海藻多糖中硫酸基含量对抑制草酸钙晶体形成和修复受损伤肾小管上皮细胞的影响

刘静鸿 桂琴 欧阳健明

引用本文: 刘静鸿, 桂琴, 欧阳健明. 海藻多糖中硫酸基含量对抑制草酸钙晶体形成和修复受损伤肾小管上皮细胞的影响[J]. 无机化学学报, 2023, 39(3): 465-474. doi: 10.11862/CJIC.2023.015 shu
Citation:  Jing-Hong LIU, Qin GUI, Jian-Ming OUYANG. Effect of seaweed polysaccharides with different sulfate group contents on crystal growth of calcium oxalate and on the repair of damaged renal epithelial cells[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2023, 39(3): 465-474. doi: 10.11862/CJIC.2023.015 shu

海藻多糖中硫酸基含量对抑制草酸钙晶体形成和修复受损伤肾小管上皮细胞的影响

    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

    国家自然科学基金 82270800

摘要: 采用X射线衍射法、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、ζ电位仪和电感耦合等离子体发射光谱仪,比较了4种分子量相近(约3700 Da)、但硫酸基(—OSO3-)含量不同的降解海藻多糖对草酸钙(CaC2O4)晶体生长的调控作用;采用细胞实验比较了它们对受损伤肾小管上皮细胞(HK-2)的修复能力。这4种海藻多糖分别是降解紫菜多糖(PY-1)、降解龙须菜多糖(GL-2)、降解羊栖菜多糖(SF-3)和降解裙带菜多糖(UP-4),其—OSO3-含量分别为17.9%、13.3%、8.2%和5.5%。结果表明,这4种多糖均能够抑制一水草酸钙(COM)生长,诱导二水草酸钙(COD)生成,增加溶液中可溶性Ca2+离子浓度,增加晶体表面的ζ电位绝对值,从而降低晶体的聚集程度;这些多糖均能修复被草酸氧化损伤的HK-2细胞,提高细胞活力和超氧化物歧化酶(SOD)活力,降低丙二醛(MDA)的释放量。结果表明,多糖中—OSO3-含量越高,多糖对CaC2O4晶体生长的抑制作用和对受损伤HK-2细胞的修复作用均越强。

English

  • 肾结石是病理矿化的产物[1-2],其发病率近年呈上升趋势[3-4]。肾结石的主要成分为一水草酸钙(COM)和二水草酸钙(COD)[5-6]。目前医学上治疗肾结石的主要药物是柠檬酸盐和镁制剂,但对这些药物的作用机制仍不清楚,部分药物对人体的副作用较大。因此,开发高效、低毒、廉价的新型防石药物,具有重要的科学和现实意义。

    植物多糖里所含有的酸性基团(如—COOH、—OSO3-与—OPO3-等)可以与尿液中的钙离子配位,生成可溶性配合物,降低草酸钙(CaC2O4)溶液体系的过饱和度;并可以吸附在COM晶体的特定键合位点上,抑制CaC2O4晶体的生长与聚集[7-8]。酸性多糖还可以修复受损伤细胞[9],阻止CaC2O4晶体与肾上皮细胞的黏附,有利于尿液中晶体的排出,故酸性植物多糖具有潜在的防治结石功能。

    在以前的研究中[10],我们通过控制双氧水浓度对4种海藻多糖进行降解,获得了分子量均在约3 700 Da,但硫酸基(—OSO3-) 含量分别为17.9%、13.3%、8.2% 和5.5% 的4种多糖,即降解紫菜多糖(PY-1)、降解龙须菜多糖(GL-2)、降解羊栖菜多糖(SF-3)和降解裙带菜多糖(UP-4),这4种多糖的单糖结构较为相近,主要由半乳糖和(或)岩藻糖构成[11-14]。在质量浓度0~100 μg·mL-1范围内,上述多糖对人肾近曲小管上皮细胞(HK-2)均不表达毒性,且对受损伤的HK-2具有修复作用。

    本工作中,我们比较研究了这些多糖抑制CaC2O4晶体生长和修复受损伤肾上皮细胞的能力,特别是与多糖中—OSO3-含量的关系,希望为择优筛选防治CaC2O4肾结石的药物提供启示。

