香豆素主要来自于一些高等植物^[1-4]，具有多样化的结构^[5]以及抗炎^[6]、抗菌、抗癌、抗抑郁^[7]、抗氧化^[8]等丰富特性^[5-10]。目前，香豆素药物的提取技术已较成熟，而其在人体内的运输机制尚不清楚。在香豆素的使用过程中，载体的选择至关重要，磺基甜菜碱型离子型表面活性剂就是其中候选载体之一^[11-12]。试验证明，当阴离子表面活性剂、两性表面活性剂等混合形成复配体系时，往往呈现出单一体系所不具备的优点，如低刺激性、耐硬水性以及生物降解性等^[13-17]，因而受到人们越来越多地关注。

比如，Chiranjib Banerjee等人通过试验研究了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate，SDS)和两性表面活性剂N,N-二甲基-N-十六烷基丙磺酸(N-hexadecyl-N,N-dimethylammonio-1-propanesulfonate，SB-16)的复配体系与药物分子姜黄色素之间的作用机理和光学性质^[18]，当在溶有姜黄色素的SB-16球状胶束溶液中加入SDS之后，姜黄色素发生了激发态分子内质子转移。同时，他们还将阴离子表面活性剂SDS加入到嵌有香豆素分子(Coumarin-343，C-343)的SB-16两性表面活性剂胶束溶液中，发现SDS可使香豆素分子从SB-16胶束中释放出来^[19]。

然而，Chiranjib Banerjee等人所做的工作，仅仅描述了SDS(阴离子表面活性剂)和香豆素分子在SB-16(两性表面活性剂)胶束复配体系中所发生的宏观现象，而微观增溶机理则没有涉及。为此，本研究采用分子动力学方法，模拟分析了香豆素分子C-343在SB-16胶束溶液中的增溶行为，以及SDS的加入对这种增溶行为的影响，还解释了香豆素分子在SDS/SB-16复配体系和纯SB-16体系内发生不同增溶现象的微观原因，以期为某些药物分子在表面活性剂复配体系中运输机理的研究提供理论依据。

图 1为模拟研究的两性表面活性剂(SB-16)、香豆素(C-343)以及阴离子表面活性剂(SDS) 3种单体分子的构型示意图。三种单体分子之间所构成的两种复配体系：即(Ⅰ) C-343/SB-16体系和(Ⅱ) C-343/SB-16/SDS体系，两体系的对应参数列于表 1。

图 1

图 1 表面活性剂分子及香豆素C-343的分子构型示意图 Figure 1 The molecular strcutures of sufactant molecules SB-16,SDS and coumarin-343

表 1

表 1 模拟体系Ⅰ和体系Ⅱ的组分构成及其相关参数 Table 1 The components and corresponding parameters of system Ⅰ and system Ⅱ 模拟体系 nSB-16/个 cSB-16/(mol·L-1) nSDS/个 cSDS/(mol·L-1) n(H2O)/个 t/ns Ⅰ(C-343/SB-16) 70 6.25×10-2 0 0 56 125 30 Ⅱ(C-343/SB-16/SDS) 70 6.25×10-2 74 6.61×10-2 55 044 20

表 1 模拟体系Ⅰ和体系Ⅱ的组分构成及其相关参数 Table 1 The components and corresponding parameters of system Ⅰ and system Ⅱ

体系Ⅰ是C-343/SB-16复配体系，用于研究一个香豆素分子C-343在SB-16胶束中自发增溶的行为。在构建过程中，首先，将一个由70个SB-16表面活性剂单体组成的球形胶束(其半径r~2.10 nm)置于一12×12×12 nm³的立方盒子中心，并在盒内其余部分充满水，此时SB-16浓度为6.25×10^-2 mol/L，远大于文献所报道的临界胶束浓度(3.0×10^-5mol/L)^[20]。然后，再在胶束周围的水环境中随机添加一个香豆素分子，这就构成了体系Ⅰ，见图 2(a)。为了便于观察，图 2(a)中的周期性格子以及其内部所填充的水分子均未显示。经过30 ns的NPT动力学模拟后，体系Ⅰ便达到热力学平衡，见图 2(d)。

图 2

图 2 体系Ⅰ(C-343/SB-16) 和Ⅱ(C-343/SB-16/SDS)初始构型和平衡构型示意图 Figure 2 The associated initial and equilibrium configurations of system Ⅰ (C-343/SB-16) and Ⅱ (C-343/SB-16/SDS)

