过饱和度、钙/草酸化学计量比对草酸钙晶体形成的影响及降解茯苓多糖的调控作用

郑雨云 刘静鸿 陈佳云 欧阳健明

引用本文: 郑雨云, 刘静鸿, 陈佳云, 欧阳健明. 过饱和度、钙/草酸化学计量比对草酸钙晶体形成的影响及降解茯苓多糖的调控作用[J]. 无机化学学报, 2023, 39(5): 794-804. doi: 10.11862/CJIC.2023.058 shu
Citation:  Yu-Yun ZHENG, Jing-Hong LIU, Jia-Yun CHEN, Jian-Ming OUYANG. Effects of supersaturation, Ca2+/C2O42- stoichiometric ratio on calcium oxalate crystallization and the regulation of degraded Poria cocos polysaccharide[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2023, 39(5): 794-804. doi: 10.11862/CJIC.2023.058 shu

过饱和度、钙/草酸化学计量比对草酸钙晶体形成的影响及降解茯苓多糖的调控作用

    通讯作者: 欧阳健明, E-mail: toyjm@jnu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21975105

摘要: 为研究草酸钙(CaC2O4)晶体成核、生长和聚集, 探讨降解茯苓多糖(PCP)的抑制作用, 采用X射线衍射、FT-IR、扫描电镜、拉曼光谱、ζ电位仪和紫外分光光度计等方法对不同条件下形成的CaC2O4晶体进行表征。结果表明, 在低过饱和度(RS ≤ 26.6)时, 主要生成一水草酸钙(COM)晶体; 至RS为37.6和46.0时分别生成了11.6%和38.3%的二水草酸钙(COD)晶体, 且高RS时晶体的聚集程度增加。在RS相同时, 随着Ca2+/Ox2-(Ox2-=C2O42-)化学计量比(nCa2+/nCa2-)增大, 晶体中COD比例增加。降解PCP的加入可增加体系中可溶性Ca2+浓度, 减少生成的CaC2O4晶体质量, 增加晶体表面ζ电位绝对值, 这些均有利于抑制CaC2O4结石的形成。因此, 高Ox2-浓度对肾结石形成的风险远大于高Ca2+浓度, 提示草酸的摄入对CaC2O4结石的风险远远大于钙的摄入, 降解PCP能同时抑制CaC2O4晶体的成核、生长和聚集。

English

  • 肾结石的主要成分是草酸钙(CaC2O4)晶体,约占70%。尿液中过饱和的CaC2O4在成核之后,会继续生长或聚集到病理性尺寸范围。但这些尿微晶只有在与受损伤的肾上皮细胞黏附后,才会滞留和进一步长大,最终形成结石[1-2]。阻止CaC2O4晶体成核、生长、聚集和黏附中的任何一个过程,均可以有效地抑制肾结石的发生和复发[3]

    从化学的角度看,CaC2O4的过饱和度(RS)、Ca2+/Ox2-化学计量比(nCa2+/nOx2-,Ox2-=C2O42-)、尿液中的促进剂和抑制剂等因素均会影响CaC2O4结石的形成。但至今为止,对这些问题仍然没有完全阐明。如尿液中的Ca2+和Ox2-哪个影响更大?有结石的人是否需要少吃含钙物质?广东省肾结石高发肯定与长年温度较高的天气有关,出汗会导致尿液浓缩,CaC2O4的RS增大,尿抑制剂浓度和促进剂浓度均增加,但怎么预防至今没有较好的方法。

    植物多糖含有的大量酸性基团(如—OSO3-基和—COOH基)[4-6],这些酸性基团可以通过静电作用与尿液中的Ca2+配位,形成稳定的可溶性配合物,从而降低体系的RS;多糖吸附到晶体表面后还可以减弱晶体与肾上皮细胞的黏附[7-8];此外,植物多糖还可以修复受损伤的肾上皮细胞[9]。这些作用均有利于降低肾结石的形成风险。

    茯苓是中医防石处方中的重要组分之一。茯苓多糖(PCP)是茯苓的重要活性成分[10]。但天然PCP由于具有分子量大、分子体积大、水溶性较小及黏度高等特点,因此难以通过生物组织屏障进入细胞发挥生物活性[11]。对天然PCP进行降解可以增强其生物活性。

    基于此,我们研究了CaC2O4的RS、nCa2+/nOx2-和降解PCP对CaC2O4晶体形成的影响,从抑制CaC2O4晶体成核、生长、聚集和黏附的角度,讨论了降低肾结石形成风险的条件,期望为进一步阐明CaC2O4肾结石形成机理、开发新型防石药物提供启示。

    PCP购自陕西慈缘生物有限公司,采用超声降解法[12]对其进行降解,在超声功率600 W、超声频率40 kHz条件下超声30 min后,得到分子量(M)为2.5 kDa的降解PCP。分子量采用乌氏黏度法测定,并根据Mark-Houwink经验方程式[η]=κMα计算;对于降解PCP,式中参数κ=1.49×10-2α=0.75[13],[η]为特性黏度。降解PCP中含有2.80%的—COOH基。详细的降解过程和多糖的结构表征将另文报道。Na2C2O4和CaCl2等其他常规试剂为分析纯,由广州化学试剂厂提供。

    主要仪器有傅里叶变换红外光谱仪(EQUINOX55,Bruker,德国)、X射线衍射仪(XRD,D/MAX-2400,Rigaku,日本)、场发射扫描电子显微镜(SEM,Ultra 55,ZEISS,德国)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP,Optima 2000DV,Perkin Elmer,USA)、拉曼光谱仪(LabRAM HR Evolution,HORIBA JY,法国)、紫外可见分光光度计(Cary 500,Varian,美国)、纳米粒度电位仪(Zetasizer Nano ZS,Malvern,英国)、超声仪(结盟JP-100S)、乌氏黏度计(毛细管内径为0.45 mm)。