    四种海藻多糖(紫菜多糖、龙须菜多糖、羊栖菜多糖和裙带菜多糖)均由陕西慈缘生物有限公司生产,通过控制降解条件(如双氧水的浓度、降解温度和降解时间)[10],得到4种降解多糖PY-1、GL-2、SF-3和UP-4,其基本理化性质见表 1。多糖采用如下方法进行纯化:(1) 溶解在蒸馏水中,采用Sevag方法去除蛋白质;(2) 然后采用3 000 Da透析膜透析3 d,在减压下蒸发透析后的多糖溶液;(3) 采用无水乙醇醇沉12 h,离心收集所得沉淀,在60 ℃下干燥。这一系列纯化过程已经基本去除了酚类和黄酮类等化合物[15]。采用UV法在200~300 nm区间对多糖水溶液进行扫描,在此区间没有发现吸收峰[16],茚三酮实验没有显示紫色,这表明多糖中已经不含蛋白质成分[17]。采用Folin-Ciocalteu法测定总酚类化合物[18],亦未发现酚类的存在。

    表 1

    表 1  多糖的分子量M、—OSO3-含量、—COOH含量及其在浓度0.8 g·L-1时诱导的COD含量
    Table 1.  Molecular weights M, contents of —OSO3-, contents of —COOH of the polysaccharides, and the contents of COD induced by the polysaccharides with a concentration of 0.8 g·L-1
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    Polysaccharide Molecular weight / Da —OSO3- content / % —COOH content / % COD content / %
    PY-1 4 020 17.9 1.7 92.7
    GL-2 3 343 13.3 1.0 62.9
    SF-3 3 828 8.2 1.3 36.7
    UP-4 3 635 5.5 1.2 15.2
    Blank 0

    人肾近曲小管上皮细胞(HK-2细胞)购自中国科学院上海细胞库。细胞培养板购自无锡耐思生命科技股份有限公司。青霉素-链霉素抗生素(100×)、胰酶、胎牛血清和DMEM/F12培养液(Gibco,美国)。Cell Counting Kit-8(CCK-8试剂盒)、总超氧化物歧化酶(SOD)活性检测试剂盒(NBT法)和脂质氧化检测试剂盒购自上海碧云天生物技术有限公司。草酸钠(Na2C2O4)和氯化钙(CaCl2)等常规试剂均为分析纯,实验用水均为二次蒸馏水。

    所用主要仪器有紫外可见近红外分光光度计(Cary 5000,Agilent,美国)、X射线衍射仪(XRD,D/MAX - 2400,Rigaku,日本)、傅里叶红外光谱仪(Nicolet 6700,Thermo Fisher Scientific,美国)、扫描电子显微镜(SEM,XL-30, Philips,荷兰)、纳米粒度-ζ电位分析仪(Zatasizer 300HS,Malvern,英国)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP,Optima 2000DV,Perkin Elmer,美国)、多功能酶标仪(SafireZ,Tecan,瑞士)。

    CaC2O4结晶实验参照文献[19]进行。在一组烧杯中分别加入40 mL 22 mmol·L-1的CaCl2及一定量的不同种类的多糖,磁力搅拌10 min后,迅速加入40 mL 22 mmol·L-1的Na2C2O4,通过补充蒸馏水使体系终体积为88 mL,此时溶液中cCa2+=cC2O42- =10 mmol·L-1,多糖的质量浓度在0~3.0 g·L-1之间。反应10 min后,在37 ℃恒温条件下静置2 h,离心分离。用ICP测定上层清液中的可溶性Ca2+离子浓度(包括游离的钙离子和被多糖配位后溶解在溶液中的钙离子),底层CaC2O4沉淀在真空干燥器中干燥后称重,并取一定量的CaC2O4样品进行XRD、FT-IR、SEM和ζ电位检测。

    1.3.1   XRD检测

    将干燥并在研钵中研磨后的CaC2O4晶体粉末置于标准凹槽板上,样品表面必须平滑且与凹槽面相平。每次测定所需CaC2O4粉末质量为40~50 mg。测试条件:石墨单色器Cu 射线,工作电压为30 kV,工作电流为25 mA,扫描范围5°~60°,扫描速度8 (°)·min-1,步宽0.02 (°)·s-1

