CN105903028B - 含有环糊精的细胞水合组合物 - Google Patents

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Abstract

一种组合物与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用。所述组合物包括经构建以通过增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用来增强所述细胞系统的活性的生物活性组分。所述生物活性组分可以包括增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物子组分，和次要溶质子组分。所述生物活性组分可以包括由包合物组分和形成复合物的化合物构成的包涵复合物。所述包合物子组分可以包括直链淀粉或环糊精。还有一种改善动物(例如人类)的细胞水合作用的饮料和方法。

Description

含有环糊精的细胞水合组合物
本发明是申请号为201080071269.9(PCT/IB2010/003503)、申请日为2010年12月31日、发明名称为“含有环糊精的细胞水合组合物”的分案申请。
技术领域
本发明大体上涉及调节生物细胞活性，特别是取决于水合状态的细胞活性。更具体来说，本发明涉及一种经构建以通过增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用来增强所述细胞系统的活性的生物活性组分。所述生物活性组分可以包括增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物子组分。本发明进一步涉及活体内递送生物化合物以调节哺乳动物生理活性。
背景技术
水分子主要通过氢(H)键结以及通过偶极矩对准来相互作用。举例来说，通过与紧邻水分子的键轴对准来强化或稳定相邻水分子之间的键。在液态水中，此类对准传播到周围水性介质中并且建立亚微米级分子结构。
使用环糊精作为包合物来形成具有生物活性客体分子的包涵体以改善医药化合物的溶解性和/或生物可用性的产品和方法的实例描述于以下中：美国专利第7,115,586号和第7,202,233号以及美国专利申请公开案第2004/0137625号和第2009/0227690号，其全部公开内容出于所有目的以引用的方式并入在此。
含有结合疏水性生物分子的包合物的产品和使用所述产品的方法的实例描述于以下中：美国专利第6,890,549号、第7,105,195号、第7,166,575号、第7,423,027号以及第7,547,459号；美国专利申请公开案第2004/0161526号、第2007/0116837号、第2008/0299166号以及第2009/0023682号；日本专利申请案JP 60-094912；Suzuki和Sato,“环糊精的营养意义：α-环糊精的不消化性和降血脂作用(Nutritional significance ofcyclodextrins:indigestibility and hypolipemic effect ofα-cyclodextrin)”营养科学和维生素学杂志(J.Nutr.Sci.Vitaminol.)(Tokyo 1985；31:209-223)；以及Szejtl等人,淀粉(Staerke/Starch),27(11),1975,第368-376页，其全部公开内容出于所有目的以引用的方式并入在此。
美国专利申请公开案第2009/0110746号描述具有增强溶解分子氧(O2)在人体中的水性扩散性的性质的化学试剂，其中可以包括环糊精作为次要“载体”组分以改善主要促氧合剂(pro-oxygenating agent)的溶解性，并且其中预期环糊精不为直接改变水性扩散性、组织氧合作用、水结构或细胞水合作用的试剂。
发明内容
一方面，本发明提供了一种与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其包含：
经构建以通过增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用来增强所述细胞系统的活性的生物活性组分。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述生物活性组分包括增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物子组分。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述生物活性组分包括次要溶质子组分。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述次要溶质子组分是生物活性剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述生物活性组分包括由包合物组分和形成复合物的化合物构成的包涵复合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述形成复合物的化合物是生物活性剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述包合物子组分包括选自由直链淀粉和环糊精组成的群组的化合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述包合物子组分包括环糊精。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述环糊精经构建以展现增强所述水的键结结构的稳定剂(kosmotrope)活性。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述环糊精经构建以使得所述水分子之间的氢键键结增强，这种增强会调节所述生物细胞系统的生物分子表面的水合作用并且从而改变所述生物细胞系统的细胞组分之间的相互作用。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述环糊精经构建以强化水分子之间的氢键键结，形成具有较低密度的开放水结构，并且增加所述生物活性分子的扩散速率。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其进一步包括选自由以下组成的群组的生物活性分子：酶、酶底物、营养物、代谢物、细胞因子、神经递质、激素、细胞外信号、细胞内信使以及药理学药剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述环糊精是选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精；甲基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；羧基-烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的季铵盐；直链淀粉(例如乙酰化直链淀粉)以及其混合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其进一步包括复合物形成剂，并且其中所述包合物子组分能够与所述复合物形成剂形成包涵复合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述复合物形成剂是选自由以下组成的群组：氨基酸、维生素、调味剂、增味剂以及着色剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述包合物子组分是选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、2-羟丙基-环糊精、羧基甲基化-环糊精、季铵-环糊精、直链淀粉、直链淀粉衍生物以及其混合物。
另一方面，本发明提供了一种与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其包含：
能够增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物组分；
次要溶质子组分；并且
