МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ВЫСВОБОЖДЕНИЯ АМИНОФЕНИЛМАСЛЯНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ АЛЬГИНАТА НАТРИЯ Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 615.453.4.014.6 3.4.1 Промышленная фармация и технология получения лекарств

DO1: 10.37903vsgma.20233.20 EDN: HPWFPQ

МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ВЫСВОБОЖДЕНИЯ АМИНОФЕНИЛМАСЛЯНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ АЛЬГИНАТА НАТРИЯ © Полковникова Ю.А.1, Глушко А.А.2, Сливкин А.И.1

1 Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия, 394018, Воронеж, Университетская площадь, 1

2Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России, Пятигорск, Россия, 357500, пр. Калинина, 11

Резюме

Цель. моделирование методом молекулярной динамики процесса высвобождения аминофенилмасляной кислоты из альгината натрия в растворители: вода, 0,01 M водный раствор кислоты хлористоводородной.

Методика. Для моделирования высвобождения аминофенилмасляной кислоты из полимерных носителей был использован метод молекулярной динамики в силовом поле GROMOS 54a7 с использованием программы Gromacs 2019. Модели молекул компонентов моделируемых систем были построены с помощью программы Hyper Chem 8.0.1, а также получены из базы данных rcsb.org. По результатам моделирования молекулярной динамики расчитывались энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с коллагеном и с растворителями в пересчете на 1 молекулу вещества.

Результаты. По результатам проведенных вычислительных экспериментов были рассчитаны средние значения ван-дер-ваальсовых энергий связывания аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия (альгиновой кислотой) и с растворителем, а также средняя доля молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с носителем. Установлено, что средняя доля молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с альгинатом натрия (альгиновой кислотой), составляет 1,97±2,52%, 13,90±3,39% при pH = 6,8 и 2,0 соответственно.

Заключение. Полученные в ходе вычислительного эксперимента данные показывают, что аминофенилмасляная кислота наиболее эффективно высвобождается в воду при pH 2,0. В водной среде при pH 6,8 значительная часть молекул аминофенилмасляной кислоты остается связанной с альгинатом, при этом молекула альгината натрия приобретает развернутую конформацию, что позволяет предположить возможность образования коллоидной системы содержащей молекулы аминофенилмасляной кислоты связанные с полимером.

Ключевые слова: аминофенилмасляная кислота, микрокапсулы, альгиновая кислота, альгинат натрия, молекулярная динамика

SIMULATION OF THE MOLECULAR DYNAMICS OF THE RELEASE PROCESS OF AMINOPHENYLBUYARIC ACID FROM SODIUM ALGINATE Polkovnikova Yu.A.1, Glushko A.A.2, Slivkin A.I.1

1Voronezh State University, University Square, 1, 394018, Voronezh, Russia

2Pyatigorsky Medical and Pharmaceutical Institute - branch of VolgGMU, Kalinina Ave., 11, 357500, Pyatigorsk, Russia

Abstract

Objective. Molecular dynamics modeling of the release of aminophenylbutyric acid from sodium alginate into solvents: water, 0.01 M aqueous solution of hydrochloric acid.

152

Methods. To simulate the release of aminophenylbutyric acid from polymeric carriers, the molecular dynamics method in the GROMOS 54a7 force field was used using the Gromacs 2019 program. Molecular models of the components of the simulated systems were built using the Hyper Chem 8.0.1 program and also obtained from the rcsb.org database. Based on the results of molecular dynamics modeling, the energies of the van der Waals interaction of aminophenylbutyric acid with collagen and with solvents were calculated in terms of 1 molecule of the substance.

Results. Based on the results of the computational experiments, we calculated the average van der Waals energies of aminophenylbutyric acid binding with sodium alginate (alginic acid) and the solvent, as well as the average fraction of aminophenylbutyric acid molecules not bound to the carrier. It has been established that the average proportion of aminophenylbutyric acid molecules not associated with sodium alginate (alginic acid) is 1,97±2,52%, 13,90±3,39% at pH = 6,8 and 2,0, respectively.

