【COSMOLOGIC应用实例】具有驱避边缘透明瘤特性的大麻萜烯的液-液色谱分离:一种多方法

摘要：

蜱传疾病给人类和动物带来严重的健康问题。蜱虫控制和疾病预防在很大程度上依赖于合成杀螨剂和驱蚊剂，它们通常具有高毒性。为了寻找安全、高效的蜱虫替代物，植物性挥发性萜烯的研究是一个很有前途的方向。本研究旨在分离鉴定具有驱避作用的麻花类化合物。在不同压力(100-110bar)和温度(40-60◦C)条件下进行超临界CO2萃取，大麻提取物在移动物体生物测定中进行测试。对驱避力最高的提取物进行间歇液-液色谱(LLC)分析。通过COSMO-RS分布系数筛选和实验验证相结合，选择了用于分离大麻萜类化合物的双相溶剂体系(正庚烷/甲醇/乙腈10/5/10,v/v/v)。Bisabolol(＞99%)，石竹烯氧化物(>98%)和石竹烯/葎草烯(3.5/1,w/w,＞95%纯度)因此被分离出来并在H.marginatum生物测定法中进行评估。bisabolol (20%w/w在己烷中)的活性与相同浓度的合成驱避剂DEET相当。针对bisabolol的大规模提纯，提出并评价了捕获多重双模式半连续回流LLC操作模式。与间歇法相比，溶剂用量降低2.6倍，收率提高2.7倍。综上所述，采用多方法的计算机辅助方法，从大麻花中有效地鉴定和分离出了bisabolol作为一种良好的防蜱剂。

 

引言：

蜱虫是一大群寄生的食血节肢动物，是多种传染性病原体(如病毒、细菌、立克次体和原生动物)的载体(Adenubi et al.,2018)。蜱传疾病包括莱姆病、落基山斑疹热、无形体病或埃利希体病(Benelli和Pavela, 2018;Tabanca et al.,2013)。边缘透明蜱(蜱螨亚纲:伊蚊科)是一种身体坚硬的蜱，感染刺猬、鸟类、牛、其他动物和人类。它负责在动物中传播卡巴贝斯虫和环纹希勒菌原生动物，以及在人类中传播产生克里米亚-刚果出血热的病毒。蜱虫主要在北非(如摩洛哥、突尼斯、阿尔及利亚、埃及)、南欧和世界其他地区繁殖，并到达印度(Walker,2003)。然而，最近在中欧的一名患者身上发现了一只雌性蜱虫标本(Oehme et al.,2017)。由于气候变化，蜱虫种群预计会向北移动，并威胁到更多的人和动物(Benelli et al.,2016)。

 

本研究的目的是采用多种方法从大麻花中提取、分离和鉴定生物活性萜烯，并测试其对边缘透明瘤的潜在驱避性能。第一步，在不同的压力和温度条件下，用SC-CO2萃取得到不同的大麻花提取物。然后，在移动物体生物测定法中评估所获得的提取物对成年边缘透明瘤标本的驱避效力。通过计算机辅助方法，将基于热力学模型的液体体系筛选与摇瓶实验验证相结合，选择了适合于LLC分离的双相溶剂体系。含有高纯度大麻萜烯的LLC组分随后在移动物体生物测定中评估其驱蜱特性。在最后一步中，我们评估了另一种LLC工艺概念，即捕获多重双模式(MDM)，用于大规模分离之前确定的最有前途的驱避候选大麻萜烯。

 

计算细节：

为了选择合适的双相溶剂体系，利用热力学模型COSMO-RS计算了大麻花SC-CO2提取物中不同化合物的分布系数，并在摇瓶中进行了实验验证(Frey et al.,2014;Hopmann et al.,2012)。COSMO-RS筛选时，所有化合物的构象均在COSMOconf(Version 4.0,COSMOlogic，勒沃库森，德国)中生成，分布系数则在COSMOtherm(Version C30 Release 16.01,COSMOlogic，勒沃库森，德国)中计算。

 

确定了操作参数后，将执行捕获MDM实验。选择的溶剂体系以上下相50/50(SF=0.5)的比例填充柱，不旋转。然后，将转速设置为1700rpm。然后进行三个过程阶段:加载阶段，分离阶段和恢复阶段(图1)。

 

接下来，分析GC-FID测定的五种大麻化合物的总萃取质量(也称为萃取率，图S5)和浓度(图2)。对于萜烯，萃取压力和萃取温度的升高一般都能提高其回收率。石竹烯、葎草烯和氧化石竹烯的最高回收率在110bar和60◦C下获得，而比abolol的最高回收率在110bar和50◦C下获得(图2)。关于提取率和大麻二酚，在110bar下进行的SC-CO2提取比在100bar下进行的提取提供了更高的产量和浓度的大麻二酚。然而，温度从40°C增加到60°C降低了总提取物质量和大麻二酚浓度。

 