    实验分为2组。A组:固定cOx2-=0.6 mmol·L-1,使nCa2+/nOx2-=0.125、0.25、0.5、1、2、4、8、12[14],即在一组50 mL容量瓶中分别加入0.375~36 mL的10 mmol·L-1 CaCl2、0.75 mL的0.50 mol·L-1 NaCl(调节离子强度),加二次蒸馏水至46 mL左右,然后加入3.0 mL 10 mmol·L-1 Na2C2O4,定容至刻度。B组:固定nCa2+/nOx2-=1,改变cOx2-cCa2+,使溶液的RS对应上述各组实验,RS根据文献[15]计算。将上述各组CaC2O4过饱和溶液快速转入50 mL烧杯中进行结晶,预先在烧杯底部放入处理好的基片。为防止由于溶剂水的挥发而造成体系过饱和驱动晶体形成,晶体生长在37 ℃的恒温密闭环境中进行。晶体生长3 d后,取出基片,置于干燥器中干燥。上清液用ICP检测可溶性Ca2+浓度。2组实验均同时进行对照组(没有多糖存在)和多糖组(质量浓度最终为0.5 g·L-1)研究。

    SEM表征:称取上述各组实验得到的CaC2O4晶体5 mg,超声10 min使其分散在10 mL无水乙醇中,分多次点样到石英基片上,经喷金处理后在SEM下观察晶体形貌。操作条件为高压5.00 kV,工作距离5~10 mm,放大倍数3×103

    XRD表征:采用X射线衍射仪检测上述基片上的晶体,测试条件为Cu 射线、波长0.154 16 nm、石墨单色器、30 kV、25 mA,扫描范围为10°~50°,扫描速度8 (°)·min-1,步宽0.02 (°)·s-1。晶体中的一水草酸钙(COM)和二水草酸钙(COD)的质量分数采用K值法[16-17]计算,其中COD的质量分数:$w_{\mathrm{COD}}=\frac{I_{\mathrm{COD}}}{I_{\mathrm{COM}}+I_{\mathrm{COD}}} \times 100 \%$,式中ICOMICOD分别为COM的主衍射峰(101)晶面(d=0.593 nm)和COD的主衍射峰(200)晶面(d=0.618 nm)的强度。

    FT-IR表征:取2 mg已干燥的CaC2O4样品,与200 mg KBr充分混匀,用玛瑙研钵进行研磨后压片,红外光谱仪于4 000~400 cm-1波数范围内扫描。

    拉曼光谱表征:取2 mg干燥的CaC2O4样品,采用拉曼分析仪器扫描,波数范围是1 800~100 cm-1,激发波长为532 nm。

    ζ电位的测定:称取各晶体1 mg,超声10 min使其分散在3.0 mL纯水中,在恒温25 ℃采用纳米粒度电位仪检测。

    在620 nm波长下,用紫外分光光度计检测30 min内溶液的浊度随时间的变化。通过对Ca2+和Ox2-亚稳态溶液的光密度进行定量检测,并进行线性回归分析,得到降解PCP对CaC2O4晶体的成核抑制率和聚集抑制率[18-19],成核抑制率:Nm=[1-(Sp/Sc)]×100%,聚集抑制率:Am=[1-(Rp/Rc)]×100%,其中成核速率S为吸光度随时间增加的最大斜率,主要反映新颗粒形成的最大速率;聚集速率R为吸光度随时间降低的最大斜率,代表新颗粒聚集的最大速率;SpRp是存在降解PCP时的速率,ScRc是空白实验时的速率。每个实验组平行检测2次。

    采用XRD分析了不同nCa2+/nOx2-条件下生成的CaC2O4晶体中COM和COD的质量分数(表 1),代表性XRD图见图 1A。可以看出:固定cOx2-=0.6 mmol·L-1,在nCa2+/nOx2-为0.25、1和4时,均只形成COM晶体;而在nCa2+/nOx2-为8和12时,诱导了11.6%和38.3%的COD晶体形成。上述COM的衍射峰出现在2θ=14.88°、24.2°和30.16°处,分别归属于COM的(101)、(020)和(202)晶面;COD的衍射峰出现在2θ=14.28°、32.28°和40.28°处,分别归属于COD的(200)、(411)和(213)晶面[20]

    表 1

    表 1  不同nCa2+/nOx2-及0.5 g·L-1降解PCP对CaC2O4晶体形成的影响
    Table 1.  Effects of different nCa2+/nOx2- values and 0.5 g·L-1 degraded PCP on the formation of CaC2O4 crystals
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    cCa2+/(mmol·L-1) cOx2-/(mmol·L-1) nCa2+/nOx2- RS* I(101)/I(020) of COM wCOD/%
    Blank Degraded PCP
    Group A: cOx2-=0.6 mmol·L-1, changing cCa2+
    0.075 0.6 0.125 4.7 1.88 0 13.8
    0.15 0.6 0.25 6.6 1.42 0 14.3
    0.3 0.6 0.5 9.4 1.31 0 16.7
    0.6 0.6 1 13.3 1.45 0 21.1
    1.2 0.6 2 18.8 1.49 0 25.4
    2.4 0.6 4 26.6 1.10 0 28.6
    4.8 0.6 8 37.6 0.35 11.6 40.8
    7.2 0.6 12 46 0.23 38.3 46.1
    Group B: cOx2-=cCa2+
    0.3 0.3 1 6.6 3.24 0 0
    0.42 0.42 1 9.4 2.45 0 23.3
    0.6 0.6 1 13.3 1.96 0 32.1
    0.85 0.85 1 18.8 1.56 0 18.2
    1.2 1.2 1 26.6 1.26 0 14.5
    1.7 1.7 1 37.6 0.59 0 11.3
    * Supersaturation (RS) was calculated according to the reference[15].

