Investigating the quantum mechanics of the absorption of the alkylating agent dacarbazine on carbon nanotubes functionalized with the amino acid alanine as promising nanocarriers for drug delivery
Subject Areas : Modeling
Mohammad Hassan Jamshidi
1
,
Neda Hasanzadeh
2
,
Hooriye Yahyaei
3
,
Amir Bahrami
4
1 - Department of Chemistry, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
2 - Department of Chemistry, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
3 - Department of Chemistry, Zanjan Branch, Islamic Azad University, Zanjan, Iran
4 - Department of Physics, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
Keywords: Anticancer drug dacarbazine, Carbon Nanotube, Amino acid alanine, Quantum Mechanics.,
Abstract :
Drug delivery by drug nanocarriers is a new window in the science of drug delivery and not only helps to reduce the side effects of drugs but also plays a significant role in improving drug release efficiency. On the other hand, carbon nanotubes have unique properties, which have always attracted the attention of researchers. This research is focused on the efficiency of alanine-functionalized carbon nanotubes (Alanine-SWNTs) in the delivery of the anticancer drug dacarbazine (DAC) through density functional theory (DFT) calculations. Calculations for non-functionalized carbon nanotubes (SWNTs) are also included for comparison. The results show that the absorption of the anticancer drug dacarbazine with non-functionalized carbon nanotubes (SWNTs) is spontaneous and exothermic, but due to its insolubility in water, the application of this complex is limited. The complex formed by dacarbazine drug and carbon nanotube functionalized with amino acid Alanine has a greater absorption area and greater solubility than the non-functionalized carbon nanotube. Quantum mechanical calculations show that carbon nanotubes functionalized with the amino acid alanine are more reactive than non-functionalized carbon nanotubes. As a result, carbon nanotubes functionalized with alanine amino acid will be promising for dacarbazine absorption in drug delivery applications.
مراجع [1] S. Ahmadi, A. Hosseinian, P. Delir Kheirollahi Nezhad, A. Monfared, and E. Vessally, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. 38, (2019), p. 1.
[2] J. Jumintono, S. Alkubaisy, K. Singh, I. Mikolaychik, and L. Morozova, Archives of Razi Institute. 76, (2021), p. 115. https://doi.org/10.22092/ari.2021.355901.1735.
[3] F. Gharibzadeh, E. Vessally, L. Edjlali, M. Es' haghi, and R. Mohammadi, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE). 39, (2020), p. 51. https://doi.org/10.30492/ijcce.2020.106867.3568.
[4] V. Khodadadi, N. Hasanzadeh, H. Yahyaei, and A. Rayatzadeh, J. Chil. Chem. Soc. 66, (2021), p. 5365. http://dx.doi.org/10.4067/s0717-97072021000405365
[5] H. Yahyaei, S. Sharifi, S. Shahab, M. Sheikhi, and M. Ahmadianarog, Lett. Org. Chem. 18, (2021), p. 115. https://doi.org/10.2174/1570178617999200818104322.
[6] Y. Cao, M. El-Shorbagy, K. Sharma, S. Alamri, A.A. Rajhi, A.E. Anqi, and A. El-Shafay, J. Mol. Liq. 344, (2021), p. 117967. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117967.
[7] H.R.A.K. Al-Hetty, M.S. Al-Lami, S.F. Jawad, I. Waleed, A. Mohamed, M.M. Kadhim, and M. Derakhshandeh, J. Biotechnol. 359, (2022), p. 142. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2022.10.001.
[8] J.Y. Li, Y.H. Tang, L. Tang, and L.Y. Chen, J. Mol. Model. 28, (2022), p. 249. https://doi.org/10.1007/s00894-022-05248-y.
[9] F. Marofi, O.F. Abdul‐Rasheed, H.S. Rahman, H.S. Budi, A.T. Jalil, A.V. Yumashev, A. Hassanzadeh, M. Yazdanifar, R. Motavalli, and M.S. Chartrand, Cancer Science. 112, (2021), p. 3427. https://doi.org/10.1111/cas.14993.
[10] E. Vessally, and A. Hosseinian, Iran. J. Chem. Chem. Eng. Research Article Vol. 40, (2021). https://doi.org/10.30492/ijcce.2020.122123.3987.
[11] J. Kaur, G. Gill, and K. Jeet, Elsevier., (2019), p. 113.
[12] Sarjito, M. Elveny, A.T. Jalil, A. Davarpanah, M. Alfakeer, A.A. Awadh Bahajjaj, and M. Ouladsmane, International Journal of Chemical Reactor Engineering. 19, (2021), p. 1179. https://doi.org/10.1515/ijcre-2021-0063.
[13] B. Hashemzadeh, L. Edjlali, P. Delir Kheirollahi Nezhad, and E. Vessally, Chemical Review and Letters. 4, (2021), p. 232. https://doi.org/10.22034/crl.2020.187273.1087.
[14] S. Chupradit, A.T. Jalil, Y. Enina, D.A. Neganov, M.S. Alhassan, S. Aravindhan, and A. Davarpanah, Journal of Nanomaterials. 2021, (2021), p. 1. https://doi.org/10.1155/2021/3250058.
[15] Q. Zou, P. Xing, L. Wei, and B. Liu, Rna. 25, (2019), p. 205. https://doi. org/10.1261/rna.069112.118.
[16] Z. Li, A.L.B. de Barros, D.C.F. Soares, S.N. Moss, and L. Alisaraie, Int. J. Pharm. 524, (2017), p. 41. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2017.03.017.
