基于PEG修饰氧化石墨烯的pH响应型他莫昔芬纳米载药系统：实验与DFT联合研究推动乳腺癌靶向治疗

　　本研究针对他莫昔芬(TAM)治疗乳腺癌存在的溶解性差(Log P≈6.3)、生物利用度低(<30%)和获得性耐药等问题，开发了一种pH响应的TAM@GO-PEG纳米复合物。通过实验与DFT联合研究，证实该体系具有高载药效率(DLE≈80%)、pH依赖性电荷反转(pH 5.3时+12.6 mV vs pH 7.4时+2.1 mV)和肿瘤选择性释放特性(72小时pH 5.5释放89.3% vs pH 7.4释放61.1%)，为ER??乳腺癌治疗提供了新型纳米平台。

　　

乳腺癌至今仍是全球女性癌症相关死亡的主要原因，其中激素受体阳性(ER??)肿瘤约占病例总数的70%。他莫昔芬(Tamoxifen, TAM)作为内分泌治疗的"金标准"药物，虽然已临床应用四十余年，却始终面临着水溶性差(Log P≈6.3)、口服生物利用度低(<30%)以及长期使用易产生获得性耐药等多重挑战。这些局限性导致患者需要接受高剂量治疗，进而引发全身性毒性反应，严重制约了临床疗效的提升。

传统的口服制剂难以有效解决这些问题，促使研究人员将目光投向新兴的纳米技术领域。在众多纳米材料中，氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)因其超高的比表面积(接近2600 m2/g)、可调控的表面化学特性以及兼具药物与基因递送能力的组合治疗潜力，展现出独特的优势。然而，GO基药物递送系统的开发仍面临两大关键挑战：如何在载药过程中保持胶体稳定性，以及如何实现肿瘤部位的特异性控释以最大限度减少脱靶效应。

为应对这些挑战，发表于《European Journal of Pharmaceutical Sciences》的最新研究报道了一种创新性的解决方案。沙特阿拉伯哈伊尔大学的研究团队通过实验与理论计算相结合的策略，开发了pH响应型TAM@GO-PEG纳米复合物，并对其性能进行了系统评价。

研究采用的主要技术方法包括：通过Hummers法制备GO并利用EDC/NHS化学进行PEG功能化；运用FTIR、XRD、TEM、UV-Vis光谱和zeta电位分析等技术进行物化表征；采用透析法进行体外释放研究；利用密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)计算模拟药物-载体相互作用，包括B3LYP-D3泛函和6-31G(d)/6-311++G(d,p)基组进行几何优化和单点能计算，结合极化连续介质模型(PCM)模拟溶液环境。

2.1. Materials and Experimental Preparation

通过Hummers法制备GO，使用EDC/NHS化学将聚乙二醇(PEG, MW 2000)共价连接到GO的羧基位点，形成碳连接的GO-C-PEG结构。TAM@GO-PEG通过超声混合和搅拌制备，最终通过离心和冷冻干燥获得产品。

2.2. Characterization and Drug Loading Analysis

FTIR分析证实了PEG缀合(C-O-C峰～1100 cm?1)和TAM负载(芳香族C=C峰)；TEM显示GO-PEG片层结构且TAM分散均匀；XRD证实TAM@GO-PEG呈无定形特征；zeta电位测量显示GO-PEG带负电(～?30 mV)，负载TAM后电位降低；UV-Vis分析测得载药效率约为80%；体外释放研究表明在pH 5.5条件下72小时累积释放率达89.3%，而在pH 7.4条件下为61.1%，呈现明显的pH响应特性。

2.4. Computational details

DFT计算采用B3LYP-D3泛函，使用6-31G(d)基组进行几何优化，6-311++G(d,p)基组进行单点能计算，通过PCM模型(ε=78.4)模拟水溶液环境。计算了吸附能(E_ads)、电子密度分析和非共价相互作用(NCI)指数映射。

3. Results and discussion

扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图像显示TAM@GO-PEG具有片层状结构和褶皱特征，动态光散射(DLS)表明GO-PEG在PBS(pH 7.4)中能保持稳定的流体动力学直径(220±15 nm)和低多分散指数(PDI<0.2)。XRD图谱显示GO-PEG在10–12°(2θ)有特征峰，对应(001)晶面，TAM负载后该峰减弱或消失，表明层状结构被破坏。zeta电位分析显示GO在pH 7.4时带负电(?42.5 mV)，pH 5.3时降至?15.2 mV；GO-PEG在pH 5.3时呈正电性(+4.3 mV)，pH 7.4时呈弱负电性(?8.2 mV)；TAM@GO-PEG在pH 5.3时带正电(+12.6 mV)，pH 7.4时近中性(+2.1 mV)，这种pH依赖性电荷反转有利于肿瘤靶向。

分子结构分析显示GO具有氧功能化的碳晶格，PEG呈线性柔性链结构，TAM具有复杂的芳香环系统和脂肪族侧链。DFT计算比较了GO-O-PEG(氧连接)和GO-C-PEG(碳连接)两种结合构型，发现GO-O-PEG的形成能(?1.20 eV)比GO-C-PEG(?0.90 eV)更负，HOMO-LUMO能隙更大(2.9 eV vs 2.1 eV)， dipole moment更高(6.2 D vs 3.5 D)，表明氧连接构型具有更好的稳定性和水溶性。

