基于计算机模拟的评估：碳纳米管（CNTs）、石墨烯量子点（GQDs）和氧化石墨烯（GO）作为淀粉样蛋白-β（amyloid-β）聚集调节剂的作用

《Next Materials》：In silico assessment of CNTs, GQDs and GO as modulators of amyloid-β aggregation

通过分子对接和热力学建模，评估了碳纳米管（CNTs）、石墨烯量子点（GQDs）和石墨烯氧化物（GO）对Aβ纤维的抑制效果。结果显示，CNTs结合能最强（-14.65 kcal/mol），Ki最低（18.18 pM），表明其可能通过干扰纤维延伸发挥抗聚集作用。GQDs和GO分别通过多模态相互作用抑制早期聚集和稳定纤维。研究表明，联合使用这些材料可能更有效。

　　### 碳基纳米材料与阿尔茨海默病相关β淀粉样蛋白纤维的相互作用研究

#### 引言

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种逐渐进展且不可逆的神经退行性疾病，主要影响老年人群体，导致记忆、认知功能和行为能力的逐步下降。该病的标志性病理特征是大脑皮层和海马体中β淀粉样蛋白（Aβ）斑块的异常沉积，这是由于Aβ肽的错误折叠和自聚集过程所致。Aβ肽是淀粉样前体蛋白（APP）的蛋白水解片段，其聚集过程通常包括从形成小的寡聚中间体到原纤维，最终发展为不溶性纤维，这些纤维与阿尔茨海默病的病理特征密切相关。值得注意的是，这些聚集的Aβ物种，尤其是可溶性寡聚体，具有高度的神经毒性，已被证明能够损害突触可塑性、干扰神经元信号传递、促进氧化应激，并触发神经炎症反应。最近的研究表明，可溶性Aβ寡聚体在疾病进展和认知功能障碍中扮演着更为关键的角色，这为通过干预Aβ聚集的早期阶段来开发治疗策略提供了依据。

Aβ聚集过程由多种非共价相互作用驱动，包括氢键、疏水作用和静电相互作用，这些相互作用稳定了纤维并促进了进一步的聚集。因此，通过破坏这些分子间作用力或调节聚集过程中涉及的构象变化，成为阻断淀粉样蛋白生成和神经毒性的有吸引力的治疗策略。近年来，纳米结构材料，特别是碳纳米材料，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、可调节的表面功能化和与生物分子形成多样化非共价相互作用的能力，成为抑制蛋白质聚集的有力候选材料。碳纳米管（CNTs）、石墨烯氧化物（GO）和石墨烯量子点（GQDs）在调节Aβ聚集和蛋白质错误折叠方面表现出显著潜力，这些过程是神经退行性疾病发病机制的核心。其独特的电子结构、机械强度和可调的光致发光特性使其能够与淀粉样蛋白形成强相互作用，这与近期关于功能化CNTs在催化和电子应用方面的研究结果一致。

#### 方法

本研究采用了两种计算路径：首先，通过量子力学计算研究了CNTs、GO和GQDs的电子性质和反应性；其次，通过分子对接模拟探讨了这些纳米材料与Aβ纤维之间的相互作用。量子力学计算使用了Gaussian 09（G09）软件包，基于密度泛函理论（DFT）和B3LYP泛函，结合6–31G(d,p)基组进行几何优化和电子性质分析。通过计算总偶极矩（TDM）和分子静电势（MESP），研究人员能够深入了解这些纳米材料的化学反应性和与Aβ纤维相互作用的潜力。尽管DFT/B3LYP方法在预测稳定几何结构和电子结构方面具有良好的平衡性，但其在描述弱非共价相互作用方面可能存在一定的局限性。