其中所述包合物组分和所述溶质组分能够通过增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用来增强所述细胞系统的活性。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述包合物子组分包括选自由直链淀粉和环糊精组成的群组的化合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述次要溶质子组分是生物活性剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其进一步包括形成复合物的化合物，并且其中所述包合物化合物和所述形成复合物的化合物形成包涵复合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其进一步包括选自由以下组成的群组的生物活性分子：酶、酶底物、营养物、代谢物、细胞因子、神经递质、激素、细胞外信号、细胞内信使以及药理学药剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述包合物组分是环糊精、直链淀粉(例如乙酰化直链淀粉)以及其混合物，所述环糊精选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精；甲基化β-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；羧基-烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的季铵盐。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述复合物形成剂是选自由以下组成的群组：氨基酸、维生素、调味剂、增味剂以及着色剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的组合物，其中所述包合物子组分是选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、2-羟丙基-环糊精、羧基甲基化-环糊精、季铵-环糊精、直链淀粉、直链淀粉衍生物以及其混合物。
另一方面，本发明还提供了一种与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其包含：
水性组分，其选自由無汽的和碳酸化的液体组成的群组；
能够增强所述水的H键结结构的主要碳水化合物包合物组分；
次要溶质子组分；并且
其中所述包合物组分和所述溶质组分能够通过增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用来增强所述细胞系统的活性。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其中所述包合物子组分包括选自由直链淀粉和环糊精组成的群组的化合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其中所述次要溶质子组分是生物活性剂。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其进一步包括形成复合物的化合物，并且其中所述包合物化合物和所述形成复合物的化合物形成包涵复合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其进一步包括选自由以下组成的群组的调味剂：苹果、杏、香蕉、葡萄、黑醋栗、树莓、桃、梨、菠萝、李子、橙以及香草调味剂；调味剂相关化合物的实例包括乙酸丁酯、异戊酸丁酯、丁酸烯丙酯、戊酸戊酯、乙酸乙酯、戊酸乙酯、乙酸戊酯、麦芽酚、乙酸异戊酯、乙基麦芽酚、异麦芽酚、双乙酰基、丙酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸戊酯、戊酸戊酯、赤藓糖醇、麦芽糖醇、甘露醇、山梨醇、乳糖醇、木糖醇、肌醇、异麦芽糖、丙二醇、甘油(丙三醇)、苏糖醇、半乳糖醇、帕拉金糖(palatinose)、还原异麦芽寡糖、还原木寡糖、还原龙胆寡糖、还原麦芽糖浆以及还原葡萄糖浆。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其进一步包括选自由以下组成的群组的着色剂：甜菜红色素(betalain)、甜菜花青素(betacyanin)、甜菜黄素(betaxanthin)、仙人掌黄素(vulgaxanthin)、紫茉莉黄素(miraxanthin)、马齿苋黄素(portulaxanthin)、梨果仙人掌黄素(indicaxanthin)、花色素、橙苷色素(aurantinidin)、矢车菊色素(cyanidin)、飞燕草色素(delphinidin)、欧天芥菜色素(europinidin)、木犀草素(luteolinidin)、天竺葵色素(pelargonidin)、锦葵色素(malvidin)、芍药色素(peonidin)、牵牛花色素(petunidin)、松香色素(rosinidin)、花色素的相应花色素苷或糖苷、姜黄型着色剂、酚系类姜黄素、姜黄素、去甲氧基姜黄素以及双去甲氧基姜黄素。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其进一步包括选自由以下组成的群组的维生素：尼克酰胺(nicotinamide)(维生素B3)、烟酰胺、烟酸、盐酸吡哆醛(维生素B6)、抗坏血酸、可食用抗坏血酸基酯、核黄素、吡哆醇、硫胺、维生素B9、叶酸、叶酸盐、蝶酰基-L-谷氨酸、蝶酰基-L-谷氨酸盐、其盐以及其混合物。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其进一步包括氨基酸或胺。
具体地，上述本发明提供的与包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子的生物细胞系统相互作用的饮料，其中所述氨基酸是选自由以下组成的群组：天冬氨酸、精氨酸、甘氨酸、谷氨酸、脯氨酸、苏氨酸、茶氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、丙氨酸、缬氨酸、酪氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、天冬酰胺、丝氨酸、赖氨酸、组氨酸、鸟氨酸、甲硫氨酸、肉碱、氨基丁酸(α-异构体、β-异构体以及γ-异构体)、谷酰胺、羟基脯氨酸、牛磺酸、正缬氨酸、肌氨酸、其盐、其混合物以及这些氨基酸的N-烷基C1-C3和N-酰化C1-C3衍生物，以及所述氨基酸或其衍生物中任一者的混合物。
另一方面，本发明还提供了一种改善体内出现生理条件并且存在生物细胞系统的动物(例如人类)中的细胞水合作用的方法，所述生物细胞系统包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子，所述方法包含：
通过溶解由碳水化合物包合物组分和复合物形成剂形成的包涵复合物来制备饮料，所述复合物形成剂能够在所述生理条件下从碳水化合物包合物组分解离；和
使得所述动物经口摄入所述饮料，其后所述碳水化合物包合物组分从所述复合物形成剂解离并且调节细胞生物分子表面处的氢键结水结构的强度、程度以及动力学。
具体地，上述本发明提供的改善体内出现生理条件并且存在生物细胞系统的动物(例如人类)中的细胞水合作用的方法，其进一步包括从由直链淀粉和环糊精组成的群组选择所述包合物组分的步骤。
具体地，上述本发明提供的改善体内出现生理条件并且存在生物细胞系统的动物(例如人类)中的细胞水合作用的方法，其中所述选择步骤包括从由以下组成的群组选择环糊精：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精；甲基化β-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；羧基-烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的季铵盐；选择直链淀粉(例如乙酰化直链淀粉)以及其混合物。
具体地，上述本发明提供的改善体内出现生理条件并且存在生物细胞系统的动物(例如人类)中的细胞水合作用的方法，其进一步包括从由以下组成的群组选择复合物形成剂的步骤：氨基酸、维生素、调味剂、增味剂以及着色剂。
附图说明
图1显示β-环糊精的化学键模型，β-环糊精为一种具有七个α[1-4]键联的葡萄糖单元的环状寡糖。
图2显示具有总体环形拓扑的环糊精的结构模型。
图3显示包括葡萄糖基羟基沿环形边缘配置的环糊精结构模型。
图4描绘在初始接触之后1皮秒时所计算的围绕β-环糊精分子的水分子的分子动态分布。
图5描绘在初始接触之后1000皮秒时所计算的图4的水分子的分子动态分布，包括较有组织的开放水结构。
图6显示图4和图5中所示的的水分子分布的阈值化图像。
图7-10显示关于具有和不具有溶解环糊精的水样本，包括特定波长区域的NIR光谱导数的比较。