    图 1

    图 1.  不同条件下生成的CaC2O4晶体的XRD图: (A) 固定cOx2-=0.6 mmol·L-1, 改变nCa2+/nOx2-; (B) 固定cOx2-=cCa2+, 改变溶液的RS
    Figure 1.  XRD patterns of CaC2O4 crystals generated under different conditions: (A) fixing cOx2-=0.6 mmol·L-1, changing the nCa2+/nOx2-; (B) fixing cOx2-=cCa2+, changing RS of solution

    * Indicates the diffraction peaks of COD, and the others are the peaks of COM

    当固定cOx2-=cCa2+,改变体系的RS,形成的CaC2O4晶体的XRD图如图 1B所示。在RS=6.6~37.6范围内均只形成COM晶体(表 1)。但随着RS从6.6增加到13.3、26.6和37.6,COM不同晶面的强度出现规律性变化,I(101)/I(020)晶面强度比从3.24逐渐减小到1.96、1.26和0.59。

    XRD图结果表明,在上述体系中加入0.5 g·L-1的降解PCP后,均促进了COD晶体形成(表 1),其规律如下:

    (1) 固定cOx2-=0.6 mmol·L-1,随着nCa2+/nOx2-从0.125增加到12,COD质量分数从13.8%增加到46.1%;相比之下,没有降解PCP存在时,只有当nCa2+/nOx2-≥8时才有COD形成。

    (2) 固定nCa2+/nOx2-=1,在RS=13.3,即cOx2-=cCa2+=0.6 mmol·L-1时形成的COD质量分数最高(32.1%),高于或低于0.6 mmol·L-1时均不利于COD的生成。

    表 2所示,固定cOx2-=0.6 mmol·L-1且没有降解PCP存在时,随着nCa2+/nOx2-从0.25逐渐增大至1、4、8和12,形成的晶体由表面光滑的拉长六边形COM逐渐转变为表面粗糙的COM,且晶体的尺寸和聚集程度均增大;当nCa2+/nOx2-≥8时出现了少量十字形的COD晶体;即高Ox2-浓度条件下只生成棱角尖锐的COM晶体,而高Ca2+浓度条件下出现COD晶体。

    表 2

    表 2  固定cOx2-=0.6 mmol·L-1时, nCa2+/nOx2-和降解PCP影响CaC2O4晶体形成的SEM图像
    Table 2.  SEM images for the effects of nCa2+/nOx2- and degraded PCP on CaC2O4 crystal formation at fixed cOx2-=0.6 mmol·L-1
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    Group nCa2+/nOx2- (RS)
    0.25 (6.6) 1 (13.3) 4 (26.6) 8 (37.6) 12 (46)
    Control
    Degraded PCP

    加入降解PCP后,不但诱导了COD晶体生成,且COD质量分数随着nCa2+/nOx2-增大而增加;此外,加入降解PCP后形成的COM晶体的棱角有变圆钝的趋势,特别是在CaC2O4的RS较低时。

    采用FT-IR光谱进一步表征了上述各组晶体,部分结果如图 2所示。在没有降解PCP存在且nCa2+/nOx2-≤4时(图 2A),得到的CaC2O4晶体在3 059~3 490 cm-1处的晶体水伸缩振动峰分裂为5个小峰,羧基不对称伸缩振动νas(COO-)和对称伸缩振动νs(COO-)分别在1 618和1 316 cm-1附近,这些都是COM晶体的特征峰。但在nCa2+/nOx2-≥8时出现了COD晶体的红外特征吸收,此时不但νas(COO-)和νs(COO-)出现蓝移,而且晶体水伸缩振动峰表现为一个大而宽的单峰(在3 429 cm-1附近)。

    图 2

    图 2.  固定cOx2-=0.6 mmol·L-1时, nCa2+/nOx2-和降解PCP影响CaC2O4晶体形成的FT-IR谱图: (A) 没有降解PCP存在下; (B) 在0.5 g·L-1降解PCP存在下
    Figure 2.  FT-IR spectra for the effects of nCa2+/nOx2- and PCP on CaC2O4 crystal formation at fixed cOx2-=0.6 mmol·L-1: (A) without PCP; (B) in the presence of 0.5 g·L-1 degraded PCP

    加入降解PCP后(图 2B),随着nCa2+/nOx2-由0.25增加至12,νas(COO-)从1 618 cm-1蓝移到1 624 cm-1νs(COO-)从1 316 cm-1蓝移到1 320 cm-1,表明COD晶体质量分数逐渐增加[20-21]

    图 3为不同nCa2+/nOx2-条件下形成的CaC2O4晶体的拉曼光谱。在1 463和1 488 cm-1左右的吸收峰为COM的C—O对称拉伸振动,其中1 463 cm-1为COM的主峰;1 625 cm-1处为C—O不对称拉伸振动,893 cm-1处为C—C侧链拉伸振动,504 cm-1归属于O—C—O面内弯曲带(表 3)。相比之下,COD的C—O对称伸缩振动在1 476 cm-1左右,488 cm-1为O—C—O面内弯曲[22-23]。即在低Ca2+浓度条件下形成的晶体主要为COM(图 3a~3c),而在高Ca2+浓度条件下同时形成了COM和COD晶体(图 3d3e)。拉曼光谱与FT-IR、XRD检测结果一致。

    图 3

    图 3.  固定cOx2-=0.6 mmol·L-1时, 不同nCa2+/nOx2-条件下生成的CaC2O4晶体的拉曼光谱: nCa2+/nOx2-=0.25 (a)、1 (b)、4 (c)、8 (d)、12 (e)
    Figure 3.  Raman spectra of CaC2O4 crystals generated under different nCa2+/nOx2- values at fixed cOx2-=0.6 mmol·L-1: nCa2+/nOx2-=0.25 (a), 1 (b), 4 (c), 8 (d), 12 (e)

    表 3

    表 3  不同nCa2+/nOx2-条件下生成的CaC2O4晶体的拉曼吸收峰
    Table 3.  Raman absorption peaks of CaC2O4 crystals formed under different nCa2+/nOx2- values
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    nCa2+/nOx2- C—O asymmetric stretching* C—O symmetric stretching* C—C stretching O—C—O in-plane bending wCOD/%
    Pure COM 1 625w 1 463sh, 1 488s 894 504
    0.25 1 625 1 463sh, 1 484 893 504 0
    1 1 627 1 463sh, 1 487 898 502 0
    4 1 628 1 458, 1 490 895 500 0
    8 1 627 1 476, 1 482 488s 31.9
    12 1 629 1 476, 1 487 893 488s 38.3
    Pure COD 1 629 1 476s 909 488s
    * s: strong, w: weak, sh: sharp.