    CaC2O4中COM和COD的相对百分含量根据XRD图采用K值法计算[19]

    $ {w_{{\rm{COD}}}} = \frac{{{I_{{\rm{COD}}}}}}{{{I_{{\rm{COD}}}} + {I_{{\rm{COM}}}}}} \times 100\% $

    式中ICOMICOD分别为COM的主衍射峰(101)晶面(d= 0.591 nm)和COD的主衍射峰(200)晶面(d=0.617 nm)的强度。

    1.3.2   FT-IR检测

    取少量已干燥的CaC2O4样品,与750 mg KBr充分混匀,用玛瑙研钵进行研磨,研磨至看不见粉末的光泽,压片,红外光谱仪于4 000~400 cm-1波数范围内扫描。

    1.3.3   SEM观察

    称取上述CaC2O4沉淀1 mg,分散在10 mL无水乙醇中,在低功率下超声3 min后,立即点样在10 mm×10 mm的玻片上,于50 ℃下烘干,样品喷金后用SEM观察晶体的尺寸与形貌。操作条件:电压为5.00 kV,工作距离为5~10 mm,放大倍数为5 000。

    1.3.4   晶体的ζ电位测量

    称取上述CaC2O4沉淀10 mg,分散在30 mL二次蒸馏水中,悬浮液超声10 min后,用ζ电位分析仪测量其ζ电位。

    将细胞浓度1.0×105 mL-1的细胞悬液接种于96孔培养板(每孔100 μL),置于37 ℃、CO2体积分数5%、饱和湿度的培养箱中孵育24 h后,改用无血清DMEM培养液孵育12 h,使细胞同步化。弃去培养液,将细胞分为2组:(A) 正常组,即未经多糖处理的对照细胞;(B) 多糖组,分别加入含0.1、1、10和100 μg·mL-1的上述4种多糖孵育24 h。严格按照CCK-8检测试剂盒说明书进行操作。

    将细胞浓度1.0×105 mL-1的细胞悬液接种于24孔培养板(每孔100 μL),置于37 ℃、CO2体积分数5%、饱和湿度的培养箱中孵育24 h后,改用无血清DMEM培养液孵育12 h,使细胞同步化。弃去培养液,将细胞分为3组:(A) 正常组,即未经多糖处理的对照细胞;(B) 草酸损伤组,加入2.8 mmol·L-1草酸的无血清培养液,损伤3.5 h;(C) 多糖修复组,分别加入60 μg·mL-1的上述4种多糖,对损伤组细胞修复12 h。吸取上清液,进行细胞活力、SOD和丙二醛(MDA)释放量检测,严格按照CCK-8、SOD和MDA试剂盒说明书进行操作。

    图 1为4种多糖在质量浓度0.8 g·L-1时诱导生成的CaC2O4晶体的XRD图,可以发现:(1) 这些多糖均可以诱导COD形成。例如,没有加入多糖的空白对照组只诱导COM形成(图 1a),COM的衍射峰出现在晶面间距d=0.591、0.364、0.296和0.235 nm处,分别归属于COM的(101)、(020)、(202)和(213)晶面。加入多糖后,在d=0.617、0.441、0.280和0.224 nm处出现了COD的衍射峰(图 1b~1e),分别归属于COD的(200)、(211)、(411)和(213)晶面。(2) —OSO3-基含量高的多糖诱导COD的能力更强(表 1)。例如,在浓度为0.8 g·L-1时,PY-1、GL-2、SF-3和UP-4分别诱导92.7%、62.9%、36.7% 和15.2% 的COD晶体形成。

    图 1

    图 1.  在0.8 g·L-1的多糖存在下形成的CaC2O4晶体的XRD图

    (a) Blank; (b) UP-4; (c) SF-3; (d) GL-2; (e) PY-1; The crystal faces with asterisks show COD and those without asterisk show COM

    Figure 1.  XRD patterns of CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with a concentration of 0.8 g·L-1

    图 2为4种多糖诱导形成的CaC2O4晶体的SEM图像。随着多糖中—OSO3-基含量增加,诱导的草帽状的COD晶体含量增加,其中—OSO3-基含量最大(17.9%)的PY-1诱导的晶体中COD含量为92.7%(图 2e)。而没有多糖存在时,只形成聚集状的COM晶体(图 2a)。

