姜黄素在氨基-β-环糊精中的包封研究：基于光谱技术和分子动力学模拟的见解

姜黄素与氨基-β-环糊精包合物在pH梯度下的光物理特性及稳定性研究。通过稳态和瞬态荧光光谱分析，发现包合物的吸收带蓝移（340 nm），荧光强度显著增强，并存在三组分衰减机制，揭示ACD通过氨基基团阻断环糊精狭窄开口，调控姜黄素分子构象和ESIPT过程，使其光稳定性提高。分子动力学模拟证实pH依赖的包合作用导致姜黄素共轭结构改变，从而优化光物理性质。

帕里查特·苏蒂萨瓦特库尔（Parichat Sutthisawatkul）| 博·阿尔宾松（Bo Albinsson）| 帕奇里纳特·萨帕帕科尔恩（Patchreenart Saparpakorn）| 诺塔蓬·普洛通（Nonthaphon Plotoon）| 奥努玛·蒙贡（Onuma Mongkhon）| 蒂蒂努恩·卡尔普基尔德（Thitinun Karpkird）

泰国曼谷卡塞萨特大学（Kasetsart University）理学院化学系，邮编10900

摘要

姜黄素（Curcumin，简称Cur）是一种存在于姜黄中的生物活性化合物，在制药领域有广泛应用。然而，它的水溶性较差且化学稳定性较低。在本研究中，使用氨基-β-环糊精（Amino-β-cyclodextrin，简称ACD）与姜黄素形成了包合物。在不同pH值下，研究了姜黄素在ACD包合物中的光物理性质。姜黄素与ACD包合物的稳态吸收光谱显示340纳米处的吸收峰发生了蓝移。此外，ACD增强了姜黄素在水溶液中的弱荧光。时间分辨荧光衰减分析表明，姜黄素的激发态由三个组分组成，这些组分可能分别对应于顺式二酮形式、酮-烯醇互变异构体的激发态分子内质子转移（ESIPT）以及姜黄素的溶剂重排。在ACD存在下，姜黄素的平均荧光寿命延长。分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）模拟显示，氨基基团阻塞了ACD的狭窄通道，导致姜黄素分子在不同pH值下与ACD结合时的构象发生变化，进而影响其共轭性质。此外，与ACD形成包合物后，姜黄素的光稳定性显著提高。这些结果表明，氨基-β-环糊精包合物有效增强了姜黄素的光物理和光化学性质。

引言

姜黄素（Cur）是一种从姜黄（Curcuma longa）根茎中提取的天然黄橙色多酚化合物，近年来受到了广泛关注。姜黄素类化合物（包括去甲氧基姜黄素和双去甲氧基姜黄素）约占姜黄素类似物的77% [1]。大量研究表明，姜黄素具有多种生物活性，如强抗氧化、抗炎 [2]、抗癌 [3] 和抗阿尔茨海默病 [4] 等作用。此外，姜黄素还被用作光动力疗法的光敏剂，这是一种治疗皮肤癌的有前景的方法 [5] [6] [7]。姜黄素及其衍生物的光物理性质已被广泛报道 [8] [9]。姜黄素的吸收峰位于410–430纳米范围内。由于氧原子孤对电子之间的排斥作用，顺式二酮互变异构体的吸收峰发生蓝移。在非极性溶剂中，酮-烯醇互变异构体共存（见图1）。酮-烯醇激发态下的分子内质子转移（ESIPT）过程在S₁状态下可在几百飞秒内完成。姜黄素的荧光发射波长在494至538纳米之间，量子产率较低，其发射光谱高度依赖于周围环境的极性 [8] [10]。然而，姜黄素的水溶性和化学稳定性较差，限制了其生物利用度和实际应用。为解决这些问题，人们开发了多种包封和分子组装策略，包括胶束 [11] [12] [13]、纳米颗粒 [14]、水凝胶 [15] 和环糊精（CDs）[16] [17]，以提高姜黄素在生物系统中的稳定性和可用性。近年来，环糊精的应用尤为广泛。环糊精（CDs）是由六个、七个或八个葡萄糖吡喃环单元组成的环状寡糖，分别称为α-CD、β-CD和γ-CD。CDs的内部腔体具有疏水性，使其能够与疏水性分子形成包合物，而其亲水外层使其可溶于水，并能输送疏水性药物。为了改善CD包合物的性质，人们对其进行了多种功能化修饰，以提高其水溶性和对疏水性药物的结合亲和力 [18] [19] [20] [21]。已有研究表明，氨基-β-环糊精衍生物能够增强有机化合物的结合亲和力 [22] [23] [24]，并应用于多个领域，如CD-金属有机框架（MOFs）[25]、基因传递 [26] [27] 以及通过与聚合物的共轭制备水凝胶 [12] [28]。