    图 4为不同nCa2+/nOx2-和降解PCP对形成的CaC2O4晶体ζ电位的影响。可以看出:

    图 4

    图 4.  nCa2+/nOx2-和降解PCP对形成的CaC2O4晶体ζ电位的影响: (A) 固定cOx2-=0.6 mmol·L-1, 改变cCa2+; (B) 固定nCa2+/nOx2-=1, 改变CaC2O4溶液的RS
    Figure 4.  Effects of nCa2+/nOx2- and degraded PCP on the ζ potential of formed CaC2O4 crystals: (A) fixing cOx2-=0.6 mmol·L-1, changing cCa2+; (B) fixing nCa2+/nOx2-=1, changing RS of CaC2O4 solution

    (1) 多糖的存在使得CaC2O4晶体的ζ电位更低。这归因于晶体表面吸附了带负电荷的降解PCP。

    (2) 随着COD质量分数增加,ζ电位越低。例如,固定cOx2-=0.6 mmol·L-1,随着nCa2+/nOx2-从0.25增大到12,COD质量分数从0增加到38.3%,导致晶体的ζ电位从-6.8 mV减小到-13.6 mV(图 4A);而加入降解PCP后,COD质量分数从13.8%增加到46.1%,晶体的ζ电位从-7.2 mV减小到-19.1 mV。

    (3) 随着CaC2O4的RS增加,生成的晶体量增加,在固定0.5 g·L-1降解PCP的条件下,吸附在每个晶体表面的带负电荷的降解PCP分子减少,因此,ζ电位绝对值减少(图 4B)。

    采用紫外分光光度法研究了降解PCP对CaC2O4晶体的成核速率和聚集速率的影响(图 5)。结果表明,降解PCP能够显著抑制CaC2O4晶体的成核速率和聚集速率。与空白组(图 5A)相比,加入降解PCP后(图 5B),延长了晶体的成核时间(tmax),同时降低了晶体的成核速率和聚集速率[24]。降解PCP对nCa2+/nOx2-分别为0.25、1、4、8、12的CaC2O4溶液中CaC2O4结晶的成核抑制率(Nm)分别为33.4%、36.4%、44.8%、42.4%和44.7%(图 5C),对CaC2O4晶体聚集抑制率(Am)分别为0%、16.7%、54.8%、58%和53.4%。以上结果表明降解PCP对高Ca2+浓度溶液中CaC2O4晶体的成核和聚集的抑制效果比在高Ox2-浓度溶液中好。

    图 5

    图 5.  降解PCP对不同nCa2+/nOx2-条件下CaC2O4晶体成核、聚集的抑制作用: (A) 空白组的吸光度; (B) 加入降解PCP后的吸光度; (C) 降解PCP对CaC2O4结晶的NmAm
    Figure 5.  Inhibition of degraded PCP on CaC2O4 crystal nucleation and aggregation under different nCa2+/nOx2- values: (A) absorbance of the control group; (B) absorbance after degraded PCP was added; (C) Nm and Am of degraded PCP on CaC2O4 crystallization

    采用ICP检测了降解PCP对反应体系中可溶性Ca2+浓度的影响,并用称重法评估了降解PCP对CaC2O4沉淀质量的影响(图 6)。加入降解PCP后,溶液中可溶性Ca2+浓度增加,沉淀质量减少,表明降解PCP与体系中的Ca2+配位后,减少了与Ox2-结合的Ca2+的量,从而降低了形成的CaC2O4沉淀量,这有利于抑制CaC2O4结石的形成。

    图 6

    图 6.  在0.5 g·L-1降解PCP存在下改变nCa2+/nOx2-后上清液中Ca2+的浓度和CaC2O4沉淀量
    Figure 6.  Concentration of Ca2+ in the supernatant and the amount of CaC2O4 precipitate in the presence of 0.5 g·L-1 degraded PCP after changing nCa2+/nOx2-

    为了验证结果的可靠性,我们计算了上清液中的可溶性Ca2+的物质的量(nCa2+)与CaC2O4沉淀的物质的量(nCaC2O4)之和(∑nCa2+)。结果表明各实验的∑nCa2+与理论Ca2+的物质的量总量几乎一致(表 4),稍有偏差主要是沉淀转移过程中的少量损失所致。

    表 4

    表 4  降解PCP对CaC2O4晶相、溶液中可溶性Ca2+浓度以及CaC2O4沉淀的量的影响
    Table 4.  Effects of degraded PCP on CaC2O4 crystal phase, soluble Ca2+ concentration in solution, and CaC2O4 precipitate amount
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    Group nCa2+/nOx2- wCOD/% cCa2+/(μmol·L-1) nCa2+/μmol nCaC2O4/μmol nCa2+/μmol Theoretical ∑nCa2+/μmol
    Control 0.25 0 25.4 1.27 6.3 7.57 7.55
    1 0 102 5.14 24.28 29.4 30.0
    4 0 1 279 63.2 55.7 119 120
    8 11.6 3 121 156 85.2 241 240
    12 38.3 4 327 216 146 362 360
    Degraded PCP 0.25 14.3 98.6 4.85 3.86 8.71 7.55
    1 21.1 159.8 7.95 20.3 28.3 30.0
    4 28.6 1 411 70.6 53.1 124 120
    8 40.8 3 269 156 75.8 232 240
    12 46.1 4 839 242 135 377 360