图11显示在可变地包括环糊精、氨基酸以及环糊精/氨基酸包涵复合物的水中种子发芽动力学的比较。
图12显示在可变地包括环糊精、维生素以及环糊精/维生素包涵复合物的水中种子发芽动力学的比较。
图13显示在可变地包括根据本发明的水合作用的活性组分的水中种子发芽率的比较。
图14显示在可变地包括环糊精作为根据本发明的水合作用的活性组分的介质中线虫寿命的比较。
图15显示在可变地包括衍生化环糊精作为根据本发明的水合作用的活性组分的介质中线虫寿命的比较。
图16显示在可变地包括环糊精包涵复合物作为根据本发明的水合作用的活性组分的介质中线虫寿命的比较。
图17显示在具有和不具有作为根据本发明的水合作用的活性组分包括在内的环糊精包涵复合物的介质中的线虫死亡频率。
图18显示在具有和不具有作为根据本发明的水合作用的活性组分的环糊精包涵复合物的介质中存活的线虫的种群存活曲线。
具体实施方式
通过添加一种或多种溶质或表面能够与水分子强有力地竞争氢键键结和/或偶极取向的适合分子聚集物来有目的地增强或组织水结构。具体来说，强化水分子相互作用并且增强水结构的因素和试剂从而改变另一分子表面的水合作用或溶剂化。因此，增强水结构的主要溶液添加剂可以增强与次要溶液组分的分子表面的水合相互作用(例如键结强度和动力学)或者降低此类相互作用，视次要组分的氢键键结表面特征而定。
另外，调节水结构的因素通常改变水分子之间的平均距离，并且从而可以增加或降低水密度。举例来说，随着水温降低到低于它的凝固点，水分子之间的氢键键结克服水分子的动能，使得水结构增强，由此使凝固水的密度降低约9％。类似地，在液态水中，水的氢键键结的强度增加使水分子之间的平均距离增加，这是随着比容增加(即密度降低)而观测到的。液体水的密度降低可以使溶解溶质的扩散性增强。因此，降低水密度的水性添加剂组分可以增强共溶解溶质的扩散性。
如本文所用的离液剂(chaotrope)是破坏水溶液中的氢键结网络并且从而起降低水结构作用的水性溶质添加剂。与水分子相比，离液剂通常极性较小并且具有较弱的氢键键结势能。离液剂可以优先与非极性溶质和粒子键结并且从而增强非极性溶质的溶解性。
如本文所用的稳定剂(kosmotrope)是促进水溶液中强且延伸的氢键键结网络并且从而增强和/或稳定亚微米级结构的水分子相互作用的溶质。氢键键结化学势大于水和/或偶极矩大于水的稳定剂可以增强水分子之间的氢键键结网络。另外，通过强化水合结构，稳定剂可以增强分子表面处的水合相互作用，所述分子表面可能包括分子之间的结合位点。因此，稳定剂可以用作水溶液添加剂以稳定分子相互作用。
另外，稳定剂可以增强所溶解的共溶质的有效化学活性。水分子之间的氢键键结相互作用强度的增加使得水采用密度较低并且比容较高的较开放结构。因此，通过使得密度降低，将稳定剂添加到水溶液中可以增强一种或多种所溶解的共溶质物质或化合物的扩散性。增强溶质物质或化合物的扩散性可以增强它的反应性、化学势、有效浓度以及可用性。
如本文中所论述，包合物组分是两性碳水化合物，其具有亲水性且与水强力地氢键键结的外表面以及亲水性较小的内表面。包合物的内表面可以选择性结合相对于水具有非极性或亲水性较小的分子结构。
如本文所用的包涵复合物是两种或两种以上化合物之间形成的化学复合物，其中第一化合物(也称为主体)具有限定部分封闭空间的结构，第二化合物(也称为客体)的分子纳入所述部分封闭空间内并且与第一化合物结合。主体分子可以称为包合物，并且可以可逆地或不可逆地结合客体分子。
如本文所用的生物细胞是活有机体的自我复制功能代谢单元，其可以单细胞有机体的形式或以多细胞有机体中的子单元的形式存活，并且包含含有相互作用的生物分子(例如蛋白质、核酸以及糖)的功能网络的脂质膜结构。生物细胞包括原核细胞、真核细胞以及从多细胞有机体解离的细胞，其可以包括预先衍生自多细胞有机体的培养细胞。
如本文所用的生物细胞系统是生物细胞和/或子细胞基本组分的功能上互连的网络，其可以包括活细胞、非活细胞、细胞器和/或生物分子。
如本文所用的生物活性分子是在生物细胞系统中具有功能活性的分子化合物。
如本文所用的生物分子是由生物细胞合成的分子化合物。生物分子包括通常由细胞合成的化合物，以及由基因工程化细胞合成的化合物，以及细胞衍生的化合物的化学合成拷贝。
如本文所用的生物分子表面是生物分子的外部原子边界，其可以包括生物化学相互作用表面，例如结合位点。
如本文所用的细胞组分是生物细胞的功能元件，其包括生物分子、生物分子复合物、细胞器、聚合结构、膜以及膜结合结构，并且可以进一步包括功能路径和/或网络，例如一系列分子事件。
物质的密度是在指定温度和压力条件下所述物质每单位体积的质量。
物质的比容是所述物质每单位质量的体积，其可以例如以m3/kg表示。物质的比容等于所述物质的密度的倒数。
如本文所用的生物活性组分是调节(增加或降低)生物细胞系统的活性的分子物质。
如本文所用的生物活性剂是当添加到生物细胞系统或细胞组分中时引起所述系统或所述组分的生物活性变化的物质。
如本文所用的水的键结结构是指保持和组织在液态和固态中水分子的取向的氢键网络。如本文所用的水结构当在既定温度下水分子之间的氢键被强化时增强，而当在既定温度下水分子之间的氢键被减弱时降低。
如本文所用的细胞组分之间的相互作用是指生物分子表面之间的化学结合。此类相互作用可以包括两种生物分子(例如配位体和它的特定受体)之间的结合。或者，这种相互作用可以包括生物分子与细胞器(例如细胞膜)之间的结合。
如本文所用的细胞外信号是当施加到细胞外部时可以调节(增加或降低)细胞活性的生物分子。细胞外信号可以与细胞质(外部)膜的组分结合，或者可以穿过质膜以调节细胞内活性。细胞外信号可以包括但不限于细胞外基质组分；细胞膜组分，例如糖蛋白和糖脂；抗原；以及可扩散生物分子，例如氧化氮。
如本文所用的细胞内信使是生物细胞的内部组分，其具有活性状态并且以活性状态充当中间信号以将细胞外信号传输到细胞内标靶中。
如本文所用的药理学药剂是与生物分子或生物分子复合物结合并且从而改变其活性的合成化学物质。
本发明包括通过增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用来增强所述细胞系统的活性的活性组合物。
优选地，用于调节细胞水合作用的活性组合物包括增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物组分。在一些实例中，活性组合物优选地包括增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物组分以及可以是生物活性剂的次要溶质化合物。在一些实例中，活性组合物优选地包括包涵复合物，其由包合物组分与可以是生物活性剂的形成复合物的化合物所形成。
生物细胞是多室结构，包含化学活性水基腔室和脂质基膜。细胞的结构和活性衍生自它们的生物分子组分(例如脂质、结构蛋白、酶促蛋白、碳水化合物、盐、核苷酸以及其它代谢和信号传导生物分子)之间的高度选择性化学键结缔合。生物分子键结的强度和特异性反映键结界面处的互补化学拓扑。亲水性和/或疏水性表面通常控制生物分子键结界面的化学拓扑。在水性系统中，疏水性和亲水性相互作用实质上由浓度超出50M的水分子的竞争性水合相互作用驱动。
如本文所用的细胞水合作用是指水分子与细胞系统中生物分子组分之间的相互作用。细胞水合作用可以通过改变水分子与生物分子表面之间的氢键键结的强度和/或动力学来调节。
调节水结构的水溶液添加剂可以通过调节生物分子结合表面的水合作用来改变细胞组分之间结合的强度、动力学和/或特异性。举例来说，增强水结构的稳定剂水性添加剂可以改变所分泌的细胞间信号传导因子与位于所述因子的潜在标靶细胞的质膜中的同源受体之间结合的强度、动力学和/或特异性，并且因此使细胞信号传导网络的结果产生偏差。
适合作为根据本发明的细胞水合作用的活性组分的包合物包括直链淀粉和环糊精。直链淀粉是具有D-葡萄糖单元的线性多糖。如图1中所示，环糊精是通过α(1-4)葡萄糖间键键联的D-葡萄糖单元的巨环寡糖。直链淀粉和环糊精容易由水解淀粉大量制备。环糊精制备包括酶促转化，最常使用由芽孢杆菌(Bacillus)菌株产生的酶环糊精-糖基转移酶。
如图2中所示，环糊精可以因环中所包括的葡萄糖单元的数目而不同。环糊精物质包括α-环糊精(6个单元)、β-环糊精(7个单元)、γ-环糊精(8个单元)以及δ-环糊精(9个单元)。如本文所用的母体环糊精是天然的未化学衍生化的α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精，分别具有18个(α-)、21个(β-)以及24个(γ-)游离的未经修饰的羟基。
如图3中示意性显示，环糊精具有环形拓扑，一种通常类似截短锥体或末端开放圆筒的一半的形状。因此，环糊精可以描述为包括外部化学表面，其包括外表面和圆筒的边缘；以及内部化学表面，其围绕内部空穴(圆筒内部)。
