超分子环糊精精美生物医学课件.ppt

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1、2023/3/11,1,题 目 超分子化学在药学研究中的应用,演讲人：杨 波,2023/3/11,2,2023/3/11,3,Cell Surface Carbohydrates Involved in Molecular Recognition,2023/3/11,4,Pedersen 1967,2023/3/11,5,2023/3/11,6,2023/3/11,7,超分子化学（Supramolecular):“研究分子组装和分子间键的化学”（Jean-Marie Lehn)。“超越分子的化学”。当代化学领域的前沿学科，作为化学科学的又一次升华，真正突破了共价键的范畴，将共价键、分子间弱相互

2、作用融为一体，组成更复杂、更具功能性，甚至更有序、更有目的性的多分子体系。美国Science杂志在2005年7月创刊125年纪念专集中的总结，21世纪亟待解决的25个重大科学问题，唯一化学问题之一是“我们能够推动化学自组装走多远”,2023/3/11,8,图 从分子化学到超分子化学的基本特征,2023/3/11,9,超分子主体1 冠状化合物,2023/3/11,10,超分子主体2 环糊精,2023/3/11,11,超分子主体3 杯芳烃,2023/3/11,12,超分子主体4 Porhyrin,2023/3/11,13,超分子主体5 套索醚,2023/3/11,14,超分子主体6 富勒烯,202

3、3/3/11,15,超分子主体7 碳纳米管,2023/3/11,16,环糊精(cyclodextrin,简称CD)是淀粉经环糊精葡萄糖基转移酶催化降解得到的、由D-吡喃葡萄糖通过-1,4-糖苷键键合成环的半天然化合物。,2023/3/11,17,由于环糊精中的D-吡喃葡萄糖单元均采取未扭曲的椅式构象(4C1构象)，因此使得整个分子呈现一种截锥状的外形。环糊精中的所有伯羟基(即6位羟基)坐落于环的一侧，构成了其截锥状结构的主面(小口端)；而所有仲羟基(即2,3位羟基)则坐落于环的另一侧，构成了环糊精截锥状结构的次面(大口端)。这些位于外侧的众多羟基构成了环糊精亲水的外壁，而指向空腔的C3和C5上

4、的氢原子以及糖苷键的氧原子则共同构成了环糊精富电性的疏水空腔。,2023/3/11,18,环糊精由于其自身的特殊结构，具有疏水的空腔和亲水的外壁，能够键合各种客体分子形成超分子包结配合物，作为分子识别的受体在超分子体系中有着广泛的应用。,2023/3/11,19,环糊精键合行为的光谱研究,成为环糊精对客体分子识别研究的主要表征手段,紫外可见(UV-vis)光谱荧光光谱圆二色(CD)光谱红外(IR)光谱核磁共振(NMR)光谱,2023/3/11,20,环糊精作为药物载体的研究进展,环糊精可以选择性地键合各种有机客体分子，许多易挥发、易分解、难溶、具异味、毒性的药物在其被包结进入环糊精空腔后其理化

5、性质会发生多方面变化。因此，环糊精在制药业被广泛应用于改善药物稳定性、溶解性、降低毒性、消除异味以及液体药物粉末化等,2023/3/11,21,表1.1 进入各国药典的环糊精及其性能,2023/3/11,22,表1.2 含有环糊精的药物制剂,2023/3/11,23,2023/3/11,24,2023/3/11,25,Uekama,K.Chem.Pharm.Bull.2004,52,900.,2023/3/11,26,近几年来糊精与小分子药物包合物的报道逐年减少,设计新型环糊精给药体系 成为趋势,考虑环糊精或修饰环糊精与细胞膜的作用机制依靠环糊精对细胞膜流动性改变，增加细胞膜的通透性或内吞作用

6、将环糊精作为超分子的筑块，为靶向给药系统的构筑提供了一个方向以共价键形式将药物分子连接在环糊精上，可以利用环糊精空腔与细胞膜的作用或与某些蛋白的作用将药物输送到作用靶点,2023/3/11,27,90 Kamada,M.;Hirayama,F.;Udo,K.;et al.J.Controlled Release 2002,82,407.91Uekama,K.;Minami,K.;Hirayama,F.J.Med.Chem.1997,40,2755.92 Hirayama,F.;Ogata,T.;Yano,H.;Arima,H.;Udo,K.;Takano,M.;Uekama,K.J.Pharm

