Моделирование высвобождения винпоцетина из микрокапсул на основе альгината натрия и хитозана методом молекулярной динамики

Введение. При разработке состава лекарственных препаратов актуальным направлением является применение методов компьютерного моделирования, в том числе методов молекулярной динамики (МД), которая значительно расширила возможности химии, обеспечив пространственное и временно́е разрешение, недоступное в экспериментах.
Цель исследования – моделирование высвобождения винпоцетина из альгината натрия с оболочкой из хитозана в среды растворения методом МД для определения характеристик компьютерного моделирования, позволяющих получать микрокапсулы с заданными биофармацевтическими свойствами.
Материалы и методы. Для моделирования высвобождения винпоцетина из альгината натрия с оболочкой из хитозана использован метод МД в силовом поле GROMOS 54a7 с использованием программы Gromacs 2019. С помощью программы HyperChem 8.0.1 построены молекулы компонентов моделируемых систем. Параметризация моделей производилась посредством интернет-сервиса Automated Topology Builder (http://atb.uq.edu.au/).
Результаты. По результатам моделирования МД рассчитаны энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия винпоцетина с альгинатом натрия (альгиновой кислотой), хитозаном (хитозаном-катионом) и растворителем в пересчете на 1 молекулу винпоцетина. Рассчитывались также доли молекул винпоцетина, не связанных с полимером. Определено, что средние значения энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия между винпоцетином и растворителем в кислой среде меньше, чем в нейтральной среде. В кислой среде, в отличие от нейтральной, наблюдается незначительное высвобождение винпоцетина.
Заключение. В ходе проведенного эксперимента установлено, что при pH 2,0 наблюдается растворение хитозана в водной среде и незначительное высвобождение винпоцетина из альгиновой кислоты в водный раствор хитозана (средняя доля молекул винпоцетина, не связанных с альгинатом натрия (альгиновой кислотой) и хитозаном, составляет 2,16 ± 2,33 %), высвобождение винпоцетина в воду при pH 6,8 не наблюдается.

1. Hagras N.A., Mogahed N., Sheta E. et al. The powerful synergistic effect of spiramycin/propolis loaded chitosan/alginate nanoparticles on acute murine toxoplasmosis. PLOS Negl Trop Dis 2022:16;16(3):e0010268. DOI: 10.1371/journal.pntd.0010268

2. Полковникова Ю.А., Северинова Н.А., Корянова К.Н. и др. Морфологические, технологические и биофармацевтические исследования альгинат-хитозановых микрокапсул с винпоцетином. Фармация и фармакология. 2019;7(5): 279–90. DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-5-279-290

3. Manivasagan P., Bharathiraja S., Bui N.Q. et al. Doxorubicin-loaded fucoidan capped gold nanoparticles for drug delivery and photoacoustic imaging. Int J Biol Macromol 2016:91: 578–88. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2016.06.007

4. Chu J.S., Wang Z.J. Protocol optimization for renal mass detection and characterization. Radiol Clin North Am 2020:58:851–73. DOI: 10.1016/j.rcl.2020.05.003

5. Li J., Wu H., Jiang K. et al. Alginate calcium microbeads containing chitosan nanoparticles for controlled insulin release. Appl Biochem Biotechnol 2021:193:463–78. DOI: 10.1007/s12010-020-03420-9

6. Sudhakar S., Chandran S.V., Selvamurugan N., Nazeer R.A. Biodistribution and pharmacokinetics of thiolated chitosan nanoparticles for oral delivery of insulin in vivo. Int J Biol Macromol 2020;150:281–8. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.02.079

7. Kumar P., Mishra B. Colon targeted drug delivery systems – an overview. Curr Drug Deliv 2008;5:186–98. DOI: 10.2174/156720108784911712

8. Полковникова Ю.А., Глушко А.А. Выбор пленкообразователей при микрокапсулировании винпоцетина. Фармация и фармакология 2018;6(2):197–210. DOI: 10.19163/2307-9266-2018-6-2-197-210

9. Sorin E.J., Pande V.S. Exploring the helix-coil transition via allatom equilibrium ensemble simulations. Biophys J 2005; 88(4):2472–93. DOI: 10.1529/biophysj.104.051938

10. Parrinello M., Rahman A. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method. J Appl Phys 1981;52:7182–90. DOI: 10.1063/1.328693

11. Schmid N., Eichenberger A.P., Choutko A. et al. Definition and testing of the GROMOS force-field versions 54A7 and 54B7. Eur Biophys J 2011;40(7):843–56. DOI: 10.1007/s00249-011-0700-9

12. Abraham M.J., Murtola T., Schulz R. et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX 2015; 1–2:19–25. DOI: 10.1016/j.softx.2015.06.001

13. Полковникова Ю.А., Сливкин А.И. Высвобождение фенибута из альгинат-хитозановых микрокапсул. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2021;4:120–5.

14. Teppen J.B. HyperСhem, release 2: molecular modeling for the personal computer. JCICS 1992;32:757–9.

15. Malde A.K., Zuo L., Breeze M. et al. An Automated force field Topology Builder (ATB) and repository: version 1.0. J Chem Theory Comput 2011;7:4026–37. DOI: 10.1021/ct200196m

16. Degiacomi M.T., Erastova V., Wilson M.R. Easy creation of molecular dynamics simulations of polymeric mixtures with Assemble! Computer Physics Communications 2016;202:304–9. DOI: 10.1016/j.cpc.2015.12.026

17. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F. et al. Molecular dynamics with coupling to an external bath. J Chem Phys 1984;81(8):3684–90. DOI: 10.1063/1.448118

18. Shirts M.R., Klein C., Swails J. M. et al. Lessons learned from comparing molecular dynamics engines on the SAMPL5 dataset. J Comput Aided Mol Des 2017;31(1):147–61. DOI: 10.1007/s10822-016-9977-1

19. Bekker H., Dijkstra E.J., Renardus M.K.R., Berendsen H.J.C. An efficient, box shape independent non-bonded force and virial algorithm for molecular dynamics. Mol Sim 1995;14(3):137–52. DOI: 10.1080/08927029508022012

20. Braga C., Travis K.P. A configurational temperature Nosé–Hoover thermostat. J Chem Phys 2005;123(13):134101. DOI: 10.1063/1.2013227