文章精选 | 武汉大学高等研究院/中南医院团队–通过阴离子柱[5]芳烃识别和拮抗肌松剂

第一作者：赵琪、朱进飘、陈义

通讯作者：陈世贵、陈畅、王璐

通讯单位：武汉大学中南医院、武汉大学高等研究院

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2024.133875

图片摘要

成果简介

近日，武汉大学高等研究王璐和陈世贵教授团队和武汉大学中南医院麻醉科陈畅教授在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Trapping and reversing neuromuscular blocking agent by anionic pillar[5]arenes: Understanding the structure-affinity-reversal effects”的研究论文。这项研究制备了一系列阴离子柱[5]芳烃，具有作为神经肌肉阻断剂溴化十烃季胺(DMBr)的选择性拮抗剂(SRBA)的潜力，通过解析SRBA的结构-亲和-逆转效应，及其与神经肌肉阻断之间的关系，为开发各种SRBA开辟了新途径，提供了拮抗神经肌肉阻滞的新策略。

引言

手术过程中，肌松剂联合镇静镇痛麻醉药物使患者骨骼肌松弛，避免反射肌肉运动对手术的干扰，从而优化手术条件。寻找、研发理想的新型肌松药和肌松药拮抗剂是麻醉药物研发的一个永恒主题。十烃溴铵(DMBr)是一种去极化肌松剂，被认为具有优于箭毒碱型肌松剂的优势。柱芳烃是一种大环化合物，具有疏水的富电空腔、丰富的主客体性质和易于修饰等优点。水溶性柱芳烃是一种重要的柱芳烃衍生物，在水溶液中以疏水作用和静电作用作为主要的驱动作用，能以较高的结合强度包结季铵盐等阳离子客体。考虑到DMBr的结构特点为具有疏水烷基链和两个季铵盐的头部。因此，本文是以水溶性柱芳烃为主要研究对象，探究了其与肌松剂DMBr的主客体相互作用以及水溶性柱芳烃对DMBr诱导的阻断效果的逆转能力。

图文导读

图1：阴离子柱[5]芳烃(AP5As)作为选择性弛豫结合剂(SRBA)拮抗神经肌肉阻断剂(DMBr)的示意图。

图2：A 主体PC5与客体DMBr在氘水溶液中的部分核磁滴定氢谱图(D2O, 298 K, 600 MHz)；B 滴定过程中客体DMBr氢的化学位移变化 (DMBr < 1.0 当量)；PC5 : DMBr的2D DOSY谱: C (2 : 1)；D (1:1) (600MHz，D2O，298K)；E 复合物DMBrPC5的NOE相互作用。

核磁滴定实验研究水溶性柱[5]芳烃PC5和十烃溴铵(DMBr)在水相中的主客体相互作用，DMBr与PC5在水相中进行了络合，DMBr进入了PC5的空腔，形成了主客体复合物DMBr  PC5。配合物PC5⸧DMBr的能量优化结构表明，DMBr穿过PC5的空腔。接着通过核磁扩散排序谱图(DOSY)实验来研究不同比例水溶性柱芳烃PC5和DMBr混合溶液中的组分。在PC5 : DMBr = 1 : 1的混合溶液中，我们发现在溶液中PC5 与 DMBr进行了络合，形成了单一组分复合物，扩散系数为2.90  10-10 m2s-1。而在PC5 : DMBr = 1 : 2和PC5 : DMBr = 2 : 1的DOSY谱图中均出现了两种组，均存在与复合物DMBr  PC5一致的扩散系数(2.91  10-10 m2s-1和2.93  10-10 m2s-1)，表明PC5与DMBr在溶液中能以1 : 1的比例进行络合。

图3：A PC5和DMBr的分子表面静电势(ESP)图；B PC5⸧DMBr优化结构的侧视图；C PC5⸧DMB的非共价相互作用的俯视图。

静电表面电位(ESP)图阐明PC5⸧DMBr主客体相互作用的电子和结构特性。PC5和DMBr之间存在多种非共价相互作用。PC5的空腔具有富电子特征，而DMBr则表现为缺电子特征。因此，DMBr作为电子受体被包裹在PC5的空腔内形成主客体配合物，从而确认了PC5⸧DMBr的络合模式。NCIs图显示，铵基与羧酸基之间存在静电相互作用，另一铵基与苯醚基之间存在离子偶极相互作用，烷基链与PC5的空腔之间存在C-H···π相互作。这些结果表明PC5对DMBr的包封主要是由静电和疏水相互作用驱动。