环糊精外表面包括高密度的与水H键结的亲水性化学基团。具体来说，母体α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精结构的羟基全部集中于环糊精圆筒的末端处。更具体来说，环糊精羟基(-OH)化学基团沿圆筒边缘定位并且它们的取向在空间上是受限的。可以称为主要OH基团的位于葡萄糖位置C(6)处的羟基相对于环糊精圆筒的较窄开放末端指向逆时针方向。可以称为次要羟基的位于葡萄糖位置C(2)处的羟基相对于环糊精圆筒的较宽开放末端在顺时针方向上成角度。
环糊精羟基的高密度和受限取向在环糊精圆筒的两个末端处均引起特别强的H键结表面。环糊精的物理化学分析和溶剂化模型化显示邻近环糊精的水分子具有固定位置和低角度(旋转)迁移率。有用地，圆筒直径以及羟基数目不同的环糊精物质在强结合水分子的数目和迁移率方面也不同。
环糊精化合物的H键结活性可以传播到周围水性介质中。如图4和图5中所示，在标准温度和压力下引入规定水分子群中的环糊精分子的动态模型化引起水在整个体积中的纳秒重组。图4描绘在引发混合模拟之后一皮秒(ps)时的群分布；图5描绘在1000ps(1纳秒)时同一群的再分布，其中水分子已采用较开放结构。
在一些实例中，环糊精可以通过稳定剂活性充当细胞水合作用的活性组分，稳定剂活性增强水的键结结构，其中水分子之间氢键键结的增强会调节生物分子表面的水合作用，并且从而改变细胞组分之间结合的强度、动力学和/或特异性。
在一些实例中，环糊精可以通过稳定剂活性充当细胞水合作用的活性组分，稳定剂活性增强水的键结结构，其中水分子之间的较强氢键键结形成具有较低密度(即较高比容)的开放水结构，并且其中生物活性分子的扩散速率增加。此类实例可以包括可溶性生物活性分子，例如酶、酶底物、营养物、代谢物、细胞因子、神经递质、激素、细胞外信号、细胞内信使或药理学药剂。
增加水中的扩散速率的细胞水合作用的活性组分可以调节受生物活性组分的浓度变化速率限制的许多生物过程中的之一。举例来说，来自突触间隙的神经递质的消除通常是扩散限制的，包括在哺乳动物脑中谷氨酸盐自兴奋突触的被动分散以及由扩散限制的乙酰胆碱酯酶引起的脊椎动物神经肌肉突触处的乙酰胆碱的主动分解代解。类似地，电可刺激细胞(例如肌肉细胞)的活性通常是由扩散限制的细胞内第二信使信号钙的浓度变化协调。
环糊精的细胞水合活性可以通过与复合物形成剂形成包涵复合物来调节(增强或降低)。缺乏羟基的环糊精内表面与周围水性环境相比亲水性较小，并且从而优先结合具有低亲水性和H键结势能的共溶质分子。
在由动物摄入之后，增强间质和细胞内流体的氢键结结构的碳水化合物包合物组合物可以改善细胞水合作用，包括细胞膜表面处的水合结构以及促进健康细胞功能的生物分子的溶剂化。改善的细胞水合作用可以通过例如增强溶质、营养物、废产物、细胞因子、代谢物以及支持细胞功能、分化、修复、生长以及存活的其它分子试剂的引进、输出和/或扩散性以及通过稳定易受损组织(例如肌肉和神经)中的细胞膜来支持健康细胞功能。
在一些实例中，由动物摄入的碳水化合物包涵复合物可以增强水的H键结结构并且从而改善细胞水合作用和/或细胞组分的扩散性。在一些实例中，由动物摄入的碳水化合物包涵复合物可以解离以释放游离(即非复合)环糊精包合物组分，其增强水的氢键结结构并且从而改善细胞水合作用和/或细胞组分的扩散性。在一些实例中，碳水化合物包涵复合物可以在不解离的情况下增强水结构并且改善细胞水合作用。在一些实例中，碳水化合物包涵复合物可以解离成用于增强水结构和细胞水合作用的包合物组分以及可以进一步增强水结构和/或提供其它有益性质(例如营养或调味)的复合物形成剂。
本发明的碳水化合物包合物组合物可以以各种形式提供，包括形成固体粉末、片剂、胶囊、囊片、颗粒、丸剂、薄片、粉末、速溶饮料粉末、泡腾粉或泡腾片。一些碳水化合物包合物组合物也可以形成或并入到水性饮料或其它食物产品中。此类碳水化合物包合物组合物可以是包涵复合物，其在储存期间保持相当稳定，使得包合物组分不会从复合物形成剂解离并且与降低复合物的稳定剂活性并且从而降低它改善细胞水合作用的能力的另一化合物形成较强复合物。
本发明还提供改善动物(例如人类)的细胞水合作用的方法。举例来说，一些方法可以包括(a)通过溶解由碳水化合物包合物组分和复合物形成剂形成的包涵复合物来制备饮料，所述复合物形成剂能够在生理条件下从碳水化合物包合物组分解离，和(b)使动物经口摄入所述饮料，其后碳水化合物包合物组分从复合物形成剂解离并且调节细胞生物分子表面处氢键结水结构的强度、程度以及动力学。
I.碳水化合物包合物组合物
碳水化合物包合物组分可以包括任何适合的碳水化合物，包括但不限于α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精；甲基化β-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；羧基-烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的季铵盐；直链淀粉(例如乙酰化直链淀粉)以及其混合物。
在优选实施例中，碳水化合物包合物可以单独基于增强水结构的稳定剂活性或基于其与其它溶质的组合来选择。优选的环糊精稳定剂可以包括α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、2-羟丙基-环糊精、羧基甲基化-环糊精以及季铵-环糊精。
环糊精衍生物可以包括烷基化、羟基烷基化、烷氧基烷基化、乙酰化、季铵盐、羧基烷基化、麦芽糖基化以及葡萄糖基化衍生物。环糊精衍生物的烷基可以是直链或分支链的，可以具有一到三个碳的主链长度，并且可以具有总共一到六个并且优选地一到三个碳原子。环糊精衍生物的一些非限制性实例可以包括甲基化β-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精和/或γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精和/或γ-环糊精；羧基烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精和/或γ-环糊精的季铵盐；以及这些衍生物的任何组合与一种或多种环糊精一起或组合的混合物。环糊精的示例性混合物可以包括分别约1:1:1到2:2:1的重量比范围内的α-环糊精、β-环糊精和/或γ-环糊精的组合。环糊精可以呈水合物晶形和/或非晶形，包括但不限于α-环糊精、β-环糊精和/或γ-环糊精的水合物和/或非晶形，以及其混合物。
如果碳水化合物包合物组合物呈固体形式，那么环糊精组分可以约10-90％w/w或约15-70％w/w或约15-60％w/w的浓度范围存在。优选地，环糊精组分可以约10-50％w/w或约15-40％w/w的浓度范围存在。更优选地，环糊精组分可以约20-25％w/w的浓度范围存在。
如果碳水化合物包合物组合物呈水性饮料形式，那么环糊精组分可以约0.01-75％w/v或约0.05-50％w/v或约0.1-25％w/v的浓度范围存在。优选地，环糊精组分可以约0.1-10％w/v的浓度范围存在。更优选地，环糊精组分可以0.1-5％w/v的浓度范围存在。
碳水化合物包合物组合物可以优选地包括能够与多种复合物形成剂(例如氨基酸、维生素、调味剂、增味剂、着色剂等)形成包涵复合物的包合物。能够结合复合物形成剂以形成包涵体的碳水化合物包合物组分的非排它性实例可以包括α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、2-羟丙基-环糊精、羧基甲基化-环糊精、季铵-环糊精、直链淀粉、直链淀粉衍生物或这些物质的任何所需混合物。
环糊精包合物组分可以基于它与所选复合物形成剂的所需结合性质来进一步选择。可接受的环糊精的非限制性实例可以包括α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的市售和政府管理批准形式。葡萄糖单元的数目决定空穴的内部尺寸和它的体积，并且可能决定在与客体分子形成包涵复合物时的选择性。所选复合物形成剂当结合于主体环糊精或其它主体碳水化合物包合物时可以调节复合主体的物理化学性质以增强它的稳定剂活性。