体系Ⅱ是C-343/SB-16/SDS复配体系，用于模拟添加SDS后C-343分子在SB-16胶束溶液中增溶机理的变化过程。在构建体系Ⅱ的过程中，以体系Ⅰ所得到的C-343/SB-16胶束平衡构型(半径r~2.10 nm)为核心，利用Packmol程序包再将74个SDS分子以烷烃尾链为近心端^[21]，以硫酸根头基为远心端(SDS分子长度约为1.60 nm)的直链方式随机分布在SB-16胶束表面外2.20~3.80 nm的壳层里，形成一个类球形的复配C-343/SB-16/SDS胶束体系，然后将之置于一12×12×12 nm³的立方盒子中心并将其余部分充满水。此时，SDS添加剂的浓度为6.61×10^-2 mol/L。由于体系Ⅱ(C-343/SB-16/SDS)有3种组分，若在同一幅图中同时显示，则各组分之间将难以分辨。所以，为了更加清晰，本研究拟以两幅示意图来说明，即图 2(b)和图 2(c)(二者分别显示了C-343/SB-16组分和SB-16/SDS组分的初始分布)。为了便于观察，两图中周期性盒子以及盒内水分子都没显示。

所有模拟都采用GROMACS 4.0.5 程序包与GROMOS 53A6联合原子力场^[22]。在模拟过程中，采用可很好描述水分子介电性质和热力学性质的SPC/E模型，使用最陡下降法进行能量最小化，NPT系综的条件设定为101.3 kPa和298 K，温度和压力的控制方法为Berendsen和Isotropic方法^[23]，采用LINCS^[24]算法约束各分子的键长，采用PME方法描述各原子间的静电相互作用力^[25]，Lennard-Jones势的范德华力截断半径设定为1.20 nm，模拟步长设定为2 fs，每隔2 ps收集一次动力学轨迹信息，使用VMD 1.8.5^[26]程序观察动力学轨迹。

为了研究香豆素分子(C-343)在SB-16胶束溶液中的增溶行为，本研究模拟了体系Ⅰ (C-343/SB-16)，并把模拟时间设定为30 ns。通过VMD程序发现，当浓度为6.25×10^-2 mol/L的SB-16水溶液内随机放入一个C-343分子后(图 2(a))，在疏水作用及静电作用下，体系会在约17 ns内(图 3)达到平衡，完成C-343分子从水溶液体系中逐渐向胶束接近，直到完全嵌入胶束的整个过程(平衡构型见图 2(d))。

图 3

图 3 模拟体系Ⅰ(C-343/SB-16)中香豆素分子质心与SB-16胶束质心之间的距离随模拟时间的变化示意图 Figure 3 The sketch of the distance between the mass centers of coumarin and SB-16 micelle along with simulation time of system Ⅰ (C-343/SB-16)

为了进一步探讨C-343分子在平衡胶束中的具体分布，绘制了C-343质心及SB-16分子的末端C16以及头基N、S原子相对胶束质心的径向分布概率图，详见图 4。分析图 4可知，SB-16分子的C16相对胶束质心的距离分布较广，几乎在0 ~ 2.10 nm的范围内都有分布，这表明，SB-16的疏水烷基长链在平衡时实际上已蜷曲成一团，形成了胶束的疏水核心。与此同时，SB-16亲水基团(-N^O'+(CH₃)₂-(CH₂)₃-S^O'-O₃)的N和S原子的分布则相当集中，分别位于距胶束质心约2.06和2.08 nm处，组成了胶束的最外层。而香豆素的最大径向分布值为1.82 nm。这说明，在体系Ⅰ (C-343/SB-16)达到平衡时，C-343的质心已经包裹在胶束内部的疏水栅栏层内了。有趣的是，由图 2(f)可以看出，C-343分子真正完全嵌入胶束内的是其疏水部分，而其亲水端羧基部分则处在整个球形胶束的浅层表面上，与胶束外的水分子有直接接触的可能。

图 4

图 4 香豆素分子的质心、SB-16分子的末端碳(C16)、以及头基中N，S原子相对于SB-16胶束质心的径向分布概率示意图 Figure 4 The radial density distribution of the mass center of coumarin,C16,N and S atoms of SB-16 molecules relative to the mass center of the whole micelle

研究体系Ⅰ可知，C-343分子在平衡时可自发地增溶到SB-16胶束内的疏水区域内。而实践上，在利用表面活性剂自组装体系进行药物输运时，不仅要考虑对药物摄取的控制，而且还要考虑对药物释放的控制。因此本研究配置了体系Ⅱ(C-343/SB-16/SDS)，以观察SDS阴离子表面活性剂对C-343在SB-16胶束体系中分布位置的影响，具体参数见表 1。图 2(b)和(c)分别显示了体系Ⅱ中C-343/SB-16组分和SB-16/SDS组分的初始构型，图 2(e)和(f)则分别为对应的平衡构型。