[17] W. Mu, Q. Chu, Y. Liu, and N. Zhang, Nano-Micro Letters. 12, (2020), p. 1. https://doi.org/10.1007/s40820-020-00482-6.
[18] R.V. Mundra, X. Wu, J. Sauer, J.S. Dordick, and R.S. Kane, Curr. Opin. Biotechnol. 28, (2014), p. 25. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2013.10.012.
[19] N.K. Mehra, and S. Palakurthi, Drug Discovery Today. 21, (2016), p. 585. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2015.11.011.
[20] M.I. Sajid, U. Jamshaid, T. Jamshaid, N. Zafar, H. Fessi, and A. Elaissari, Int. J. Pharm. 501, (2016), p. 278. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2016.01.064.
[21] N. Saifuddin, A. Raziah, and A. Junizah, Journal of Chemistry. 2013, (2013). https://doi.org/10.1155/2013/676815.
[22] R.H. Baughman, A.A. Zakhidov, and W.A. De Heer, science. 297, (2002), p. 787. https://doi.org/10.1126/science.1060928.
[23] K. Balasubramanian, Chemically Functionalized Carbon Nanotubes. small. 1, p. 180. https://doi.org/10.1002/smll.200400118.
[24] K. Balasubramanian, and M. Burghard, small. 1, (2005), p. 180. https://doi.org/10.1002/smll.200400118.
[25] J. Chen, S. Chen, X. Zhao, L.V. Kuznetsova, S.S. Wong, and I. Ojima, Journal of the American Chemical Society. 130, (2008), p. 16778. https://doi.org/10.1021/ja805570f.
[26] Z. Ou, B. Wu, D. Xing, F. Zhou, H. Wang, and Y. Tang, Nanotechnology. 20, (2009), p. 105102. https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/10/105102.
[27] M. Eslami, M. Moradi, and R. Moradi, Vacuum. 133, (2016), p. 7.
[28] F. Molani, S. Jalili, and J. Schofield, Int. J. Hydrogen Energy. 41, (2016), p. 7431.
[29] X. Ji, C. Hou, Y. Gao, Y. Xue, Y. Yan, and X. Guo, Food & function. 11, (2020), p. 163. https://doi.org/10.1039/C9FO02171J.
[30] P. Singh, S. Campidelli, S. Giordani, D. Bonifazi, A. Bianco, and M. Prato, Chem. Soc. Rev. 38, (2009), p. 2214. https://doi.org/10.1039/B518111A.
[31] I. Kumar, S. Rana, and J.W. Cho, Chemistry–A European Journal. 17, (2011), p. 11092. https://doi.org/10.1002/chem.201101260.
[32] J.L. Bahr, and J.M. Tour, J. Mater. Chem. 12, (2002), p. 1952. https://doi.org/10.1039/B201013P.
[33] A. Bensghaïer, F. Mousli, A. Lamouri, P.S. Postnikov, and M.M. Chehimi, Chemistry Africa. 3, (2020), p. 535. https://doi.org/10.1007/s42250-020-00144-5.
[34] P. Oskin, I. Demkina, E. Dmitrieva, and S. Alferov, Nanomaterials. 13, (2023), p. 1630. https://doi.org/10.3390/nano13101630.
[35] C. Cao, Y. Zhang, C. Jiang, M. Qi, and G. Liu, ACS Applied Materials & Interfaces. 9, (2017), p. 5031. https://doi.org/10.1021/acsami.6b16108.
[36] A.A. Mohamed, Z. Salmi, S.A. Dahoumane, A. Mekki, B. Carbonnier, and M.M. Chehimi, Adv. Colloid Interface Sci. 225, (2015), p. 16. https://doi.org/10.1016/j.cis.2015.07.011.
[37] S.T.R. Naqvi, T. Rasheed, D. Hussain, M.N. ul Haq, S. Majeed, N. Ahmed, and R. Nawaz, J. Mol. Liq. 297, (2020), p. 111919. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111919.
[38] M.W. Schmidt, K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J.H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K.A. Nguyen, and S. Su, J. Comput. Chem. 14, (1993), p. 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112.
[39] M. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, and G. Petersson, Gaussian 09, revision D. 01. 2009, Gaussian, Inc., Wallingford CT.
[40] D. Olegovich Bokov, A.T. Jalil, F.H. Alsultany, M.Z. Mahmoud, W. Suksatan, S. Chupradit, M.T. Qasim, and P. Delir Kheirollahi Nezhad, Molecular Simulation. 48, (2022), p. 438. https://doi.org/10.1080/08927022.2021.2025234.
[41] J. Tomasi, and M. Persico, Chem. Rev. 94, (1994), p. 2027. https://doi.org/10.1021/cr00031a013.
[42] P. Singla, M. Riyaz, S. Singhal, and N. Goel, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, (2016), p. 5597. https://doi.org/10.1039/C5CP07078C.
[43] H.K. Hussein, N.M. Aubead, H.H. Kzar, Y.S. Karim, A.H. Amin, M.E. Al-Gazally, T.I. Ahmed, M.A. Jawad, A.T. Hammid, and A.T. Jalil, Diabetology & Metabolic Syndrome. 14, (2022), p. 74. https://doi.org/10.1186/s13098-022-00844-7.
[44] A. Soltani, M.T. Baei, E.T. Lemeski, S. Kaveh, and H. Balakheyli, J. Phys. Chem. Solids. 86, (2015), p. 57. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2015.06.008.