Conclusion. The data obtained during the computational experiment show that aminophenylbutyric acid is most effectively released into water at pH 2,0. In an aqueous medium at pH 6,8, a significant part of the aminophenylbutyric acid molecules remains associated with alginate, while the sodium alginate molecule acquires an unfolded conformation, which suggests the possibility of the formation of a colloidal system containing molecules of aminophenylbutyric acid associated with the polymer.

Keywords: aminophenylbutyric acid, microcapsules, alginic acid, sodium alginate, molecular dynamics

Введение

На протяжении многих лет проводятся исследования систем доставки лекарственных средств в виде микрочастиц, состоящих из биополимеров [1]. Микрочастицы, в состав которых входят соответствующие вспомогательные вещества и полимеры, представляют собой многообещающие системы инкапсуляции для защиты лекарственного средства, повышения его стабильности, обеспечения повышенного отношения поверхности к объему для высвобождения веществ и его абсорбции в желудочно-кишечном тракте, уменьшая побочные эффекты и, следовательно, улучшая биодоступность [2, 3]. При разработке микрокапсулированных форм должны учитываться такие факторы, как размер, эффективность загрузки, эффективность инкапсуляции, кинетика высвобождения [4]. При разработке микрокапсулированных форм наиболее важной задачей является моделирование высвобождения инкапсулированных веществ. Для этих целей может быть применен метод моделирования молекулярной динамики, хорошо зарекомендовавший себя при изучении высвобождения веществ из различных материалов [5].

Цель исследования - моделирование методом молекулярной динамики процесса высвобождения аминофенилмасляной кислоты из альгината натрия в растворители: вода, 0,01 М раствор кислоты хлористоводородной.

Методика

Для моделирования высвобождения аминофенилмасляной кислоты из полимерных носителей был использован метод молекулярной динамики в силовом поле GROMOS 54a7 с использованием программы Gromacs 2019 [6, 7]. Моделирование молекулярной динамики проводилось в два этапа: 1) моделирование процесса сплавления аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия, с альгиновой кислотой; 2) моделирование высвобождения аминофенилмасляной кислоты из исследуемых носителей в водную среду.

Модели молекул компонентов моделируемых систем были построены с помощью программы Hyper Chem 8.0.1, а также получены из базы данных rcsb.org (коллаген). Параметризация моделей производилась с помощью интернет-сервиса Automated Topology Builder (ATB) (http://atb.uq.edu.au/) [8]. Для построения моделей молекул полимеров использована программа Assemble! [9]. Сборка моделируемых систем производилась с использованием программы Gromacs 2019. В состав моделируемой системы были включены молекулы аминофенилмасляной кислоты в форме цвиттер-иона, либо его катионы, молекулы альгината натрия длиной 240 мономеров с молярной массой 42,0 кДа, молекулы альгиновой кислоты (длиной 240 мономеров с молярной массой 42,3 кДа, а так же ионы Na+ и Cl-.

Для изучения высвобождения аминофенилмасляной кислоты из микрокапсул были построены модели сплавов исследуемого препарата с альгинатом натрия, альгиновой кислотой. Подготовка

моделей сплавов производилась путем моделирования молекулярной динамики смесей аминофенилмасляной кислоты с полимерами. В процессе моделирования были использованы периодические граничные условия по всем осям координат. Предварительно проводилась оптимизация геометрии систем градиентным методом. Далее для смесей аминофенилмасляной кислоты с полимерами производилось моделирование молекулярной динамики с использованием термостатирования (термостат Берендсена, 700 К) и баростатирования (баростат Берендсена, 1 атм.) [10] с шагом 1 фс в течение 20 нс.