如果包合物组分呈直链淀粉组分形式，那么直链淀粉组分可以含有以聚合度(DP)在DP＝10-900并且更优选地DP＝20-200并且最优选地DP＝30-80范围内表示的葡萄糖单元。直链淀粉衍生物可以包括但不限于乙酰化直链淀粉。直链淀粉组分优选地可以具有包括呈螺旋排列的α1,4-键联D-吡喃葡萄糖的结构，所述螺旋排列会限定用于结合疏水性分子的中心空穴。举例来说，V-直链淀粉的A-淀粉螺旋和B-淀粉螺旋可以包括限定中心空穴的平行左向双螺旋。直链淀粉包涵复合物的螺旋可以通过由主体-客体相互作用产生的疏水性力、邻近直链淀粉的葡萄糖之间的分子间H键以及由邻近螺旋圈形成的分子内H键来稳定化。参见辛瑞奇W.(Hinrichs,W.)等人,“在原子分辨率下的直链淀粉反向平行双螺旋(AnAmylose Antiparallel Double Helix at Atomic Resolution)”,科学(Science),(1987),238(4824):205-208，其全部公开内容出于所有目的以引用的方式并入在此。直链淀粉包合物组分可以用于与具有低分子量的复合物形成剂(例如调味剂、着色剂、维生素、氨基酸和/或胺的非限制性实例)形成包涵复合物。
如果含有直链淀粉包合物组分的组合物呈固体形式，那么直链淀粉组分优选地可以约10-90％w/w或约15-70％w/w或约15-60％w/w的浓度范围存在。更优选地，直链淀粉组分可以约10-50％w/w或约15-40％w/w的浓度范围存在。最优选地，直链淀粉组分可以约20-25％w/w的浓度范围存在。如果含有直链淀粉包合物组分的组合物呈水性饮料形式，那么直链淀粉组分优选地可以约0.1-75％w/v或约1-50％w/v或约1-25％w/v的浓度范围存在。
II.复合物形成剂
在一些实例中，本文中所公开的包合物组合物可以任选地含有复合物形成剂，所述复合物形成剂可以包括一种或多种氨基酸、维生素、调味剂、增味剂和/或其它营养组分以及这些试剂的组合或混合物。碳水化合物包合物组合物可以进一步包括一种或多种碳酸化形成组分以便用于形成饮料产品。
复合物形成剂可以与包合物组分强力复合以便增强稳定剂活性并且从而影响细胞水合作用。或者，这些试剂可以与包合物组分微弱复合以便具有从其解离的能力以便允许游离包合物组分增强水结构。
适用于与本发明的碳水化合物包合物组合物形成包涵复合物的氨基酸的非限制性实例可以包括天冬氨酸、精氨酸、甘氨酸、谷氨酸、脯氨酸、苏氨酸、茶氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、丙氨酸、缬氨酸、酪氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、天冬酰胺、丝氨酸、赖氨酸、组氨酸、鸟氨酸、甲硫氨酸、肉碱、氨基丁酸(α-异构体、β-异构体以及γ-异构体)、谷酰胺、羟基脯氨酸、牛磺酸、正缬氨酸、肌氨酸、其盐以及其混合物。还包括这些氨基酸的N-烷基C1-C3和N-酰化C1-C3衍生物，以及所述氨基酸或其衍生物中任一者的混合物。可以与环糊精一起包括在内以增强水结构和细胞水合作用的优选复合物形成氨基酸包括L-精氨酸、L-赖氨酸、N-甲基-赖氨酸以及L-肉碱。
维生素的非限制性实例可以包括尼克酰胺(nicotinamide)(维生素B3)、烟酰胺、烟酸、盐酸吡哆醛(维生素B6)、抗坏血酸、可食用抗坏血酸基酯、核黄素、吡哆醇、硫胺、维生素B9、叶酸、叶酸盐、蝶酰基-L-谷氨酸、蝶酰基-L-谷氨酸盐、其盐以及其混合物。与环糊精一起包括在内以增强水结构和细胞水合作用的优选维生素可以包括尼克酰胺以及烟酰胺。
调味剂的非限制性实例可以包括苹果、杏、香蕉、葡萄、黑醋栗、树莓、桃、梨、菠萝、李子、橙以及香草调味剂。调味剂相关化合物的实例包括乙酸丁酯、异戊酸丁酯、丁酸烯丙酯、戊酸戊酯、乙酸乙酯、戊酸乙酯、乙酸戊酯、麦芽酚、乙酸异戊酯、乙基麦芽酚、异麦芽酚、双乙酰基、丙酸乙酯、邻氨基苯甲酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸戊酯以及戊酸戊酯。可以选择调味剂以使得它与所选环糊精组分以约10到800M-1、优选地30到150M-1并且更优选地40到100M-1范围内的结合常数微弱结合。
其它味道改善组分的非限制性实例可以包括多元醇添加剂，例如赤藓糖醇、麦芽糖醇、甘露醇、山梨醇、乳糖醇、木糖醇、肌醇、异麦芽糖、丙二醇、甘油(丙三醇)、苏糖醇、半乳糖醇、帕拉金糖(palatinose)、还原异麦芽寡糖、还原木寡糖、还原龙胆寡糖、还原麦芽糖浆以及还原葡萄糖浆。
着色剂的非限制性实例可以包括已知具较大水溶性和较小亲脂性的着色剂。具有那些性质的着色剂的实例是甜菜红色素(betalain)，例如甜菜花青素(betacyanin)和甜菜黄素(betaxanthin)，包括仙人掌黄素(vulgaxanthin)、紫茉莉黄素(miraxanthin)、马齿苋黄素(portulaxanthin)以及梨果仙人掌黄素(indicaxanthin)；花色素，例如橙苷色素(aurantinidin)、矢车菊色素(cyanidin)、飞燕草色素(delphinidin)、欧天芥菜色素(europinidin)、木犀草素(luteolinidin)、天竺葵色素(pelargonidin)、锦葵色素(malvidin)、芍药色素(peonidin)、牵牛花色素(petunidin)以及松香色素(rosinidin)；以及这些花色素的所有相应花色素苷(或糖苷)；以及姜黄型着色剂，包括酚系类姜黄素，例如姜黄素、去甲氧基姜黄素以及双去甲氧基姜黄素。
所有以上氨基酸、维生素、调味剂以及相关化合物的实例均可以呈适当盐或水合物形式。
可以选择复合物形成剂以与所选的包合物组分形成包涵复合物。复合物形成剂可以与在包合物分子的空穴中作为客体分子的包合物组分结合，和/或可以形成所谓的外球复合物，其中所选弱复合物形成剂与处于或围绕包合物边缘的一个位置与包合物分子结合。举例来说，所选弱复合物形成剂可以在环糊精环面边缘处的主要和/或次要羟基处或围绕这些羟基与环糊精分子结合。一些与所选环糊精形成外球复合物的复合物形成剂可以通过掩蔽水中两个相邻环糊精分子之间形成的分子间氢键来降低或防止溶解的水合环糊精分子的自我聚集。
如果碳水化合物包合物组合物呈固体形式，那么复合物形成剂可以约1-50％w/w的浓度范围存在。优选地，复合物形成剂可以约1-40％w/w或约1-25％w/w的浓度范围存在。更优选地，复合物形成剂可以约5-15％w/w的浓度范围存在。
如果碳水化合物包合物组合物呈水性饮料形式，那么复合物形成剂可以约0.1-25％w/v或约1-20％w/v的浓度范围存在。优选地，复合物形成剂可以约1-15％w/v或约1-10％w/v或约3-8％w/v的浓度范围存在。更优选地，复合物形成剂可以约5-8％w/v的浓度范围存在。
III.包涵复合物
如上文所提到，包涵复合物可以包括与一种或多种复合物形成剂复合的包合物主体分子。呈固体产物(例如固体粉末或片剂)形式的包涵复合物与基本上含有相同组分但不预先形成包涵复合物的固体组合物相比可以展现一些独特性质。包涵复合物基本上是具有包合物分子与弱复合物形成剂分子之间形成的非共价氢键的化学实体。呈固体形式的包涵复合物具有解离成用于增强水结构的包合物组分和复合物形成剂的潜力，当包涵复合物例如在溶解于水性饮料中之后或在摄入之后被引入水性环境中时，所述复合物形成剂可以进一步增强水结构或提供其它有益性质，例如营养或调味。
当呈固体产物形式时，包合物组分以及一种或多种类型的复合物形成剂可以如上文所述实质上呈包涵复合物形式。优选地，超过约25％的包合物组分与一种或多种类型的复合物形成剂以包涵复合物形式复合。逐渐更优选地使超过35％、45％、50％、60％、70％、80％、90％以及95％的包合物组分复合。
IV.碳酸化形成组分
一些包合物组合物可以包括在溶解到水性环境中之后产生碳酸化作用或泡腾现象的碳酸化形成组分。碳酸化形成组分有利地可以抑制包合物分子的自我聚集，从而增加用于结构化水并且增强细胞水合作用的包合物表面积。
碳酸化形成组分的非限制性实例可以包括碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾以及碳酸氢钾。优选的碳酸化形成组分可以包括碳酸钠和碳酸氢钠。
如果碳水化合物包合物组合物呈固体形式，那么碳酸化形成组分可以约1-60％w/w或约5-60％w/w的浓度范围存在。优选地，碳酸化形成组分可以约5-45％w/w或10-45％w/w的浓度范围存在。更优选地，碳酸化形成组分可以约10-15％w/w的浓度范围存在。
如果碳水化合物包合物组合物呈水性饮料形式，那么碳酸化形成组分可以约1-30％w/v或约1-25％w/v的浓度范围存在。优选地，碳酸化形成组分可以约2-15％w/v或2-10％w/v的浓度范围存在。更优选地，碳酸化形成组分可以约2-5％w/v的浓度范围存在。
V.其它组分
