[論文レビュー] Ab initio Investigation of Adsorption Characteristics of Bisphosphonates on Hydroxyapatite (001) Surface

Mun-Hyok Ri, Yong-Man Jang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2016

Bone health and treatments参考文献 29被引用数 3

ひとこと要約

第一原理研究では、密度汎関数理論を用いて、ヒドロキシアpatite (001)表面における7種のビスホスホネート（BPs）の吸着を調査した。結果、パミドロネートが最も高い吸着エネルギー（-3.33 eV）を示し、次いでアレンドロネート（-3.21 eV）が続く。これは、強い水素結合および窒素およびヒドロキシル基からの電子供与によるものであり、実験的親和性順位と整合しており、吸着エネルギーが骨ミネラルへのBP結合親和性の主要因であることを確認した。

ABSTRACT

The structures of some bisphosphonates (clodronate, etidronate, pamidronate, alendronate, risedronate, zoledronate, minodronate) were obtained and analyzed, and their adsorption energies onto hydroxyapatite (001) surface were compared to find out ranking order of binding affinity, which shows that the adsorption energy is the largest for pamidronate, followed by alendronate, zoledronate, clodronate, ibandronate, the lowest for minodronate and etidronate.

研究の動機と目的

• 骨の主な鉱物であるヒドロキシアパタイト（HAP）に対する主要なビスホスホネート（BPs）の相対的な結合親和性を特定すること。
• HAP(001)表面におけるBP吸着を支配する原子スケールのメカニズム（電子的および幾何学的要因）を解明すること。
• 計算された吸着エネルギーと実験的結合親和性順位を関連付けることで、計算予測の妥当性を検証すること。
• BP-HAP錯体の安定化に寄与する電荷移動およびオビタル相互作用（HOMO-LUMO）を分析すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、PBE関数を用いた。
• HAP(001)表面の周期的スラブモデルを構築し、BPをカルシウム終端表面に吸着させた。
• 吸着エネルギーは E_ads = E_{BP+HAP} - (E_{BP} + E_{HAP}) として計算し、エネルギー収束を 10^{-6} eV まで行った。
• Hirshfeld電荷解析を用いて、吸着に伴う電荷再分配を評価し、電子供与および表面安定化を分析した。
• 分子オビタル解析（HOMOおよびLUMO）により、-OH や -NH2 などの官能基の電子供与体／受容体としての役割を特定した。
• 吸着幾何学的配置を最適化し、BPの -OH とHAP表面酸素原子間の水素結合を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAP(001)表面におけるビスホスホネートの相対的吸着エネルギー順位は何か？ また、実験的順位と比較するとどうなるか？
• RQ2 官能基（例：-OH, -NH2, 異性環窒素）は、BP-HAP錯体の電子的および幾何学的構造にどのように寄与するか？
• RQ3 BPのヒドロキシル基とHAP表面酸素原子間の水素結合は、吸着安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 Hirshfeld解析で定量化された電荷移動は、BP-HAP界面の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 HOMO-LUMO相互作用は、窒素含有BPの強化された結合親和性をどの程度説明できるか？

主な発見

• パミドロネートが最も高い吸着エネルギー（-3.33 eV）を示し、次いでアレンドロネート（-3.21 eV）、ゾレドロネート（-2.92 eV）、クロルドロネート（-2.35 eV）、イバンドロネート（-2.31 eV）、リセドロネート（-2.25 eV）、ミノドロネート（-2.17 eV）、エチドロネート（-2.17 eV）の順に続く。
• 計算された吸着エネルギー順位は、NMR、FPLC、および競合吸着アッセイによる実験的親和性順位とよく一致しており、計算モデルの妥当性が裏付けられた。
• BPのヒドロキシル基とHAP表面酸素原子間の水素結合が、吸着幾何学的配置における主要な安定化相互作用である。
• Hirshfeld電荷解析により、吸着過程で電荷再分配が生じ、HAP表面の電荷分布がバルク結晶のものに近づくことで表面が安定化することが示された。
• 窒素含有BP（例：パミドロネート、アレンドロネート）の窒素原子は、HOMO-LUMO解析により吸着時に電子供与体として機能することが示された。
• P–C–P骨格構造はR2置換基の変化に対して感受性が高く、窒素含有R2置換基が結合親和性を顕著に向上させた。