[45] M.K. Hazrati, Z. Javanshir, and Z. Bagheri, J. Mol. Graphics Modell. 77, (2017), p. 17. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2017.08.003.
[46] S. Chupradit, M.K. Nasution, H.S. Rahman, W. Suksatan, A.T. Jalil, W.K. Abdelbasset, D. Bokov, A. Markov, I.N. Fardeeva, and G. Widjaja, Anal. Biochem. 654, (2022), p. 114736. https://doi.org/10.1016/j.ab.2022.114736.
بررسی مکانیک کوانتومی جذب داروی عامل آلکیلهکننده داکاربازین بر روی نانولوله های کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین به عنوان نانوحامل های امیدوارکننده برای دارورسانی
محمد حسن جمشیدی1، ندا حسن زاده1،حوریه یحیایی2*، امیر بهرامی3
1 گروه شیمی، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
2 گروه شیمی، واحد زنجان، دانشگاه آزاد اسلامی، زنجان، ایران
3 گروه فیزیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
hooriye_yahyaei @yahoo.com
1- مقدمه
در حال حاضر روشهای درمانی سرطان عبارتند از جراحی، پرتودرمانی و شیمیدرمانی، که غالباً روشهایی دردآور و پرهزینه با اثرات جانبی شدید هستند[3, 9] .
پژوهشها برای دارورسانی هدفمند به کمک نانولوله ها به نواحی تحت تأثیر سرطان، نشان میدهد پتانسیل زیادی برای استفاده از این ساختارها برای کاهش درد، هزینه و اثرات جانبی در درمان سلولهای سرطانی وجود دارد[10]. یک سیستم دارورسانی توسط نانو ساختارها برای جذب و واجذب کنترل شده و بارگیری و هدف گیری هدفمند داروها، تصویربرداری و تجهیزات تحلیلی و نانوترانوستیک مورد استفاده قرار می گیرد که این امر نشان دهنده یک رویکرد کارآمد در بهبود درمان های ضد سرطان است[11-14]. دارو رسانی توسط نانو حامل های دارویی دریچه ای نو در علم دارو رسانی است و نه تنها به کاهش عوارض جانبی داروها کمک می کند، بلکه نقش قابل توجهی در بهبود کارایی رهایش دارو دارد[15]. از سوی دیگر نانو لوله های کربنی دارای خواص منحصر به فردی هستند که همواره مورد توجه محققان قرار گرفته اند[4].
نانولولههای کربنی بسیار سبک هستند و به دلیل انعطافپذیری زیاد، چگالی کم(9/1~ گرم بر سانتیمتر مکعب)، ویژگیهای الکتریکی، حرارتی و نسبت سطح به حجم بالا، توجه زیادی را در تحقیقات و کاربردهای زیست پزشکی به خود جلب کردهاند و باعث شدهاند که نانولولههای کربنی بهعنوان نانوحامل برای دارورسانی تولید شوند[16-20].
نانولولههای کربنی به دو دسته تقسیم می شوند: تک جداره(SWCNTS) و چند جداره(MWCNTS)[21, 22]. نانولوله های کربنی تک جداره قطری بین 3 - 4/0 نانومتر و دارای سه شکل کایرال، زیگزاگ و صندلی هستند[16, 17, 21, 23, 24]. اطلاعات دقیقی در مورد ساختار و سنتز SWNT ها در دسترس است[20].
توانایی SWCNTS ها برای حمل بیشتر داروها و غشای سلولی متقاطع و دوام بیشتر در گردش خون از مهمترین مزایای SWCNTS ها در مقایسه با MWCNTS ها است[16, 25, 26].
نانولوله های کربنی به عنوان حامل های دارو، می توانند سلول های سرطانی را مورد هدف قرار دهند و با استفاده از مقدار کمتری از دارو، سلولهای سرطانی را مورد هدف قرار داده و با ایجاد عوارضی کمتر، سلول های سرطانی را از بین ببرند[27-29]. اما بررسی نانولوله های کربنی نشان می دهد که، عموما به دلیل عدم حلالیت زیستی کافی در فاز آبی در دارورسانی با مشکلاتی مواجه می شوند[30, 31]. نانولوله های کربنی به دلیل برهمکنش قوی واندروالسی بین سیستمهای آروماتیک، به هم میچسبند و تقریباً نامحلول میشوند، بنابراین قدرت تولید نانومواد را ندارند[32, 33]. از اینرو باید با یک اصلاح موثر به دنبال کاهش برهمکنش های بین مولکولی بود، تا بتواند با افزایش حلالیت آبی این نانوحامل ها همراه باشد[33-37]. در این تحقیق عامل دار کردن نانولوله های کربنی با اسید آمینه آلانین نشان میدهد که افزایش قابل ملاحظه ای در حلالیت کمپلکس نانو کربن عاملدار شده با داروی ضد سرطان داکاربازین اتفاق افتاده است.
در واقع در این پژوهش سعی بر آن شده است که به منظور توسعه یک سیستم جدید مبتنی بر نانولوله های کربنی عامل دار شده برای انتشار مولکولهای دارو در سلولهای سرطانی هدف مورد استفاده قرار گیرد. تئوری تابع چگالی1(DFT) برای تجزیه و تحلیل نظری جذب داروی ضد سرطان داکاربازین(DAC) بر روی هر دو نانولوله های کربنی عاملدار شده و نشده بکاربرده شد. محاسبات مربوط به انرژی جذب، پایداری هندسی، انرژی حلالپذیری و خواص الکترونیکی در فازهای گازی و آبی اندازهگیری شد. آنالیز اوربیتال پیوند طبیعی2(NBO) برای ارزیابی انتقال بار بین مولکول دارو و نانوحامل ها اجرا شد. همچنین خواص الکترونیکی با استفاده از تجزیه و تحلیل چگالی حالت3(DOS) مورد مطالعه و تجزیه تحلیل قرار گرفت. نتایج بدست آمده ما را به اهداف مورد نظر در کاربرد دارورسانی نانوحامل های کربنی نزدیک می نماید.