    CaC2O4晶体的生长习性及最终形成的晶相受溶液的RS、nCa2+/nOx2-及添加剂等影响。XRD、FT-IR和拉曼光谱均表明,在高Ox2-浓度条件下只生成COM晶体,而高Ca2+浓度条件下则会促进COD晶体的形成。一般而言,在正常人尿液中nCa2+/nOx2-在5左右[25]nCa2+/nOx2- < 5为高Ox2-浓度尿区,不但容易形成CaC2O4结石,而且结石中COM晶体占优势。而nCa2+/nOx2- > 5为高Ca2+浓度尿区,容易形成COD晶体。由于COM晶体的主要晶面为带正电荷的(101)晶面[5];而COD晶体主要为四角双锥形的晶体,COD的主晶面上排列着大量的水分子,电荷密度低,因此,表面带负电荷的受损伤肾上皮细胞表面与COM的黏附力远大于COD,即COD更容易随尿液排出[26]。此外COD对肾上皮细胞的毒性比COM更小[26],因此抑制COM的形成更有利于抑制结石的形成。这提示,高浓度Ox2-摄入后对肾结石形成的风险远大于高浓度Ca2+摄入。Rodgers等[27]的研究表明,草酸对CaC2O4肾结石形成的影响是钙的23倍;而Sorensen等[28]研究发现,增加膳食钙的摄入量可使肾结石发生风险降低5%~28%。以上均表明草酸钙肾结石的形成主要是摄入Ox2-过多所致。

    (1) 降解PCP诱导COD形成。富含阴离子的降解PCP更易吸附在表面带正电荷的COM晶体表面[14],从而抑制了COM的进一步生长,使得晶体中COD的质量分数增加。降解PCP中—COOH基与溶液中的Ca2+配位,使得多糖表面Ca2+富集,增大了局部区域的nCa2+/nOx2-,Ca2+能态增加,这有利于COD晶体形成;相比之下,过量的Ox2-则对生成COM晶体有利[29]。此外,被—COOH吸附的Ca2+的自由度降低,也会促进热力学亚稳定的COD形成[30]。Farmanesh等[31]研究表明,含有高百分比阴离子基团的抑制剂(如硫酸软骨素等)可以通过吸附到COM晶体的特定晶面上而产生螺旋位错,从而改变COM晶体在特定方向上的生长速率,达到抑制COM晶体生长的目的。降解PCP调控CaC2O4晶体形成的示意图如图 7所示。

    图 7

    图 7.  降解PCP调控CaC2O4晶体形成示意图
    Figure 7.  Schematic diagram of degraded PCP regulating CaC2O4 crystal formation

    (2) 降解PCP抑制CaC2O4晶体成核、生长和聚集。CaC2O4晶体形成包括成核、生长和聚集3个过程[32]。降解PCP不但能够抑制CaC2O4晶体成核与聚集(图 5),而且能够减少形成的CaC2O4晶体质量(图 6),从而抑制CaC2O4晶体的生长。这归因于降解PCP中的—COOH基与溶液中的游离Ca2+配位后,增加了溶液中可溶性Ca2+浓度,从而减少了Ca2+向CaC2O4晶体表面运输[33],抑制了晶体的生长,降低了CaC2O4晶体的形成量。

    晶体的聚集程度与晶体表面的ζ电位密切相关。晶体表面ζ电位越低,粒子间排斥力越大,越不容易发生聚集。降解PCP中的—COOH基可以通过钙桥(PCP)COO-…Ca2+-OOC(CaC2O4)吸附在CaC2O4晶体表面,使得其负电荷密度增加,晶体表面的ζ电位更低(图 4),因此晶体间的聚集被抑制。晶体的聚集程度也与晶体中COD的质量分数相关。由于COM晶体表面的Ca2+浓度高于COD晶体[5],且四角双锥形COD的8个(101)晶面上分布着较多的草酸根离子而带负电荷,因此,COD具有更低的ζ电位值[34],即晶体中COD质量分数越大,晶体的聚集程度越小。

    抑制CaC2O4晶体的成核、生长或聚集均有利于降低CaC2O4结石的形成风险。

    高RS有利于促进COD形成。在低RS条件下(RS=6.6),即使加入了0.5 g·L-1降解PCP,也只生成COM晶体。随着RS增加,形成的COD晶体量增加。例如,在RS=9.4和13.3时,形成了23.3%和32.1%的COD晶体。因为在RS较低时,体系中Ca2+量和Ox2-量均较少,降解PCP调控COD形成的能力逐步显现。但当RS > 13.3时,生成的COD晶体减少,因为随着RS进一步增大,体系中形成的CaC2O4晶体量显著增加,有限的降解PCP不能与每个Ca2+结合,这些未与降解PCP结合的Ca2+形成了COM晶体,导致COD所占比例下降。

    RS影响晶体的晶面。在高RS下,高活化能的晶面生长迅速,但由于在高RS时晶体聚集严重,晶体的活性晶面更容易聚集,导致活性晶面受到遮蔽。相比之下,低活化能的晶面本身已经有足够的生长速度,影响不大。因此,随着RS增加,COM的I(101)/I(020)减小。

    RS的改变会影响晶体的初始尺寸和聚集程度。结晶的生长是以RS为推动力的。在RS较高时,晶体成核优先于晶体生长,最终使晶体尺寸变小。高RS不但增加了晶体的沉淀量,而且增加了晶体的聚集程度。这归因于RS较高(如RS≥37.6)时,形成的晶核数目过多,此时即使加入0.5 g·L-1的降解PCP也难以有空间让其发挥效果,晶体立即成核并发生聚集,而晶体在体内的聚集也是肾结石形成的重要原因之一[1]

    CaC2O4过饱和溶液中的nCa2+/nOx2-越大,诱导形成的COD质量分数越多,而高Ox2-浓度促进COM晶体形成,这提示高浓度Ox2-尿液中肾结石形成的风险远大于高浓度Ca2+尿液。溶液的过饱和度过高时不但增加了晶体的沉淀量,而且促进了晶体的聚集,从而增加了结石的形成风险。降解茯苓多糖(PCP)可以增大溶液中可溶性Ca2+浓度,减少生成的CaC2O4晶体质量,增加容易排出体外的COD晶体比例,使晶体表面ζ电位变低。降解PCP能够同时抑制CaC2O4晶体的成核、生长和聚集,且对高钙溶液中CaC2O4晶体的成核和聚集的抑制效果比在高草酸溶液中好,这些结果有利于抑制CaC2O4结石形成,提示降解PCP有可能是潜在的防石药物。


