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近日，吉林大学药学院韩冰教授团队在《Journal of Controlled Released》期刊2023年第353期上以题为“Mucus
adhesion vs. mucus penetration? Screening nanomaterials for nasal inhalation by
MD simulation”发表了研究型论文。
经鼻给药具有吸收迅速、非侵入性与可绕过血脑屏障等优势，已在中枢神经系统疾病的药物递送应用中取得许多进展。采用纳米载体可以改善药物在鼻-脑递送途径中的吸收与渗透，具有代表性的黏膜输送系统：粘液粘附性纳米粒子（MAPs）与粘液渗透性纳米粒子（MPPs），常用于递送药物。
这两种看似矛盾的性质均在经鼻给药时发挥作用，然而具体的作用机理有待于阐明。此外，在鼻腔的环境下，经典的药物载体在鼻吸入递送时产生的效力并非最佳，载体材料仍然需要进一步的优化。
人体湿润的上皮表面都覆盖粘液层，其动态弹性凝胶网状结构将给纳米药物的递送带来挑战。粘液层的关键性功能组分是粘蛋白，分泌性黏蛋白MUC5AC对呼吸道粘液凝胶网络的性质起调控作用。在合理设计更有效的药物递送纳米系统时，需要考虑纳米尺寸的载体与粘蛋白网络的相互作用情况，确定纳米载体与粘液蛋白之间的作用的特征。
分子动力学（Molecular dynamics ，MD）模拟揭示其全原子动力学特征与相互作用细节，从而帮助理解纳米载体在递送中的过程。该研究利用GROMACS进行MD模拟，以探究人MUC5AC（hMUC5AC）与MAPs（壳聚糖: COS、2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖: HTCC）及MPPs（聚乙二醇化聚合物：PEG-PLGA与PEG-PLA）的互作机制，从而建立有效的药物经鼻递送系统的载体筛选平台。
图1. MD模拟MAPs和MPPs与鼻粘液蛋白的相互作用
该研究通过均方根偏差（RMSD）和均方根波动（RMSF）探究了构建的hMUC5AC与NPs复合体系的稳定性与构象变化。为了探究hMUC5AC在模拟过程中的折叠细节与亲疏水效应，该研究统计了各体系的溶剂可及表面积（SASA），发现hMUC5AC-PEG-PLGA体系的数值发生了较大变异（图2），其峰值暗示模拟终末段hMUC5AC紧密构象的解聚与展开(图2)，使其疏水相互作用受到影响，进而改变复合体系流变学特性，使其具有粘液渗透性。基于DSSP的二级结构分析也获得了与SASA分析一致的结果。
图2.各体系SASA (a)与hMUC5AC-PEG-PLGA体系在峰值前(b)与峰值处(c)的蛋白构象，并对其二级结构进行了分析(d，e)为了进一步对比四种类型的纳米材料与MUC5AC之间的相互作用情况，该研究还统计了hMUC5AC与NPs的碰撞次数。MAPs的碰撞次数显著高于MPPs， HTCC在整个模拟过程中与hMUC5AC高频碰撞，暗示HTCC具有粘膜黏附特性。
为了更好的确定hMUC5AC与纳米材料的互作细节，该研究对各体系的高频碰撞特征时点进行了分析，并用PLIP确定其非键相互作用类型。MAPs与hMUC5AC存在多处稳定的作用位点，其中HTCC的季胺基与粘蛋白残基Asp12形成盐桥(图3b)，这与其所具有的强电荷吸附作用相一致。而MPPs整体缺乏与hMUC5AC稳定的相互作用形式，表现出粘液渗透特性。
图3 .四体系特征时点的非共价相互作用分析
综合来看，由hMUC5AC与NPs的MD模拟结果可得，四体系中相互作用的强度顺序依次为：hMUC5AC-HTCC>hMUC5AC-COS>hMUC5AC-PEG-PLA>hMUC5AC-PEG-PLGA。这一结论在后续实验中也得到了验证。