کلیه محاسبات مکانیک کوانتومی و نظریه تابعیت چگالی با خط دستور B3LYP و سری پایه 6-31+G** با نرم افزار گوسین 09 انجام شد[38, 39]. علیرغم استفاده مشترک از روش محاسیاتیB3LYP، خطای برهم نهش مجموعه پایه4(BSSEs) از طریق اصلاح هندسی متقابل مورد محاسبه قرار گرفت[40]. زیرا این فاکتور نقش کلیدی در دارورسانی ایفا می کند. آب به عنوان یک حلال قطبی و با ثابت دی الکتریک بالا معمولاً به عنوان یک حلال سبز و بدون هرگونه سمیت مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین اثرات حلال آب از طریق مدل پیوستار قطبش پذیر5(PCM) مورد بررسی قرار گرفت[41]. انرژی جذب در فازهای آبی و گازی طبق معادله 1 محاسبه شد.
(1)Ead=Ecomplex - (Enanotube + Edrug) + E BSSE
همانطور که در رابطه بالا مشاهده می شود Ecomplex نشاندهنده انرژی کمپلکس نانو لوله (عامل دار نشده و عامل دار شده با اسید آمینه آلانین) و دارو است. انرژی جذب منفی نشان دهنده ی گرمازا بودن این فرایند است. علاوه بر این Enanotube و Edrug به ترتیب نشان دهنده انرژی نانولوله کربنی (عامل دار نشده و عامل دار شده) و دارو قبل از فرایند جذب است.
در محیط آبی، حلالیت کمپلکس ها بر اساس انرژی حلالیت (Esolv) از طریق معادله 2 محاسبه میشود[42].
(2) Ead=Esolv -Egas
انرژی حلالیت برای ارزیابی قابلیت حل کمپلکس در فاز آبی محاسبه شد[42]. Esolv انرژی کل کمپلکس در فاز آبی است، در حالی که Egas نشان دهنده کل انرژی کمپلکس در فاز گازی است. توصیفگرهای کوانتومی که اطلاعاتی در مورد واکنشپذیری مولکولها ارائه میدهند عبارتند از انرژی بالاترین اوربیتال اشغال شده(HOMO)، انرژی پایینترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده(LUMO)، گپ انرژی(Eg)، پتانسیل یونش(I)، انرژی الکترونخواهی(A)، پتانسیل شیمیایی الکترونی(µ)، الکترونگاتیوی(χ)، سختی شیمیایی(η)، نرمی شیمیایی(s)، شاخص الکتروفیلی(ω). از معادلات 3 تا 7 برای محاسبه توصیف گرهای کوانتومی استفاده شد.
(3) 
(4) 
(5) 
(6) 
(7) 
3- نتایج و بحث
1-3- تحلیل ساختاری
ارزیابی پتانسیل الکترواستاتیک مولکولی6(MEP) برای درک بیشتر محل های اتصال مورد استفاده قرار گرفت. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، مناطق قرمز نشان دهنده بالاترین پتانسیل مثبت هستند، در حالی که مناطق آبی نشان دهنده مناطق غنی از الکترون هستند. همانطور که مشاهده می شود، نانولوله کربنی بکر عامل دار نشده دارای یک سطح تقریبا خنثی
شکل 1. داروی ضد سرطان دکاربازین
|
شکل 2. کمپلکس داروی ضد سرطان دکاربازین با نانولوله عاملدار نشده |
می باشد، در حالی که نانولوله عامل دار شده با اسید آمینه آلانین هم نقاط منفی و هم نقاط مثبت را شامل می شود. در نتیجه می توان گفت که برهمکنش های الکترواستاتیکیAlanine-SWNTs بسیار بزگ تر از نانولوله کربنی عامل دار نشده است. محاسبات Mep نشان می دهد که بار مثبت روی سر H گروه CH3 در داروی داکاربازین قرار دارد و این در حالی است که مناطق غنی از الکترون روی اتم O قرار دارد. داروی داکاربازین روی نانولوله عامل دار شده با اسید آمینه آلانین به عنوان جاذب با دو صورت بندی A1 و A2 قرار گرفته است(شکل 4).
پیکربندی A1 و A2 به طور قابل توجهی از نظر انرژی با هم تفاوت داشتند. کمپلکس با جهت گیری A1 دارای انرژی جذب شکل 3. کمپلکس داروی ضد سرطان دکاربازین با نانولوله بهینه شده با اسید آمینه آلانین با جهت گیری (الف) A1 و (ب) جهت گیری A2.