Геометрии систем с растворителями были оптимизированы градиентным методом, после чего производилось моделирование молекулярной динамики с целью термодинамического уравновешивания. После этого производилось основное моделирование молекулярной динамики в течение 100 нс (термостат Нозе-Гувера 310 К, константа 0,5 фс, изотропный баростат Парринелло-Рамана 1 атм. С константой 5 фс, шаг интегрирования 0,5 фс). В процессе моделирования были использованы периодические граничные условия по всем осям координат. По результатам моделирования молекулярной динамики рассчитывались энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия (альгиновой кислотой) [3]. Также рассчитывались доли молекул аминофенилмасляной кислоты, потерявшись связь с полимерами. В качестве критерия потери связи с полимером использовалось межатомное расстояние с порогом 0,5 нм для всех атомов аминофенилмасляной кислоты и полимера. Далее рассчитывались средние значения полученных параметров и их стандартные отклонения. Молекулярные составы моделируемых систем приведены в табл. 1.

Таблица 1. Количества молекул компонетов моделируемых систем при изучении высвобождения аминофенилмасляной кислоты в водную среду из систем «альгинат натрия - аминофенилмасляная кислота», «альгиновая кислота - аминофенилмасляная кислота»_

Вещество Альгинат натрия - вода Альгиновая кислота - вода

Аминофенилмасляная кислота 30 -

Аминофенилмасляная кислота-катион - 30

Ион С1- - 30

Ион №+ 240 -

Альгинат 1 -

Альгиновая кислота - 1

Вода 14034 11674

Результаты исследования и их обсуждение

В процессе моделирования высвобождения аминофенилмасляной кислоты в форме цвиттер-иона из альгината натрия наблюдался выход части молекул в водную среду из полимера, так же происходила значительная конформационная перестройка макромолекулы. На графике (рис. 1) видно, что энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия уменьшается по модулю, а затем после 40-й наносекунды стабилизируется.

20

О 40 Г 60 80 100

130

Время,, ЕС

-Альгшшг - фенибут -Феннбут - вода

Рис. 1. Энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия и с водой в пересчете на одну молекулу аминофенилмасляной кислоты

При моделировании высвобождения аминофенилмасляной кислоты из альгиновой кислоты в воду, что соответствует рН 2,0, наблюдается выход части молекул вещества в растворитель. Альгиновая кислота при этом сохраняет стабильную компактную конформацию.

На рис. 2 приведен график изменения доли молекул аминофенилмасляной кислоты не связанных с полимером.

Рис. 2. Оценка доли молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с альгинатом натрия в воде

График динамики энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с альгиновой кислотой и с растворителем (водой) приведен на рис. 3. Энергия взаимодействия препарата с водой по модулю значительно меньше чем с альгиновой кислотой, при этом в течение 100 нс разница между данными энергиями возрастает.

§

в »1

ю

-10

а а)

а

р.

1 т

-20

э

о я

£ Й

§ 1 -зо

-40

§ -50

-60

-70

д Л) 1

(0 12

»Ту* V

ч/^

Время, нс

-Лльпшат - фешгоут -Фепибут - вода

Рис. 3. Энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с альгиновой кислотой и с водой при рН 2,0 в пересчете на одну молекулу аминофенилмасляной кислоты

Оценка доли молекул аминофенилмасляной кислоты, высвободившихся в водную среду из альгиновой кислоты, показывает значительную степень высвобождения, достигающую 20% (рис.

4).

25

0

0 20 40 60 S0 100 120

Время, не

Рис. 4. Оценка доли молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с альгиновой кислотой в воде, при pH 2,0

По результатам проведенных вычислительных экспериментов были рассчитаны средние значения ван-дер-ваальсовых энергий связывания аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия (альгиновой кислотой) и с растворителем, а также средняя доля молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с носителем (табл. 2).

Таблица 2. Средние значения параметров высвобождения аминофенилмасляной кислоты из исследуемых комплексов с полимером_

Система Средняя энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с альгинатом натрия (альгиновой кислотой), кДж/моль Средняя энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия аминофенилмасляной кислоты с растворителем, кДж/моль Средняя доля молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с альгинатом натрия (альгиновой кислотой), %

Альгинат натрия -аминофенилмасляная кислота - вода (рН 6,8) -49,12±5,24 5,52±3,84 1,97±2,52

Альгиновая кислота -аминофенилмасляная кислота-катион - вода (рН 2,0) -53,22±4,23 -4,70±3,25 13,90±3,39

В результате полученных исследований установлено, что средняя доля молекул аминофенилмасляной кислоты, не связанных с альгинатом натрия при рН 6,8 - составляет 1,97±2,52, при рН 2,0 - 13,90±3,39.

