中国医学科学院药物研究所最新发现：无定形碳酸钙（ACC无定形钙）在生物医学应用中的广阔前景

　　近日，中国医学科学院药物研究所长聘教授刘玉玲及团队携手《药学学报》英文刊（Acta Pharmaceutica Sinica B）发表了一篇关于无定形碳酸钙（Amorphous Calcium Carbonate, ACC钙）在生物医学应用中潜力的综述，题为《Unlocking the Potential of Amorphous Calcium Carbonate: A Star Ascending in the Realm of Biomedical Application》，揭示了一种新型无定形碳酸钙（ACC钙）的巨大潜力及ACC钙在纳米递送领域的广泛应用前景，包括ACC钙在帮助缓解骨质疏松、增加骨密度、加速骨折愈合、帮助缓解炎症（中和体内酸性环境）、抗肿瘤药物的靶向递送、调节免疫功能等多个角度的出色表现，并引领更多前沿探索。

　　无定形碳酸钙（英文全称：Amorphous calcium carbonate，因此也叫ACC钙，或非结晶钙）是一种在自然生物体内存在的多功能材料，也能够最终靠化学合成获得。与晶体碳酸钙不同，ACC钙具有独特的非晶态结构，使其在体内的稳定性和生物相容性明显提升。钙基生物材料因拥有非常良好的生物相容性和生物降解性而在药物递送领域得到了深入研究。

　　恶性肿瘤对人类生命构成重大威胁，常见的治疗方法有化疗、放疗和手术，但这一些方法都有局限性，比如化疗药物的副作用很严重。为减少药物对正常组织的损害，科学家们正在研究功能化的纳米载体。相比传统的微米级碳酸钙，纳米级的ACC钙能更好地在肿瘤部位聚集，延长药物的滞留时间，增强疗效。

　　目前很多药物输送系统面临的问题是药物在目标部位释放不充分。大颗粒的纳米药物渗透性差，小颗粒的虽然渗透性好，但在体内清除得太快，难以在肿瘤部位积累。设计肿瘤靶向载体时，需要同时考虑药物释放和渗透性。基于ACC钙的系统通过“剥洋葱”式的多层递送，能保证纳米颗粒深度渗透肿瘤组织。

　　此外，肿瘤环境通常较酸性，这对ACC钙纳米粒子的药物释放非常有利。ACC钙在酸性环境中会与氢离子反应，特异性地释放药物，同时还能抑制肿瘤细胞的侵袭。ACC钙的水不稳定性也是药物快速释放的关键。

　　长期化疗会导致肿瘤细胞产生耐药性，而纳米碳酸钙/DNA共沉淀可当作一种在基因层面克服多药耐药性的策略。通过同时递送化疗药物和基因治疗药物，ACC钙有望提高抗肿瘤治疗的效果。此外，ACC钙与造影剂结合，还能改善肿瘤成像效果。

　　免疫原性细胞死亡（ICD）是一种增强肿瘤免疫反应的方法。它通过细胞内钙离子（Ca2+）失衡，导致内质网（ER）应激和线粒体损伤。我们设计了一种基于碳酸钙的纳米颗粒，能在低pH环境中释放姜黄素，引起线粒体内钙超载，诱导细胞死亡并激发免疫反应。奥沙利铂和DOX等化疗药物也能诱导ICD，增强抗肿瘤免疫。

　　ICD诱导的肿瘤细胞会释放信号，吸引免疫细胞，像疫苗一样引发全身免疫反应。ACC钙纳米颗粒不仅能单独诱导ICD，还能作为载体递送药物，改善抗肿瘤效果。ACC钙通过消耗肿瘤酸性环境中的酸，释放肿瘤细胞中的信号，促进免疫细胞的成熟和抗肿瘤活性。此外，ACC钙纳米颗粒还能抑制巨噬细胞的炎症反应，增强化疗和免疫治疗的效果。

　　ACC钙纳米颗粒通过调节细胞内钙水平和靶向药物递送，发挥了独特的抗肿瘤作用，增强了化疗和免疫治疗的协同效果。

　　与常见的结晶碳酸钙相比，ACC钙具有更高的溶解度和生物利用度,使其成为一种高效和容易获得的膳食钙源。ACC钙的生物利用度比结晶碳酸钙高出约 40% ,临床试验表明稳定的 ACC钙具有较高的吸收率,这可能是更有效的钙补充剂。此外,实验比较天然 ACC钙(小龙虾来源的胃石粉)和合成的 ACC钙与两种市售的钙补充剂(碳酸钙和柠檬酸钙)的结合,揭示了ACC钙 在治疗骨质流失方面具有非常明显的潜力,并且它可以预防代谢性骨病和骨质疏松症。

