Russian Journal of BiotherapyRussian Journal of BiotherapyРоссийский биотерапевтический журнал1726-97841726-9792Publishing House ABV Press141810.17650/1726-9784-2023-22-4-68-75ORIGINAL REPORTSОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИModeling the release of vinpocetine from microcapsules based on sodium alginate and chitosan by molecular dynamicsМоделирование высвобождения винпоцетина из микрокапсул на основе альгината натрия и хитозана методом молекулярной динамикиhttps://orcid.org/0000-0003-0123-9526PolkovnikovaYu. A.ПолковниковаЮ. А.
Russian Federation

1 Universitetskaya pl., Voronezh 394018

394018 Воронеж, Университетская пл., 1

Voronezh State UniversityФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»2311202322468752311202323112023https://bioterapevt.abvpress.ru/jour/article/view/1418

Introduction. when developing the composition of drugs, an actual direction is the use of computer modeling methods, including the methods of molecular dynamics (MD), which significantly expanded the possibilities of chemistry, providing spatial and temporal resolution that is inaccessible in experiments.Aim. To simulation of the release of vinpocetine from sodium alginate with a shell of chitosan into solvent media by the method of MD to determine the characteristics of computer simulation, which makes it possible to obtain microcapsules with desired biopharmaceutical properties. Materials and methods. To simulate the release of vinpocetine from sodium alginate with a shell of chitosan, the MD method in the GROMOS 54a7 force field was used using the Gromacs 2019 program. Using the HyperChem 8.0.1 program, the molecules of the components of the simulated systems were constructed. The models were parameterized using the Internet service Automated Topology Builder (http://atb.uq.edu.au/).Results. Based on the results of MD modeling, the van der waals interaction energies of vinpocetine with sodium alginate (alginic acid), with chitosan (chitosan-cation) and with a solvent in terms of 1 molecule of vinpocetine were calculated. The fractions of vinpocetine molecules not bound to the polymer were also calculated. It has been established that the average values of the energy of the van der waals interaction between vinpocetine and the solvent in an acidic medium are lower than in a neutral medium. Also, in an acidic environment, in contrast to a neutral environment, a slight release of vinpocetine is observed.Conclusion. In the course of the experiment, it was found that at pH 2.0, chitosan dissolves in an aqueous medium and a slight release of vinpocetine from alginic acid into an aqueous solution of chitosan is observed (the average proportion of vinpocetine molecules not associated with sodium alginate (alginic acid) and chitosan is 2.16 ± 2.33 %), the release of vinpocetine into water at pH 6.8 is not observed.

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.

molecular dynamicsmicrocapsulessodium alginatechitosanvinpocetinevan der waals interaction energiesмолекулярная динамикамикрокапсулыальгинат натрияхитозанвинпоцетинэнергии ван-дер-ваальсова взаимодействияHagras 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.0010268Polkovnikova Yu.A., Severinova N.A., Koryanova K.N. et al. Morphological, technological and biopharmaceutical studies of alginate-chitosan microcapsules with vinpocetine. Farmaciya i farmakologiya = Pharmacy and Pharmacology 2019;7(5): 279–90. (In Russ.). DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-5-279-290Полковникова 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: 10.19163/2307-9266-2019-7-5-279-290Manivasagan P., Bharathiraja S., Bui N.Q. et al. Doxorubicinloaded fucoidan capped gold nanoparticles for drug delivery and photoacoustic imaging. Int J Biol Macromol 2016:91: 578–88. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2016.06.007Manivasagan 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.2016.06.007Chu 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.2020.05.003Li 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/s12010-020-03420-9Sudhakar 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.2020.02.079Kumar P., Mishra B. Colon targeted drug delivery systems – an overview. Curr Drug Deliv 2008;5:186–98. DOI: 10.2174/156720108784911712Polkovnikova Yu.A., Glushko A.A. The choice of film formers for microencapsulation of vinpocetine. Farmaciya i farmakologiya = Pharmacy and Pharmacology 2018;6(2):197–210. (In Russ.) DOI: 10.19163/2307-9266-2018-6-2-197-210Полковникова Ю.А., Глушко А.А. Выбор пленкообразователей при микрокапсулировании винпоцетина. Фармация и фармакология 2018;6(2):197–210. DOI: 10.19163/2307-9266-2018-6-2-197-210Sorin 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.104.051938Parrinello M., Rahman A. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method. J Appl Phys 1981;52:7182–90. DOI: 10.1063/1.328693Schmid 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/s00249-011-0700-9Abraham 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.2015.06.001Polkovnikova Yu.A., Slivkin A.I. Phenibut release from alginatechitosan microcapsules. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Himiya. Biologiya. Farmaciya = Bulletin of the Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy 2021;4:120–5. (In Russ.).Полковникова Ю.А., Сливкин А.И. Высвобождение фенибута из альгинат-хитозановых микрокапсул. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2021;4:120–5.Teppen J.B. HyperСhem, release 2: molecular modeling for the personal computer. JCICS 1992;32:757–9.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/ct200196mDegiacomi 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.2015.12.026Berendsen 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: 10.1063/1.448118Shirts 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/s10822-016-9977-1Bekker 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: 10.1080/08927029508022012Braga C., Travis K.P. A configurational temperature Nosé–Hoover thermostat. J Chem Phys 2005;123(13):134101. DOI: 10.1063/1.2013227