7、.Sci.2000,89,1486.,环糊精键接药物（直盲肠靶点药物）,2023/3/11,28,94 Salmaso,S.;Semenzato,A.;Caliceti,P.Bioconjugate Chem.2004,15,997.95 Cheng,J.;Khin,K.T.;Jensen,G.S.;Liu,A.;Davis,M.E.Bioconjugate Chem.2003,14,1007.,特异性作用于叶酸结合蛋白的药物载体,喜树碱抗癌靶点药物,2023/3/11,29,96 Pun,S.H.;Bellocq,N.C.;Liu,A.;Jensen,G.;Machemer,T.;Quija

8、no,E.;Schluep,T.;Wen,S.-f.;Engler,H.;Heidel,J.;Davis M.E.Bioconjugate Chem.2004,15,831.97 Shuai,X.-T.;Merdan,T.;Unger,F.;Kissel,T.Bioconjugate Chem.2005,16,322.,基因治疗药物试剂,跟上生物制药技术的发展，开发有效的蛋白质和核酸药物传输体系是非常紧迫的问题。,2023/3/11,30,分子组装,Kaifer,A.E.et al.J.Am.Chem.Soc.1999,121,4304.,2023/3/11,31,Kraus,T.et al.

9、Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,1715,晶体结构-环糊精在固态中的自组装,2023/3/11,32,Stezowski,J.J.et al.J.Am.Chem.Soc.2001,123,9880;J.Am.Chem.Soc.2001,123,9889;Proc.Natl.Acad.Sci.USA 2002,99,5115,2023/3/11,33,Anderson,H.L.et al.Angew.Chem.Int.Ed.2000,39,3456;Nat.Mater.2002,1,160;Chem.Eur.J.2003,9,6167.,分子组装-功能环糊精组装体,2023/

10、3/11,34,Stoddart,J.F.et al.Org.Lett.2003,5,3783;J.Am.Chem.Soc.2004,126,11914.,2023/3/11,35,Reinhoudt,D.N.et al.Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,4467;Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,369;J.Am.Chem.Soc.2004,126,6627;J.Am.Chem.Soc.2004,126,12266;J.Am.Chem.Soc.2004,126,17050.,2023/3/11,36,-环糊精、4,4-联吡啶和镍(II)离子构筑链条状超分子

11、假聚轮烷,2023/3/11,37,Bayley,H.et al.Science 2001,291,636.,2023/3/11,38,2023/3/11,39,Harada,A.et al.J.Am.Chem.Soc.2000,122,5411.,2023/3/11,40,100 Pun,S.H.;Davis,M.E.Bioconjugate Chem.2002,13,630.103 Ooya,T.;Utsunomiya,H.;Eguchi,M.;Yui,N.Bioconjugate Chem.2005,16,62.,纳米药物(例如聚轮烷）,在药物传输、生物监测和组织工程方面有潜在的应用价值

12、,2023/3/11,41,带有多条胺链的修饰环糊精聚轮烷 106 Li,J.;Yang,C.;Li,H.Z.;et al.Adv.Mater.2006,18,2969.,如图所示的聚轮烷对非病毒基因传输和基因传输适用的生物材料的合成有着重要的研究价值,2023/3/11,42,Benito,J.M.et al.J.Am.Chem.Soc.2004,126,10355.,2023/3/11,43,Ooya,T.et al.J.Am.Chem.Soc.2006,128,3852.,2023/3/11,44,Park,C.et al.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 2006,103,

13、1199.,2023/3/11,45,Mammen,M.Angew.Chem.Int.Ed.1998,37,2754.,2023/3/11,46,Bertozzi,C.R.;Kiessling,L.L.Science,2001,291,2357.,2023/3/11,47,Nijhuis,C.A.J.Am.Chem.Soc.2004,126,12266.,2023/3/11,48,2023/3/11,49,2023/3/11,50,第二章 印楝素与环糊精衍生物的包合行为,实验部分,2023/3/11,51,主客体的结构式及其模拟图,2023/3/11,52,图 2.1 酚酞(310-5M)在p

14、H 10.5水/乙醇(v:v=5:1)混合缓冲溶液中加入主体enCD(a 至g：0110-3M)的光谱吸收变化图（插图为计算分离常数（Kd）和摩尔吸光系数（）的非线性最小二乘曲线拟合分析）,竞争包结法测定该体系的稳定常数成为较好的方法。pH10.5的酚酞可以作为光谱探针,2023/3/11,53,图2.2 在pH 10.5水/乙醇(v:v=5:1)混合缓冲溶液中enCD和AZ-B对酚酞紫外可见光谱的影响 a.310-5 M 酚酞;b.a+510-4 M enCD;c-g.b+AZ-B(510-4 M510-3M),酚酞的吸光度随着印楝素B比例加入，呈现规律性的上升。,2023/3/11,54,

