科汇生环 | 仿生多功能草酸钙结晶干扰剂

原文来源：Kim D, Chauhan V P. Alamani B G, et al., 2025.Bio-inspired multifunctional disruptors of calcium oxalate crystallization. Nat Commun,16, 5229.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60320-4.

研究背景和科学问题

研究背景：

草酸钙（CaOx）结晶是肾结石的主要成分，也是病理性生物矿化的典型范例之一。草酸钙的形成过程涉及复杂的路径，可能包括预成核、非晶中间体以及表面介导的生长过程。生物系统能够利用富含阴离子官能团的大分子来调控此类过程，尤其是磷酸化蛋白质（如骨桥蛋白）被证实可以抑制晶体成核、改变晶体习性并阻碍生长。

先前大多数关于草酸钙抑制的机制研究都集中在富含羧酸基团的小分子和聚合物，它们通常通过可逆表面吸附或较弱的热力学效应（如Ca²⁺络合）发挥作用。相比之下，磷酸盐和膦酸盐分子调节剂虽然是骨矿化等其他体内磷酸钙结晶过程的核心参与者，但是在草酸钙结晶体系中却未受到足够重视，因此阻碍了对磷酸盐和膦酸盐分子是否能够实现与羧酸盐基抑制剂不同但更有效的结晶调控模式的理解，也阻碍了对于人体内生物矿化调控机理的深入研究。

拟解决的科学问题：

受生物体系中磷酸化蛋白质（如骨桥蛋白）对矿化过程调控机制的启发，本研究系统探究了富含磷酸盐基团的小分子是否能够通过区别于经典羧酸盐基抑制剂的机制调控草酸钙结晶。具体包括磷酸盐分子是否能够：（i）通过干预非经典的、前驱体团簇介导的路径来抑制成核；（ii）引导草酸钙晶体形成亚稳态二水合物（COD）而不是稳定的一水合物（COM）；以及（iii）以可逆或不可逆的方式抑制草酸钙晶体生长，同时将动力学表面效应与热力学Ca²⁺螯合作用区分开来。

科学内涵

研究思路：

本研究使用了环状三偏磷酸盐（cyclic trimetaphosphate，CTMP）、线性三聚磷酸盐（linear tripolyphosphate，LTPP）、六偏磷酸盐（hexametaphosphate，HMP）和植酸（phytic acid，PA）等一系列富含磷酸盐的调节剂，并以骨桥蛋白（osteopontin，OPN）和羟基柠檬酸（hydroxycitrate，HCA）作为基准对照，研究了磷酸盐对草酸钙的结晶抑制机理。文章利用离子选择性电极量化结晶动力学，长时间的结晶实验则用于评估成核抑制效果及产物晶体形貌；通过原位液相透射电镜（in-situ LPTEM）、低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）观察溶液中的预成核簇的存在及其性质；通过原位原子力显微镜（AFM）和微流控技术解析晶体生长机制和各向异性，从而实现对晶体台阶生长、再生行为及生长抑制的直接观察；最后，利用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和元素分析来确定磷酸盐物种是吸附在还是结合到了草酸钙晶体中，从而将宏观抑制行为与分子尺度的相互作用联系起来。

图1 草酸钙结晶的分子调节剂及其作用机制。a.骨桥蛋白（OPN）第62至85位氨基酸的肽链序列（其中青色标示的丝氨酸残基S为潜在磷酸化位点）；以及调节四种COM分子LTPP、CTMP、HMP和PA的结构式。背景为人体肾结石照片。b.磷酸盐分子调节剂影响草酸钙结晶的三个核心过程：I.成核过程（经典成核或非经典两步成核）；II.多晶型（水合物）选择过程；III.晶体表面生长过程。

核心发现：

1.磷酸盐分子调节剂表现出超越经典羧酸盐类抑制剂的草酸钙抑制效率：富含磷酸基团的分子，尤其是HMP和PA，表现出远高于传统羧酸类抑制剂（如HCA）的草酸钙结晶抑制效率。离子选择性电极（ISE）动力学测量显示，在相同的实验条件下（过饱和度S=4.1，实验1小时），HCA达到约60%的最大抑制率时，所需浓度通常为毫摩尔（mM）级别；而HMP和PA在浓度降低至0.1-1微克每毫升（μg mL^-1，约相当于0.1-1 μM）时即能实现接近100%的结晶抑制率（图2a）。更值得注意的是，实验开展至第72小时，PA仍能在低至0.4纳摩尔（nM）的超低浓度下，完全抑制COM的成核，这是传统羧酸类抑制剂难以企及的效果。

