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分子动力学模拟在药物/基因输送领域得到了较为广泛的应用,可用于解释实验中的微观机制及优化药物/基因输送系统,进行理性设计,有望成为辅助纳米药物和基因治疗发展的重要手段。我们课题组前期在药物/基因输送领域开展了大量的工作,如发表在Nature Nanotechnology的γ-谷氨酰转肽酶响应性的聚合物-药物偶联物PBEAGA18-CPT5,该工作提出的主动渗透新机制有望解决纳米药物在实体瘤中渗透难的瓶颈问题。但是,由于缺乏或难以实现实时追踪与微观表征等多方面因素,这些输送系统的微观机制方面还很少进行研究。因此,本论文在课题组前期工作基础上,对其中的若干输送系统进行了深入的分子动力学模拟,以深入探究这些输送系统的机制,并以指导药物/基因输送系统的进一步优化。第一章首先介绍了分子动力学模拟方法,包括基本流程、生物体系相关的力场介绍等。此外,还对分子对接以及分子力学-泊松玻尔兹曼表面积方法(MM-PBSA)进行了介绍。最后对分子动力学模拟在药物/基因输送系统方面的文献进行了介绍。第二章用分子动力学模拟研究了牛血清白蛋白(BSA)表面的赖氨酸进行异硫氰酸苯乙酯(PEITC)修饰的影响。该课题通过对BSA表面进行疏水性异硫氰酸苯乙酯基团的修饰,提高牛血清白蛋白载体对紫杉醇(PTX)药物的载药量,改善紫杉醇的药代动力学性质。前期实验结果表明,每个BS A平均被3 5个PEITC修饰(BS A-PEITC35)后可有效负载PTX,并形成稳定的BSA-PEITC35/PTX纳米粒子。与未修饰的BSA与PTX形成的纳米粒子(BS A/PTX)相比,BS A-PEITC3 5/PTX实现了更高效的药物输送。为阐明相应的微观机理,首先对药物(PTX)与载体(BSA和BSA-PEITC35)进行分子对接,之后用MM-PBSA方法计算了 BSA/PTX和BSA-PEITC35/PTX两种复合物的药物和载体的结合自由能。模拟结果表明,相较于BSA表面的赖氨酸,异硫氰酸苯乙酯修饰的赖氨酸增加了 BSA-PEITC35表面对疏水性药物紫杉醇的亲和力,使其能更稳定地负载紫杉醇药物。第三章研究了课题组发展的一种新型的脂质体包裹阳离子核酸复合物的基因输送系统,该系统可以以膜融合的方式实现入胞,本章用分子动力学模拟探索脂质体膜融合的机理与影响因素。脂质体由二油酰磷脂酰乙醇胺以及二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000和琥珀酸单酯胆固醇(CHEMS)组成。体外细胞实验表明高的CHEMS比例不利于基因输送系统的膜融合方式入胞。本章搭建了与实验采用的脂质分子比例一致的三种脂质体膜模型。模拟结果发现,CHEMS比例越高,脂质体对钠离子的吸附能力越强,形成更厚的水化层;同时,高含量的CHEMS减弱脂质体膜的流动性。由于膜融合的过程需要脂质体膜与细胞膜相互作用并发生形状调整和改变,高含量的CHEMS导致脂质体膜外形成水化层和膜的刚性增强可能是其膜融合能力变差的原因。第四章用分子动力学模拟研究了阳离子聚合物基因载体的电荷密度和疏水性对其与核酸的复合过程及所形成复合物稳定性的影响。课题组合成了的一系列不同电荷密度和疏水性的聚[2-(N,N-二烷基氨基)乙基甲基丙烯酸酯]的阳离子聚合物基因载体,包括聚[2-(N,N-二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯](A100)以及由2-(N,N-四亚甲基亚氨基)乙甲基丙烯酸酯和2-(N,N-二异丙基氨基)乙基甲基丙烯酸酯(D)按照摩尔比为75:25聚合得到的聚合物(B75D25)。B75D25的电荷密度低于A100。相对于A100/核酸复合物,B75D25/核酸复合物表现出了更高的基因稳定性和转染效率。本章使用分子动力学模拟来探究B75D25及A100与核酸之间的复合过程,较全面地描述阳离子聚合物与核酸的复合动力学及所形成的复合体结构。模拟结果表明,低电荷密度的B75D25能与DNA形成多层复合结构,有效包裹保护DNA,而具有高电荷密度的A100与DNA形成稀疏的单层复合结构。B75D25/DNA复合物的高稳定性主要来源于聚合物之间的疏水相互作用。第五章研究了成核分子拓扑结构对赖氨酸树枝状大分子性质的影响。课题组合成了以平面型的苝四羧酸二醯亚胺类(PDI)和立方型的八胺基笼型聚倍半硅氧烷(POSS)为成核分子的聚赖氨酸树枝状大分子(PDI-PLL和POSS-PLL)。成核分子拓扑差异对聚赖氨酸树枝状大分子性质的影响是一个值得探讨的课题。因此,本章使用分子动力学模拟研究了成核分子拓扑结构对第一代到第七代的POSS-PLL和PDI-PLL性质的影响,并且使用多种表征方法分析它们的性质差异,包括形状和尺寸、密度分布、氢键结合、界面水、自扩散系数、内部水、掩埋原子比例、表面原子比例等。模拟结果表明,成核分子拓扑结构对聚赖氨酸树枝状大分子的形状、自扩散系数、内部水的分布、与水的相互作用等都有不同程度的影响,但随着代数增大而减弱。第六章研究了 γ-谷氨酰转肽酶(GGT)酶响应型的喜树碱(CPT)偶联物的组成对酶响应速率的影响。课题组前期将2-(L-y-谷氨酰-L-α-氨基丁基氨基)乙基丙烯酰胺单体(BEAGA)和甲基丙烯酸-喜树碱单体(MMA-CPT)共聚,制备了γ-谷氨酰转肽酶(GGT)酶响应型的喜树碱偶联物PBEAGA18-CPT5(数字为单体单元数),PBEAGA18-CPT5的GGT酶响应速率比PBEAGA18-CPT2快,而PBEAGA23的GGT酶响应速率最慢,这可能与喜树碱偶联物中MMA-CPT单元的数量有关。本章采用分子动力学模拟研究了上述三种聚合物与GGT的结合。模拟结果表明,PBEAGA18-CPT5被GGT催化的可能性最大,PBEAGA18-CPT2次之,PBEAGA23 最低。与 PBEAGA18-CPT2和 PBEAGA23相比,MMA-CPT 单元侧链的强疏水性相互作用使得PBEAGA18-CPT5从相对开放的结构发生分子内塌陷,形成了相对紧凑的结构。这种转变有利于PBEAGA18-CPT5的γ-谷氨酰基伸入GGT活性位点,有利于PBEAGA18-CPT5 被 GGT 催化。