与具有最低驱避力的阴性对照(纯己烷)相比(图3)，所有测试的大麻提取物在己烷浓度为20% (w/w)时都具有更高的驱避力。在100bar和40◦C下获得的提取物显示出最高的驱避力，与阳性对照DEET显示的驱避力相当(图3)。

 

最后，确定了目标大麻萜类(石竹烯、葎草烯、氧化石竹烯和双abolol)的分布平衡，如图4所示。在该图中，y轴表示下相目标化合物的浓度，x轴表示上相目标化合物的浓度。

 

大麻花SC-CO2萃取物的LLC分离结果如图5所示。在该图中，根据所收集馏分的GC-FID数据分析重建了离线色谱图。为了简化目的，只绘制了目标萜烯和大麻二酚的洗脱谱，尽管同时监测了其他杂质。

 

图6中的数据显示，与阴性对照(己烷)相比，所有萜烯组分都表现出更高的驱避能力。

 

在本节中，使用表3中的操作参数进行的捕获MDM实验的结果显示为分离和恢复阶段的离线重建色谱图(图7)。分离分五个周期完成，xLoad B设置为0.40，允许总进料体积为88.8mL(约占总柱体积的49%)。大麻二酚(A)和石竹烯氧化物(C)，以及其他化合物(如石竹烯、草烯)分别在DSC和ASC模式下在分离阶段离开柱，而双abolol(B)被捕获在柱内，并在回收阶段以~99%的纯度洗脱(图7)。

总结：

在这项研究中，bisabolol一种对边缘透明瘤具有驱避特性的大麻萜烯，通过多种方法有效地分离出来(图S14)。作为一种新兴的绿色提取技术，调整SC-CO2的压力和温度条件，生产出富含挥发性萜(如石竹烯、葎草烯、氧化石竹烯和bisabolol)的大麻花提取物。采用动物生物测定法测定所得大麻花SC-CO2提取物对边缘透明瘤的驱避力。采用预测热力学模型COSMO-RS进行计算机辅助筛选，减少了实验工作量，选择了适用于大麻主要萜烯LLC分离的双相液体体系。在间歇式LLC分离中得到含有石竹烯/葎草烯(3.5/1w/w, 95%GC-FID纯度)、石竹烯氧化物(98%)和bisabolol(99%)的馏分。比萨洛尔显示出最高的驱避效果，可与最常用的合成驱避剂之一避蚊胺相媲美。捕获MDM还被评估为一种可替代的半连续流动逆转LLC操作模式，用于驱避剂比bisabolol的大规模纯化。采用机制色谱模型选择了捕集MDM过程的操作参数。

 

因此，多方法计算机辅助工艺设计方法的力量，以系统的方式和减少的实验努力，从大麻花中鉴定和分离高纯度萜烯。然而，提取、生物测试和分离程序只是为了概念验证而开发的，并没有优化。因此，本研究可以为设计和优化从大麻花或其他富含萜烯的来源大规模生产高纯度萜烯(如bisabolol)的工艺概念提供起点。另一方面，在bisabolol作为蜱虫驱虫剂的使用和商业化之前，抗边缘透明瘤的结果应在其他实验平台、测试生物或机制模型中得到证实。

 

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.116562 

 

北京泰科博思科技有限公司是COSMOLOGIC官方指定代理商，有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。

电话：010-64951848

邮箱：sales@tech-box.com.cn

 

北京泰科为广大学习分子模拟科研人员提供了交流讨论平台，泰科建立了Turbomole交流群，群里有专业老师解答问题，如有兴趣一起交流，欢迎来电/邮申请入群，作者期待您的参与！

 

北京泰科涉及行业

材料研发

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台，提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案。

 

药物研发

针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案。

 

化工设计

面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质（溶解度、粘度等）、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案。

 

数据挖掘

基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案。

 

一体化实验室

• 实验室信息管理

• 电子实验记录本/SOP执行

• 试剂耗材管理

• 仪器管理

• 数据管理

 

部分产品

量化材料类

• Crystal：固体化学和物理性质计算软件

• Diamond：晶体结构数据可视化分析

• Endeavour：强大的求解晶体结构的软件

• Molpro：高精度量化软件

• Molcas：多参考态量软件                   

• Turbomole：快速稳定量化软件

• TeraChem：GPU上运行的量化计算软件

• Spartan：分子计算建模软件

 

数据分析类

• GelComparll：凝胶电泳图谱分析软件

• SimaPro：生命周期评估软件             

• Unscrambler：完整多变量数据分析和实验设计软件      

• CSDS：剑桥晶体结构数据库

• lCDD：国际衍射数据中心数据库                

• ICSD：无机晶体结构数据库

• Pearson’s CD：晶体数据库

 

公司简介：

北京泰科博思科技有限公司（Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.）成立于2007年，是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作，为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验，指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队，以客户真正需求出发，服务客户，为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神，致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务，成为客户可信赖的合作伙伴。