一些组合物可以包括影响组合物的味道和/或营养价值的其它组分。这些其它组分可以包括但不限于以下一或多者：调味添加剂、营养成分和/或在调配物中充当防止包合物聚集的添加剂的各种羟基酸。此类其它组分的非限制性实例可以包括柠檬酸、抗坏血酸、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、柠檬酸钾、氯化铕(EuCl3)、氯化钆(GdCl3)、氯化铽(TbCl3)、硫酸镁、矾、氯化镁、麦芽糊精、磷酸的一元、二元、三元钠盐或钾盐(例如无机磷酸盐)、盐酸盐(例如无机氯化物)、硫酸氢钠。防止环糊精聚集的羟基酸的非限制性实例可以包括异柠檬酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、苏糖酸、其盐以及其混合物。这些羟基酸还可以展现一些营养益处。可以使用的其它任选组分(例如味道添加剂)的其它非限制性实例包括适合的有机盐，例如氯化胆碱、海藻酸钠盐(海藻酸钠)、葡糖庚酸钠盐、葡糖酸钠盐(葡糖酸钠)、葡糖酸钾盐(葡糖酸钾)、盐酸胍、盐酸葡糖胺、盐酸胺氯吡脒、谷氨酸单钠(MSG)、腺苷单磷酸盐、葡糖酸镁、酒石酸钾(单水合物)以及酒石酸钠(二水合物)。
优选的其它组分可以包括例如柠檬酸、抗坏血酸以及麦芽糊精。
如果碳水化合物包合物组合物呈固体形式，那么一种或多种其它组分各自可以约1-30％w/w或约1-25％w/w的浓度范围存在。优选地，一种或多种其它组分各自可以约1-20％w/w或1-15％w/w的浓度范围存在。更优选地，一种或多种其它组分各自可以约2-5％w/w的浓度范围存在。
如果碳水化合物包合物组合物呈水性饮料形式，那么一种或多种其它组分可以约1-20％w/v或约1-15％w/v的浓度范围存在。优选地，一种或多种其它组分可以约1-10％w/v或1-5％w/v的浓度范围存在。更优选地，一种或多种其它组分可以约1-3％w/v的浓度范围存在。
VI.组分比率
除以上关于可以用于本文中所公开的碳水化合物包合物组合物中的各种组分的类型和量的描述之外，另外应注意还可以描述这些组分的相对量。优选地，包合物组分与复合物形成剂的重量比可以在约5:1到1:10范围内，更优选地可以在约2:1到1:5范围内，更优选地可以在约2:1到1:2范围内，并且更优选地可以在约1:1到1:2范围内。
关于其它可能的组分，例如调味组分、碳酸化形成组分以及上文所描述的其它组分，包合物组分与其它组分中每一者的重量比分别可以在约25:1到1:25或约10:1到1:10或约5:1到1:5或任选地约2:1到1:2以及1:1的范围内。
VII.优选实施例
本文中所公开的碳水化合物包合物组合物的优选实施例是以说明形式提供，并且不打算以任何方式限制本发明的范围。
实例1
环糊精对水结构的分子动力学的影响
使用
Figure BDA0000956648730000181
5.11软件(来自佛罗里达州盖恩斯维尔的超立方公司(HyperCube Inc,Gainesville,FL))产生模拟的水溶剂化环糊精分子系统，其中输入参数来源于由林德纳(Lindner)和桑格(Saenger)报导的环庚-直链淀粉十二水合物包合物(或β-环糊精)的单晶分析(参见：碳水化合物研究(Carbohydr.Res.),99:103,1982)，并且使用一共含有984个水分子的水周期性溶剂箱(3.1×3.1×3.1nm3)。使用TinkerFFE 4.2(用于分子设计的TINKER软件工具，版本5.0，杰伊威廉邦德(Jay William Ponder)，密苏里州圣路易斯的华盛顿大学(Washington University,St.Louis,MO))将分子转化和原子类型调节到适当格式。使用Linux x86-64操作系统(Slamd 64v12.2)在对截短牛顿-拉普森方法(Newton-Raphson method)预先最佳化之后，用Tinker 5.0软件执行分子力学和动力学计算。
使用MM3力场分子力学软件在恒温(298K)下以0.1飞秒(fsec)步长持续120皮秒(psec)进行分子动力学模拟。通过每100,000步(等效于10psec经过时间)倾卸中间体结构来产生记录。
观察结果：
在每一次模拟的时间零时，标准水溶剂箱含有一个β-环糊精包合物分子以及984个水分子的均匀分布群。图4和图5显示在一次代表性模拟期间在特定经过时间时溶剂箱中心部分的图示。应了解，水分子位置和取向以(弯曲)棒表示，而β-环糊精以范德华斯表面(van der Waals surface)表示。另外应了解，图4和图5描绘溶剂箱的一个体积，并且因此将三维分子分布压缩成两维。
图4显示在模拟的1psec经过时间时溶剂箱的中心部分。具体来说，在1psec经过时间时，与β-环糊精紧邻的水分子已通过与环糊精氢键键结获得相对静态(稳定)位置。此类水分子可以称为第一水合层。然而，溶剂箱中大多数水分子的分布大体上保持与起始分布(前1psec)类似，其为未结构化的。
图5显示1000psec(即1nsec)经过时间之后的模拟。在1000psec时，与β-环糊精紧邻的水分子继续占据相对静态(稳定)位置。然而，与1psec(图4)相比，超出第一水合层的水分子已获得较开放微结构。
在不存在图4和图5中所包括的透视阴影细节的情况下可以较容易地观测到水结构的差异。图6显示图4(左侧，标记为1psec)和图5(右侧，标记为1000psec)中所示的水分子分布的替代视图，这些替代视图是通过以下方法产生：在Photoshop 9.0(奥多比公司(Adobe,Inc))中打开具有256灰度(8位)的图4和图5的图像文件，调节到300dpi，在灰度207下阈值化；使用圆圈选择工具将图像裁减为相同的外环直径，并且用黑色(灰度0)填充外部方形角，并且接着进一步裁减以使仅仅包括环糊精分子的内环变黑。对比较图像相同地应用外环和内环尺寸。所得阈值化图示定性地显示在1000psec时围绕中心(封闭)环糊精分子的水分子具有较开放和协调的结构(例如图6的右侧图)。
为定量评估图4-6中所呈现的水的微结构的变化，通过测量穿过所描绘体积的开放路径来粗略估计分子密度，这是一种与平均自由路径分析类似的方法，在平均自由路径分析中在规定体积的分子物质中平均自由路径与分子密度成反比关系。具体来说，水分子之间的开放路径由白色像素元素显示，而体积中开放路径的数目容易使用Photoshop 9.0的直方图工具计算白色像素元素的数目来定量。应用于图6的图，1000psec经过时间时的开放路径与1psec经过时间时的开放路径相比计算得到增加2％的测量值。为进行比较，凝固纯水使得密度降低9％。因为路径长度与分子密度成反比，所以分析表明所溶解的环糊精通过增强水分子的组织化来降低水溶液密度。
总的来说，结果表明β-环糊精的外表面羟基与水分子之间的快速(psec)氢键键结的粘连之后，水分子再取向在整个溶剂箱中较慢(纳秒)传播，从而产生较开放的水结构。所测量的结果进一步表明环糊精可以充分增强在周围水性体积中水分子之间的氢键键结，从而使得水密度降低。
实例2
通过IR光谱法检测的环糊精添加剂对水键结的影响
水的物理微结构研究、水-糖相互作用以及对于糖对增强和降低水结构的影响的检测优先使用红外(IR)光谱法并且特别是近红外(NIR)光谱法，如例如由塞格坦(Segtan)等人(参见：分析化学(Anal.Chem.)2001；73,3153-3161)和R.詹贾科莫(R.Giangiacomo)(参见：食物化学(Food Chemistry),2006,96.3.371-379.)所报导。
在近红外和中红外范围内使用IR光谱法分析纯水和含有环糊精化合物的相同水的溶液中的水合键能。为记录整个波长范围内的线性信号，使用短光程比色皿使因水吸收造成的衰减最小化。
NIR范围光谱是在FOSS NIR系统公司6500光谱仪和使用1mm-es比色皿的样品运送模块(STM)上记录。使用硫化铅(PbS)检测器和Vision 2.51软件(2001；FOSS NIR系统公司)收集1100-2498nm的透射光谱。
使用珀金-埃尔默(Perkin-Elmer)Spectrum 400FT-NIR/FT-IR光谱仪和UATR(通用衰减全反射；ZnSe-金刚石晶体，1×平顶板)样品处理单元来获得跨越2500-15385nm(以4000-650cm-1形式报导)的光谱。在24℃下使用三甘氨酸-硫酸盐(TGS)检测器和SpectrumES 6.3.2软件(珀金埃尔默，2008)执行测量。
在本发明研究中使用三种水样。第一水样(USA I)获自美国(U.S.)并且通过反渗透、碳过滤、紫外光曝露、膜过滤到0.2绝对微米以及臭氧化来纯化。第二水样(USA II)也获自美国。第三水样(BP I)获自匈牙利布达佩斯(Budapest,Hungary)。毛细管电泳显示在三种水之间浓度不同的类似离子组分。
以0.1％-5％w/v的浓度范围将以下环糊精添加到上述水样中：
α-环糊精(αCD也表示为ACD)，批号CYL-2322。
β-环糊精(βCD也表示为BCD)，批号CYL-2518/2。
γ-环糊精(γCD也表示为GCD)，批号CYL-2323。