该研究在MD模拟基础上进行了体外、离体实验的材料筛选及功能验证。该研究在统一粒径尺寸的条件下开展了研究工作，并控制NPs处于相对规则和均匀的形态，避免形状引起的任何影响，以研究NPs的不同性质与粘液中粘蛋白之间的相互作用。
受MD模拟结果的启发，该研究团队利用比浊法对NPs与hMUC5AC的结合亲和力进行了体外验证。随者粘蛋白浓度的增加，MAPs与粘蛋白的混合物的浊度也表现出协同增加，表明MAPs和粘蛋白的聚集。
在MAPs中，ΔA>>0，表明其间存在着强烈的相互作用，其中HTCC的斜率值更大，表明其相互作用更显著。然而，MPPs与粘蛋白的浊度变化则无此正相关性，表明后者与粘蛋白的亲和力弱，不能使粘蛋白发生聚集。随后，该团队进一步利用Transwell法测定了NPs的粘液渗透性能，并发现MPPs的粘液穿透性明显优于MAPs，且PEG-PLGA的渗透效率显著高于PEG-PLA（图4），与MD模拟分析的结论一致。
图4. MAPs与MPPs与粘蛋白的不同作用性质 (a-c)浊度法测量不同NPs与粘蛋白的结合亲和力(d-e) Transwell法测定不同NPs的粘液渗透性能理想的载体材料不仅应帮助药物快速通过粘弹性凝胶层，还应在粘膜内顺利扩散以更深入地输送药物。为研究不同NPs在鼻黏膜中的扩散性能，该研究利用改进的Valia-Chien扩散池，选用猪鼻嗅黏膜进行离体实验，发现MPPs的粘膜穿透效率明显高于MAPs，与前文研究一致。这为跨粘膜给药途径的实际应用提供了实验数据参考。
MAPs药物载体因其粘液粘附性而具有更长的给药保留时间，但MAPs多数与黏液蛋白产生较强的静电作用和氢键，往往被固定在粘液屏障中，由于鼻腔粘液的高周转率，使纳米药物存在被清除的风险，故此时采用MPPs或具有一定优势。
对MAPs与MPPs矛盾特性的组合应用或更有利于提高经鼻给药纳米药物的生物利用度。基于MD模拟的纳米载体筛选平台能揭示不同性质的NPs与粘蛋白网络相互作用的特征，辅助对比具有相似性质的NPs在药物递送时的细微差异，为经鼻给药的纳米药物递送载体的设计提供新的见解。
亮点总结
1、对鼻腔内粘液屏障进行模拟、并将其作为经鼻给药的纳米载体筛选平台；
2、将MD模拟和体外、离体实验相结合、对纳米药物载体进行筛选；
3、阐明了MAPs与MPPs经粘液凝胶网格的药物递送机制；
4、利用MD模拟描述了纳米载体与粘膜屏障的相互作用细节；
5、为经鼻给药纳米递送载体的设计提供新见解。
文章信息
Volume 353, January 2023, Pages 366-379
https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2022.11.051
作者信息
通讯作者：
蒋振彦，主要研究领域为生物物理化学，研究方向主要包括膜蛋白的构像变化动力学及生物功能，神经系统信号传导等。结合荧光共振能量转移和生物化学方法，研究GPCR,EGFR,TLR4等调控的结构基础和详细的生物化学过程；解析相关的信号通路中的蛋白质复合物变构机制，给出相关过程分子机制的详细图像，从而为相关疾病治疗药物设计提供线索。结合化学生物学和计算生物学方法研究转运体等膜蛋白体系中蛋白质的构象动力学性质，以及底物输运的能量信息，揭示构象动力学对蛋白质功能调控的意义，为解决相关疾病治疗药物的耐药性问题提供思路。
韩冰，吉林大学药学院教授，博士生导师，主要研究领域为药物制剂学。研究方向主要包括五官科给药的递送行为研究，以及神经退行性疾病和肿瘤疾病的药物递送研究等。主持科技部中小企业创新基金，国家自然科学基金，省级科技发展基金等十余项，两次获吉林省科学技术进步二等奖。
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翻译 | 熊茵
校对 | 高小舒
排版 | 王海瑞