15、表2.3 客体AZ-A和AZ-A与主体CD,enCD,dienCD,TMCD,DMCD和HPCD在25C pH 10.5水/乙醇(v:v=5:1)混合缓冲溶液中包合稳定常数(Ks)和吉布斯自由能变化(-G),（1）客体分子与环糊精主体的尺寸匹配在其配位过程中起主要作用。（2）羟丙基取代基的引入相对于原有的仲羟基显然可以扩展环糊精的疏水空腔。(3)CD 的单氨基取代可以造成多种协同的分子间弱相互作用从而增强配位包结能力,2023/3/11,55,图 2.3 dienCD 和 enCD 在25 C D2O中存在和不存在AZ-B 的1H NMR谱图(a)enCD,(b)enCD/AZ-B包合物,(c

16、)dienCD,(d)dienCD/AZ-B包合物(星号代表水峰),2023/3/11,56,表2.4 在25 C D2O中存在和不存在AZ-B 的CD,TMCD,en-CD 和 dienCD的化学位移(),2023/3/11,57,图2.4 在D20中混合稳定24小时后CD/AZ-B 包合物的ROESY 相关谱。(a)TMCD/AZ-B 包合物;(b)enCD/AZ-B 包合物,2023/3/11,58,图2.5 CD/AZ-B 包合物可能的包结模式。(a)TMCD/AZ-B 包合物;(b)enCD/AZ-B 包合物,TMCD空腔可能分别从小口端包结了印楝素B的tigloyl基团和A环单元，

17、从大口端包结了印楝素B的C环单元从而形成配位包结物。,enCD空腔可能较深地从小口端包结了印楝素B的tigloyl基团和C环单元，从大口端包结了印楝素B的C环单元从而形成配位包结物。,2023/3/11,59,水溶性研究,环糊精/印楝素B包合物大幅度地提高了印楝素极低的水溶性(50g/mL)-CD/AZ-B、TMCD/AZ-B、enCD/AZ-B、dienCD/AZ-B包合物的水溶性分别达到约4.0mg/mL、4.4 mg/mL、5.7 mg/mL和6.3 mg/mL(以印楝素B计)这一结果证明了环糊精-印楝素B包合物令人满意的水溶性，有利于制备水溶性高含有印楝素B的生物农药或保健药物。,20

18、23/3/11,60,图 2.6 室温下在pH 7水溶液中AZ-B及其包合物随时间而分解变化的规律(在215 nm 用紫外-可见光谱测定),这一结论对于环糊精作为生物农药、植物药或保健品载体有着重要作用，从而为设计新型印楝素制剂打开新的途径。,2023/3/11,61,第三章-,-,-环糊精及其衍生物与灯盏花乙素的配位包结行为研究,2023/3/11,62,主客体的结构式及其模拟图,2023/3/11,63,图 3.1.在pH 7.2缓冲溶液中于278nm(-CD+SCU=5.0 105 M)处CD/SCU包合体系的Job曲线,天然-环糊精与灯盏花乙素在摩尔分数为0.5处紫外光谱强度出现最大值

19、，说明主-客体间的包结配位比是1:1。,2023/3/11,64,灯盏花乙素(310-5M)在pH 7.2和 pH 10.5缓冲溶液中加入客体CD(a至g：0110-3M)的光谱(A 在 278 nm)吸收变化图（插图为计算稳定（Ks）和摩尔吸光系数（）的非线性最小二乘曲线拟合分析）,2023/3/11,65,表3.1.在缓冲溶液(25.0 0.1)C中灯盏花乙素和环糊精的包合稳定常数(logKS)和吉布斯自由能(-G)。,当一种化合物配位包结进入大环，首要的条件是主客体之间的尺寸/形状匹配。在该理论的基础上，已知各种弱相互作用，如离子-偶极，偶极-偶极，范德华力，静电相互作用，氢键和疏水相互

20、作用协同贡献于主客体包结配位作用。,2023/3/11,66,图解3.3 灯盏花乙素在离子和非离子溶液中存在的离子和非离子形式,灯盏花乙素的离子程度随pH的增大而增大，因此，CD与中性水溶液中的非离子灯盏花乙素形成了较强的配位包结。,2023/3/11,67,表3.2 在25 C D2O中CD,HPCD,-CD,CD/SCU包合物,HPCD/SCU 包合物和-CD/SCU包合物的化学位移()。,2023/3/11,68,图 3.4 CD和HPCD在25 C D2O中存在和不存在AZ-B 的1H NMR谱图(a)CD,(b)CD/SCU包合物,(c)HPCD,(d)HPCD/SCU包合物(星号代