TAM与载体的相互作用研究表明，TAM@GO-PEG主要通过TAM的氢与GO的羟基形成氢键(1.8-2.2 ?)；TAM@GO-O-PEG和TAM@GO-C-PEG还存在TAM与PEG氧原子间的氢键(1.63–2.09 ?)。TAM@GO-O-PEG的结合能最负(?1.50 eV)，其次是TAM@GO-C-PEG(?1.30 eV)和TAM@GO(?1.00 eV)。HOMO-LUMO能隙顺序为TAM@GO(3.3 eV)>TAM@GO-O-PEG(2.5 eV)>TAM@GO-C-PEG(2.1 eV)，dipole moment顺序为TAM@GO-O-PEG(7.0 D)>TAM@GO-C-PEG(4.2 D)>TAM@GO(2.0 D)。

分子描述符分析显示，TAM@GO的电离能最高(5.8 eV)，GO-C-PEG和TAM@GO-C-PEG较低(5.0-5.1 eV)；GO-C-PEG的电子亲和能最高(3.0 eV)；化学硬度顺序为TAM@GO(1.65 eV)>TAM@GO-O-PEG(1.25 eV)>GO-O-PEG(1.45 eV)>GO-C-PEG(1.05 eV)=TAM@GO-C-PEG(1.05 eV)；软度顺序相反；亲电性指数顺序为GO-C-PEG(7.81 eV)>TAM@GO-C-PEG(7.43 eV)>TAM@GO-O-PEG(6.56 eV)>GO-O-PEG(5.66 eV)>TAM@GO(5.22 eV)。

热力学和动力学参数表明，所有构型的ΔG均小于0，结合过程放热，其中TAM@GO-C-PEG的ΔG最负(?0.93 eV)；TAM@GO-O-PEG的ΔH最负(?1.60 eV)；所有体系的ΔS为负值，表明结合后有序度增加。恢复时间(τ)分析显示TAM@GO最短(65.96 s)，TAM@GO-O-PEG为3.37分钟，TAM@GO-C-PEG最长(21.96分钟)。

HOMO和LUMO分布显示，在所有构型中，HOMO主要分布在GO骨架上，LUMO在TAM上有少量分布，PEG连接子贡献极小，表明GO是主要电子供体，TAM是电子受体，PEG主要起稳定作用。

降低密度梯度(RDG)分析显示，TAM@GO中存在强烈的氢键(蓝绿色等值面)和范德华相互作用(绿色区域)；TAM@GO-C-PEG有类似的相互作用，但在碳连接附近存在弱steric clashes(淡红色区域)；TAM@GO-O-PEG在PEG的醚氧和GO的羟基间存在广泛的氢键网络(蓝色区域)。

实验和TDDFT计算的光谱比较表明，GO-PEG在230–270 nm有π→π跃迁吸收峰，300–350 nm有n→π跃迁肩峰；TAM@GO-PEG在～270 nm有TAM的π→π*跃迁峰，～350 nm有红移肩峰，表明TAM与GO-PEG间存在电荷转移相互作用；理论预测与实验结果吻合良好。

IR光谱分析证实了GO-PEG和TAM@GO-PEG中官能团的存在和药物-载体相互作用；理论光谱与实验光谱基本一致，验证了计算模型的可靠性。

体外释放研究表明，TAM@GO和TAM@GO-PEG均呈现pH依赖性释放，在pH 5.3比pH 7.4释放更快；PEG化使释放更缓释，TAM@GO-PEG在pH 7.4释放更持久。释放数据符合Korsmeyer-Peppas模型，扩散指数n在0.45-0.89之间，表明释放机制为非Fickian扩散，即药物扩散和载体溶胀松弛共同控制释放过程。

本研究成功开发并表征了新型TAM@GO-PEG纳米复合物用于乳腺癌靶向治疗。实验与DFT计算相结合的研究表明，PEG化显著提高了GO的胶体稳定性、生物相容性和载药效率(DLE≈80%)，并实现了pH响应释放。zeta电位分析显示了pH依赖性电荷反转特性，有利于肿瘤靶向。体外释放研究证实了pH触发释放机制与PEG介导的扩散屏障相结合的特性，确保在循环系统中(pH 7.4)释放最少，而在酸性肿瘤微环境(pH 5.3)中控制性加速释放。

DFT模拟从原子水平揭示了药物-载体相互作用机制，表明π-π堆积、氢键(1.8–2.2 ?)和静电作用主导TAM吸附。GO-O-PEG(氧连接，ΔG=?1.50 eV)与GO-C-PEG(碳连接，ΔG=?1.30 eV)的比较表明，氧介导的结合具有更优越的热力学稳定性和控释特性。RDG分析证实了非共价相互作用的主导地位，TAM@GO-O-PEG显示出最有利的结合能，可实现持续药物滞留。

HOMO-LUMO能隙(2.5–3.3 eV)和亲电性指数(ω=5.22–7.81 eV)计算突出了纳米复合物的电子稳定性和反应性，TDDFT光学光谱与实验UV-Vis数据吻合良好，验证了计算模型。IR光谱证实了官能团的存在和药物-载体相互作用，增强了合成体系的可靠性。

该研究通过实验优化与DFT建模的协同作用，为设计下一代纳米治疗药物提供了稳健框架，有望显著改善ER??乳腺癌的治疗效果。