图2 壳聚糖-BNNTs封装(a)及跨膜输运(b)DOX的初始构型截图（CS_B10壳聚糖为licorice模型，POPC为line模型，BNNT为licorice模型，DOX为vdW模型；截图中没有显示水分子和反离子）Fig.2 Initial structure of encapsulation(a)and transmembrane transport(b)of DOX by chitosan-BNNT(14,14)

1.2.2 壳聚糖-BNNTs 跨膜输运DOX 人体肿瘤细胞环境pH 较低，壳聚糖在低pH 条件下易质子化。Thomas 等[28]报道BNNTs 能自发嵌入并稳定存在于磷脂双分子层中。为研究癌细胞环境利用壳聚糖-BNNTs 跨膜输运DOX，如图2(b) 所示，将得到的稳定CS_A10/DOX/BNNT 构型替换为完全质子化状态的CS_B10/DOX/BNNT 构型，并且将CS_B10/DOX/BNNT 的构型部分嵌入到磷脂双分子层之中。壳聚糖-BNNTs 跨膜输运DOX 时，模拟盒子大小为10 nm×10 nm×12 nm。

1.2.3 平均力势（potential mean of force，PMF）自由能计算 通过umbrella sampling 方法[29]计算一个单元—NH2壳聚糖与BNNT (14,14)以及DOX 与BNNT(14,14)之间的PMF。PMF 计算时，施加距离限制。以BNNT (14,14)为中心，反应路径为—NH2壳聚糖/DOX 与BNNT(14,14)之间的质心距离。质心距离限制时，简谐势力常数为3000 kJ/(mol· nm2)。采样窗口间隔距离为0.05 nm，一条完整PMF 曲线采样共计60 个窗口。其中，每个窗口进行10 ns 的分子动力学模拟，取数据后5 ns 用于PMF 分析。PMF 分析时，采用WHAM 方法[30]去除额外施加的谐振势的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 壳聚糖-BNNTs封装DOX

BNNTs 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领域[3-4,6]。利用BNNTs 空腔管体结构，将抗癌药物封装到BNNTs 管道中可以提高抗癌药物利用率并有效降低其毒副作用。模拟进行前将CS_A10/DOX 的构型放置在BNNT(14,14)管口，通过分子动力学模拟探讨壳聚糖-BNNTs 封装DOX 的可行性。如图3所示，30 ns瞬时构型图中可以看出，CS_A10壳聚糖与DOX能完全进入管中。图3中统计CS_A10壳聚糖/DOX 与BNNT(14,14)质心距离随时间的变化。可以看出，模拟5 ns 内壳聚糖/DOX 与BNNT(14,14)之间的距离迅速下降，最后在0 左右波动。结果表明，壳聚糖-BNNTs 复合载体能够迅速封装DOX，存在潜在的应用前景。

如图4 所示，计算一个单元—NH2壳聚糖与BNNT (14,14)以及DOX 与BNNT (14,14)之间的PMF，进一步研究DOX 封装过程。—NH2壳聚糖以及DOX 从管口2 nm 到管中心0 nm 时,进入管中的自由能逐渐降低。也可以发现，一个单元—NH2壳聚糖以及DOX 穿过管中心的自由能分别为-11 和-56 kJ/mol。自由能结果表明，壳聚糖以及DOX 存在进入管中的趋势。更多单元的壳聚糖进一步提供进入管中的驱动力。然而本课题组最近研究发现[20]，质子化壳聚糖需要很长时间才能进入管中。尽管自由能有利于质子化壳聚糖进入管中，但BNNT 管中[图5(a) Ⅰ所示]以及质子化壳聚糖周围存在的有序分布水化层，会影响壳聚糖进入的动力学过程以及封装效率。DOX 尺寸较大，类似质子化壳聚糖也会影响进入动力学过程。为此，如图5 所示，通过牵引不同固定取向DOX 进入管中，进一步分析所施加外力随时间的变化。可以发现当DOX共轭环相对xy面水平（horizontal）进入管口后，牵引力出现明显峰值且远大于以竖直（vertical）方式进入管中。表明DOX 需要调整构象才能进入管中。图3(b)中也显示，壳聚糖携带DOX 进入管中时，能够吸附固定且调整DOX 以合适的角度进入管中。因此，壳聚糖携带DOX 进入管中时，壳聚糖存在特殊优势：一方面能提供进入驱动力，另一方面能调整DOX以合适构象进入管中。

图3 (a)CS_A10壳聚糖/DOX与BNNT(14,14)质心距离随时间的变化；(b)体系初始以及30 ns 瞬时构型图Fig.3 (a)Center of mass(COM)distance between CS_A10/DOX and BNNT(14,14)versussimulation time;(b)snapshot of system at 0 and 30 ns

图4 一个单元—NH2壳聚糖与BNNT(14,14)以及DOX与BNNT(14,14)之间的PMF（坐标0为管中心位置，虚线为管口位置）Fig.4 Potential of mean force(PMF)of—NH2and DOX passing through BNNT(14,14)[The reaction coordinate is along the central axis of BNNTs.0 nm is the middle location of the tube and the dotted lines represent the end location of BNNT(14,14)]

图5 (a)Ⅰ:BNNT(14,14)管中水的xy平面密度分布图；不同取向DOX的初始构型，Ⅱ:DOX共轭环相对xy面竖直（vertical）放置；Ⅲ:水平（horizontal）放置；(b)牵引不同取向DOX进入管中所施加外力随时间的变化（牵引速率为0.01 nm/ps，虚线表示管口位置）Fig.5 (a)Ⅰ:Density map of water molecules in BNNT(14,14)inxyplane;DOX with different orientations inxyplane,Ⅱ:vertical;Ⅲ:horizontal;(b)external force on DOXversussimulation time[the pull rate is 0.01 nm/ps and the dotted lines represent the end location of BNNT(14,14)]

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