通过设计对照实验量化络合贡献，即便假设HMP/PA完全螯合了溶液中的Ca²⁺，所能导致的结晶速率降低也不超过10%，这远远低于实验中观测到的近100%的抑制率。因此，这种极高的效率并非源于磷酸盐分子调节剂对钙离子的强络合作用所导致的热力学驱动力（过饱和度）下降，而归因于独特的动力学调控机制。

图2 调节剂对体相结晶及团簇形成的影响。a.基于离子选择性电极在结晶实验开始1小时后测得的Ca²⁺活度计算的各种调节剂对草酸钙结晶的抑制效率。虚线为示意性拟合曲线；数据点代表至少三次独立测量的均值；误差棒表示两倍标准差；b.液相透射电镜图像统计的团簇截面面积分布。插图为假设团簇为球形时，由截面面积计算得到的有效直径，误差棒表示总体均值的95%置信区间；c-e.欠饱和草酸钙溶液中形成的草酸钙团簇的液相透射电镜图像。c.为未添加调节剂的对照组（右上角插图为仅含去离子水的空白液体池，比例尺为500纳米），d.添加7 μg mL⁻¹ PA，e.添加7 μg mL⁻¹ HMP。添加LTPP时，形成的团簇与对照组相似。

2. 草酸钙结晶遵循非经典成核路径，磷酸盐分子调节剂通过调控前驱体团簇来抑制成核：通过液相透射电镜（LPTEM）和冷冻电镜（Cryo-TEM）的直接观察，在欠饱和草酸钙溶液[Ca²⁺]=[C₂O₂^2-]=0.07 mM中，观测到草酸钙团簇的平均尺寸为150 ± 5 nm（基于截面面积换算）的簇状结构（图2b-c），这一尺寸比经典成核理论所预期的临界晶核（通常为1-10 nm）大出1到2个数量级，该尺寸特征强烈支持非经典（两步）成核路径。当加入7 μg mL^-1的PA或HMP后，溶液中前驱体团簇的平均尺寸显著减小：PA处理组降至130 ± 5 nm，HMP处理组降至140 ± 4 nm（图2b，d-e）。多重比较检验进一步证实，PA与HMP处理组产生的簇尺寸显著小于对照组（p < 0.05），且呈现出PA < HMP < 对照组的明确趋势。这表明，PA和HMP并非在稳定的晶核形成之后才发挥作用，而是通过干预更早期的亚稳态前驱体，主动减小其尺寸并改变其尺寸分布，从而从热力学和动力学上阻断了这些团簇向临界晶核演化及结晶的路径。在分子层面解释了为何PA能在0.4 nM的极低浓度下实现完全成核抑制。

3. 磷酸盐分子调节剂不仅抑制结晶，还能促使草酸钙形成更不稳定的水合物矿物相与形貌演化路径：研究表明，除成核抑制外，部分多聚磷酸（如LTPP和HMP）在较低浓度下并未完全阻断结晶，而是显著改变了生成晶体的水合物类型，使产物从热力学更稳定的COM转向亚稳态的COD（图3a-c）。这表明，磷酸盐分子调节剂并非被动“减缓”结晶过程，而是能够选择性稳定特定的结晶路径和中间态。与此同时，SEM和光学显微镜显示晶体形貌由规则的棱柱状COM转变为圆钝、畸变或类生物矿化的形貌（图3d-f），反映出强烈而各向异性的表面-分子相互作用。这与生物体系中通过分子调控矿物结构的策略高度一致。

图3 调节剂对结晶结构及形貌的影响。典型a.草酸钙一水合物（COM）与b.二水合物（COD）晶体的SEM图像。c.不同浓度调节剂存在下，草酸钙生长溶液中的产物相分布。d–f.不同调节剂存在下制备所得晶体的SEM图像：d.LTPP (5 μg mL^-1), e.HMP (20 μg mL^-1), f. PA (0.25 μg mL^-1)。g–i.在含1 μg mL^-1调节剂的草酸钙过饱和溶液（S = 3.9）中流动约50分钟后，COM (100) 面原位生长的原子力显微镜（AFM）图像，调节剂分别为：g. LTPP， h.HMP，i. PA。比例尺：500 nm。J.基于微流控实验测得的COM晶体沿不同晶向的生长抑制百分比（溶液条件：含1 μg mL^-1 LTPP或0.1 μg mL^-1 HMP/PA，S = 3.9）。