为了进一步分析纳米材料的化学反应性，研究人员利用Koopmans定理计算了全球反应性描述符，如电离势（I）、电子亲和力（A）、电负性（χ）、化学势（μ）、化学硬度（η）、软度（S）和亲电性指数（ω）。这些描述符为理解纳米材料与目标分子之间的电子行为和反应趋势提供了重要信息。此外，还进行了定量结构-活性关系（QSAR）分析，计算了诸如可及表面积（Acc. Area）、极性表面积（PSA）、可及极性面积（Acc. P-area）以及静电势极值（Min ElPot, Max ElPot）等参数。这些参数有助于揭示纳米材料与Aβ聚集物之间的分子识别特征和潜在结合模式。

分子对接模拟则使用AutoDock Vina进行，采用Lamarckian遗传算法评估各种碳基纳米材料与Aβ纤维的结合亲和力。在进行对接模拟前，研究人员对Aβ纤维的结构进行了预处理，使用PDB ID: 4HIX作为聚集倾向的模型。CNTs被建模为10纳米长度和1.5纳米直径的单壁纳米管，GO则被建模为带有环氧、羧基和羟基等功能基团的单层结构，而GQDs被建模为小的石墨烯片段。为了确保对接模拟的准确性，蛋白质结构被能量最小化，使其处于最稳定的几何构型。纳米材料和蛋白质的结构在AutoDock Tools中进行了预处理，添加了极性氢原子，分配了Kollman电荷，并合并了非极性氢原子。所有配体随后被转换为pdbqt格式，以确保计算的准确性。在对接过程中，纳米材料被处理为柔性分子，允许无限制的旋转，而纤维则保持刚性。通过定义一个网格盒子，研究人员确保了对β纤维结合位点的全面覆盖。网格尺寸设置为126×126×126 ?，间距为0.375 ?，中心坐标为X=69.206，Y=17.817，Z=25.412。这一设置使得研究人员能够全面探索潜在的相互作用位点。

对接模拟完成后，所有结合构型被保存在文件.dlg中，其中包含了每个对接构型的详细信息。研究人员从中提取了结合能、Ki值和热力学参数等关键数据进行分析。通过Discovery Studio Visualizer软件，研究人员识别并分析了导致复合物稳定的非共价相互作用。特定的几何标准被用于定义这些相互作用，如氢键的识别标准为供体-受体距离最大为3.5 ?，供体-H-受体角度最小为120°；π-π堆积相互作用定义为两个相互作用芳香环的质心距离不超过3.8 ?；范德华相互作用则考虑为任何原子-原子接触在4.0 ?的截断距离内。本研究采用分子对接作为高通量计算筛选工具，以提供碳基纳米材料与Aβ纤维之间结合亲和力和相互作用模式的比较评估。通过分析结合能、抑制常数（Ki）和热力学参数，研究人员旨在确定这些材料中哪种对Aβ聚集具有最强的抑制效果，并进一步理解其分子机制，从而为开发基于纳米医学的AD治疗策略提供理论依据。

#### 结果与讨论

##### 碳基纳米材料的结构表示

图1展示了三种碳基纳米材料——CNTs、GO和GQDs的分子结构。CNTs呈现出一种弯曲的管状构型，完全由碳原子构成，排列成六边形晶格，突显了其原始、未功能化的形态。这种圆柱形的几何结构是CNTs的典型特征，也是其卓越的机械和电子性能的基础。中间的图像显示了GO的结构，它是一种被各种含氧官能团（由红色和白色原子表示）功能化的二维石墨烯片。这些官能团，包括羟基、环氧基和羧基，随机分布在碳平面中，引入了表面极性和化学活性。这种表面功能化显著影响了GO和GQDs的化学反应性和与生物系统的相容性，这在生物医学和传感应用中经常被利用。GQDs则显示为一个具有明确形状和尺寸的石墨烯纳米片段。与GO不同，GQDs主要由sp2碳网络组成，含氧官能团较少，其性质受到量子限域效应和边缘效应的显著影响。所有这些特性，加上其预测的长期抑制作用，使GQDs成为生物医学应用，尤其是神经退行性疾病调节以及光电和传感领域的极具前景的候选材料。

