小檗碱与两种天然多酚的共晶体:合成、晶体结构及其对水生病原体的抑菌作用

时间:2026年4月22日
来源:Bioorganic Chemistry

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合成并表征了黄连素(BBR)与两种天然多酚(没食子酸GA、白藜芦醇RSV)形成的共晶BBR-GA和BBR-RSV,证实其通过氢键和疏水作用稳定,热稳定性高于200℃,体外抗菌显示广谱活性,对Aeromonas veronii和Citrobacter freundii的MIC分别为0.125和0.25 mg/mL。

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陈志川|李佳毅|滕建荣|魏红祖|文长春|刘瑞雪|刘彦成|梁洪
广西师范大学化学与制药科学学院,教育部药用资源化学与分子工程重点实验室,广西药用资源化学与分子工程重点实验室,特色药用资源化学工程研究中心,中国桂林市玉才路15号,541004

摘要

药物共晶体可以通过非共价相互作用(包括氢键、π–π堆积和疏水效应)调节活性药物成分(APIs)的理化性质和共晶体形成(CCFs),从而产生协同的药理效应。针对由于抗生素过度使用导致的水产养殖中的抗生素耐药性和药物残留问题,本研究选择了来自传统中药(TCM)的关键生物活性成分,即黄连素(BBR)、没食子酸(GA)和白藜芦醇(RSV),分别来源于黄连(Coptis chinensis)、五倍子(Galla chinensis)和虎杖(Polygonum cuspidatum)。通过混合溶液结晶法合成了两种新的黄连素与多酚共晶体(BBR-GA和BBR-RSV)。利用单晶X射线衍射、傅里叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)和Hirshfeld表面分析验证了BBR-GA和BBR-RSV主要由氢键和疏水相互作用稳定。热重分析表明,这两种共晶体具有较高的热稳定性,分解温度超过200°C。体外抗菌实验表明,BBR-GA和BBR-RSV保留了其相应API单体的广谱抗菌活性。具体而言,BBR-RSV对Aeromonas veronii和Citrobacter freundii表现出显著的抑制作用,最小抑制浓度(MIC)分别为0.125 mg/mL和0.25 mg/mL。本研究首次探讨了中药活性成分共晶体在水产养殖抗菌领域的应用潜力,表明黄连素与天然多酚的共晶体有望作为新型绿色兽药替代抗生素。