[1] Density Function Theory
[2] Natural Bond Orbital
[3] Density of States
[4] Basis Set Superposition Error
[5] Polarizable Continuum Model
[6] Molecular Electrostatic Potential
ب | ج | |
شکل 4. نمودار پتانسیل الکترواستاتیک(Mep) داروی داکاربازین با (الف)نانولوله عامل دار نشده، (ب) نانولوله عامل دار شده با اسید آمینه آلانین با جهت گیری A1 و (ج) نانولوله عامل دار شده با اسید آمینه آلانین با جهت گیری A2. | ||
معادل 93/26- کیلو کالری بر مول است، در حالی که کمپلکسA2 دارای انرژی جذب معادل 03/13- کیلو کالری بر مول را نشان میدهد. نتایج نشان می دهد که مقدار انرژی جذب ساختار A1 منفی تر از ساختار A2 است. همانطور که محاسبات نشان می دهد وجود اسید آمینه آلانین باعث افزایش راندمان در جذب دارو شده است. علاوه بر این، کمپلکس دارو با نانولوله عامل دار شده حاوی فعل و انفعالات بیشتری بوده و با تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین سطح دارو و جاذب به طور قابل توجهی جذب داروی داکاربازین با نانولوله ها افزایش مییابد.
تحقیقات زیادی، برهمکنش BNNT (5, 5) و فولرن C60 با 5-فلوئورواوراسیل را مورد مطالعه قرار دادند[43-46]. نتایج نشان داده که برهمکنش های بسیار ضعیفی در این ترکیبات وجود دارد، که با اصلاح ساختار می توان به طور قابل ملاحظهای برهمکنش های موثر آن ها را افزایش داد[44, 45].
2-3- خواص الکترونیکی و گشتاورهای دوقطبی
گشتاورهای دوقطبی ترکیبات در جدول 1 گزارش شده است. محاسبات نشان میدهد که قطبیت نانولوله عامل دار نشده کمتر از نانولوله عامل دار شده با آلانین است. قطبیت قابل توجه نانولوله عامل دار شده (Alanine-SWNTs) به دلیل حضورگروه عاملی هیدروکسیل است. کمپلکس های تشکیل شده داروی داکاربازین و نانولوله کربنی عامل دار شده با آلانین قطبی بوده که نشان دهنده حلالیت آن در فاز آبی است. محاسبات گپ هومو و لومو و نتایج شکاف انرژی ( جدول 1) نشان می دهد که هر چه شکاف انرژی بزرگ تر باشد، احتمال انتقال الکترون از داکاربازین به نانو لوله کاهش یافته و جذب نیزکاهش می یابد (شکلهای 5-7).
مقادیرگپ هومو و لومو (Eg) از معادله زیر بدست میآید.
(8) Eg=ELUMO-EHOMO
لذابا توجه به مقادیر Eg میتوان گفت که نانولولههای عامل دار شده (Alanine-SWNTs) نسبت به نانولولههای عامل دار نشده (SWNTs) تغییر رسانایی الکتریکی بیشتری دارند و بر این اساس جذب داکاربازین در نانولوله های عامل دار شده با انتقال بارهای جزئی بهتر صورت می پذیرد(شکلهای 5-7). تجزیه و تحلیل انتقال بارهای جزئی1(PCT) کمپلکس داکاربازین با SWNTs نزدیک به e 019/0 است، در حالی که انتقال بارهای جزئی داکاربازین باAlanine-SWNTs تقریباً e 050/0 محاسبه شده است و این بدان معناست که بارها از مولکول های دارو به جاذب منتقل شده اند. با این حال، انتقال بار در نانولوله عامل دارشده با اسید آمینه آلانین بالاتر بود و این امر نشان دهنده پیوند قوی تر دارو با جاذب است. در کمپلکس داروی داکاربازین و نانولوله کربنی عامل دار شده با آلانین پیکربندی A1 کمترین شکاف انرژی را دارد و این امر به دلیل تداخل قوی دارو و جاذب است.
3-3- توصیف گرهای مولکولی کوانتومی
توصیف گرهای مولکولی کوانتومی، سختی کلی و شاخص الکترون دوستی مربوط به واکنش پذیری نانولوله های کربنی را به خوبی ارزیابی می کند. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، نانولوله های کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین واکنش پذیرتر از نانولوله های کربنی هستند و این موضوع به خوبی با نتایج انرژی جذب مطابقت دارد. چرا که پایداری و سختی مولکول ها به طور مستقیم با یکدیگر مرتبط است. سختی معیاری برای مقاومت در برابر تغییر ابر الکترونی است.
مقدار سختی مطلق کوچکتر نانولوله های کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین نشان می دهد که نانولوله های کربنی عامل دار نشده پایدارتر از نانولوله های کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین هستند. نتایج پتانسیل شیمیایی نیز نشان می دهد که اسید آمینه آلانین جذب داروی ضد سرطان داکاربازین را بر روی سطح نانولوله کربنی افزایش می دهد. علاوه بر این محاسبات نشان می دهد که نانولوله های کربنی عامل دار نشده الکترون دوست تر از نانولوله های کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین هستند.