##### 电子密度、静电势和分子轨道分析

图2通过电子密度等值线图和静电势表面图探讨了CNTs、GO和GQDs的电子特性。电子密度等值线图显示了每种分子周围电子密度的空间分布。在CNTs中，电子密度在弯曲的碳晶格上均匀分布，表明其具有延展的π电子系统，这是sp2杂化碳的典型特征。这种延展性是CNTs优异导电性和化学稳定性的基础，已在大量文献中报道。相比之下，GO和GQDs的电子密度分布显示出局部中断，尤其是在含氧官能团区域，表明功能化导致了电子密度的局部变化。这种局部化效应已知会降低GO的导电性，同时增强其极性和与生物分子及环境物种的反应性。这些中断反映了电子性质的变化，包括导电性的下降和化学极性的增加。三维静电势表面图提供了更多关于分子化学反应性的信息。CNTs的表面具有相对均匀的静电势分布，证实了其非极性性质和低表面反应性。GO和GQDs则表现出显著的静电势差异，这些差异通过颜色梯度从蓝色（正电）到红色（负电）表示。这些变化表明了局部偶极子的存在，这些偶极子来源于含氧官能团，对材料的局部环境亲和力起着关键作用。GQDs的表面比GO更加不均匀，这可能是由于其纳米尺度尺寸、量子限域效应以及较高的边缘原子比例所致。

##### 偶极矩、带隙和总电子能量评估

表1列出了在B3LYP/6–31G(d,p)计算下，三种碳基纳米材料的总偶极矩（TDM）、带隙能量（ΔE）和总电子能量（E）。这些电子参数为理解这些材料与Aβ肽相互作用的物理化学特性提供了关键见解。TDM反映了分子极性的程度，影响其与生物靶标之间的静电相互作用。CNTs表现出最小的偶极矩（0.0003 Debye），表明其具有高度对称的非极性结构和延展的π电子系统。这种结构特性使其在与Aβ肽相互作用时具有较低的极性，而GO由于含有多种极性官能团（羟基、环氧基和羧基），表现出显著的偶极矩（10.4701 Debye），这与之前计算和实验研究中报道的GO与极性生物分子的强相互作用能力一致。GQDs具有最大的偶极矩（15.0745 Debye），这是由于其纳米结构和较高的边-面比例，使其具有最高的静电和氢键相互作用能力。带隙能量（ΔE）反映了电子转移能力和电荷转移能力。CNTs具有较窄的带隙（0.41 eV），这是半金属系统典型特征，具有优异的导电性。GO的带隙为0.82 eV，反映了氧化导致的π共轭破坏和局部电子态的形成，从而增加了其表面反应性。GQDs的带隙为0.51 eV，受益于量子限域效应和边功能化，使其电荷转移能力可调，这对调节Aβ肽的相互作用至关重要。总电子能量（E）则衡量了分子的内在稳定性。GO表现出最负的总电子能量（?95531.36 eV），表明其由于尺寸和功能多样性而具有高度稳定的结构。CNTs次之，具有?83354.7 eV的总电子能量，归因于强sp2碳键。GQDs的总电子能量（?68462.91 eV）相对较低，这与其小尺寸和高表面能有关，尽管这种反应性对动态生物分子相互作用有益。这些计算描述符与之前报道的碳纳米结构的电子趋势一致，并且与它们在Aβ肽上的分子对接和抑制性能密切相关。这些发现突出了CNTs、GO和GQDs在调节Aβ聚集方面的互补性。CNTs提供快速而强的结合，GQDs则表现出持久而选择性的结合，而GO则在中等程度上表现出可调的抑制作用。这种互补性表明，结合这三种纳米材料的组合策略可能在抗淀粉样蛋白治疗中产生更好的疗效。