图 5为体系Ⅱ中C-343质心相对于SB-16胶束质心的距离随模拟时间t的变化图。分析图 5可知，体系在3 ns后就达到了平衡。达到平衡后，C-343分子的质心相对于整个胶束质心的最大径向分布概率在2.50 nm附近，这个距离显然比体系Ⅰ(C-343/SB-16)的对应距离1.82 nm外移了差不多近0.68 nm，甚至还超出了SB-16胶束外径(~2.25 nm,此处用SB-16最外端的头基S原子相对于胶束质心的径向分布概率定义) 0.25 nm。这说明，SDS的添加不仅使SB-16的球形胶束发生了膨胀，而且还使原来增溶于SB-16胶束内部的C-343分子迁移出来(见图 2(e))。

图 5

图 5 香豆素分子(C-343)的质心相对SB-16胶束质心的距离随模拟时间的变化 Figure 5 The curve of the distance between the mass center of coumarin and that of SB-16 micelle depending on the simulation time

分析图 6可知，S原子的径向分布范围为1.00~3.00 nm，比体系Ⅰ中的1.50 ~ 2.70 nm(见图 4)也增大了很多。这说明，SDS的加入对SB-16的头基分布产生了较大影响，使原来较为集中的头基分布发生了很大的分散。从图 2(e)也可以直观地看出这些特点。图 7为体系Ⅱ中SB-16胶束的末端C原子以及头基中的N、S原子和SDS表面活性剂的C12及其头基中的S原子相对胶束质心的径向分布密度图。分析图 7还知，SB-16的末端C16的径向分布范围为0~3.00 nm，相比体系Ⅰ的0~2.40 nm范围也变广了，这证明了在SDS分子的作用下，胶束SB-16的疏水核心不仅发散，而且蜷曲程度也增加了。

图 6

图 6 香豆素分子质心和SB-16胶束表面的S原子相对胶束质心的径向分布概率 Figure 6 The radial density distribution of the mass center of coumarin and S of SB-16 molecules relative to the mass center of micelle

图 7

图 7 SB-16胶束的末端C原子以及头基中的N、S原子和SDS表面活性剂的C12及其头基中的S原子相对胶束质心的径向分布密度 Figure 7 The radial density distribution of C16,N,S atoms of SB-16 molecules and C12 and S atoms of SDS molecules relative to the mass center of micelle

由于香豆素分子在SB-16胶束中分布的变化，以及SB-16胶束本身的形态变化都是由SDS的加入引起的，所以对体系Ⅱ中SB-16/SDS组分关系的研究对理解整个胶束体系的分子动力学行为非常重要。

分析图 7可知，在体系Ⅱ中，SDS的末端C12最大概率分布约在2.30 nm，与SB-16的头基S原子的最大概率分布 (~2.30 nm)十分相近。这说明，SDS表面活性剂分子和SB-16胶束由于都具有很长的疏水链而发生直接接触。然而，这二者的径向分布概率的范围延展却都很大，前者为0.90~3.40 nm，后者为1.00~3.20 nm，此时SDS不仅紧紧贴在SB-16表面，而且尾端烃基有很大一部分伸入到SB-16胶束内部，形成一种相互扦插的复配胶束体系。此外，分析图 7还可知，SDS的头基S原子的最大概率分布约为2.70 nm，仅比其尾基C12的最大概率(~ 2.30 nm)大0.40 nm，但却小于SDS的分子链长度1.60 nm，这说明有的SDS分子在平衡时扦插于SB-16胶束内，而有的则缠绕在SB-16胶束表面上(见图 2(f))，二者通过疏水作用和静电作用包合在一起，共同为香豆素分子C-343从SB-16胶束疏水栅栏层的迁出创造了空间条件。

本研究采用分子动力学的方法详细探讨了C-343在SB-16胶束中的增溶行为，以及SDS对这种增溶行为的影响。通过体系平衡时分子构型直观图的观察以及C-343分子与SB-16胶束质心之间的径向密度分布和回转半径的分析，发现在纯SB-16表面活性剂体系中，C-343分子可以自发地增溶到胶束的疏水栅栏层。而当向SB-16胶束中添加SDS阴离子表面活性剂时，C-343分子又可从SB-16胶束的疏水栅栏层迁移至胶束表面之外。本研究可为后续研究者对其他种类的表面活性剂复配体系作为药物分子载体的应用机理探讨提供理论依据。