حلال یک پارامتر ضروری در دارورسانی مبتنی بر نانوحامل ها و به ویژه نانولوله های کربنی است. انرژی جذب از کمپلکس داروی
[1] Partial Charge Transfer
جدول 1. پارامترهای ترمودینامیکی داروی داکاربازین، کمپلکس نانولوله کربنی با داروی داکاربازین، کمپلکس نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین با جهت گیری A1 و کمپلکس نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین با جهت گیری A2 محاسبه شده با دستور B3LYP/6-31+G**
ویژگی | DAC | DAC -SWNTs | DAC-Alanine-SWNTs(A1) | DAC-Alanine-SWNTs(A2) |
HF (Hartree) | -3131.20 | -6541.21 | -7659.40 | -7666.53 |
مجموع انرژی های الکترونیکی و نقطه صفر(هارتری) | -3126.53 | -6541.09 | -7659.03 | -7666.11 |
مجموع انرژی های الکترونیکی و حرارتی(هارتری) | -3126.41 | -6541.11 | -7659.16 | -7666.27 |
مجموع آنتالپی های الکترونیکی و حرارتی(هارتری) | -3126.27 | -6541.37 | -7659.89 | -7666.91 |
مجموع انرژی های آزاد الکترونیکی و حرارتی(هارتری) | -3126.63 | -6541.39 | -7659.22 | -7666.01 |
E (Thermal) (KCal.Mol) | 834.676 | 321.703 | 276.11 | 279.07 |
CV (Cal.Mol-Kelvi) | 253.371 | 191.201 | 111.09 | 121.87 |
ممان دوقطبی(دبای) | 0.51 | 16.1 | 24.92 | 17.55 |
گروه نقطه | C1 | C1 | C1 | C1 |
EHOMO (eV) | -3.95 | -3.04 | -2.16 | -2.89 |
ELUMO (eV) | -2.32 | -1.87 | -1.64 | -1.76 |
Eg (eV) | 1.63 | 1.17 | 0.52 | 1.13 |
I (eV) | 3.95 | 3.04 | 2.16 | 2.89 |
A (eV) | 2.32 | 1.87 | 1.64 | 1.76 |
η (eV) | 0.815 | 0.585 | 0.26 | 0.565 |
ω (eV) | 1.923 | 0.916 | 0.247 | 0.656 |
شکل 5. نمای گپ هومو و لومو و نمودار DOS داروی داکاربازین با نانولوله ی عامل دار نشده
داکاربازین با نانولوله کربنی عامل دار نشده برابر 63/5- کیلوکالری بر مول است، در حالی که انرژی جذب کمپلکس داروی داکاربازین با نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین برابر 71/32- کیلو کلری بر مول است. همانطور که مشاهده می شود این انرژی جذب برای نانو حامل کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین و داروی داکاربازین بسیار افزایش یافته است. افزایش این انرژی جذب در حلال آبی با نتایج قبلی
به شدت مطابقت داشته و سازگار است[45].
علاوه بر این،Esolv برای برهمکنش در فاز آبی هر دو ترکیب نانولوله کربنی عامل دار نشده و نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین به همراه داکاربازین محاسبه شد. بر اساس نتایج جدول 2 میتوان بیان کرد که سیستمهای نانولوله کربنی عامل دار نشده به همراه داکاربازین دارای Esolv منفی هستند. با توجه به مقدار کوچکتر Esolv، نانولوله های کربنی عامل دار نشده
|
شکل 6. نمای گپ هومو و لومو و نمودار DOS داروی داکاربازین با نانولوله ی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین(جهت گیری (A1 |
|
شکل 7. نمای گپ هومو و لومو و نمودار DOS داروی داکاربازین با نانولوله ی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین(جهت گیری (A2 |
جدول 2. تغییرات انرژی آزاد گیبس محاسبه شده ( ΔGads)، تغییرات آنتالپی (ΔHads) و تغییرات آنتروپی (ΔSads)
Esolv | ΔSads | ΔHads | ΔGads | Gdrug | Gnonotube | Gcomplex | سامانه |
-71.76 | -0.0018 | -16.73 | -11.39 | -3126.63 | -4521.2 | -7659.22 | Alanine-SWNTs+DAC(A1) |
-21.14 | -0.0073 | -41.65 | -20.18 | -3126.63 | -4519.2 | -7666.01 | Alanine-SWNTs+DAC(A2) |
دارای حلالیت کمتر در حلال آب هستند و کمپلکس های ناپایدار در فاز گازی با دارو را تشکیل میدهند. از طرفی نانولوله های کربنی عامل دار شده به همراه اسید آمینه آلانین مقادیر Esolv بزرگتری داشتند و بنابراین در حلال آب از پایدار مناسبی برخوردار بودند. Esolv به دست آمده در دو جهت گیری متفاوت داروی داکاربازین برای نانو حامل عامل دار شده با اسید آمینه آلانین مقادیری در محدوده 76/71- تا 14/21- کیلو کالری بر مول را داراست. این مقادیر نشان می دهد که داروی ضد سرطان داکاربازین محلول در آب است و حلالیت آن با برهمکنش نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین با هر دو جهت گیری مطرح به طرز چشمگیری افزایش می یابد.
فرکانسهای ارتعاشی برای استخراج متغیرهای ترمودینامیکی محاسبه شدند. تغییرات انرژی آزاد گیبس و آنتالپی دردمای 15/298 کلوین و فشار 1 اتمسفر به دست آمد:
(9) 
که در آن X نشان دهنده انرژی آزاد گیبس(G) یا آنتالپی(H) است. همچنین تغییر آنتروپی نیز از تغییرات انرژی آزاد گیبس و آنتالپی طبق معادله 10 بدست می آید.