##### 全局反应性描述符

表2提供了对研究中碳基纳米材料的电子结构和化学行为的深入见解，通过分析HOMO和LUMO能量以及多个全局反应性描述符。HOMO和LUMO能量在理解这些分子的电子供体和受体倾向方面起着关键作用。CNTs具有相对较高的HOMO（?3.79 eV）和LUMO（?3.38 eV）能量，表明其具有较窄的带隙和更广泛的π电子系统。这种广泛分布的电子云表明CNTs具有优异的导电性和机械强度。相比之下，GO的HOMO和LUMO能量较低（?4.72 eV和?3.90 eV），这是由于含氧官能团的存在中断了π共轭，导致局部电子态的形成，并产生带隙。这种中断使得GO的电子云分布不对称，聚集在功能化区域，表明其具有较高的化学反应性和较低的导电性。GQDs则表现出最低的HOMO（?4.93 eV）和LUMO（?4.42 eV）能量，这表明其具有更好的量子限域效应和更强的电子受体能力。电离势（IP）和电子亲和力（EA）则进一步区分了这些材料。GQDs的IP和EA值分别为4.93 eV和4.42 eV，表明其具有更强的电子结合能力和较低的氧化倾向。GO的IP和EA值分别为4.72 eV和3.90 eV，而CNTs的IP和EA值分别为3.79 eV和3.38 eV，这与其化学惰性特征一致。这些参数反映了GQDs在生物系统中的更高稳定性和反应性。

化学势（μ）从CNTs（?3.59 eV）到GO（?4.31 eV）再到GQDs（?4.68 eV）逐渐变得更负，表明它们对电子的吸引力不断增强。更负的化学势意味着更强的电子捕获能力，从而形成稳定的电荷转移复合物。化学硬度（η）和软度（S）进一步区分了这些材料。GO的化学硬度最高（0.41 eV），表明其对电子扰动的抵抗力更强，而CNTs的化学硬度最低（S = 4.88 eV?1），表明其在生物系统中具有较高的反应性和适应性。GQDs的化学硬度（0.26 eV）和软度（3.92 eV?1）处于中间位置，使其在生物系统中具有良好的适应性。这些描述符与前线分子轨道理论一致，其中较软的物质表现出更强的电荷转移能力和对亲电或亲核位点的反应性。亲电性指数（ω）方面，GQDs的值最高（42.85 eV），远高于GO（22.65 eV）和CNTs（31.35 eV）。这一高亲电性反映了其更强的电子受体能力，表明其在与亲核或电子密集的Aβ寡聚体相互作用方面具有优势。综合来看，这些特性突出了CNTs和GQDs在调节Aβ聚集方面的更高化学反应性和电子可调性，确认了它们在抗淀粉样蛋白治疗中的高效性。

##### QSAR描述符和分子相互作用潜力

表3列出了在B3LYP/6–31G(d,p)计算下，三种碳基纳米材料的QSAR描述符，这些描述符揭示了它们在表面特性、极性和相互作用潜力方面的差异。分子体积和可及表面积是衡量分子相互作用能力的重要参数。CNTs和GO具有相似的体积，分别为891.67 ?3和900.67 ?3，而可及表面积分别为523.11 ?2和551.31 ?2。GQDs则表现出显著较小的体积（657.77 ?3）和表面积（419.33 ?2），这与其纳米尺寸和高边-面比例有关。这些特性增强了其表面与体积的比率，这对生物分子相互作用和渗透至关重要。极性表面积（PSA）和可及极性面积（Acc. P-area）与分子的极性和氢键形成能力及溶解性密切相关。GO的PSA和Acc. P-area分别为160.431 ?2和156.32 ?2，远高于CNTs（PSA为0），这表明GO具有更高的亲水性，可能更适用于与极性生物分子如Aβ肽的相互作用。GQDs的PSA和Acc. P-area分别为122.369 ?2和142.47 ?2，表明其在生物系统中具有较高的极性和反应性。