引言

药物共晶体是指通过活性药物成分(APIs)与共晶体形成剂(CCFs)或其他APIs之间的超分子相互作用形成的固态晶体[1]。这些共晶体可以有效改善理化性质,包括溶解度稳定性及生物利用度,同时保持原始药物结构[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这种改进还有助于突破单一成分的性能局限。此外,共晶体可能通过多靶点协同效应增强药物疗效,这在药物开发中是一种有前景的策略,在制药行业中具有广泛的应用前景[7]、[8]、[9]。
另一方面,抗生素的过度使用对全球公共卫生构成了严重威胁,也给水产养殖和畜牧业的可持续发展带来了挑战。在高密度养殖模式下,反复的细菌感染导致抗生素的过度使用,进而引发了细菌耐药性和药物残留问题[10]、[11]。因此,开发绿色、安全的抗生素替代品已成为共识。传统中药兽药(TCVM)来源于天然产物,具有环保、低毒性、良好的生物相容性和证实的疗效等优点,使其成为新型兽药开发的重点领域。
黄连(Coptis chinensis五倍子(Galla chinensis虎杖(Polygonum cuspidatum)是因显著的抗菌活性而被广泛用于水产养殖的传统中药(TCM),其中黄连素(BBR)、没食子酸(GA)和白藜芦醇(RSV)是它们的关键活性成分[12]、[13]、[14](图1)。BBR是黄连中最常见的异喹啉生物碱,通常被视为黄连品质的重要指标。临床上,BBR主要以盐酸盐形式使用,其药理活性已得到全面研究[15]、[16]。Maskey A.等人[17]报道,BBR可以抑制金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的生长并抑制炎症介质的释放,具有双重抗菌和抗炎作用。最近,关于BBR相关共晶体的研究引起了关注,例如BBR与其代谢物berberine red(BRB)的共晶体[18],以及BBR与洛诺沙星(lonoxacin)的共晶体[19],这两种共晶体均通过超分子相互作用提高了药物的溶解度和生物利用度。
GA是一种典型的天然多酚,也是五倍子(Galla chinensis的关键活性成分。根据《中国药典》,五倍子中的GA含量可高达50%。GA是五倍子抗菌[20]、[21]、抗炎[22]、抗氧化[24]作用的关键药理成分。研究发现,GA能够破坏多种水生病原菌(如Aeromonas veronii、Vibrio parahaemolyticus和Aeromonas hydrophila)的细胞膜完整性。此外,它还能抑制呼吸链脱氢酶和糖酵解酶的活性,从而在预防和控制水生动物疾病方面表现出良好效果[25]、[26]、[27]。GA与吡啶羧酸(GA-PA)的共晶体在较低浓度下即可达到与GA相当的治疗效果,并对金黄色葡萄球菌具有更强的抗菌活性[28]。胸苷与没食子酸(TY-GA)的共晶体具有与SARS-CoV-2蛋白酶高度匹配的结合口袋,因此可以通过特定作用位点发挥抗病毒作用[29]。
RSV也是一种天然多酚,是虎杖(Polygonum cuspidatum的关键药理成分。RSV具有广谱抗菌活性,特别是对多种水生病原菌(如Vibrio和Aeromonas)表现出显著的抑制作用[30]、[31],有效降低了水生生物的病原感染率[32]、[33]。此外,RSV与其他抗菌剂联合使用时表现出协同抗菌效果。例如,RSV与多粘菌素和辣椒素的组合在体外和体内均对mcr-1阳性大肠杆菌(Escherichia coli)表现出增强的抗菌效果[34]。C. Dal Magro等人[35]报道的RSV与姜黄素的共晶体不仅显著提高了溶解度和抗氧化活性,还在小鼠腹痛模型中表现出增强的镇痛和抗炎效果,这归因于其提高的生物利用度。
然而,中药兽药领域中关于药物共晶体的研究仍较少。基于中药兽药的临床见解,本研究选择了黄连(BBR)(盐酸盐)、没食子酸(GA)和白藜芦醇(RSV)作为来自黄连、五倍子和虎杖的代表活性成分。通过溶剂热合成法成功制备了两种新的共晶体BBR-GA和BBR-RSV,并通过单晶X射线衍射和Hirshfeld表面分析进行了结构表征,同时利用热重分析和紫外-可见光谱评估了BBR-GA和BBR-RSV的结构稳定性。本研究首次评估了BBR-GA和BBR-RSV对几种常见水生病原菌的抑菌作用,为开发具有潜在治疗应用的创新中药兽药共晶体提供了初步探索和科学基础。

材料与仪器

RSV、BBR(·HCl)和GA(·H2O分别从上海益恩化学科技有限公司、上海麦克林生化科技有限公司和上海阿拉丁生化科技有限公司(中国上海)购买,无需进一步纯化即可使用。合成和表征过程中使用的所有溶剂(包括乙醇、三乙胺(TEA)和二甲基亚砜(DMSO)均为分析级,购自国药化学试剂有限公司。

X射线晶体学

选择适合X射线衍射分析的单晶进行结构表征(图2a-2b2d-2e)。两种共晶体的主要晶体学参数总结在表1中。BBR-GA共晶体的分子式为[C54H50N2O20]n,属于单斜晶系,空间群为P21/c。在不对称单元中,两个BBR分子的N原子均被质子化,而两个GA分子的羧基则被去质子化

结论

本研究首次将药物共晶体研究应用于兽医医学领域。随着对传统中药兽药的认可度不断提高,选择了三种常用的抗菌中药(黄连、五倍子和虎杖)。基于它们的主要抗菌活性成分,合成了黄连素与两种天然多酚的共晶体BBR-GA和BBR-RSV。

CRediT作者贡献声明

陈志川:方法学设计、数据分析。李佳毅:初稿撰写、数据分析。滕建荣:方法学设计、数据分析。魏红祖:方法学设计。文长春:撰写、审稿与编辑、监督。刘瑞雪:撰写、审稿与编辑、资金获取、数据分析。刘彦成:撰写、审稿与编辑、监督、研究设计、资金获取、概念构思。梁洪:监督、资金提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了广西科学研究与技术开发计划(GuiKe AB20297059)、广西科学技术计划(GUIKE AD25069038)、国家自然科学基金(编号22167005)以及广西中青年教师基础能力提升项目(2025KY0107)的财政支持。

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