    1. [1]

      Šafranko S, Goman S, Goman D, Jokić S, Marion I D, Mlinarić N M, Selmani A, Medvidović-Kosanović M, Stanković A. Calcium oxalate and gallic acid: Structural characterization and process optimization toward obtaining high contents of calcium oxalate monohydrate and dihydrate[J]. Crystals, 2021, 11(8):  954. doi: 10.3390/cryst11080954

    2. [2]

      程小燕, 徐猛, 欧阳健明. 不同纵横比一水草酸钙晶体的合成、表征、吸附性能及其对肾上皮细胞的毒性差异[J]. 无机化学学报, 2022,38,(7): 1261-1271. CHENG X Y, XU M, OUYANG J M. Synthesis, characterization, adsorption properties and toxicity to renal epithelial cells of calcium oxalate monohydrate crystals with different aspect ratios[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2022, 38(7):  1261-1271.

    3. [3]

      Wang Z, Zhang Y, Zhang J W, Deng Q, Liang H. Recent advances on the mechanisms of kidney stone formation[J]. Int. J. Mol. Med., 2021, 48(2):  149. doi: 10.3892/ijmm.2021.4982

    4. [4]

      Sun X Y, Zhang H, Deng J W, Yu B X, Zhang Y H, Ouyang J M. Regulatory effects of damaged renal epithelial cells after repair by Porphyra yezoensis polysaccharides with different sulfation degree on the calcium oxalate crystal-cell interaction[J]. Int. J. Nanomed., 2021, 16:  8087-8102. doi: 10.2147/IJN.S320278

    5. [5]

      Wang N, Zhang D, Zhang Y T, Xu W, Wang Y S, Zhong P P, Jia T Z, Xiu Y F. Endothelium corneum gigeriae Galli extract inhibits calcium oxalate formation and exerts anti-urolithic effects[J]. J. Ethnopharmacol., 2019, 231:  80-89. doi: 10.1016/j.jep.2018.09.003

    6. [6]

      Singh A, Tandon S, Nandi S P, Kaur T, Tandon C. Downregulation of inflammatory mediators by ethanolic extract of Bergenia ligulata (Wall.) in oxalate injured renal epithelial cells[J]. J. Ethnopharmacology, 2021, 275:  114104. doi: 10.1016/j.jep.2021.114104

    7. [7]

      Chen X W, Sun X Y, Tang G H, Ouyang J M. Sulfated Undaria pinnatifida polysaccharide inhibits the formation of kidney stones by inhibiting HK-2 cell damage and reducing the adhesion of nano-calcium oxalate crystals[J]. Biomaterials Advances, 2021, 134:  112564.

    8. [8]

      Akın B, Öner M, Bayram Y, Demadis K D. Effects of carboxylate-modified, "green" inulin biopolymers on the crystal growth of calcium oxalate[J]. Cryst. Growth Des., 2008, 8(6):  1997-2005. doi: 10.1021/cg800092q

    9. [9]

      Zhao Y W, Guo D, Li C Y, Ouyang J M. Comparison of the adhesion of calcium oxalate monohydrate to HK-2 cells before and after repair using tea polysaccharides[J]. Int. J. Nanomed., 2019, 14:  4277-4292. doi: 10.2147/IJN.S198644

    10. [10]

      Sun Y. Biological activities and potential health benefits of polysaccharides from Poria cocos and their derivatives[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2014, 68:  131-134. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2014.04.010

    11. [11]

      Chen F, Huang G L. Preparation and immunological activity of polysaccharides and their derivatives[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2018, 112:  211-216. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.01.169

    12. [12]

      Cheung Y C, Yin J, Wu J Y. Effect of polysaccharide chain conformation on ultrasonic degradation of curdlan in alkaline solution[J]. Carbohydr. Polym., 2018, 195:  298-302. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.04.118

    13. [13]

      Jin Y, Zhang L, Tao Y, Zeng C, Chen Y, Cheung P C K. Solution properties of a water-insoluble (1→3)-α-D-glucan isolated from Poria cocos mycelia[J]. Carbohydr. Polym., 2004, 57(2):  205-209. doi: 10.1016/j.carbpol.2004.04.013

    14. [14]

      Zhang Y Q, Tang Y M, Xu J Q, Zhang D Q, Lu G, Jing W H. Modulation of polyepoxysuccinic acid on crystallization of calcium oxalate[J]. Solid State Chem., 2015, 231:  7-12. doi: 10.1016/j.jssc.2015.08.001

    15. [15]

      Stanković A, Kontrec J, Džakula B N, Dzakula B N, Kovacevic D, Markovic B, Kralj D. Preparation and characterization of calcium oxalate dihydrate seeds suitable for crystal growth kinetic analyses[J]. J. Cryst. Growth, 2018, 500:  91-97. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2018.08.020

    16. [16]

      Donnet M, Jongen N, Lemaitre J, Bowen P. New morphology of calcium oxalate trihydrate precipitated in a segmented flow tubular reactor[J]. Mater. Sci. Lett., 2000, 19:  749-750. doi: 10.1023/A:1006771428827

    17. [17]

      Chen X W, Huang W B, Sun X Y, Xiong P, Ouyang J M. Antioxidant activity of sulfated Porphyra yezoensis polysaccharides and their regulating effect on calcium oxalate crystal growth[J]. Mater. Sci. Eng. C, 2021, 128:  112338. doi: 10.1016/j.msec.2021.112338

    18. [18]

      Zhang C Y, Wu W H, Wang J, Lan M B. Antioxidant properties of polysaccharide from the brown seaweed Sargassum graminifolium (Turn.), and its effects on calcium oxalate crystallization[J]. Mar. Drugs, 2012, 10(1):  119-130.