2-羟丙基-β-环糊精(HPβCD，HPBCD)，DS*＝3.5，批号CYL-2232。
2-羟丙基-γ-环糊精(HPCD，HPGCD)，DS*＝4.8，批号CYL-2258。
羧甲基-β-环糊精(CMBCD)，批号CYL-2576。
季铵-β-环糊精(QABCD)。
对于一些实例，在环糊精与包括氨基酸L-精氨酸和L-肉碱以及维生素烟酰胺(也称为尼克酰胺)的复合物形成生物活性剂之间形成各种包涵复合物。所有试剂均为分析纯的。对于一些实例，以游离形式和或者以环糊精-复合(以分子形式包覆)形式添加L-精氨酸和尼克酰胺，以评估环糊精和生物活性剂的独立活性和互相依赖的活性。呈游离形式以及呈环糊精包涵复合物形式的以上添加剂的浓度在0.1％到5.0％w/v范围内。
观察结果：
图7显示波长区域900-1200nm的二阶导数NIR光谱。结果显示水键结相互作用因添加QABCD而得到显著调节，并且因添加CMBCD和HPBCD而进一步得到显著调节。
图8显示针对1200-1500nm显示的二阶导数NIR光谱。结果显示水键结相互作用因添加QABCD和HPBCD而得到显著调节，并且因添加CMBCD而进一步得到显著调节。
图9显示针对1620-1710nm显示的二阶导数NIR光谱。结果显示水键结相互作用因添加CMBCD、QABCD以及HPBCD而得到显著调节。
图10显示针对2170-2370nm显示的二阶导数NIR光谱。结果显示水键结相互作用因添加CMBCD和HPBCD而得到显著调节，并且因添加QABCD而进一步得到显著调节。
如图7-10中所示，添加环糊精会改变水性介质的分子键结相互作用。特别提及图9，波长范围1620-1770nm内的细化NIR光谱导数显示碳氢键相关改变与环糊精添加剂的CH3-CH2-和CH-基团有关。在每一个由环糊精处理的水样中出现的显著光谱变化表明受到调节的氢键微结构决定主体水中的群集系统。这种影响在用带电荷的季铵-β-环糊精(QABCD)处理的水样中最大，如例如图9和图10中所示。
实例3
植物胚芽发芽的加速
使用关于实例2所描述的USA I、USA II以及BP I水使小麦种子(普通小麦(Triticum aestivum))发芽。将使用未补充(对照)水时的发芽率与使用不同地补充有环糊精组分和/或生物活性剂作为细胞水合作用的活性组分的相同水的发芽率相比。对于每一条件，在保持在25℃下的皮氏类型培养皿(Petri-type dish)中在12小时明/暗循环中使十个种子与水连续接触。在接种后1天到6天时记录光度计图像。计算发芽种子的百分比并且比较随时间和所施加的添加剂浓度的变化。
用于种子发芽的水样是在不具有添加剂的情况下单独使用或含有环糊精或含有环糊精与L-精氨酸或与尼克酰胺(两者均获自密苏里州圣路易斯的西格马化学公司(SigmaChemical Co.；St.Louis,MO))或与L-肉碱(来自瑞士龙沙AG(Lonza AG；Switzerland))的包合物包涵复合物。添加剂是以0.1和5.％(w/v)包括在内。添加剂溶液是在发芽开始当天新鲜制备的。
母体环糊精α-环糊精(ACD)、β-环糊精(BCD)以及γ-环糊精(GCD)是获自瓦克化学(Wacker Chemie)(德国慕尼黑(Munich,Germany))。以下衍生化环糊精是获自塞克罗实验室有限公司(Cyclolab Ltd.)(匈牙利布达佩斯(Budapest,Hungary))：羟丙基化-β-环糊精(DS约为3)(HPBCD)、羧基甲基化-β-环糊精(DS约为3.5)(CMBCD)、氯化2-羟基-3-N,N,N-三甲基氨基)丙基-β-环糊精(DS约为3.6)(QABCD)。
观察结果
以萌芽种子的百分比定量在相同条件下对照和添加剂改质的水中的发芽动力学。关于每一参数，每一次测定均由100个种子组成。结果报导于下表1和图11-13中。
A)环糊精/L-Arg包涵复合物增强种子发芽。
表1
Figure BDA0000956648730000221
表1显示0.5％w/vα-CD、0.5％w/v L-精氨酸(L-Arg)以及0.5％w/vα-CD/L-精氨酸包涵复合物(各自溶解于USA I水中)对小麦种子发芽的比较性影响。以上制成表格的结果表明，与缺乏任何添加剂的纯水(对照)相比，在包括α-环糊精与L-精氨酸之间的0.5％(w/v)包涵复合物(αCD/L-Arg包涵复合物)的水中小麦种子发芽率高得多。另外，表1中的结果表明，与包括0.5％(w/v)α-环糊精(αCD)作为单独添加剂的水相比，以及与包括0.5％(w/v)L-精氨酸(L-Arg)作为单独添加剂的水相比，在包括α-环糊精与L-精氨酸之间的包涵复合物(αCD/L-Arg包涵复合物)的水中小麦种子发芽率高得多。因此，结果表明α-环糊精与L-精氨酸的复合物对增强种子发芽率具有协同效应，这并未由复合物中用作单独添加剂的任一个别组分显示。表1的结果还显示于图11和图13中。
B)环糊精/尼克酰胺包涵复合物增强种子发芽。
表2
Figure BDA0000956648730000231
表2显示0.5％w/vα-环糊精、0.5％w/v尼克酰胺以及0.5％w/vα-环糊精/尼克酰胺包涵复合物(αCD/尼克酰胺包涵复合物)(各自溶解于USA I水中)对小麦种子发芽的比较性影响。以上制成表格的结果表明与缺乏任何添加剂的纯水(对照)相比，在包括α-环糊精与尼克酰胺之间的包涵复合物的水中小麦种子发芽率高得多。另外，表2中的结果表明，与包括α-环糊精(αCD)作为单独添加剂的水相比，以及与包括尼克酰胺作为单独添加剂的水相比，在包括α-环糊精与尼克酰胺之间的包涵复合物(αCD/尼克酰胺包涵复合物)的水中小麦种子发芽率高得多。因此，结果表明，当用作包涵复合物时，α-环糊精与尼克酰胺具有显著增强种子发芽率的协同生物活性。这种生物活性并未由复合物中用作单独添加剂的任一个别组分证实。表2的结果还显示于图12和图13中。
C)使用USA II和BP I水进行发芽来获得从性质上讲与表1和表2以及图11-13中所报导类似的结果。因此，具体来说，含有L-精氨酸或者含有尼克酰胺的环糊精包涵复合物当溶解于USA II或者BP I水中时，各自显著增强小麦种子发芽率，如以上使用USA I水所显示。
D)在各条件之间萌芽长度(发芽期间的萌芽生长速率)的差异不在统计学上显著的信赖区间(P<0.05)内。这一结果表明环糊精并且特别是环糊精包涵复合物可以选择性用作细胞水合作用的活性组分以提高种子发芽率，而未必也影响萌芽生长速率。
实例4
秀丽隐杆线虫(C.elegans)在水合作用受到调节的水中寿命延长
使秀丽隐杆线虫在可替代地用缺乏任何其它添加剂组分的USA I水(描述于实例2中)(对照)或补充有母体α-环糊精、β-环糊精或γ-环糊精和/或生物活性剂作为细胞水合作用的活性组分的相同水制备的含有普通营养液介质的皮氏类型培养皿中生长。将50±3个蠕虫转移到每一培养皿中。每一条件重复三次。针对实例2中所描述的USA II和BP I水重复实验。
水添加剂：
A.添加母体α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精。
B.添加L-精氨酸和尼克酰胺。
C.添加环糊精与L-精氨酸和尼克酰胺的包涵复合物。
观察结果：
所记录的结果展示于下表3-5中且进一步呈现于图14-18中。
表3
Figure BDA0000956648730000241
表3报导在可变地含有母体α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精作为细胞水合作用的活性组分的介质中存活到中年(10天)、晚年(15天)以及老年(18天)的动物的百分比。在这一实例中，母体环糊精是以0.1％w/v的浓度添加到溶解于USA I水中的营养介质中。
与所有先前研究一致，在本发明实例中普通秀丽隐杆线虫动物在普通介质中存活两周。每一种母体环糊精均显著增加秀丽隐杆线虫在晚年寿命(10-15天)下的存活率(活动物百分比)。另外，α-环糊精和γ-环糊精显著增加存活到老年(即15天之后)的动物的数目。所述结果还以图形方式呈现于图14中，其将在含有每一添加剂母体环糊精的介质中存活到15天和18天的动物的累积百分比进行比较。结果显示母体环糊精，特别是α-环糊精和β-环糊精可以用作细胞水合作用的活性组分以改善活动物的生物功能。
支持晚期老化的生物机制可以包括改善在老化期间的广谱细胞活性，或者通过选择性活化减慢老化的细胞活性路径。包合物诱导的在水结构、细胞组分的水合作用以及生物活性细胞组分(包括细胞间和细胞内信号)的扩散性方面的增强均可以促成环糊精对有机体存活率的总体影响。
表4
Figure BDA0000956648730000251