21、表水峰，窗口显示了放大的6至8ppm的NMR谱)。,2023/3/11,69,图3.5 在D20中HPCD/SCU包合物的ROESY相关谱,2023/3/11,70,图3.6 HPCD/SCU包合物可能的包结模式,灯盏花乙素从大口端插入HPCD的空腔，其中A环和C环定位与空腔的大口端。,2023/3/11,71,水溶性研究,环糊精/灯盏花乙素包合物大幅度地提高了灯盏花乙素极低的水溶性(大约160 g/mL)CD/SCU、HPCD/SCU和CD/SCU包合物的水溶性分别达到约9.0 mg/mL、10.3 mg/mL、8.2 mg/mL(以灯盏花乙素计)。这一结果证明了环糊精-灯盏花乙素包合物令人

22、满意的水溶性。,2023/3/11,72,第四章 蒿甲醚/羟丙基-环糊精主客体体系:性能，相溶解和分子模型,2023/3/11,73,主客体的结构式及其模拟图,2023/3/11,74,图4.2 在25时HPCD/ATM主客体体系的相溶解曲线图（Kf是273 M-1）,根据Higuchi和Connors建立的模型,该体系相溶解度图属于AL型,表明体系中形成1:1包合物。,2023/3/11,75,表4.1 在25 C D2O中CD,HPCD/ATM包合物和CDCl3中ATM的化学位移()。,2023/3/11,76,图 4.3 CD和HPCD在25 C D2O中存在和不存在AZ-B 的1H N

23、MR谱图:(a)CD,(b)CD/ATM包合物,(c)HPCD,(d)HPCD/ATM包合物(星号代表水峰，窗口显示了放大的0.5至3ppm的NMR谱),2023/3/11,77,图4.4 在D20中HPCD/ATM包合物的ROESY相关谱,2023/3/11,78,图4.5 HPCD/ATM包合物可能的包结模式,蒿甲醚中两个六元环上的甲基从大口端插入环糊精的空腔。,2023/3/11,79,图4.6 粉末 X-射线衍射图(Cu-):(a)HPCD;(b)蒿甲醚;(c)HPCD/蒿甲醚1:1(摩尔比)物理混合物;(d)冷冻干燥的 HPCD/蒿甲醚包合物,包合物生成后，蒿甲醚自身的大多数晶态峰消

24、失，说明蒿甲醚与环糊精的包结配合后，蒿甲醚在某种程度上重新排列，比起单一的蒿甲醚化合物具有更显著的不定形结构。,2023/3/11,80,图4.7 ATM-HPCD 包合物的形成常数Kf 随温度的变化,随着温度的升高,包合体系的表观稳定常数逐渐增加,说明主客体系可能趋于包合,更多客体分子又从水相环糊精腔外进入环糊精腔内,包合物的稳定性增加。,2023/3/11,81,图4.8 ATM-HPCD 包合物的ln Kf 对1/T 作图,直线的截距可计算反应的熵变。稳定常数可求得不同温度下的自由能变化。熵变和自由能变化可计算出不同温度下包合反应的焓变,2023/3/11,82,表4.2 不同温度下AT

25、M/HPCD 包合物的形成常数Kf,rSm,rGm及rHm,包合反应的驱动力包括焓、熵、范德华力、疏水作用力以及氢键作用力。其中，分子内识别是包合过程中焓变的主要来源，而ATM分子的构象变化是熵变的主要来源。包合反应过程是一个自发过程。,2023/3/11,83,图4.9 TG(ad)(N2,10/min)曲线：(a)artemether;(b)HPCD;(c)HPBCD/artemether 1:1(摩尔分率)物理混合物；(d)HPCD/artemether包合物,包合物中药物成分蒿甲醚的热性质在包结前后相对单一的蒿甲醚化合物有加大的提高，而相对于HP-CD并未发生明显的变化。,2023/3

26、/11,84,图4.10 DSC(ad)(N2,10/min)曲线：(a)artemether;(b)HPCD;(c)HPBCD/artemether 1:1(摩尔分率)物理混合物；(d)HPCD/artemether包合物,HPCD/ATM的物理混合物显然仅仅包含两种物质的混合信息。然而，我们可以发现HPCD/ATM包合物中归属于蒿甲醚的170C附近的放热峰消失了，随之而来的是分别在80 C和360 C左右出现的新的吸热峰，这个证据与包合物的形成相关。,2023/3/11,85,第五章-环糊精/灯盏花乙素键接物的合成及其水溶性,2023/3/11,86,5.1 引言,环糊精可被结肠内部的微生

