浙江大学,Nature Catalysis!
催化计 2021-07-27

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1.发现Ca离子分子筛具有优秀的凝血作用

2.提出分子筛-生物界面作用增强凝血


第一作者:Xiaoqiang Shang, Hao Chen

通讯作者:范杰,Kenneth A. Dawson

通讯作者单位:浙江大学,都柏林大学学院



主要内容


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图1. Ca离子交换分子筛界面增强凝血


凝血酶原(prothrombin)的活化在人体的止血过程中是其中的关键,用于阻止失血、出血性休克;分子筛是一类微孔铝硅酸盐材料,人们目前发现分子筛在处理核控制大出血中非常有效,但是目前人们对分子筛的止血作用机制并不理解。


有鉴于此,浙江大学范杰教授、爱尔兰都柏林大学学院Kenneth A. Dawson等报道从分子级别揭示分子筛在激活凝血酶作用中的机理,发现凝血酶原酶复合物能够在Ca离子分子筛的无机界面上进行自组装。这种自组装过程与天然血小板的生理过程不同,在Ca离子分子筛的表面上凝血酶原转化为凝血酶的过程表现了显著的凝血酶激活,展示了较高的稳定凝血酶活性,比内源性凝血酶的活性至少提高12倍。本文研究为理解分子筛界面功能化在凝血酶激活中的作用提供相关经验,为设计更好的防出血剂提供经验。


背景


分子筛作为一类微孔结构的硅铝酸盐材料,目前展示具有止血剂效用,2000年前后,人们首次发现分子筛颗粒能够对多种不同动物实现暂时性大出血控制止血,这种技术被成功用于军队处理伤员,但是这种止血过程容易产生放热作用因此容易导致人员受伤,因此后来发展了替代性的高岭土纱布材料,2019年人们发展了一种分子筛-棉花复合材料(zeolite–cotton hybrid)能够止血的同时避免对人体造成损伤。但是目前人们对分子筛材料的止血机制并未很好的理解。


新发展


作者对Ca-交换分子筛能够形成硬蛋白冠(protein corona,纳米材料进入生物环境之后,如含血清培养基或血液等体液,其表面吸附的一层或多层蛋白所组成的结构)的现象进行揭示,随后研究了凝血因子的分布与激活。具体的从分子层次与分钟时间尺度揭示分子筛产生凝血效应的原因。通过相关实验,发现分子筛-生物界面激活与调控凝血酶原从而增强蛋白水解的活性,因此分子筛起到作为无机血小板的作用。


增强凝血机理


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图2. Ca离子交换分子筛增强凝血机理


作者提出分子筛凝血作用包括三个步骤:(1) 负电荷分子筛界面为产生大规模凝血酶提供平台,激活和促凝血剂复合物进行组装;(2) 凝血酶的爆发性增加。分子筛界面促凝复合物起到催化作用,引发大量凝血酶;(3) 形成纤维蛋白凝块。这些步骤由于分子筛-蛋白质界面相互作用实现,而且每个步骤中的发展非常迅速,而且过程中由于分子筛的界面作用不再需要通过上个步骤引发下一步骤,因此三个步骤的发生存在重叠。


分子筛表面能够与凝血酶原的组装体进行配位,随后控制大量生成凝血酶,这种生物-无机界面复合结构与普通凝血酶的作用方式明显不同,因此显著影响了凝块的生成过程。与经典凝血过程的区别在于,经典凝血过程中在血小板表面激活的凝血酶分子释放到血浆溶液中,但是加入分子筛后大多数凝血酶分子被分子筛捕获分散在分子筛界面上。作者通过相关实验,发现90.6 %凝血酶分子分布在硬蛋白冠中。


增强凝血效果

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图3. 分子筛凝血增强效果对比


作者通过显色方法对分子筛增强凝血现象进行进一步研究,对是否加入分子筛的情况凝血效果进行比较。对比结果发现,经典凝血过程中凝血酶的由于凝血酶的生成和抑制过程中的动态平衡,导致在15 min时凝血酶达到峰值,随后逐渐降低;但是加入分子筛后,凝血酶的生成逐步增加,而且保持较高的凝血酶生成速率,产生速率未见衰减。特别是经典凝血过程中在30 min后,凝血酶的形成基本上停止,但是加入分子筛后凝血酶产生的速率能够在60 min仍保持峰值状态。而且加入分子筛后凝血酶的最高产生速率是经典凝血效果的3倍在60 min内,加入分子筛产生的凝血酶总量是未加入分子筛的12倍


意义


本文发现的分子筛界面引发凝血作用发现了蛋白质浓度模型中被忽视的界面作用。展示了分子筛为引发凝血进程、促进凝血复合物组装提供界面作用。拓展了高岭土的玻璃化界面效应在激活凝血中的效果,这种分子筛界面为产生凝血酶、在特定位置进行凝血提供可能。


作者发现分子筛的Ca离子在凝血过程中起到关键作用,对比实验结果发现含有其他金属离子的分子筛无法在界面上进行凝血和生成有效凝块。这种钙离子交换分子筛的优异凝血效果说明其作为增强无机血小板,能够用于处理普通血小板无法在大出血的伤口处形成稳定凝块的缺点。


参考文献及原文链接

Shang, X., Chen, H., Castagnola, V. et al. Unusual zymogen activation patterns in the protein corona of Ca-zeolites. Nat Catal 4, 607–614 (2021). 

DOI: 10.1038/s41929-021-00654-6

https://www.nature.com/articles/s41929-021-00654-6




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