在本研究中，将乙二胺（ethylenediamine）修饰到β-环糊精上制备得到氨基-β-环糊精（ACD），并制备了姜黄素与ACD的包合物（见图1）。据我们所知，这是首次在不同pH条件下研究姜黄素与ACD包合物的形成及其光物理性质。为填补这一知识空白，我们全面分析了姜黄素在ACD中的光谱、光物理和物理化学特性，并通过分子建模和模拟姜黄素异构体及其与ACD的相互作用进行了验证。我们假设ACD与姜黄素形成了稳定的包合物，通过强非共价相互作用增强了其荧光性质和光稳定性，这些效应受pH值影响。本研究的结果为姜黄素与ACD包合物的光物理行为提供了新的见解。此外，分子动力学模拟进一步加深了我们对包封机制的理解。总体而言，本研究加深了人们对氨基修饰β-环糊精如何调节其与姜黄素相互作用的理解，为优化具有更好治疗潜力的姜黄素制剂奠定了基础。

材料

β-环糊精（β-Cyclodextrin，纯度>99.0%）和乙二胺（EDA，纯度>98.0%）购自东京化学工业公司（Tokyo Chemical Industry，简称TCI）。对甲苯磺酰氯（p-Toluenesulfonyl chloride，简称TsCl，纯度≥99.0%）、氢氧化钠和盐酸购自Sigma-Aldrich公司。姜黄素购自Sigma-Aldrich公司。硫酸奎宁购自Molecular Probes公司。硫酸购自Emsure®公司。所有溶剂均为试剂级，购自RCI Labscan有限公司。

单-6-OTs-β-环糊精（CD-OTs）的合成

CD-OTs单体的合成过程如下：

姜黄素：ACD包合物的相溶解度和化学计量研究

研究了姜黄素在ACD存在下的水相溶解度。UV–Vis吸收光谱和相溶解度图见图2a。结果表明，随着ACD浓度的增加，姜黄素的吸收强度增强。有趣的是，在0.2 mM的ACD浓度下，姜黄素的最大吸收峰位于450纳米，表明姜黄素主要以酮-烯醇形式存在。

结论

首次成功制备了姜黄素与ACD的包合物，并通过稳态光谱和时间分辨光谱研究了其pH依赖性的光物理行为。与ACD的包合作用导致姜黄素的吸收峰发生蓝移并增强了荧光发射，表明ACD腔内存在强烈的主客体相互作用。TCSPC分析揭示了三个激发态衰减组分，其中酮-烯醇互变异构体的稳定性显著提高。

作者贡献声明

帕里查特·苏蒂萨瓦特库尔（Parichat Sutthisawatkul）：撰写初稿、数据整理、可视化处理。博·阿尔宾松（Bo Albinsson）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、方法学设计、实验研究、数据分析。帕奇里纳特·萨帕帕科尔恩（Patchreenart Saparpakorn）：撰写、审稿与编辑、软件应用、实验研究。诺塔蓬·普洛通（Nonthaphon Plotoon）：撰写初稿、软件应用、数据整理。奥努玛·蒙贡（Onuma Mongkhon）：撰写初稿、实验研究、数据整理。蒂蒂努恩·卡尔普基尔德（Thitinun Karpkird）：撰写、审稿与编辑。

资金来源

本研究由卡塞萨特大学研究与发展研究所（KURDI，项目编号FF(KU)50.68）及卡塞萨特大学研究生奖学金计划资助。帕里查特·苏蒂萨瓦特库尔获得了卡塞萨特大学国际事务部门提供的国际旅行资助，以便其在查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）进行短期研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。