β-环糊精中胆固醇包合物的晶体结构及分子动力学研究

近年来，已经彻底研究了β-环糊精（β-CD）在主要来自哺乳动物细胞和其次来自乳制品中去除胆固醇的作用。尽管通过各种方法已经实现了β-CD中胆固醇包合物的物理化学表征，但到目前为止还没有确定晶体结构。我们在此报道了β-CD中胆固醇包合物的晶体结构。包合物在三斜晶系空间群P 1中结晶，形成沿着c堆叠的头对头二聚体-轴。一个明确定义的胆固醇分子“轴向”包裹在β-CD二聚体内，22个水分子稳定结晶状态的复合物，构成结构的不对称单元。二聚体在晶体中以中间（IM）通道填充模式排列。此外，基于结晶学确定的复合物坐标，在300和340K的MD模拟显示，形成的胆固醇/β-CD包合物在两种温度下在水溶液中保持非常稳定。

关键词： β-环糊精; 胆固醇; 晶体结构; 分子动力学

胆固醇（（3β） - 胆甾-5-烯-3-醇，CHL，图1a）是一种多环类固醇，在哺乳动物细胞中合成，在生物学中作为细胞壁的重要结构成分和作为前体具有重要作用。用于生物合成几种物质，如维生素D，胆汁酸和类固醇激素。然而，食用富含胆固醇的食物，如肉类，蛋类和乳制品，与许多疾病有关，如动脉粥样硬化，高血压，冠心病，心脏病和脑梗塞[1]。此外，来自遗传性溶酶体贮积症（称为Niemann-Pick C型疾病（NPC））的内溶酶体中胆固醇的异常积累导致各种临床症状，例如进行性神经变性和肝脾肿大，常常导致早期死亡[2]。。由于全身组织之间的胆固醇交换和胆固醇运输生理学的基本见解已为人所知，因此开发用于控制胆固醇相关疾病的药物载体和细胞胆固醇去除剂[3]具有特殊意义。

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图1：（a）胆固醇分子的示意图; （b）β-环糊精分子。

β-环糊精（β-CD，图1b）是由七个α-（1-> 4） - 连接的α-D-吡喃葡萄糖单元组成的环状多糖，并且因其通过大范围捕获形成包合物的能力而众所周知。客体分子进入其内部疏水腔。它无毒，无刺激性，可食用，化学稳定，易分离，广泛用于制药，食品和化学工业[4]。两种主要的环糊精应用决定了它们与胆固醇分子的包合物的细致研究。β-CD及其修饰的衍生物（2,6-二-O-甲基-β-CD或DM-β-CD，随机甲基化的β-CD或RAMEB和2-羟丙基-β-CD或HP-β-CD）包含一类通常用于从细胞中除去膜胆固醇的药理学试剂[5-8]。使用CD的胆固醇消耗优于使用与活细胞不相容的结合剂如洋地黄皂苷，菲律宾蛋白和皂苷。最近，已经研究了使用环糊精作为治疗NPC疾病的有价值的治疗剂，目前尚无有效的治疗方法。已经表明HP-β-CD的施用显着降低了溶酶体胆固醇的积累，尽管高剂量的需要可能是有害的并且可能导致细胞死亡[9-11]。磺基丁醚-β-CD和磺丁基醚-γ-CD在NPC动物模型中显示出更高的安全性[12]。此外，环糊精的超结构如单乳糖附加的β-CD [13]和生物可溶性pluronic /β-CD基聚轮烷[14]以及PEG-脂质胶束（DSPE-PEG）与HP-β-CD [15]联合使用已显示出增强的治疗效果并表现出降低的毒性。在食品工业中，β-CD已经用于许多应用中，例如风味保护和香味传递，所需成分的控制释放以及不希望的组分的去除和掩蔽[16]。但在这一领域最常见的CD用途是从牛奶[17]，黄油[18]，奶酪[19]和鸡蛋[20]等动物产品中去除胆固醇。当用β-CD处理时，其含有超过90％的胆固醇。随着消费者越来越关注他们的饮食习惯，食品公司开发了许多降低胆固醇的技术，如用有机溶剂提取，超临界二氧化碳提取或胆固醇氧化酶降解胆固醇。但是这些方法没有选择性，因为其他组件也被移除，它们需要昂贵的设备和高运营成本[21]。

过去，许多研究已发表关于胆固醇/β-CD包合物的表征[22]，其结合亲和力[23-25]，复合物的包合模式[26]及其通过MD模拟的动态行为[27-29]但它的晶体结构不存在。在这项工作中，CHL /β-CD的结构由X射线晶体学确定，并且其几何特征被彻底检查。为了检查结晶学确定的模型的稳定性，排除在结晶状态下观察到的晶体接触，进行包合物在水性环境中的MD模拟。起始坐标集基于确定结构的不对称单元，并且在两个不同温度（300和340K）下监测包合物的动态行为，以获得关于主客体相互作用的演变的一些见解，并且估计水溶液中的主客体结合亲和力。

理解CD中胆固醇包含物的结构细节可用于改造具有优化药理学性质的改良客体 - 宿主制剂并形成未来治疗策略。由于还有其他类似的分子，例如植物甾醇，它们共享某些化学基团，我们的研究结果也可能与这些客人有关。