表4报导在可变地含有衍生化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精作为细胞水合作用的活性组分的介质中存活到中年(10天)、晚年(15天)以及老年(18天)的动物的百分比。在这一实例中，衍生化环糊精是以0.1％w/v添加到溶解于USA I水中的营养介质中。
β-环糊精的HP衍生物、羧甲基衍生物以及季铵衍生物仅对秀丽隐杆线虫初期存活到10天稍有影响，如表4中所列举。相比之下，在晚年(15天)时但未在老年(18天)时观测到存活率的显著增加。所述结果还以图形方式显示于图15中，其将在含有每一添加剂衍生化环糊精的介质中存活到15天和18天的动物的累积百分比进行比较。结果表明衍生化环糊精可以用作细胞水合作用的活性组分以改善活动物的生物功能。
表5
Figure BDA0000956648730000252
表5报导在可变地补充有0.1％w/v的环糊精包涵复合物作为细胞水合作用的活性组分的溶解于USA 1水中的营养介质中存活到中年(10天)、晚年(14天)以及老年(18天)的动物的百分比。在这一实例中，包涵复合物含有α-环糊精和生物活性剂，特别是L-精氨酸、L-肉碱或烟酰胺。
如在先前实例中，在未补充介质中秀丽隐杆线虫动物存活两周。α-环糊精与L-精氨酸和烟酰胺的复合物使超过两倍的秀丽隐杆线虫在晚年(14天)时存活，并且进一步允许小而显著数目的动物存活到老年，在单独营养介质中并无动物存活到老年。相比之下，α-环糊精与L-肉碱的复合物对秀丽隐杆线虫存活率影响极小或无显著影响。类似地，在不具有α-环糊精的情况下单独添加L-精氨酸和尼克酰胺到培养介质中对秀丽隐杆线虫存活率影响极小。结果还以图形方式显示于图16中，其将在含有每一环糊精包涵复合物作为添加剂的介质中存活到14天和18天的动物的累积百分比进行比较。结果表明α-环糊精包涵复合物，特别是与L-精氨酸和烟酰胺的复合物可以用作细胞水合作用的活性组分以改善活动物的生物功能。
如图17中进一步所示，α-环糊精与L-精氨酸的包涵复合物(数据系列A；1:1复合物，以0.1％w/v溶解于用USA I水制备的介质中)以及α-环糊精与烟酰胺的包涵复合物(数据系列B；1:1复合物，以0.1％w/v溶解于用USA I水制备的介质中)可以降低秀丽隐杆线虫蠕虫的死亡率。图17显示每一介质条件下每一天死亡的动物数目，其中对照数据系列是用USA I水制备并且缺乏另一添加剂或补充物的介质。结果显示α-环糊精的复合形式可以用作细胞水合作用的活性组分以延缓活动物的死亡。
图18将图17的数据替代地表示为在使用USA I水的普通介质中(对照)或者在补充有α-环糊精与L-精氨酸的1:1包涵复合物的介质中(样品1)或在补充有环糊精与烟酰胺的1:1包涵复合物的介质中(样品2)生长的动物的存活曲线。因此，图17中所示的死亡延迟引起老年的存活，存活(50％存活率)的平均年龄从在普通介质中的接近13天增加到在包括环糊精包涵复合物作为细胞水合作用的活性组分的介质中的接近14天，这表示寿命增加8％。
虽然已参考前述操作原则和优选实施例显示和描述本发明，但对所属领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节方面做出各种改变。本发明打算涵盖落入所附权利要求书范围内的所有此类替代、修改以及变化。

Claims (22)

1.一种生物活性组分在制备用于增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用的组合物中的用途，
其中所述生物细胞系统包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子；并且
所述生物活性组分包含由活性的碳水化合物包合物组分和复合物形成剂构成的包涵复合物；
其中所述碳水化合物包合物组分经构建以增强所述细胞系统并包括环糊精；以及
其中所述复合物形成剂是选自由以下组成的群组：氨基酸以及维生素。
2.如权利要求1所述的用途，其中所述碳水化合物包合物组分为增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物组分。
3.如权利要求2所述的用途，其中所述生物活性组分包括次要溶质子组分。
4.如权利要求3所述的用途，其中所述次要溶质子组分是生物活性剂。
5.如权利要求1所述的用途，其中所述复合物形成剂是生物活性剂。
6.如权利要求1所述的用途，其中所述环糊精经构建以展现增强所述水的键结结构的稳定剂活性。
7.如权利要求6所述的用途，其中所述环糊精经构建以使得所述水分子之间的氢键键结增强，这种增强会调节所述生物细胞系统的生物分子表面的水合作用并且从而改变所述生物细胞系统的细胞组分之间的相互作用。
8.如权利要求6所述的用途，其中所述环糊精经构建以强化水分子之间的氢键键结，形成具有较低密度的开放水结构，并且增加所述生物活性分子的扩散速率。
9.如权利要求8所述的用途，其进一步包括药理学药剂。
10.如权利要求8所述的用途，其进一步包括选自由以下组成的群组的生物活性分子：酶、酶底物、营养物、代谢物、细胞因子、神经递质、激素、细胞外信号、细胞内信使。
11.如权利要求1所述的用途，其中所述环糊精是选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精；甲基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；羧基-烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的季铵盐以及其混合物。
12.如权利要求11所述的用途，其中所述包合物组分是选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、2-羟丙基-环糊精、羧基甲基化-环糊精、季铵-环糊精以及其混合物。
13.一种能够增强水的H键结结构的主要碳水化合物包合物组分和一种次要溶质子组分在制备用于增强生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用的组合物中的用途，
其中所述生物细胞系统包括具有生物分子表面的生物活性分子、细胞组分以及具有一定密度的水分子；
其中所述包合物组分和所述溶质组分能够增强所述细胞系统的活性；
其中所述组合物由碳水化合物包合物组分和复合物形成剂构成的包涵复合物；
其中所述碳水化合物包合物组分包括环糊精；并且
其中所述复合物形成剂是选自由以下组成的群组：氨基酸以及维生素。
14.如权利要求13所述的用途，其中所述次要溶质子组分是生物活性剂。
15.如权利要求13所述的用途，其进一步包括药理学药剂。
16.如权利要求13所述的用途，其进一步包括选自由以下组成的群组的生物活性分子：酶、酶底物、营养物、代谢物、细胞因子、神经递质、激素、细胞外信号、细胞内信使。
17.如权利要求13所述的用途，其中所述环糊精选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精；甲基化β-环糊精；2-羟丙基化β-环糊精；水溶性β-环糊精聚合物；部分乙酰化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；乙基化α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精；羧基-烷基化β-环糊精；α-环糊精、β-环糊精以及γ-环糊精的季铵盐。
18.如权利要求13所述的用途，其中所述包合物组分是选自由以下组成的群组：α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、2-羟丙基-环糊精、羧基甲基化-环糊精、季铵-环糊精、以及其混合物。
19.下述组分在制备用于利用一种生物活性剂以增强生物细胞系统的活性的组合物中的用途；
其中所述组分为：
一种包含环糊精的碳水化合物包合物组分；
一种复合物形成剂，所述复合物形成剂是选自由以下组成的群组：氨基酸以及维生素；
一种水性液体组分，其选自由无汽的和碳酸化的液体组成的群组；以及
其中25％的所述包合物组分、一种或多种所述复合物形成剂和所述生物活性剂形成包涵复合物。
20.如权利要求19所述的用途，其中所述生物活性剂通过增强所述生物细胞系统的一种或多种组分的水合作用以增强所述生物细胞系统的活性。
21.如权利要求19所述的用途，其中所述组合物用于递送增加生物细胞系统的活性的生物活性剂的方法中。
22.如权利要求19所述的用途，其中，环糊精的浓度为0.05-50％w/v，复合物形成剂的浓度为1-20％w/v，水性液体组分的浓度为1-25％w/v。
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