“无机血小板”——钙基沸石表面独特的凝血酶活化过程

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全文速览

本文首次从分子层面揭示了钙基沸石表面的凝血过程，并提出钙基沸颗粒作为“无机血小板”的概念，在凝血反应中扮演了类似于血小板的角色，为凝血因子的瀑布式级联反应提供了“平台”；不仅如此，还发现了在钙基沸石表面活化的凝血酶具有远超生物体内的活性，这种高活性的来自于凝血酶在钙基沸石表面特殊的吸附构象，使凝血酶能够更容易地与反应底物接触，从而提高反应效率。

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背景介绍

创伤是全球第四大死因，据统计在2016年占全球死亡人数的9%（约490万人），其中创伤早期死亡原因主要是由于无法控制的大出血。因此，有效控制大出血一直是院前急救的关键。沸石是一种无机硅铝酸盐材料，具有特殊的孔道结构，除了作为催化剂和吸附剂广泛应用在石油化工和催化等工业领域，在生物医学上还能够促进血液凝固。早在2000年，美国军队已经将沸石类止血材料QuikClot作为紧急止血产品，在海湾战争和阿富汗战争中投入使用。然而，研究人员对于沸石的止血机理一直存在疑问。

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本文亮点

● 从分子层面揭示了钙基沸石表面一系列凝血因子的富集、组装和活化过程，进一步阐明了钙基沸石材料促进止血的机理，为新型止血材料的开发和改进提供策略。

● 首次发现钙基沸石表面蛋白质冠中原位活化的凝血酶具有远超自然状态下的高活性，并验证了这一现象源自其在钙基沸石表面的特殊吸附构象，为选择性调控酶活性提供新的思路。

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图文解析

钙基沸石与血浆混合后，大量血浆蛋白在钙基沸石表面吸附，形成蛋白质冠（Protein Corona）。作者猜测，钙基沸石促进凝血的秘密一定藏在这个蛋白质冠中。因此，他们将钙基沸石表面的蛋白质冠进行分离，通过蛋白质组学的方法对血浆、蛋白质冠中的蛋白进行定量分析。分析结果表明，大量的凝血因子在钙基沸石表面富集（图1），最高甚至可以达到340+倍。凝血过程涉及13种凝血因子，在体内形成瀑布式的级联反应。其中，最关键的反应是凝血酶原（Prothrombin）转化为凝血酶（Thrombin），这一步骤需要经过凝血因子FX与FV在活化的血小板表面组成凝血酶原酶复合物（Prothrombinase Complex）才能完成。而作者惊喜的发现恰好FX和FV在钙基沸石表面的蛋白质冠中大量富集，那么它们是否会像在血小板表面一样，也在钙基沸石表面也组装成为凝血酶原酶复合物呢？

▲图1 血浆及钙基沸石表面蛋白质冠中蛋白质定量分析结果

答案是肯定的。作者对钙基沸石表面蛋白质冠中FX、FV以及凝血酶的含量进行动态监测（图2b），结果发现FX和FV在钙基沸石表面的富集以及随后凝血酶的激活曲线有力地支持了FX和FV在钙基沸石表面形成活性凝血酶原复合物的假设。如图2所示，在钙基沸石与血浆接触的过程中，FX和FV在最初的5分钟内快速积聚在钙基沸石表面，随后在7-10分钟之间凝血酶爆发式地被大量激活；最终，纤维蛋白凝块在12分钟左右形成，完成整个凝血反应。整个动态过程可分为三个阶段（图2a）：第一步，凝血因子复合物组装；第二步，凝血酶爆发；第三步，纤维蛋白凝块形成。在这个过程中，钙基沸石为凝血因子的组装和激活提供了一个平台，与生理过程中血小板的作用高度相似，因此研究团队将钙基沸石材料首次提出“无机血小板”的概念。

然而，与血小板不同的是，钙基沸石表面原位活化的凝血酶表现出了远超自然状态下的酶活力。对于这种高活性的来源，由于凝血酶与钙基沸石结构具有很强的相互作用，因此作者认为这种相互作用很可能影响了凝血酶在钙基沸石表面吸附后的构象/取向。为了验证这个猜想，作者建立了一个简化的模型化体系，使用血浆中含量最高的蛋白质，即血清白蛋白（BSA）来模拟血浆环境，通过对凝血酶的蛋白质分子中的赖氨酸残基位点进行二甲基标记，比较其在钙基沸石表面吸附前后的标记效率，标记效率显著降低的位点很可能就是凝血酶与钙基沸石的结合位点。实验结果表明，直接吸附的Thr@Zeo体系中K618和K459等位于外位点II的标记效率显著降低（图3b）；结合他们的催化活性（图3a），表明在Thr@Zeo中凝血酶的外位点II被钙基沸石覆盖，导致其无法与底物接触而表现出低活性；反观模拟血浆环境的Thr-BSA@Zeo体系中的标记效率显著提高（图3c），说明其与底物的结合概率提升，表现为催化活性提高（图3a）。

▲图2 蛋白质冠中FX、FV和凝血酶的动态监测

▲图3 钙基沸石表面凝血酶的构效关系

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总结与展望

酶是生命体中非常重要的催化剂，它不仅参与生命体内的新陈代谢，也决定着许多重要生命过程（如：疾病和死亡）的进程。相比一般化学或工业上的催化剂，生物酶具有更好的专一性和高效性，因此科学家们一直以来都在模仿自然界的酶，试图开发“人工酶”，或是将自然界的酶固定在载体上以便于快速回收、分离和重复利用。不幸的是，往往所谓的“人工酶”的催化效率都不如“自然酶”，而被固定的“自然酶”的催化效率也远不如未被固定时的状态。因此，范杰团队的这项研究工作发现的钙基沸石表面原位活化的凝血酶表现出超高的催化活性，对酶催化领域提供了新的研究思路，也对于生物医学领域具有重要意义。基于这项研究，未来可能通过调节酶与材料表面的相互作用及吸附方式，来选择性的控制酶的催化活性，从而实现对特定的生命反应起到调控作用。