    图 2

    图 2.  在浓度0.8 g·L-1的多糖存在下形成CaC2O4晶体的SEM图

    (a)Blank; (b) UP-4; (c) SF-3; (d) GL-2; (e) PY-1

    Figure 2.  SEM images of CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with a concentration of 0.8 g·L-1

    —OSO3-基含量为13.3%、8.2% 和5.5% 的GL-2 (图 2d)、SF-3(图 2c)和UP-4(图 2b)诱导的晶体中同时存在COM和COD,XRD结果表明COD含量分别为62.9%、36.7% 和15.2%(表 1);而没有多糖的空白对照组只诱导COM晶体形成(图 2a)。

    图 3为不同浓度SF-3和GL-2存在下得到的CaC2O4晶体的XRD图,PY-1和UP-4的XRD图与之类似。而随着多糖浓度增加,归属于COD的衍射峰增强,即诱导的CaC2O4晶体中COD含量增加(图 4)。

    图 3

    图 3.  不同浓度多糖存在下CaC2O4晶体的XRD图: (A) GL-2; (B) SF-3

    (a) 0.15 g·L-1; (b) 0.5 g·L-1; (c) 0.8 g·L-1; (d) 1 g·L-1; (e) 2 g·L-1; (f) 3 g·L-1; The crystal faces with asterisks show COD and those without asterisk show COM

    Figure 3.  XRD patterns of CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with different concentrations: (A) GL-2; (B) SF-3

    图 4

    图 4.  不同浓度多糖存在下CaC2O4晶体中COD百分含量

    (a) UP-4; (b) SF-3; (c) GL-2; (d) PY-1

    Figure 4.  COD content in CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with different concentrations

    同时研究了不同浓度SF-3(图 5A)和GL-2(图 5C)存在下生成的CaC2O4晶体的FT-IR谱图。没有多糖存在时,CaC2O4晶体中的羰基不对称伸缩振动νas(COO-)出现在1 618 cm-1,对称伸缩振动νs(COO-) 位于1 321 cm-1,表明这些晶体是COM晶体[20-21]。而加入不同浓度的SF-3或GL-2后,νas(COO-) 和νs(COO-)都发生不同程度的蓝移(图 5B5D),其中加入SF-3后的νas(COO-)从1 618 cm-1蓝移到1 639 cm-1νs(COO-)从1 321 cm-1蓝移到1 327 cm-1;同样加入GL-2后的νas(COO-)从1 618 cm-1蓝移到1 644 cm-1νs(COO-)从1 321 cm-1蓝移到1 328 cm-1,表明此时生成的CaC2O4晶体中COM百分含量在不断下降,而COD含量则逐渐增加[22],因为COD比COM多一个结晶水分子,水分子中—OH存在吸电诱导作用,使C=O双键极性增强,所以COD的特征峰相对于COM蓝移。纯COM的νas(COO-)和νs(COO-)位于1 618和1 321 cm-1,而纯COD的分别位于1 643和1 329 cm-1,因此,当晶体中COD含量增加后,νas(COO-)和νs(COO-)均向COD的特征吸收峰靠近,即向长波数方向移动(蓝移)。FT-IR结果与XRD结果(图 3A3B)基本一致。COM晶体在3 439 cm-1左右的水峰分裂成5个小峰,而COD在3 439 cm-1左右为1个大的水峰,其强度亦比COM强,这归因于COD比COM多含有1个水分子。

    图 5

    图 5.  不同浓度SF-3 (A、B)和GL-2 (C、D)存在下生成的CaC2O4晶体的FT-IR谱图(A、C)及其主吸收峰波数变化(B、D)

    (a) 0 g·L-1; (b) 0.5 g·L-1; (c) 1 g·L-1; (d) 3 g·L-1; cCaC2O4=10 mmol·L-1

    Figure 5.  FT-IR spectra (A, C) and wavenumber changes of the main peaks (B, D) of CaC2O4 crystals formed in the presence of SF-3 (A, B) and GL-2 (C, D) with different concentrations