    19. [19]

      Bandarapalle K, Rajasekhar K K, Bhavitha J. Antiurolithiatic activity of Bacopa monnieri by in vitro calcium oxalate crystallization methods[J]. Basic Pharmacol. Toxicol., 2021, 5(1):  14-17.

    20. [20]

      Sun X Y, Zhang C Y, Bhadja P, Ouyang J M. Preparation, properties, formation mechanisms, and cytotoxicity of calcium oxalate monohydrate with various morphologies[J]. CrystEngComm, 2018, 20:  75-87. doi: 10.1039/C7CE01912B

    21. [21]

      Tonannavar J, Deshpande G, Yenagi J, Patil S B, Patil N, Mulimani B G. Identification of mineral compositions in some renal calculi by FT Raman and IR spectral analysis[J]. Spectroc. Acta Pt. A-Molec. Biomolec. Spectr., 2016, 154:  20-26. doi: 10.1016/j.saa.2015.10.003

    22. [22]

      Kazemi-Zanjani N, Chen H, Goldberg H A, Hunter G, Grohe B, Lagugne-Labarthet F. Label-free mapping of osteopontin adsorption to calcium oxalate monohydrate crystals by tip-enhanced Raman spectroscopy[J]. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(41):  17076-17082. doi: 10.1021/ja3057562

    23. [23]

      Muhammed Shameem K M, Chawla A, Mallya M, Unnikrishnan B K B V K, Santhosh V B K. Laser-induced breakdown spectroscopy Raman: An effective complementary approach to analyze renal calculi[J]. J. Biophotonics, 2018, 11(6):  e201700271. doi: 10.1002/jbio.201700271

    24. [24]

      Kulaksızoğlu S, Sofikerim M, Çevik C. In vitro effect of lemon and orange juices on calcium oxalate crystallization[J]. Int. Urol. Nephrol., 2008, 40(3):  589-594. doi: 10.1007/s11255-007-9256-0

    25. [25]

      Daudon M, Letavernier E, Frochot V, Haymann J, Bazin D, Jungers P. Respective influence of calcium and oxalate urine concentration on the formation of calcium oxalate monohydrate or dihydrate crystals[J]. C. R. Chim., 2016, 19(11/12):  1504-1513.

    26. [26]

      Gan Q Z, Sun X Y, Bhadja P, Yao X Q, Ouyang J M. Reinjury risk of nano-calcium oxalate monohydrate and calcium oxalate dihydrate crystals on injured renal epithelial cells: Aggravation of crystal adhesion and aggregation[J]. Int. J. Nanomed., 2016, 11:  2839-2854.

    27. [27]

      Rodgers A. Aspects of calcium oxalate crystallization: Theory, in vitro studies, and in vivo implementation[J]. J. Am. Soc. Nephrol., 1999, 10:  S351-S354.

    28. [28]

      Sorensen, Kahn, Reiner, Tseng, Shikany, Wallace, Chi, Wactawski-Wende, Jackson, O'Sullivan, Sadetsky, Stoller, WHI Working Group. Impact of nutritional factors on incident kidney stone formation: A report from the WHI OS[J]. J. Urol., 2012, 187(5):  1645-1650. doi: 10.1016/j.juro.2011.12.077

    29. [29]

      Liu H, Sun X Y, Wang F X, Ouyang J M. Regulation on calcium oxalate crystallization and protection on HK-2 cells of tea polysaccharides with different molecular weights[J]. Oxidative Med. Cell. Longev., 2020, :  5057123.

    30. [30]

      Grohe B, Rogers K A, Goldberg H A, Hunter G K. Crystallization kinetics of calcium oxalate hydrates studied by scanning confocal interference microscopy[J]. J. Cryst. Growth, 2006, 295(2):  148-157. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2006.07.029

    31. [31]

      Farmanesh S, Ramamoorthy S, Chung J, Asplin J R A, Karande P, Rimer J D. Specificity of growth inhibitors and their cooperative effects in calcium oxalate monohydrate crystallization[J]. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(1):  367-376. doi: 10.1021/ja410623q

    32. [32]

      Chung J, Taylor M G, Granja I, Asplin J R, Mpourmpakis G, Rimer J D. Factors differentiating the effectiveness of polyprotic acids as inhibitors of calcium oxalate crystallization in kidney stone disease[J]. Cryst. Growth Des., 2018, 18(9):  5617-5627. doi: 10.1021/acs.cgd.8b00945

    33. [33]

      Abdel-Aal E A, Yassin A M K, El-Shahat M F. Effect of crystallization parameters and presence of aqueous extract of Nigella Sativa on growth inhibition of calcium oxalate monohydrate particles[J]. Part. Sci. Technol., 2018, 36(2):  226-234. doi: 10.1080/02726351.2016.1241847

    34. [34]

      Polat S, Eral H B. Elucidating the role of hyaluronic acid in the structure and morphology of calcium oxalate crystals[J]. Adv. Powder Technol., 2021, 32(10):  3650-3659. doi: 10.1016/j.apt.2021.08.021

  • 图 1  不同条件下生成的CaC2O4晶体的XRD图: (A) 固定cOx2-=0.6 mmol·L-1, 改变nCa2+/nOx2-; (B) 固定cOx2-=cCa2+, 改变溶液的RS

    Figure 1  XRD patterns of CaC2O4 crystals generated under different conditions: (A) fixing cOx2-=0.6 mmol·L-1, changing the nCa2+/nOx2-; (B) fixing cOx2-=cCa2+, changing RS of solution

    * Indicates the diffraction peaks of COD, and the others are the peaks of COM

    图 2  固定cOx2-=0.6 mmol·L-1时, nCa2+/nOx2-和降解PCP影响CaC2O4晶体形成的FT-IR谱图: (A) 没有降解PCP存在下; (B) 在0.5 g·L-1降解PCP存在下

    Figure 2  FT-IR spectra for the effects of nCa2+/nOx2- and PCP on CaC2O4 crystal formation at fixed cOx2-=0.6 mmol·L-1: (A) without PCP; (B) in the presence of 0.5 g·L-1 degraded PCP

