分子模拟研究壳聚糖与基因及药物的相互作用

作     者：李嘉辰 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张丽

授予年度：2018年

学科分类：1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 07[理学] 070305[理学-高分子化学与物理] 0703[理学-化学] 10[医学] 

主      题：分子动力学模拟 药物输运 壳聚糖 寡聚核苷酸 阿霉素 氮化硼纳米管 

摘      要：癌症由于难发现,难治愈,已成为威胁全球人类健康的最大杀手之一。目前主要采用化学药物治疗(化疗)方法治疗癌症。化疗方法给药时,由于抗癌药物在体内非特异性分布以及易被清除,化疗方法治疗效率较为低下。通过纳米载体靶向输运基因治疗药物或抗癌药物的方法,能够避开多重生理屏障、降低化疗毒副作用,有望为癌症治疗提供新的解决途径。药物靶向输运过程中的一大难点是如何将基因治疗药物或抗癌药物安全、有效地导入到靶向细胞内部。壳聚糖由于具有良好的生物兼容性和降解性,被认为是较有前途的一种抗肿瘤载体材料。深入理解壳聚糖与基因或抗癌药物之间的相互作用机制有利于基于壳聚糖载体的药物及基因输运系统的设计与应用。基于此,本论文中利用分子动力学模拟探讨了壳聚糖包裹寡聚核苷酸的可行性,揭示了壳聚糖官能团、寡聚核苷酸碱基类型及链长等因素对壳聚糖包裹寡聚核苷酸行为的影响。在此基础上,进一步利用分子动力学模拟研究了壳聚糖包裹及释放抗癌药物阿霉素(Doxorubicin,DOX)的过程及可行性。阐述了不同pH值响应的DOX控释行为及药物浓度对DOX控释行为的影响。最后,结合氮化硼纳米管(Boronnitride nanotubes,BNNTs)在药物输运领域的应用前景,研究了BNNTs管径以及壳聚糖质子化状态对壳聚糖与氮化硼纳米管相互作用的影响,并以此为基础初步探讨利用壳聚糖-BNNTs复合体系封装抗癌药物DOX及其跨膜输运过程。论文得到以下主要研究结论:(1)含–NH基团(完全脱乙酰化且质子化)壳聚糖对寡聚核苷酸的分散能力优于–NH(完全脱乙酰化)以及–NHCOCH(完全未脱乙酰化)壳聚糖。壳聚糖对寡聚核苷酸的包裹受寡聚核苷酸与壳聚糖的结合强度及寡聚核苷酸自身聚集程度两者影响。对于含有–NH基团的壳聚糖,由于–NH基团和核苷酸之间较强的静电作用及其与核苷酸中磷酸基团间的氢键作用,寡聚核苷酸的聚合作用可以被有效消除。寡聚核苷酸在壳聚糖链周围良好的分散,能增强壳聚糖对其的包裹能力,从而增加基于壳聚糖基因传递系统的输运及转染效率。(2)随着体系pH逐渐降低,尤其在肿瘤细胞pH条件时(pH=6.5),含有–NH基团的壳聚糖与DOX结合强度较弱,DOX难以在壳聚糖表面吸附,且DOX由于π–π堆积作用倾向于自聚,倾向于以聚集的形式释放。当体系pH较高时,DOX较易吸附在相对聚集的壳聚糖表面,即壳聚糖能很好地包裹DOX。此外DOX之间的聚集作用随浓度增加而增强,从而降低壳聚糖对DOX包裹的效率,载药量增加并不明显。(3)壳聚糖与BNNTs之间的结合方式受壳聚糖质子化状态以及BNNTs管径影响。当BNNTs管径较小时,壳聚糖链由于吸附水分子尺寸变大,难以进入BNNTs管中,只能以管外吸附的方式与BNNTs管结合。当BNNTs管径较大时,壳聚糖质子化状态将影响壳聚糖与BNNTs结合能以及壳聚糖构型,进而导致非质子化壳聚糖完全进入BNNT(14,14)管,而完全质子化壳聚糖只有部分进入BNNT(14,14)管。(4)壳聚糖-BNNTs复合载体能够迅速封装DOX。利用分子模拟研究壳聚糖-BNNTs复合载体跨膜输运DOX过程,结果表明磷脂分子与BNNT(14,14)管存在较强的相互作用,磷脂分子能自发嵌入到BNNT(14,14)管中。随着BNNTs逐渐陷入到磷脂双分子层中,管中磷脂分子会逐渐上升。壳聚糖以及DOX因而被不断排挤,最终壳聚糖完全脱离BNNT(14,14)管。