    在相同浓度时,随着多糖中—OSO3-含量增加,其诱导形成的CaC2O4晶体的νas(COO-)和νs(COO-)也显示出明显的蓝移。图 6为在浓度分别为0.8和1.5g·L-1时4种多糖的红外特征峰移动情况。加入0.8g·L-1的UP-4时,CaC2O4晶体的νas(COO-)和νs(COO-)分别位于1 618和1 321 cm-1,而加入0.8 g·L-1的PY - 1时,νas(COO-) 和νs(COO-) 分别蓝移至1639和1 327 cm-1(图 6a)。当加入更高浓度(1.5 g·L-1)的多糖后,νas(COO-)和νs(COO-)发生更大程度的蓝移,UP-4的分别蓝移到1 620和1 325 cm-1,而PY-1的分别蓝移到了1 642和1 328 cm-1(图 6b),这是因为加入0.8 g·L-1的UP-4和PY-1时,其诱导的COD含量分别为15.2% 和92.7%(图 4),而加入1.5 g·L-1的UP-4和PY-1后,COD含量增加到54% 和100%。

    图 6

    图 6.  相同浓度时不同多糖存在下生成的CaC2O4晶体FT-IR主吸收峰波数变化

    (a) 0.8 g·L-1; (b) 1.5 g·L-1; cCaC2O4=10 mmol·L-1

    Figure 6.  Wavenumber changes of the main peaks of CaC2O4 crystals formed in the presence of different polysaccharides at the same concentration

    ζ电位可作为粒子间排斥力大小的量度,晶体表面ζ电位绝对值越大,说明晶体表面的电荷密度越大,晶体间的排斥力越大,即晶体在溶液中的分散性越好,越不易聚集,越有利于抑制CaC2O4晶体的聚集。4种多糖诱导生成的CaC2O4晶体的ζ电位如图 7所示。可以看出:(1) 多糖的ζ电位均为负值,同一多糖,随着其浓度增加,ζ电位的绝对值越来越大,表明晶体表面的负电荷密度越来越大。例如,随着PY-1浓度从0.15 g·L-1增大到3 g·L-1,诱导生成的晶体的ζ电位绝对值从13.5 mV增大到了43 mV。(2) 不同多糖,随着多糖中—OSO3-基含量增加,诱导生成的晶体的ζ电位绝对值也增大。例如,在浓度为0.8 g·L-1时,各多糖诱导生成的CaC2O4晶体的ζ电位绝对值大小顺序:PY-1(36.3 mV) > GL-2 (27.9 mV) > SF-3(24.1 mV) > UP-4(15.1 mV)。

    图 7

    图 7.  多糖浓度和多糖中—OSO3-含量对CaC2O4晶体表面ζ电位的影响
    Figure 7.  Effect of the polysaccharide concentration and the content of —OSO3- groups in the polysaccharides on ζ potential of CaC2O4 crystal surface

    采用ICP检测了在不同浓度多糖存在下上清液中可溶性Ca2+浓度(图 8)。随着多糖浓度的增加,上清液中可溶性Ca2+的浓度增加。而在相同浓度时,多糖中—OSO3-基含量越高,其上清液中Ca2+的浓度越大。

    图 8

    图 8.  不同浓度多糖诱导下生成上清液中可溶性Ca2+浓度
    Figure 8.  Concentrations of soluble Ca2+ in supernatant induced by the polysaccharides with different concentrations

    采用CCK-8法检测了质量浓度分别为0.1、1、10和100 μg·mL-1的4种多糖对HK-2细胞的毒性(表 2)。将HK-2细胞与多糖孵育24 h后,细胞存活率均保持在93.5% 以上,表明所有的多糖对HK-2细胞的细胞毒性较小,且在多糖浓度高时还能促进细胞生长。例如,用0.1、1、10和100 μg·mL-1的PY-1处理HK-2细胞24 h后,细胞存活率分别为100.1%、103.5%、105.8% 和111.2%。

    表 2

    表 2  四种不同浓度多糖对HK⁃2细胞毒性的评价
    Table 2.  Toxicity evaluation of four polysaccharides with different concentrations to HK⁃2 cells  %
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    Polysaccharide 0 μg·mL-1 0.1 μg·mL-1 1 μg·mL-1 10 μg·mL-1 100 μg·mL-1
    PY-1 100±1.8 100.1±2.1 103.5±4.7 105.8±3.3 111.2±4.8
    GL-2 100±1.2 96.8±1.2 98.5±3.6 105.0±3.7 106.2±1.6
    SF-3 100±1.4 96.8±5.2 98.8±4.0 103.0±1.9 114.3±5.2
    UP-4 100±1.4 93.5±1.2 93.3±2.6 96.0±4.2 103.5±5.2