27、物发酵，降解成为单糖或双糖，这样能被大肠所吸收 由于环糊精具有如此独特的生物学性质，它可作为药物直肠靶点载体，从而较少药物的毒副作用。环糊精键接物前药为构架新型的盲直肠药物输送体系提供了一个通用的途径。我们合成了灯盏花素乙素与-环糊精的键接物(6A-O-scutellarin-CyD)，将灯盏花乙素分子以共价键形式键接到-环糊精主面上的羟基上。,2023/3/11,87,图5.1 灯盏花乙素修饰-环糊精合成路线,（1)对甲苯磺酰氯与-环糊精反应可以方便地得到6位单取代的对甲苯磺酰基修饰-环糊精(单6-OTs-CD)。（2)单6-OTs-CD很容易与烷基胺反应得到胺基修饰-环糊精，（3)利用胺基

28、与羧基的缩合反应，可将灯盏花乙素连接在乙二胺修饰-环糊精上。,2023/3/11,88,图 5.2-CD-SCU键接物的1H NMR谱图(星号代表水峰),其中 2.63.1(4H)为Py-CD乙二胺链上的4个氢，3.24.0(47H)是环糊精C2、C3、C4、C5和C6上的42个氢和灯盏花乙素上糖元的C1、C2、C3、C4和C5上的5个氢，4.90(7H)是环糊精C1上的7个氢，7.2(1H)是修饰基团灯盏花乙素上甙元的H-8,7.6(m,3H)是修饰基团灯盏花乙素上甙元的H-3和 H-3,5，8.0(m,2H)是修饰基团灯盏花乙素上甙元的H-2,6。,2023/3/11,89,表5.1 环糊

29、精-灯盏花乙素键接物及包合物的溶解度,环糊精/灯盏花乙素键接物有令人满意的水溶性，溶解度达到17.5 mg/mL，明显高于环糊精/灯盏花乙素包合物的溶解度。这一结果提示我们：将灯盏花乙素键合到环糊精上形成键接物，相比包合物，在体内能出现更高的血药浓度，有望提高灯盏花乙素的生物利用度。,2023/3/11,90,图 5.3 25时b-CD-SCU键接物的溶解度变化,环糊精-灯盏花乙素键接物在25时水溶性的变化。键接物在第一天时是3.8 102 M，到第六天时减少为3.5 102 M。原因为相变引起，即由高水溶性无定形的相态转化为低水溶性结晶的相态。,2023/3/11,91,第六章 天然黄酮、萜

30、类药物与环糊精的分子识别研究进展,2023/3/11,92,图6.1.采用分子模拟研究获得的儿茶酚与环糊精（-CD，DMCD和HPCD）的包结模式图,2023/3/11,93,图 6.2.槲皮黄酮/-CD 包合物在水中的分子力学模拟结构图,2023/3/11,94,图6.3 环糊精/印楝素A 包合物可能的包结模式。,-CD-azadirachtin complex,TMCD-azadirachtin complex,2023/3/11,95,图 6.4 紫杉醇-DMCD 包合物的立体图象描述,2023/3/11,96,图6.5 环糊精/紫杉醇包合物可能的包结模式,2023/3/11,97,图6

31、.6 青蒿素分子在环糊精空腔中的定位（青蒿素的极性氧原子部分定位于环糊精空腔的外部）,2023/3/11,98,第七章：甲基化-环糊精对生物碱的分子识别及可控释放研究,2023/3/11,99,2023/3/11,100,Jobs plot of the b-CD/QUN system(b-CD+QUN=5.0 10-6 M)in a pH 1.5 buffer.,Fluorescence spectral changes of QID(0.007 mM)upon addition of TMbCD(0-0.49 mM from a to k)at pH 7.2 and the nonline

32、ar least-squares analysis(inset)of the differential intensity(DF)to calculate the complex stability constant(Ks).The excitation wavelength is 329 nm.,2023/3/11,101,Complex stability constant(Ks)and Gibbs free energy change(-DG)for 1:1 inclusion complexation of host CDs with guest alkaloids in aqueous buffer solution(pH 7.2 and 1.5)at 25 C,2023/3/11,102,2D ROESY spectrum of CID/DMCD complex at pD 7.2.,2023/3/11,103,2D ROESY spectrum of CID/DMCD complex at pD 1.5.,2023/3/11,104,Absorbance of TMbCD/QUN complex at pH 7.2 and 1.5 with an interval of 25 s.Observed wavelength:234 nm.,