电荷极化能力（极化率）与分子大小和共轭程度相关。CNTs（113.62 a.u.）和GO（114.25 a.u.）由于其较大的尺寸和延展的π电子系统，表现出较高的极化率。GQDs的极化率（94.62 a.u.）虽然较低，但其纳米尺寸仍使其具备足够的电子灵活性，以支持分子间的相互作用和电荷转移过程。通过QSAR描述符的分析，进一步验证了GQDs在分子相互作用方面的优势。其紧凑的尺寸、较高的极性、可调的带隙和增强的分子反应性使其成为调节Aβ聚集的有前景的候选材料。这些特性不仅表明GQDs在生物医学应用中的潜力，还暗示其在长期治疗中的适用性。

##### 碳基纳米材料与Aβ纤维的相互作用：分子对接和结合机制

分子对接分析显示，CNTs、GO和GQDs与Aβ纤维的结合模式各具特色。图4展示了CNTs与Aβ纤维的对接相互作用。整体结构可视化显示，CNTs嵌入了纤维的疏水沟槽中，沿着纤维的纵向轴对齐。这种空间取向表明CNTs可能通过物理干扰来影响纤维的扩展或稳定。这种局部结合模式使CNTs能够干扰特定的聚集区域，从而成为抑制纤维延伸和成熟阶段的优良候选。相比之下，GO的结合模式更加扩散和广泛，这是由于其平面结构和密集的含氧官能团所致。GO通过氢键、静电相互作用和范德华力在纤维的多个区域形成密集的相互作用网络。这种多价结合使GO能够屏蔽更大的蛋白质表面，并可能在更广泛和持续的抑制机制中发挥作用，使其适合于抗聚集疗法或生物传感平台。GQDs则表现出一种介于CNTs和GO之间的结合模式。对接模拟显示，GQDs紧密贴合纤维的β片层区域，通过π-π堆积和定向氢键形成稳定作用。GQDs的结合行为是多模式的，既具有表面适应性，又具有对聚集热点的选择性。这种多功能和灵活的结合特性使GQDs在调节Aβ聚集方面具有显著优势，特别是在早期阶段的寡聚化或抑制纤维成核过程中。

表4总结了碳基纳米材料与Aβ纤维相互作用的分子对接特征及其生物医学意义。从几何结构来看，CNTs呈圆柱形，GO呈平面结构，而GQDs则为纳米尺度的平面结构。主要的相互作用类型中，CNTs主要通过范德华力和π-烷基相互作用与纤维的C端疏水区域结合。GO则通过氢键和π-π堆积与纤维的多个区域相互作用，而GQDs则通过范德华力和π-π堆积与纤维的β片层表面结合。结合的广度方面，CNTs表现出局部的纤维破坏，GO则具有广泛的多价结合能力，而GQDs则具有中间的结合广度。这些不同的结合特性意味着CNTs在短时间内的直接抑制效果最强，而GQDs则在长时间内表现出更强的调节能力，特别是在抑制纤维成核过程和防止有毒淀粉样结构的形成方面。

表5比较了不同纳米材料与Aβ纤维结合时的结合能和抑制常数（Ki值）。结合能方面，CNTs表现出最低的结合能（?14.65 kcal·mol?1），表明其与Aβ纤维的结合最为有利。GO和GQDs的结合能分别为?13.78 kcal·mol?1和?13.00 kcal·mol?1，尽管这些值仍然表明了较强的相互作用，但它们的稳定性不如CNTs。Ki值方面，CNTs的Ki值为18.18 pM，表明其对Aβ纤维的抑制能力最强。GO的Ki值为79.30 pM，而GQDs的Ki值为295.22 pM。尽管GQDs的Ki值高于CNTs，但其多功能的结合模式，如π-π堆积、氢键和范德华力，使其在抑制纤维成核过程中表现出更优的性能。GO则表现出介于CNTs和GQDs之间的抑制效果，虽然其结合强度不如CNTs，但其通过π-π堆积和氢键与纤维的多个区域相互作用的能力使其成为抗聚集干预的中等但可行的候选材料。