    图 9a显示了不同多糖对草酸损伤的细胞进行修复后的细胞活力水平变化。经草酸损伤后的HK-2细胞活力仅为54.6%;而经浓度为60 μg·mL-1的不同种类的多糖修复后,各组细胞的活力均有不同程度的提高(75.2%~89.3%),其中硫酸基含量最高的PY-1对损伤的HK-2细胞的修复能力最强(89.3%)。

    图 9

    图 9.  四种不同— OSO3-基含量的多糖修复损伤HK-2细胞后细胞活力(a)、SOD活性(b)和MDA释放量(c)变化

    NC: normal control; DC: damaged control; Polysaccharide concentration: 60 μg·mL-1; Oxalate damage concentration: 2.8 mmol·L-1; Damaged time: 3.5 h; Repaired time: 12 h

    Figure 9.  Changes in cell viability (a), SOD activity (b) and MDA release amount (c) of damaged HK-2 cells after being repaired by four polysaccharides with different —OSO3- contents

    SOD可对抗氧自由基对细胞造成的损害,并及时修复受损细胞。生物体内SOD含量的降低意味着生物体抵抗自由基损伤的能力降低,反映机体受自由基损伤的程度增加[23]。检测MDA的释放量变化常常可反映机体内脂质过氧化的程度,间接地反映出细胞损伤的程度[24]。草酸损伤造成了细胞中SOD含量的明显下降(图 9b)和细胞外释放的MDA水平明显升高(图 9c),说明草酸造成了HK-2细胞的氧化应激损伤。采用降解海藻多糖对上述受损伤的细胞进行修复后,细胞中的SOD含量和MDA水平逐渐得到恢复,且随着多糖中—OSO3-基含量的增加,修复后HK-2细胞的SOD活性逐渐增强,MDA释放量逐渐下降,即—OSO3-基含量最高的PY-1对损伤的HK-2细胞的修复能力最强。

    尿液中存在多种抑制剂如柠檬酸、葡胺聚糖(GAGs)与磷酸盐等,它们通过抑制CaC2O4晶体的成核、生长、聚集及其与肾上皮细胞的黏附,从而抑制CaC2O4肾结石的形成[25-27]。降解海藻多糖含有大量酸性基团(如—OSO3-基和—COOH等),并具有与GAGs类似的结构,因而可以抑制CaC2O4结石的形成。多糖对CaC2O4晶体生长的调控机制如下:

    第一,富含酸性—OSO3-和—COOH基的多糖可与游离的Ca2+离子结合生成可溶性配合物(图 8),且多糖中—OSO3-和—COOH基含量越高,其与Ca2+的配位能力越强。体系中可溶性Ca2+浓度增大后,可以增加CaC2O4晶体的过饱和度,减少与C2O42-结合的Ca2+量,有利于抑制草酸结石的形成。

    第二,多糖抑制CaC2O4晶体聚集。从SEM图像(图 2)可知,没有多糖存在的对照组生成的CaC2O4晶体聚集程度较大(图 2a),这些晶体都是由针状的小尺寸COM晶体团聚而成;这种小尺寸针状晶体的比表面积大,比表面能高,为了降低表面能往往通过团聚而达到稳定的状态。加入多糖后,多糖吸附在晶体表面,使得晶体表面的ζ电位变负(图 7),且随着多糖中—OSO3-基含量增加,ζ电位绝对值更大,这可以增加晶体间的排斥力,从而抑制了晶体的团聚。团聚的晶体不但增大了对肾上皮细胞的损伤,而且更容易滞留在体内,这均会增加结石形成的危险。

    第三,多糖在溶液里形成聚阴离子,可吸附在带正电荷的COM晶体的表面,导致晶体生长的缺陷,阻止游离粒子渗入,从而抑制COM的生长。例如,Gomes等[28]研究发现海藻Caulerpa cupressoides多糖(SPs)可以抑制CaC2O4晶体的生长,导致形成的晶体尺寸减小,晶体形貌变得圆钝,此外SPs还促进COD的形成,并明显增加了晶体表面的负电荷。