4. 磷酸盐分子调节剂可在极低浓度下完全终止COM的台阶生长，体现出异常强烈的动力学抑制能力：原位原子力显微镜（AFM）和微流控实验揭示，HMP和PA能在极低浓度下全面阻断COM各晶面上的台阶生长，破坏以螺旋位错驱动为主的经典生长机制（图3g-j）。这种抑制并非表现为生长速率的连续降低，而是表现为台阶表面粗糙化和生长机制的失效，说明分子-晶面相互作用已强到足以改变基本的界面动力学框架。这一结果表明，磷酸盐分子调节剂在晶体生长阶段能够直接干预并重构晶体生长的基本动力学过程。

图4 应变COM晶体的再生。a.通过原位原子力显微镜（AFM）监测的COM台阶推进随时间的变化曲线（示意图中橙色表示生长，灰色表示抑制）。左轴：无调节剂存在时，沿[001]方向推进的晶体台阶生长；右轴：浸泡HMP后，放入无调节剂的溶液中让晶体再次生长过程中，沿[001]方向推进的二维岛状结构生长。b.磷酸盐（PO_x）的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）信号强度随溅射时间的变化曲线。COM晶体处理方式为：先在无调节剂的过饱和溶液中生长2小时（对照，灰色）；之后在含1 μg mL^-1调节剂的相同溶液中生长1小时；最后放入无调节剂的过饱和溶液中再生2小时。蓝紫色阴影区（0–6秒）代表最初的单分子层，这些层不反映PO_x吸收。c.微流控通道内COM晶体截面积随时间的变化：无调节剂生长阶段（灰色圆圈）；以及初次浸泡HMP（蓝色方块与三角形）和PA（红色菱形）后的再生阶段。d–f COM晶体的光学显微图像：d.未作处理的对照晶体生长过程；e, f. 晶体首次浸泡HMP后进行的两次独立的晶体再生长实验。比例尺：20 μm。g, h.浸泡1 μg mL^-1 HMP后再生12小时的晶体扫描电镜（SEM）图像。再次生长产生显著的畸变形貌，包括突起、在顶端和基底表面新成核的晶体，以及包裹部分原始晶体的覆盖层。比例尺：5 μm。

5. 磷酸盐分子调节剂导致的生长抑制在实验尺度上不可逆，源于其在晶体近表层的嵌入与对晶格的扰动：与传统抑制剂显著不同的是，当晶型完好的COM晶体浸泡HMP或PA后，COM晶体并不能在过饱和溶液中恢复正常生长形貌和生长速率，只能通过二维成核或局部突起等非典型路径缓慢生长图4a，c-h。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和元素分析进一步证实，磷元素在晶体表层甚至次表层中仍然可被检测到图4，说明抑制剂并非完全可逆吸附，而是被部分保留或嵌入晶体结构。这种保留引入的晶格应变被认为是晶体生长受阻的根本原因。

重要启示

启示1：源于生物调控的磷酸分子作用机制，为发展靶向结晶性疾病的仿生治疗奠定了原理基础。本研究将生物体内磷酸化蛋白（如骨桥蛋白）调控矿化的复杂功能，抽象并简化为以磷酸/膦酸基团为关键作用单元的小分子设计原则，不仅复现了天然蛋白的核心抑制化学，更通过其独特的“不可逆嵌入与晶格扰动”机制，实现了对草酸钙结晶永久性、多功能的阻断。这证明，基于明确化学原理的仿生设计能够超越天然体系，创造出性能更优的治疗剂。该蓝图从根本上启示了治疗范式的转变：针对肾结石等病理结晶，可从结石形成后的被动处理（如碎石、手术），转向在结晶最早期的成核与生长阶段进行主动、精准且长效的分子干预，从而将临床策略从“治疗已病”真正推向“预防未病”。

启示2：磷酸分子抑制矿物结晶的仿生机制，为推动材料结垢防护从被动“抑制”走向主动“设计”提供新思路。在工业领域，水垢等有害结晶每年导致巨大的能源损耗与安全隐患。现有阻垢技术多依赖持续投加化学药剂，以可逆的竞争吸附来抑制沉积，效率有限且不环保。本研究证明，特定的磷酸盐分子不仅能抑制生长，更能主动引导亚稳态晶型（COD）的生成，并实现不可逆抑制。这启发我们，下一代的高性能材料（如防垢涂层、分离膜、催化载体）可以植入这类“智能”分子。它们能在材料表面构建一个动态界面，主动将有害沉积物的晶体结构“编程”为疏松、易清除或无害的形态，或直接永久性破坏其生长能力。这种从根源上“设计”结晶行为的思路，将为能源、环保、海洋工程等领域带来变革性技术。

——解读人：张佳和、戴兆毅

——责任编辑：王灿发