材料模拟软件Materials Studio在PLA—PEG共聚物胶束负载多西紫杉醇给药系统中的应用

辛景+张泉

摘要：借助材料模拟软件Materials Studio，采用耗散粒子动力学方法，研究抗癌药物多西紫杉醇与聚乳酸-聚乙二醇共聚物（PLA-PEG）的自组装给药系统，考察嵌段比例和载药量对载药胶束的影响。计算机模拟结果表明，综合考虑载药量和胶束稳定性，PLA40-PEG60作为载体时整体性能较好，药物、共聚物和水的最佳质量配比为4：10：90。Materials Studio计算机模拟软件在载药胶束的研究领域具有强大潜力和应用前景。

关键词：多西紫杉醇；胶束；计算机模拟

0 引言

紫杉烷类化合物多西紫杉醇（docetaxel，DTX）是新一代抗癌药物，在治疗卵巢癌、乳腺细胞癌等重大疾病方面得到广泛应用。DTX在水中的溶解度极低，市售制剂采用的增溶剂吐温80容易让患者出现严重过敏反应，其临床应用受到了极大影响。两亲性嵌段共聚物能够在选择性溶剂中自组装形成胶束结构，具有亲水外壳和憎水内核。通过共聚物胶束负载抗癌药物则可以尽量减小其副作用，提高治疗效果[1]。

聚乳酸（PLA）是一种良好的可生物降解的单链聚酯类聚合物，已被美国食品药物管理局批准应用于临床，降解产物乳酸可被人体清除，但PLA的水溶性和生物相容性一般。将具有良好的亲水性和生物相容性的聚乙二醇（PEG）引入疏水性的PLA链段中，可显著提高聚合物的亲水性，使其适用于给药系统[2～3]。

传统的共聚物载药胶束研究方法是实验手段，需要合成大量载体材料、反复探索配方组成，消耗大量的原料及时间成本。采用计算机模拟方法则可弥补以上不足，能从分子水平研究药物在载药胶束中的分布状况、药物释放机理等。耗散粒子动力学（Dissipative Particle Dynamics，DPD）便是一种处于介观层次的模拟方法，广泛用于嵌段共聚物自组装、相分离、药物传输等研究领域[4]。

Materials Studio是全尺度材料模拟平台，拥有优异的操作界面，快捷实现模型搭建、参数设定以及结果的可视化分析，而且融合多种模拟方法。本文将借助Accelrys公司材料模拟软件Materials Studio中的DPD方法研究共聚物胶束负载DTX的给药系统，探讨嵌段比例、载药量对载药胶束微观结构的影响。这将有助于新型载药材料开发的初期筛选及配方优化。

1模拟方法

1.1 基本原理

Materials Studio多尺度材料模拟平台是BIOVIA公司（美国）在材料设计领域的核心产品。它融合多种模拟方法，实现从电子结构解析到宏观性能预测的全尺度科学研究。在國内拥有近400家用户，分布在石油、化工、环境、能源、制药、航空航天等工业领域和教育科研部门。Materials Studio模拟软件采用了先进的模拟计算思想和量子力学、分子力学、分子动力学、蒙特卡洛、耗散粒子动力学等多种先进算法；同时产品提供了界面友好的的模拟环境，研究者能方便地建立三维结构模型，并对各种小分子、纳米团簇、晶体、非晶体以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究，得到切实可靠的数据。

DPD是一种介观模拟方法，其出发点是积分牛顿运动方程。该方法以代表一部分实际流体物质的粗粒化粒子作为基本结构单元。用粒子代替原子簇，用"柔性"势能函数进行能量计算，并通过运动方程和三种作用力来描述粒子的运动轨迹。体系中一系列相互作用的粒子随时间的演化过程是由牛顿方程决定的。对系统的运动方程积分可获得体系的动力学行为，体系的平衡性质，可沿运动轨迹进行统计平均求得。DPD与传统的分子动力学方法相比，允许更大的时间尺度、长度尺度和、更短的模时拟间[4]。

1.2 模型及参数

DPD模拟方法中的基本颗粒是珠子，它代表一个分子中的某个基团或几个基团。本文中，一个水分子仍用一个DPD粒子W来代表；共聚物PLA-PEG用弹簧-珠链模型来代表，划分为两种DPD粒子A、G，分别为PLA、PEG各自的重复单元。一个药物分子多西紫杉醇划分为三个DPD粒子：D1、D2、D3，其粗粒化模型构建如图1所示。

DPD模拟需要确定各珠子间的相互作用参数aij，aij与Flory-Huggins参数 间的关系：

（1）

其中，同类珠子间的相互作用参数aii=25[5]，而χij可由溶解度参数δ求得[6～7]：

（2）

本文利用Materials Studio软件中Discover和Amorphous Cell模块计算各珠子的溶解度参数δ及各珠子的体积Vi，然后计算珠子之间的相互作用参数aij。

聚合物链上相邻粒子之间是通过一个线性谐振弹簧相连的，其中弹性常数为4.0。粒子的密度为3.0，因此相同类型粒子之间的排斥作用力为aii=25.0。模拟时间步长 为0.05，模拟步数一般为1×105。根据体系中胶束形貌、保守能和均方旋转半径随时间的变化情况来判断体系是否达到稳定平衡状态。

考虑到在计算机模拟中，模拟盒子尺寸是影响最终结果正确与否的重要因素。模拟体系太小会导致模拟结果失真，而体系太大对计算条件要求过高，计算时间也大大增加[4]。为了获得较为理想的盒子尺寸，首先在不同盒子体系下进行了一系列平行模拟。盒子尺寸由20×20×20rc3变化到40×40×40rc3。通过结果比较表明：当盒子尺寸等于或大于25×25×25rc3时，共聚物混合物在模拟盒子里能够形成基本相同的胶束形貌。因此，在不影响最终结论的前提下，在本文中采用25×25×25rc3盒子以提高计算效率，模拟中还用周期性边界条件来进一步减小有限尺寸效应的影响。