图4：A DMBr (LDMBr)和PC5 (LPC5)的大小对比；由ITC确定的阴离子柱[5]芳烃和DMBr (LP5/LDMBr)之间的最佳尺寸匹配以及主客体复合物的logK：B PC2-PC6；C PP2-PP4。

为了进一步了解柱状[5]芳烃与DMBr的结合关系和结构，合成了不同烷基链长的PC2、PC4和PC6。DMBr与PC2、PC4和PC6的配比为1:1。PC4⸧DMBr的结合常数(Kapp = 2.87 × 107 M-1)与PC5⸧DMBr (Kapp = 1.75 × 107 M-1)相似，由焓和熵共同驱动。PC2⸧DMBr和PC6⸧DMBr的结合常数分别为2.45 × 106 M-1和5.59 × 106 M-1，均远小于PC4⸧DMBr。测量了阴离子柱[5]芳烃的扩展构象中羧酸基和苯醚基之间的距离，并将其与扩展的DMBr的长度进行了比较。结果表明，考虑DMBr的链柔韧性，阴离子柱[5]芳烃与DMBr的最佳尺寸匹配约为0.80(特别是PC4和PC5)。增加或减少阴离子柱[5]芳烃的链长会降低其结合亲和力。

图5：采用七氟烷麻醉大鼠，使用2.0 mg· kg-1DMBr处理的体内实验结果：A大鼠体内DMBr和DMBr+拮抗剂，呼吸暂停时间和呼吸恢复。单纯DMBr给药，大鼠恢复自主呼吸的时间为3190 s，注射了拮抗剂PC2、PC4、PC5、PC6之后，大鼠自主正常呼吸恢复的时间分别为2171 s、1193 s、1361 s和2018 s；B 给予新型拮抗剂后实现自主呼吸恢复所需时间显著缩短。

图6：注射AP5As后的呼吸恢复时间和由ITC测定的主客体复合物的logK：A PC2-PC；B PP2-PP4。

生物实验表面AP5As对大鼠的肌松作用均具有明显的逆转效果。PC4和PC5显示出最高的逆转DMBr麻醉的效率，大鼠的恢复时间与自主恢复的时间相比缩短了2.7倍，这表明了在大鼠体内PC4和PC5对DMBr的包结能力更强。对实验大鼠的组织切片进行苏木精-伊红染色(HE染色)处理，发现注射了AP5As和1 : 1混合体系(AP5As : DMBr)的实验大鼠与注射生理盐水的大鼠相比，相关组织的切片没有发现炎症或毒理反应，这进一步说明AP5As和1 : 1混合体系(AP5As : DMBr)的较低的细胞毒性和较好的生物相容性。

小结

本文设计了两端具有不同脂肪链或阴离子基团（羧酸根或磷酸根）的七种阴离子柱[5]芳烃（AP5As）来研究AP5As和DMBr之间的结构-亲和-反转关系。利用核磁滴定、二维核磁、质谱、DFT和ITC对水相中不同水溶性柱[5]芳烃与DMBr的主客体相互作用进行了探究。AP5As对DMBr表现出高亲和力，其驱动因素包括铵基团和羧酸盐基团之间的静电相互作用、其他铵基团和苯甲醚基团之间的离子偶极相互作用以及烷基链和柱芳烃空腔之间的C-H‧‧‧π相互作用。羧酸酯AP5As和DMBr之间的最佳尺寸匹配约为0.80，结合亲和力随着阴离子柱[5]芳烃电荷量的增加而增加。通过细胞实验和动物实验探究了不同水溶性柱[5]芳烃的生物相容性和对DMBr诱导的大鼠神经肌肉阻滞效果的逆转能力。动物实验表明，逆转效率与羧酸盐或磷酸盐AP5A的结合亲和力呈正相关。然而，尽管磷酸盐AP5As对DMBr具有更强的亲和力，但其逆转效率比羧酸盐AP5As低，这可能是由于磷酸盐在生理pH下水解不完全所致。通过了解结构-亲和力-逆转关系，本研究为逆转神经肌肉阻滞的创新SRBA的设计提供了宝贵的见解。

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