##### 热化学性质

表6总结了在298.15 K下计算得到的热化学性质。这些性质包括配分函数（Q）、亥姆霍兹自由能（A）、内能（U）和熵（S），为理解它们与配体或受体相互作用的稳定性、能量和混乱度提供了重要信息。配分函数（Q）表示系统在298.15 K下的可访问状态或构型数量。在本研究中，所有三种结构——CNTs（102.27）、GO（102.04）和GQDs（102.03）——具有几乎相同的配分函数值，表明它们在该温度下具有相似的可访问状态或构型数量。这表明这些纳米材料在给定温度下的灵活性或潜在结构相似。CNTs表现出最负的亥姆霍兹自由能（A = ?2741.76 kcal·mol?1），其次是GO（?2740.43 kcal·mol?1）和GQDs（?2740.38 kcal·mol?1），表明在当前计算协议下，CNTs复合物具有略微更高的热力学优势。内能（U）反映了系统的总能量，更负的值意味着更稳定的系统。CNTs的内能为?13.28 kcal·mol?1，而GO和GQDs分别为?11.96 kcal·mol?1和?11.90 kcal·mol?1。熵（S）则衡量了系统中的混乱度或随机性，所有三种材料在该温度下的熵值相同，为9.15 kcal·mol?1·K?1，表明在结合能和内能方面的差异并未影响它们的结合混乱度或灵活性。这些热化学性质为理解CNTs、GO和GQDs在抑制Aβ聚集中的不同作用提供了依据。

#### 结论

本研究分析了碳基纳米材料（CNTs、GQDs和GO）与Aβ纤维之间的相互作用，揭示了它们在调节淀粉样蛋白聚集方面的独特而互补的特性。分子对接结果表明，CNTs表现出最强的结合亲和力，其结合能为?14.65 kcal·mol?1，Ki值为18.18 pM，表明其在短时间内的直接抑制效果最强。尽管这些计算结果具有预测性，但为了确认其治疗效果，需要进一步的实验研究和增强采样模拟（如分子动力学和自由能计算）。相比之下，GQDs表现出最佳的抑制活性，特别是在早期阶段的聚集过程中，其Ki值为295.22 pM，结合能为?13.00 kcal·mol?1。虽然GQDs的Ki值高于CNTs，但其多功能的结合模式，如π-π堆积、氢键和范德华力，使其在防止纤维成核过程中表现出更高的潜力。GO则在结合能和Ki值上处于中间位置，其结合能为?13.78 kcal·mol?1，Ki值为79.30 pM，表明其在抑制Aβ聚集方面具有中等但可行的潜力。尽管其结合强度不如CNTs，但GO能够通过π-π堆积和氢键与纤维的多个区域相互作用，使其成为抗聚集干预的可行候选。

综上所述，尽管CNTs在结合能和Ki值方面表现出最强的抑制效果，GQDs在长期调节Aβ聚集方面显示出更大的潜力，特别是在防止早期聚集过程和有毒淀粉样结构的形成。GO则在结合能和Ki值之间表现出中间效果，其通过广泛的相互作用能力在抗聚集疗法中具有一定的应用前景。这些发现强调了CNTs和GQDs在抗淀粉样蛋白治疗中的互补作用，表明结合它们的综合治疗策略可能更全面地应对与淀粉样蛋白相关的神经退行性疾病。通过将分子对接结果与热化学和电子结构描述符相结合，本研究在可重复的比较框架中提出了关于CNTs、GQDs和GO如何差异化调节Aβ聚集的阶段性、可测试的假设，为优先选择材料和指导实验设计提供了机制依据。未来进一步的实验验证和这些材料的优化将有助于开发更有效的治疗策略。