    第四,多糖促进COD生成。多糖中的酸性—OSO3-和—COOH基可通过静电引力吸附溶液里的大量Ca2+,在多糖表面处的阳离子浓度比体相中显著提高,从而使阴/阳离子之比Ri(Ri=cCa2+/cC2O42-)偏离晶体的化学计量比。由于Ca2+离子过量(Ri > 1.0)有利于COD晶体形成,而C2O42-离子过量(Ri < 1.0)有利于COM晶体形成[21, 29],因此,多糖吸附Ca2+离子后促进了COD的形成。此外,多糖中的—OSO3-和—COOH基能够与溶液中游离的Ca2+离子配位,增加Ca2+在多糖表面的富集,并使得多糖表面形成高能界面;同时,多糖中的—OSO3-和—COOH基与Ca2+配位后降低了Ca2+离子的自由度,导致钙能态增加。高能界面和高钙能态均会促进热力学亚稳定的COD形成[28]。由于4种多糖的—COOH含量差别不大(1.0%~1.7%,表 1),而PY-1中的—OSO3-含量最Ca2+离子配位能力最强,因此,高,对溶液中游离的PY-1更容易诱导COD的形成。

    由于COD晶体表面的吸附位点较COM少,且COM晶体表面带更多正电荷,与带负电荷的受损伤肾上皮细胞黏附力显著大于COD[29-30],因此,COD相对容易随尿液排出体外。将尿液中的COM转化为COD,可减小肾结石形成的风险。故硫酸基含量高的多糖抑制尿结石的效果会更好。

    第五,随着多糖中—OSO3-基含量增加,生成的COD更圆钝(图 2),圆钝的晶体也更容易随尿液排出体外。

    草酸盐是肾结石的主要危险因素[31]。高浓度草酸盐会产生自由基,通过氧化应激损伤肾上皮细胞[32]。在本研究中,草酸盐被用于损伤HK-2细胞以建立损伤模型。使用外源性抗氧化剂(如多糖)可以消除活性氧(ROS)的产生,从而阻断ROS介导的损伤途径,有效地保护肾上皮细胞免受氧化损伤。

    四种多糖均能提高细胞活力(图 9a)和细胞SOD活性(图 9b),并降低MDA释放量(图 9c),表明这些多糖对受损伤的HK-2细胞具有修复作用[33],且这种修复作用与多糖中的—OSO3-基含量呈正相关,即—OSO3-基越多的多糖表现出越高的修复活性。这一结果表明多糖的修复能力与多糖所含有的功能性负电荷基团密切相关;多糖通过降低草酸盐诱导的氧化应激,修复受损伤的肾上皮细胞。

    四种分子量相近、但—OSO3-基含量不同的降解海藻多糖均可以抑制CaC2O4晶体生成。随着多糖中—OSO3-基含量增加或多糖浓度增大,溶液中可溶性Ca2+离子增多,生成的CaC2O4晶体质量减少,容易排出体外的COD晶体比例增加,晶体表面的ζ电位变得更低,晶体聚集程度降低,这些作用均有利于抑制CaC2O4结石形成。此外,多糖还能够修复受损伤的细胞,提高细胞的抗氧化能力。因此,这4种多糖,特别是—OSO3-基含量最高的降解紫菜多糖有可能是潜在的防石药物。


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  • 图 1  在0.8 g·L-1的多糖存在下形成的CaC2O4晶体的XRD图

    Figure 1  XRD patterns of CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with a concentration of 0.8 g·L-1

    (a) Blank; (b) UP-4; (c) SF-3; (d) GL-2; (e) PY-1; The crystal faces with asterisks show COD and those without asterisk show COM

    图 2  在浓度0.8 g·L-1的多糖存在下形成CaC2O4晶体的SEM图

    Figure 2  SEM images of CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with a concentration of 0.8 g·L-1

    (a)Blank; (b) UP-4; (c) SF-3; (d) GL-2; (e) PY-1

    图 3  不同浓度多糖存在下CaC2O4晶体的XRD图: (A) GL-2; (B) SF-3

    Figure 3  XRD patterns of CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with different concentrations: (A) GL-2; (B) SF-3