2 结果与讨论

2.1 嵌段比例对载药胶束的影响

共聚物嵌段比例会对其在水溶液中的自组装及稳定性产生影响。本节将考察浓度为10%的不同嵌段比例的共聚物胶束形貌。共聚物的重复单元总数保持为100，PEG重复单元数为80、60、40、20时，PLA-PEG共聚物的自组装形貌如图2所示。

通过模拟直观看出，不同嵌段比例的PLA-PEG共聚物基本都能在水溶液中自组装形成核壳结构的胶束，其中亲水性的PEG嵌段为外壳，疏水性的PLA嵌段为内核，疏水药物DTX将会因疏水作用聚集在内核。当PEG嵌段的摩尔分数为80%时（图2a），PEG壳层的厚度比较大。共聚物嵌段总长度一定，PEG所占比例偏大时，PLA所占比例势必偏小，PLA胶束内核也会偏小导致载药量过小，这样实际上是不經济的。PEG壳层不必太厚，有一定的厚度能包覆住PLA内核、保证胶束的稳定性即可。当PEG嵌段的摩尔分数为60%时（图2b），可以看到PEG嵌段仍然能够将PLA疏水内核完全覆盖，这类胶束结构比较紧凑稳定。当PEG嵌段的摩尔分数降低为40%时（图2c），PLA基本被PEG包裹，形成PEG为外壳、PLA为内核的核壳结构，但PEG外壳厚度比较薄，出现不均匀的情况。再降低PEG的比例为20%时（图2d），外层的PEG嵌段不足以将更大的PLA疏水内核完全覆盖，部分PLA嵌段会因缺少PEG外壳的"保护"而暴露在水中，这类胶束不再适用于给药系统。

负载药物后胶束内核尺寸会变大，导致壳层变薄，需要协调载药量与体系稳定性的关系，以期得到比较合理的载药胶束配方。因此壳层相对较厚、PEG组成为60%的胶束结构在负载药物后的稳定性应该更强。在本节工作中，共聚物的组成为PLA40-PEG60时即为合理配方。

2.2 载药量对载药胶束的影响

将PLA40-PEG60设为本节的共聚物模型。PLA40-PEG60与水的质量比设定为10：90，同时将不同质量的药物加入共聚物溶液，研究载药量对自组装胶束的影响，结果如图3所示。

当DTX：PLA-PEG的质量比为2：10时（图3a），体系自组装形成了一个球状结构，可观察到该球状结构以PLA为核、PEG为壳，药物分子比较均匀地分布在核内；当DTX：PLA-PEG质量比为4：10时（图3b），体系依然能够自组装形成球状核壳结构，但是由于药物增多，由PLA和药物构成的内核尺寸开始增大，PEG壳层变薄。当DTX：PLA-PEG质量比为6：10时（图3c），虽然还基本是球形核壳结构，但是PEG壳层因为变得更薄而厚度不再均匀，部分DTX和PLA会出现在球状胶束表面，使得体系稳定性下降。进一步增加药物的量，当DTX：PLA-PEG质量比为8：10时（图3d），由于共聚物和药物的总量比较大，体系不再自组装形成药物传输领域常用的球状核壳胶束结构，而是形成了柱状结构，其中PLA和药物DTX依然构成了内核部分，PEG形成保护性壳层。当核尺寸增加到一定程度后，PEG壳层不足以完全将柱状结构包裹而导致部分药物与水接触，此时的载药胶束如果进入人体，可能会与血液中的蛋白质疏水微区发生相互作用而粘附在一起，对人体健康产生不利的影响[1]。

球状结构比柱状结构更容易通过内吞作用进入癌细胞从而达到治疗效果，因此当PLA40-PEG60与水的质量比固定为10：90时，球状胶束给药系统的最大载药量为6：10时的37.5%（图3c）。PEG层应该具有一定的厚度从而保证球状载药胶束的稳定性，所以本节工作中最优载药量应为4：10时的28.6%（图3b）。

3 结论

本文借助计算机材料模拟软件Materials Studio中的Mesocite模块，对抗肿瘤药物DTX与PLA-PEG共聚物的自组装胶束进行了DPD模拟。研究了嵌段组成和载药量对自组装胶束形貌的影响，给出较为合理的配方设计。通过模拟看到，PLA-PEG和DTX自组装形成核壳的胶束结构，PLA40-PEG60作为载体时整体性能较好，多西紫杉醇：共聚物：水的最佳质量比为4：10：90。本文工作充分体现Materials Studio软件在给药系统中的应用价值，为载药系统的配方设计提供理论预测指导。

参考文献：

[1] 刘红艳，郭泓雨，周健.PLGA-PEG共聚物负载多西紫杉醇的药物输运体系的计算机模拟[J].化学学报，2012，（23）：2445-2450.

[2]季冬英，吴琼珠，平其能.PLA-mPEG的合成和多西紫杉醇聚合物胶束的制备[J].中国药科大学学报，2008，（03）：223-227.

[3] 涂增清，李敬豪，周月广.PLA嵌段PEG聚合物胶束载药系统的研究进展[J].广州化工，2014，（15）：13-16+33.

[4] 辛景.嵌段共聚物多隔段胶束的耗散粒子动力学研究[D].北京：北京化工大学，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.

作者简介：

辛景，女（1981-），河北石家庄人，讲师，博士，研究方向为计算化学、化学工程。

基金项目：河北省高等学校科学技术研究青年基金项目（QN2015329）