高的化学稳定性和良好的生物相容性，在药物输运领域受到广泛的关注[3-6]。例如，Li 等[5]报道由BNNTs 构建的薄膜可以改善人类原代乳腺成纤维细胞和转化的乳腺细胞系的增殖。Chen 等[6]研究发现，BNNTs 能作为载体将寡聚DNA输运到细胞内部并且没有发现BNNTs 具有明显细胞毒性。现有研究结果表明BNNTs 在药物输运系统中存在潜在应用前景。

然而由于BNNTs 具有较大比表面积和较高化学稳定性，BNNTs 常通过π-π 堆积的方式聚集且难于分散，限制了其应用[7]。有效提高BNNTs的分散性对于将BNNTs 应用于药物输运领域具有重要意义。由于壳聚糖及其衍生物在低pH 溶液中显示出生物降解性、细胞膜黏附性和易质子化等优点[8-11]，通过引入壳聚糖及其衍生物可以进一步提高BNNTs 的分散性和生物相容性[11]。此外由于生物系统中的pH 水平不同（例如，癌细胞周围pH 较低[12-13]），质子化壳聚糖还能够与某些肿瘤细胞表面的多糖受体结合，提高载体的有效靶向性[14]。壳聚糖及其衍生物可作为pH 敏感载体将药物分子递送到靶细胞中[15-17]。因此，壳聚糖-BNNTs 复合载体在药物输运领域存在潜在的应用前景。

近年来，分子动力学模拟（MD）的方法可以在原子及分子水平提供许多现阶段实验还无法观测的信息，从而为解释药物靶向输运机制和载体材料分子设计提供依据[18-20]。本课题组在之前利用MD 研究结果表明，壳聚糖与BNNTs 的作用方式受到壳聚糖骨架上官能团以及BNNTs 管径大小的影响。非质子化壳聚糖可以通过BNNTs 管径调节快速自发地进入BNNTs 管中，而质子化壳聚糖由于周围有序水化层，会影响进入管中的动力学过程[20]。这为利用壳聚糖封装药物进入BNNTs 提供理论依据。本文主要通过MD 方法，以抗癌药物阿霉素DOX 为药物模型，揭示利用壳聚糖-BNNTs 复合载体材料封装及输运抗癌药物的可行性。该研究将为基于BNNTs 的药物载体材料的设计与应用提供理论指导及依据。

1 模拟方法

1.1 模型及力场构建

如图1所示，通过替换多糖上的—OH，构建2种10 聚的壳聚糖模型：完全脱乙酰化的壳聚糖（—NH2chitosan,CS_A10）以及完全脱乙酰化且质子化的壳聚糖(—NH3+chitosan, CS_B10)。功能化基团参数包括非键参数及壳聚糖单元之间的成键参数，键连、角度、二面角等参数来自Ferreira 等[21]的工作。非键参数通过Gaussian03 软件[22]，采用HF/6-31G+的方法，分别优化2 种含不同官能团（—NH2和—NH3+）壳聚糖单体结构得到。

图1 10聚壳聚糖模型，由替换多糖—OH获得（所有原子以licorice模型显示）Fig.1 Initial structure of chitosan with 10 units was generated by replacing glucose unit—OH group into—NH2and—NH3+groups,respectively(a)完全脱乙酰化的壳聚糖(—NH2chitosan,CS_A10);(b)完全脱乙酰化且质子化的壳聚糖(—NH3+chitosan,CS_B10);(c)不同视角的BNNT(14,14)模型

阿霉素(doxorubicin,DOX)是一种常用广谱抗癌药物。本文以DOX 为药物模型，揭示利用壳聚糖-BNNTs 输运抗癌药物的可行性。DOX 电荷通过Gaussian03软件[22]，采用HF/6-31G+的方法获得。

结合本课题组之前壳聚糖BNNTS 复合材料的研究，本工作探讨利用BNNT (14,14)封装壳聚糖和DOX 的可行性。如图1(c)所示，BNNT(14,14)模型通过VMD 软件nanotube-build 模块构建[23]。BNNT(14,14) 使 用AMBER-GAFF 力 场，其 中BNNT (14,14) 电荷以及LJ 作用参数来自Aluru 等[24]的工作。BNNT(14,14)中硼和氮原子电荷参数分别为+0.300和-0.300；LJ 参数包括sigma (nm)和epsilon (kJ/mol)分 别 为 硼 原 子：0.337 和0.602；氮 原 子：0.345 和0.393。

棕榈酰油酰磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,POPC)常用于模拟细胞膜磷脂双分子层。磷脂双分子层的结构文件以及AMBER-GAFF 力场形式POPC 的力场文件由lipidbook 网站下载。磷脂双分子层由上下2×256个POPC组成。

1.2 模拟细节

1.2.1 壳聚糖-BNNTs 封装DOX 壳聚糖-BNNTs封装DOX的模拟初始构型截图如图2(a)所示。首先获得了CS_A10/DOX 的构型。然后将CS_A10/DOX 的构型放置在BNNT(14,14)管口，进行壳聚糖-BNNTs封装DOX 的模拟。模拟系统置于9 nm × 9 nm× 17 nm 的水盒子当中，水分子采用TIP3P 模型。模拟过程采用周期性边界条件，模拟步长为2 fs。采用PME的方法[25]计算静电作用并且范德华作用截断半径为1.2 nm。通过Lorentz-Berthelot 的方法[26]计算不同原子之间的LJ 作用势。模拟中通过velocity rescaling 方法[27]控制温度为300 K，并且将BNNTs 固定住。模拟系统先进行5000 步的能量优化然后进行较长时间的NVT模拟。

文章来源：《中国药物经济学》 网址: http://www.zgywjjx.cn/qikandaodu/2021/0503/823.html