Заключение

Полученные в ходе вычислительного эксперимента данные показывают, что аминофенилмасляная кислота наиболее эффективно высвобождается в воду при рН 2,0. В водной среде при рН 6,8 значительная часть молекул аминофенилмасляной кислоты остается связанной с альгинатом, при этом молекула альгината натрия приобретает развернутую конформацию, что позволяет предположить возможность образования коллоидной системы содержащей молекулы аминофенилмасляной кислоты связанные с полимером.

Литература (references)

1. Полковникова Ю.А., Сливкин А.И. Высвобождение фенибута из альгинат-хитозановых микрокапсул // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. - 2021. - № 4. - 120-125. [Polkovnikova Yu.A., Slivkin A.I. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Himija. Biologija. Farmacija Bulletin of the Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. -2021. - N4. - Р. 120-125 (in Russian)]

2. Alipour M., Firouzi N., Aghazadeh Z., Samiei M., Montazersaheb S., Khoshfetrat A.B., Aghazadeh M. The osteogenic differentiation of human dental pulp stem cells in alginate-gelatin/Nano-hydroxyapatite microcapsules // BMC Biotechnology. - 2021. - V.21, N1. - Р. 6.

3. Berendsen H.J.C., Postma J. P. M., van Gunsteren W. F. Molecular dynamics with coupling to an external bath // The Journal of Chemical Physics. - 1984. - V.81, N8. - Р. 3684-3690.

4. Degiacomi M.T., Erastova V., Wilson M.R. Easy setup of molecular dynamics simulations of polymeric mixtures with Assemble! // Computer Physics Communications. - 2016. - V.202. - Р. 304-309.

5. Emsley J., Knight C.G., Farndale R.W., Barnes M.J. Structure of the Integrin alpha2beta1-binding Collagen Peptide // Journal of Molecular Biology. - 2004. - V.335. - Р. 1019-1028.

6. Fauzi M., Pudjiastuti P., Wibowo A.C., Hendradi E. Preparation, Properties and Potential of Carrageenan-Based Hard Capsules for Replacing Gelatine: A Review // Polymers (Basel). - 2021. - V.13, N16. - Р. 2666.

7. Li X.Y., Chen X.G., Cha D.S., Park H.J., Liu C.S. Microencapsulation of a probiotic bacteria with alginate-gelatin and its properties // Journal of Microencapsulation. - 2009. - V. 26, N4. - Р. 315-24.

8. Malde A.K. Zuo L., Breeze M. An Automated force field Topology Builder (ATB) and repository: version 1.0 Journal of Chemical Theory and Computation. - 2011. - V.7. - Р. 4026-4037.

9. Schmid N., Eichenberger A. P., Choutko A. Definition and testing of the GROMOS force-field versions 54A7 and 54B7 // European Biophysics Journal. - 2011. - V.40. - Р. 843-856.

10. Wang L., Li T., Xin B., Liu Y., Zhang F. Preparation and characterization of wormwood-oil-contained microcapsules // Journal of Microencapsulation. - 2020. - V.37, N 4. - Р. 324-331.

Информация об авторах

Полковникова Юлия Александровна - кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармацевтической химии и фармацевтической технологии ФГБОУ ВО «Воронежской государственный университет». E-mail: juli-polk@mail.ru

Глушко Александр Алексеевич - кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры неорганической, физической и коллоидной химии Пятигорского медико-фармацевтического института - филиала ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России. E-mail: alexander.glushko@lcmmp.ru

Сливкин Алексей Иванович - доктор фармацевтических наук, профессор, заведующий кафедрой фармацевтической химии и фармацевтической технологии ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет». E-mail: slivkin@pharm.vsu.ru

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Поступила 18.03.2023 Принята к печати 28.09.2023