(10) 
4- نتيجه گيری
تحویل دارو به سلول های سرطانی نیازمند سیستم های تحویل داروهای ضد سرطان است. این مقاله نحوه تعامل داروی داکاربازین با نانولوله کربنی عامل دار نشده و نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین را بر اساس تئوری تابع چگالی در فازهای گازی و آبی را ارزیابی کرد. علاوه بر این، کارایی جذب، خواص الکترونیکی و پایداری هندسی سیستمهای دارو/ جاذب مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. داروی داکاربازین با دو جهت گیری مختلف با نانولوله کربنی عامل دار شده با اسید آمینه آلانین بهینه شده است و البته لازم به ذکر است که این دو جهت گیری از بین یازده جهت گیری مختلف که دارای پایین ترین انرژی و پایدارترین حالت بوده، انتخاب شده است. محاسبات Mep نشان می دهد که بار مثبت روی سر H گروه -CH3 در داروی داکاربازین قرار دارد و این در حالی است که مناطق غنی از الکترون روی اتم O قرار دارد و در جهت گیری A1 شارش الکترون از سمت نانو لوله عامل دار شده با آلانین راحت تر صورت می پذیرد. مازاد بر اینکه دو پیکربندی A1 و A2 به طور قابل توجهی از نظر انرژی با هم تفاوت داشتند. نتایج نشان می دهد که مقدار انرژی جذب ساختار A1 منفی تر از ساختار A2 است و این امر تاکیدی بر تایید هر چه بیشتر صورتبندی A1 است. نتایج پتانسیل شیمیایی نیز تاییدی بر این نتایج را نشان می دهد که اسید آمینه آلانین جذب داروی ضد سرطان داکاربازین با پیکربندی A1 را بر روی سطح نانولوله کربنی افزایش می دهد.
سیستم کمپلکس داروی داکاربازین و نانولوله کربنی عامل دار شده با آلانین، نشان دهنده راندمان جذب بالاتر است. سیستم داروی داکاربازین و نانولوله کربنی عامل دار شده با آلانین در آب بیشتر از کمپلکس داروی داکاربازین و نانولوله کربنی عامل دار نشده محلول است. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی گرمازایی و خودبخودی بودن جذب داروی داکاربازین بر روی و نانولوله کربنی عامل دار شده با آلانین را نشان داد. گروه عاملی افزایش یافته شاخص سختی را کاهش داد و بر واکنش پذیری داکاربازین و الکترون دوستی نسبت به نانولوله کربنی عامل دار نشده تأثیر گذاشت که دلالت بر تغییر شکل هندسه نانولوله کربنی عامل دار نشده دارد. این یافته ها مفاهیمی را برای توسعه نانولوله کربنهای عامل دار برای کاربردهای دارورسانی در تنظیمات بیولوژیکی فراهم می کند.
نویسندگان از دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز و دانشگاه آزاد اسلامی واحد زنجان برای حمایت نسبی از این اثر تشکر می کنند.
ملاحظات اخلاقی پیروی از اصول اخلاق پژوهش
همکاری مشارکتکنندگان در تحقیق حاضر به صورت داوطلبانه و با رضایت آنان بوده است.
حامی مالی
هزینه تحقیق حاضر توسط نویسندگان مقاله تامین شده است.
تعارض منافع
بنابر اظهار نویسندگان، مقاله حاضر فاقد هرگونه تعارض منافع بوده است.
مراجع
1. S. Ahmadi, A. Hosseinian, P. Delir Kheirollahi Nezhad, A. Monfared, E. Vessally, Iran. J Chem. Chem. Eng. 38, 1 (2019).
2. J. Jumintono, S. Alkubaisy, K. Singh, I. Mikolaychik, L. Morozova, Archives of Razi Institute. 76, 115 (2021).
3. F. Gharibzadeh, E. Vessally, L. Edjlali, M. Es' haghi, R. Mohammadi, Iran. J Chem. Chem. Eng. 39, 51 (2020).
4. V. Khodadadi, N. Hasanzadeh, H. Yahyaei, A. Rayatzadeh, J. Chil. Chem. Soc., 66, 5365 (2021).
5. H. Yahyaei, S. Sharifi, S. Shahab, M. Sheikhi, M. Ahmadianarog, Lett. Org. Chem., 18, 115 (2021).
6. Y. Cao, M. El-Shorbagy, K. Sharma, S. Alamri, A.A. Rajhi, A.E. Anqi, A. El-Shafay, J. Mol. Liq., 344, 117967 (2021).
7. H.R.A.K. Al-Hetty, M.S. Al-Lami, S.F. Jawad, I. Waleed, A. Mohamed, M.M. Kadhim, M. Derakhshandeh, J. Biotechnol., 359, 142 (2022).
8. J.Y. Li, Y.H. Tang, L. Tang, and L.Y. Chen, J. Mol. Model., 28, 249 (2022).
9. F. Marofi, O.F. Abdul‐Rasheed, H.S. Rahman, H.S. Budi, A.T. Jalil, A.V. Yumashev, A. Hassanzadeh, M. Yazdanifar, R. Motavalli, M.S. Chartrand, Cancer Sci., 112, 3427 (2021).
10. E. Vessally, A. Hosseinian, Iran. J. Chem. Chem. Eng. Research Article Vol. 40, (2021).
11. J. Kaur, G. Gill, K. Jeet, Elsevier., 113 (2019).
12. Sarjito, M. Elveny, A.T. Jalil, A. Davarpanah, M. Alfakeer, A.A. Awadh Bahajjaj, M. Ouladsmane, Int. J. Chem. React. Eng., 19, 1179 (2021).
13. B. Hashemzadeh, L. Edjlali, P. Delir Kheirollahi Nezhad, E. Vessally, Chem. rev. lett., 4, 232 (2021).
14. S. Chupradit, A.T. Jalil, Y. Enina, D.A. Neganov, M.S. Alhassan, S. Aravindhan, A. Davarpanah, J. Nanomater., 2021, 1 (2021).