    (a) 0.15 g·L-1; (b) 0.5 g·L-1; (c) 0.8 g·L-1; (d) 1 g·L-1; (e) 2 g·L-1; (f) 3 g·L-1; The crystal faces with asterisks show COD and those without asterisk show COM

    图 4  不同浓度多糖存在下CaC2O4晶体中COD百分含量

    Figure 4  COD content in CaC2O4 crystals formed in the presence of the polysaccharides with different concentrations

    (a) UP-4; (b) SF-3; (c) GL-2; (d) PY-1

    图 5  不同浓度SF-3 (A、B)和GL-2 (C、D)存在下生成的CaC2O4晶体的FT-IR谱图(A、C)及其主吸收峰波数变化(B、D)

    Figure 5  FT-IR spectra (A, C) and wavenumber changes of the main peaks (B, D) of CaC2O4 crystals formed in the presence of SF-3 (A, B) and GL-2 (C, D) with different concentrations

    (a) 0 g·L-1; (b) 0.5 g·L-1; (c) 1 g·L-1; (d) 3 g·L-1; cCaC2O4=10 mmol·L-1

    图 6  相同浓度时不同多糖存在下生成的CaC2O4晶体FT-IR主吸收峰波数变化

    Figure 6  Wavenumber changes of the main peaks of CaC2O4 crystals formed in the presence of different polysaccharides at the same concentration

    (a) 0.8 g·L-1; (b) 1.5 g·L-1; cCaC2O4=10 mmol·L-1

    图 7  多糖浓度和多糖中—OSO3-含量对CaC2O4晶体表面ζ电位的影响

    Figure 7  Effect of the polysaccharide concentration and the content of —OSO3- groups in the polysaccharides on ζ potential of CaC2O4 crystal surface

    图 8  不同浓度多糖诱导下生成上清液中可溶性Ca2+浓度

    Figure 8  Concentrations of soluble Ca2+ in supernatant induced by the polysaccharides with different concentrations

    图 9  四种不同— OSO3-基含量的多糖修复损伤HK-2细胞后细胞活力(a)、SOD活性(b)和MDA释放量(c)变化

    Figure 9  Changes in cell viability (a), SOD activity (b) and MDA release amount (c) of damaged HK-2 cells after being repaired by four polysaccharides with different —OSO3- contents

    NC: normal control; DC: damaged control; Polysaccharide concentration: 60 μg·mL-1; Oxalate damage concentration: 2.8 mmol·L-1; Damaged time: 3.5 h; Repaired time: 12 h

    表 1  多糖的分子量M、—OSO3-含量、—COOH含量及其在浓度0.8 g·L-1时诱导的COD含量

    Table 1.  Molecular weights M, contents of —OSO3-, contents of —COOH of the polysaccharides, and the contents of COD induced by the polysaccharides with a concentration of 0.8 g·L-1

    Polysaccharide Molecular weight / Da —OSO3- content / % —COOH content / % COD content / %
    PY-1 4 020 17.9 1.7 92.7
    GL-2 3 343 13.3 1.0 62.9
    SF-3 3 828 8.2 1.3 36.7
    UP-4 3 635 5.5 1.2 15.2
    Blank 0
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    表 2  四种不同浓度多糖对HK⁃2细胞毒性的评价

    Table 2.  Toxicity evaluation of four polysaccharides with different concentrations to HK⁃2 cells  %

    Polysaccharide 0 μg·mL-1 0.1 μg·mL-1 1 μg·mL-1 10 μg·mL-1 100 μg·mL-1
    PY-1 100±1.8 100.1±2.1 103.5±4.7 105.8±3.3 111.2±4.8
    GL-2 100±1.2 96.8±1.2 98.5±3.6 105.0±3.7 106.2±1.6
    SF-3 100±1.4 96.8±5.2 98.8±4.0 103.0±1.9 114.3±5.2
    UP-4 100±1.4 93.5±1.2 93.3±2.6 96.0±4.2 103.5±5.2
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  • 发布日期:  2023-03-10
  • 收稿日期:  2022-09-02
  • 修回日期:  2022-12-06
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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