    图 3  固定cOx2-=0.6 mmol·L-1时, 不同nCa2+/nOx2-条件下生成的CaC2O4晶体的拉曼光谱: nCa2+/nOx2-=0.25 (a)、1 (b)、4 (c)、8 (d)、12 (e)

    Figure 3  Raman spectra of CaC2O4 crystals generated under different nCa2+/nOx2- values at fixed cOx2-=0.6 mmol·L-1: nCa2+/nOx2-=0.25 (a), 1 (b), 4 (c), 8 (d), 12 (e)

    图 4  nCa2+/nOx2-和降解PCP对形成的CaC2O4晶体ζ电位的影响: (A) 固定cOx2-=0.6 mmol·L-1, 改变cCa2+; (B) 固定nCa2+/nOx2-=1, 改变CaC2O4溶液的RS

    Figure 4  Effects of nCa2+/nOx2- and degraded PCP on the ζ potential of formed CaC2O4 crystals: (A) fixing cOx2-=0.6 mmol·L-1, changing cCa2+; (B) fixing nCa2+/nOx2-=1, changing RS of CaC2O4 solution

    图 5  降解PCP对不同nCa2+/nOx2-条件下CaC2O4晶体成核、聚集的抑制作用: (A) 空白组的吸光度; (B) 加入降解PCP后的吸光度; (C) 降解PCP对CaC2O4结晶的NmAm

    Figure 5  Inhibition of degraded PCP on CaC2O4 crystal nucleation and aggregation under different nCa2+/nOx2- values: (A) absorbance of the control group; (B) absorbance after degraded PCP was added; (C) Nm and Am of degraded PCP on CaC2O4 crystallization

    图 6  在0.5 g·L-1降解PCP存在下改变nCa2+/nOx2-后上清液中Ca2+的浓度和CaC2O4沉淀量

    Figure 6  Concentration of Ca2+ in the supernatant and the amount of CaC2O4 precipitate in the presence of 0.5 g·L-1 degraded PCP after changing nCa2+/nOx2-

    图 7  降解PCP调控CaC2O4晶体形成示意图

    Figure 7  Schematic diagram of degraded PCP regulating CaC2O4 crystal formation

    表 1  不同nCa2+/nOx2-及0.5 g·L-1降解PCP对CaC2O4晶体形成的影响

    Table 1.  Effects of different nCa2+/nOx2- values and 0.5 g·L-1 degraded PCP on the formation of CaC2O4 crystals

    cCa2+/(mmol·L-1) cOx2-/(mmol·L-1) nCa2+/nOx2- RS* I(101)/I(020) of COM wCOD/%
    Blank Degraded PCP
    Group A: cOx2-=0.6 mmol·L-1, changing cCa2+
    0.075 0.6 0.125 4.7 1.88 0 13.8
    0.15 0.6 0.25 6.6 1.42 0 14.3
    0.3 0.6 0.5 9.4 1.31 0 16.7
    0.6 0.6 1 13.3 1.45 0 21.1
    1.2 0.6 2 18.8 1.49 0 25.4
    2.4 0.6 4 26.6 1.10 0 28.6
    4.8 0.6 8 37.6 0.35 11.6 40.8
    7.2 0.6 12 46 0.23 38.3 46.1
    Group B: cOx2-=cCa2+
    0.3 0.3 1 6.6 3.24 0 0
    0.42 0.42 1 9.4 2.45 0 23.3
    0.6 0.6 1 13.3 1.96 0 32.1
    0.85 0.85 1 18.8 1.56 0 18.2
    1.2 1.2 1 26.6 1.26 0 14.5
    1.7 1.7 1 37.6 0.59 0 11.3
    * Supersaturation (RS) was calculated according to the reference[15].
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    表 2  固定cOx2-=0.6 mmol·L-1时, nCa2+/nOx2-和降解PCP影响CaC2O4晶体形成的SEM图像

    Table 2.  SEM images for the effects of nCa2+/nOx2- and degraded PCP on CaC2O4 crystal formation at fixed cOx2-=0.6 mmol·L-1

    Group nCa2+/nOx2- (RS)
    0.25 (6.6) 1 (13.3) 4 (26.6) 8 (37.6) 12 (46)
    Control
    Degraded PCP
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    表 3  不同nCa2+/nOx2-条件下生成的CaC2O4晶体的拉曼吸收峰

    Table 3.  Raman absorption peaks of CaC2O4 crystals formed under different nCa2+/nOx2- values

    nCa2+/nOx2- C—O asymmetric stretching* C—O symmetric stretching* C—C stretching O—C—O in-plane bending wCOD/%
    Pure COM 1 625w 1 463sh, 1 488s 894 504
    0.25 1 625 1 463sh, 1 484 893 504 0
    1 1 627 1 463sh, 1 487 898 502 0
    4 1 628 1 458, 1 490 895 500 0
    8 1 627 1 476, 1 482 488s 31.9
    12 1 629 1 476, 1 487 893 488s 38.3
    Pure COD 1 629 1 476s 909 488s
    * s: strong, w: weak, sh: sharp.
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    表 4  降解PCP对CaC2O4晶相、溶液中可溶性Ca2+浓度以及CaC2O4沉淀的量的影响

    Table 4.  Effects of degraded PCP on CaC2O4 crystal phase, soluble Ca2+ concentration in solution, and CaC2O4 precipitate amount

    Group nCa2+/nOx2- wCOD/% cCa2+/(μmol·L-1) nCa2+/μmol nCaC2O4/μmol nCa2+/μmol Theoretical ∑nCa2+/μmol
    Control 0.25 0 25.4 1.27 6.3 7.57 7.55
    1 0 102 5.14 24.28 29.4 30.0
    4 0 1 279 63.2 55.7 119 120
    8 11.6 3 121 156 85.2 241 240
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  • 发布日期:  2023-05-10
  • 收稿日期:  2022-07-19
  • 修回日期:  2023-03-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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