15. Q. Zou, P. Xing, L. Wei, B. Liu, Rna. 25, 205 (2019).
16. Z. Li, A.L.B. de Barros, D.C.F. Soares, S.N. Moss, L. Alisaraie, Int. J. Pharm., 524, 41 (2017).
17. W. Mu, Q. Chu, Y. Liu, N. Zhang, Nano-Micro Letters. 12, 1 (2020).
18. R.V. Mundra, X. Wu, J. Sauer, J.S. Dordick, R.S. Kane, Curr. Opin. Biotechnol., 28, 25 (2014).
19. N.K. Mehra, S. Palakurthi, Drug Discov., 21, 585 (2016).
20. M.I. Sajid, U. Jamshaid, T. Jamshaid, N. Zafar, H. Fessi, A. Elaissari, Int. J. Pharm., 501, 278 (2016).
21. N. Saifuddin, A. Raziah, A. Junizah, J. Chem., 2013, (2013).
22. R.H. Baughman, A.A. Zakhidov, W.A. De Heer, science. 297, 787 (2002).
23. K. Balasubramanian, Chemically Functionalized Carbon Nanotubes. small. 1, 180
24. K. Balasubramanian, M. Burghard, small. 1, 180 (2005).
25. J. Chen, S. Chen, X. Zhao, L.V. Kuznetsova, S.S. Wong, I. Ojima, Journal of the American Chemical Society. 130, 16778 (2008).
26. Z. Ou, B. Wu, D. Xing, F. Zhou, H. Wang, Y. Tang, Nanotechnology. 20, 105102 (2009).
27. M. Eslami, M. Moradi, R. Moradi, Vacuum. 133, 7 (2016).
28. F. Molani, S. Jalili, J. Schofield, Int. J. Hydrogen Energy. 41, 7431 (2016).
29. X. Ji, C. Hou, Y. Gao, Y. Xue, Y. Yan, X. Guo, Food & function. 11, 163 (2020).
30. P. Singh, S. Campidelli, S. Giordani, D. Bonifazi, A. Bianco, M. Prato, Chem. Soc. Rev., 38, 2214 (2009).
31. I. Kumar, S. Rana, J.W. Cho, Chemistry–A European Journal. 17, 11092 (2011).
32. J.L. Bahr, J.M. Tour, J. Mater. Chem., 12, 1952 (2002).
33. A. Bensghaïer, F. Mousli, A. Lamouri, P.S. Postnikov, M.M. Chehimi, Chemistry Africa. 3, 535 (2020).
34. P. Oskin, I. Demkina, E. Dmitrieva, S. Alferov, Nanomaterials. 13, 1630 (2023).
35. C. Cao, Y. Zhang, C. Jiang, M. Qi, G. Liu, ACS Appl. Mater. Interfaces., 9, 5031 (2017).
36. A.A. Mohamed, Z. Salmi, S.A. Dahoumane, A. Mekki, B. Carbonnier, M.M. Chehimi, Adv. Colloid Interface Sci., 225, 16 (2015).
37. S.T.R. Naqvi, T. Rasheed, D. Hussain, M.N. ul Haq, S. Majeed, N. Ahmed, R. Nawaz, J. Mol. Liq., 297, 111919 (2020).
38. M.W. Schmidt, K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J.H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K.A. Nguyen, S. Su, J. Comput. Chem., 14, 1347 (1993).
39. M. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. Petersson, Gaussian 09, revision D. 01. 2009, Gaussian, Inc., Wallingford CT.
40. D. Olegovich Bokov, A.T. Jalil, F.H. Alsultany, M.Z. Mahmoud, W. Suksatan, S. Chupradit, M.T. Qasim, P. Delir Kheirollahi Nezhad, Mol. Simul., 48, 438 (2022).
41. J. Tomasi, M. Persico, Chem. Rev., 94, 2027 (1994).
42. P. Singla, M. Riyaz, S. Singhal, N. Goel, Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 5597 (2016).
43. H.K. Hussein, N.M. Aubead, H.H. Kzar, Y.S. Karim, A.H. Amin, M.E. Al-Gazally, T.I. Ahmed, M.A. Jawad, A.T. Hammid, A.T. Jalil, Diabetology & Metabolic Syndrome. 14, 74 (2022).
44. A. Soltani, M.T. Baei, E.T. Lemeski, S. Kaveh, H. Balakheyli, Journal of Physics and Chemistry of Solids. 86, 57 (2015).
45. M.K. Hazrati, Z. Javanshir, Z. Bagheri, J. Mol. Graphics Modell., 77, 17 (2017).
46. S. Chupradit, M.K. Nasution, H.S. Rahman, W. Suksatan, A.T. Jalil, W.K. Abdelbasset, D. Bokov, A. Markov, I.N. Fardeeva, G. Widjaja, Anal. Biochem., 654, 114736 (2022).
Investigating the quantum mechanics of the absorption of the alkylating agent dacarbazine on carbon nanotubes functionalized with the amino acid alanine as promising nanocarriers for drug delivery
Mohammad Hassan Jamshidi1, Neda Hasanzadeh1, Hooriye Yahyaei2*, Amir Bahrami3
1 Department of Chemistry, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
2 Department of Chemistry, Zanjan Branch, Islamic Azad University, Zanjan, Iran.
Keywords: Anticancer drug dacarbazine, Carbon Nanotube, Amino acid alanine, Quantum Mechanics.