殷武课题组合作发表晶体生长抑制剂在肾结石治疗中的潜在应用价值

肾结石是肾科常见疾病，具有发病率高、复发率高等特点，临床通常采用排石、体外冲击波碎石等手段进行治疗，患者痛苦大，严重影响生活质量，因此有必要寻找能体内溶解结石的治疗方案与手段。草酸钙结石是最常见的肾结石类型，单水草酸钙（COM）结晶是形成草酸钙结石的重要环节。2024年4月，Advanced Science发表论文“Tartronic Acid as a Potential Inhibitor of Pathological Calcium Oxalate Crystallization”，报道小分子化合物羟基丙二酸（TA）能够通过特异性的分子间相互作用结合在COM晶体表面，阻碍晶体生长，起到抑制肾脏草酸钙晶体沉积、减轻肾脏损伤的作用，证明了晶体生长抑制剂用于肾结石预防和治疗的可行性。

研究者首先通过静态结晶的晶体形貌变化和微流控动态监测晶体生长，发现羟基丙二酸对COM晶体生长最快的[001]方向具有显著的抑制作用，在宏观结晶中显示出比枸橼酸更强的结晶抑制作用（图1）。另外，这种晶面特异性晶体生长抑制作用具有分子结构依赖性，羟基丙二酸的结构类似物丙二酸（MA）和甲基丙二酸（MMA）对COM结晶基本没有作用。

图1. TA显著抑制COM晶体生长最快方向——[001]方向的生长

       为了探究羟基丙二酸抑制COM晶体生长的分子机制，研究者借助原位原子力显微镜进一步研究了羟基丙二酸对COM晶体微观界面生长的影响，结合计算机分子模拟，发现羟基丙二酸可以通过-COO-与晶面Ca2+形成静电相互作用，羟基与晶面草酸根Ox2-的氢键相互作用加强了TA与晶面的结合（图2）。羟基丙二酸依靠特异性分子间相互作用结合在COM晶面的台阶和扭折位点，阻碍生长单元（Ca2+、Ox2-）与COM晶面的结合，进而抑制COM晶体生长。

图2. 羟基丙二酸通过静电相互作用和氢键相互作用结合在COM晶面抑制晶体生长

       研究者在肾结石患者尿液环境中验证了羟基丙二酸能够显著抑制草酸钙结晶，并通过草酸钙肾结石小鼠模型验证了羟基丙二酸的体内药效，羟基丙二酸可以显著抑制肾脏内草酸钙晶体沉积，降低血清肌酐、尿素氮水平，下调肾损伤标志物NGAL、MCP-1和OPN的表达，显示肾脏保护作用（图3）。

图3. 羟基丙二酸能够显著抑制草酸钙肾结石小鼠模型肾脏内草酸钙晶体沉积，减轻肾损伤

综上该研究发现了羟基丙二酸为肾结石主要成分单水草酸钙COM结晶的有效抑制剂，并且验证了其在体内的抗结石效果。通过静态宏观结晶实验、微流控技术、原位AFM和计算机分子模拟等综合研究手段确定了羟基丙二酸通过静电力和氢键相互作用结合在COM晶体表面，阻碍生长单元进入晶面，抑制COM晶体生长。TA的结晶抑制作用具有分子结构依赖性，羟基是其与COM晶面结合的关键结构。证明体外羟基丙二酸抑制草酸钙结晶的效果优于目前临床常用抗结石药物枸橼酸。体内研究显示羟基丙二酸能够显著减少高草酸尿小鼠肾脏草酸钙沉积，降低血清尿素氮、肌酐水平，下调肾损伤标志物NGAL、MCP-1和OPN的表达，具有肾脏保护的作用。该研究发现显示了羟基丙二酸具有治疗和预防肾结石的潜力。另外，该研究显示了开发晶体生长抑制剂用于预防和治疗肾结石的可行性，也为其他结晶性疾病的治疗提供了新的思路。

     该研究由南京大学医药生物技术全国重点实验室（生命科学学院）殷武教授、中国药科大学工学院蔡挺教授和休斯顿大学Jeffrey D. Rimer教授联合完成，殷武教授获得教育部新世纪优秀人才，主要研究方向为内分泌与免疫药理学，探索内源性强心甾化合物在肾脏、肿瘤与代谢疾病的新生物学功能；蔡挺教授获得教育部青年长江学者、江苏省特聘教授、江苏省杰出青年基金获得者等称号，探索物理药剂学和制剂工程学领域的前沿科学问题，研究药物晶型、晶体工程设计及结晶工艺。

       论文出处： PMID: 38647258 ；DOI: 10.1002/advs.202400642