　　骨质疏松症是一种常见的渐进性骨病,以骨密度降低、骨稳态紊乱为特征。然而,现有的治疗药物面临以下问题：

　　如高剂量、低生物利用度和毒性副作用。促进成骨细胞再生对于治疗骨质疏松症,补钙是其中之一.为了更好的提高水的组织靶向性可溶性钙补充剂,Wang 等人构建了一个ACC钙 为基础的四环素(Tc)修饰和辛伐他汀(Sim) 修饰负载磷脂-ACC钙混合纳米颗粒用来医治骨质疏松症靶向递送(TC/ACC钙/Sim)。静脉注射后，它发挥原位钙补充和促进成骨的信号激动剂 Sim 的靶向递送的双重协同作用，成骨细胞通过补充钙和 Sim 的结合，优于非靶向系统或单一疗法治疗骨质疏松症(图9A)。有趣的是,Tao 等人使用ACC钙 的水/pH 响应性来设计骨质疏松微环境响应TC修饰和单硬脂酸甘油酯涂层 ACC钙(TMA)/Sim 纳米平台用于口服给药。TMA 实现了固体钙补充剂的积累骨质疏松部位和骨质疏松症的快速退化微环境高效完成液体转化。

　　因其在体内独自存在时较为不稳定，当暴露于体内酸性环境时，可产生具有生物相容性的产物，从而增强具有免疫调节能力的Ca2+干扰治疗作用，其产生的CO2相容产物可用作对比剂，为影像增强提供优质的信号。由于这些特性，ACC钙已经被研究用于自我牺牲模板的载体构建、靶向传递肿瘤治疗药物、免疫调节、肿瘤影像学、组织工程及钙补充等多个领域，前景非常关注。此应用领域的拓展，有望提高癌症和其他疾病的早期诊断和治疗效果。基于这些特性，无定形碳酸钙（ACC钙）作为钙基生物材料的一个分支，有潜力成为一种普遍的使用的生物材料。

　　综述中重点讨论了ACC钙的起源、结构特征及其多重应用。同时，ACC钙在临床转化中面临许多挑战，需要长期的基础研究来克服。希望这项研究能为未来的ACC钙创新研究贡献力量。特别是ACC钙在药物递送中的精准控制“lock/unlock”能力引人瞩目。例如，通过精心设计的核壳结构，ACC钙可以稳定地承载药物，并在靶向肿瘤细胞后释放药物，实现精准疗效。在组织工程领域，ACC钙作为载体，可促进细胞生长和骨组织再生，为修复骨损伤提供新的可能性。

　　ACC钙不含重金属，且已被大量研究证明无细胞毒性。ACC钙既有生物来源，也有化学来源，拥有非常良好的生物安全性、优异的结构特性和对刺激的响应性。

　　早在20世纪初，科学家们就发现了生物源无定形碳酸钙（ACC钙）。这种物质在甲壳类动物的外骨骼、金头鲷的肠腔和小龙虾的胃石中都能找到。ACC钙在水分存在下会转化成更稳定的方解石晶体，但在一些生物体中，它能保持无定形状态。研究之后发现，这些生物体内含有一些特殊的物质，如磷酸柠檬酸盐，能帮助稳定ACC钙。这种机制不仅让我们更了解ACC钙的稳定化，还促进了在实验室中制备稳定ACC钙的方法，并推动其在医学上的应用。

　　最近，以碳酸钙为基础的载体已被证实具有生物降解性并可安全通过肾脏排泄。碳酸钙的酸敏感性使其能够在低 pH环境中释放药物。基于碳酸钙结构的现有优势，ACC钙还具有优于其他晶体形式的特性，ACC钙的形状不规则，其密度和硬度与晶体无明显差异。有必要注意一下的是，使用低温透射电子显微镜显示，ACC钙由约2纳米的微小簇组成。单个ACC钙颗粒的聚集而不是物理融合的团聚体形成具有多孔特性和高比表面积的较大纳米簇，能改善药物输送并加速药物释放 。碳酸钙的溶解度取决于其结构中存在的水分子。实验研究表明，ACC钙结构携带的水量最少，溶解度最高，有利于药物的生物利用度。

　　ACC钙在酸性条件下分解生成Ca2+和CO2。Ca2+是细胞内重要的信号分子，而CO2微泡可提高超声成像的对比度。由于这些特性，ACC钙有可能成为一种有价值的、生物相容性的诊断造影剂载体超声成像。此外，研究表明，微泡在超声照射下会“爆炸”，导致肿瘤生长受到抑制，肿瘤细胞坏死。酸性肿瘤环境中气泡的产生有助于监测肿瘤的积累和靶向抗肿瘤治疗。Ca2+参与调节细胞机制和通路；它激活炎症相关信号通路，抑制程序性细胞死亡配体，增强T细胞对外源抗原的敏感性。

　　为保护ACC钙免受水性环境的影响，我们设计了一种具有生物相容性和防水性的保护壳。这个保护壳可增强ACC钙在体外和体内的稳定性。使用脂质包裹的ACC钙有很多优点，比如更容易进入细胞，并经过仔细修改脂质层来增强药物输送系统的靶向性。脂质层可以阻止水分子自由扩散，如果结合聚乙二醇（PEG），可以在膜周围形成水合层，有效保护脂质分子的疏水部分。没有PEG时，带负电的脂质在钙离子存在下会快速自组装在ACC钙纳米粒子周围，形成多层结构，作为防水保护层。同时，水溶性和柔性聚合物分子可以在脂质层表明产生“云”，提供有效的空间保护，减少脂质体与血液成分的相互作用。脂质层的组成与细胞膜相似，能够在一定程度上促进药物进入细胞，并在细胞内释放药物。某些保护壳结构可以使药物在细胞外完全释放，而不需要进入细胞。可渗透的SiO2壳与ACC钙药物核心结合，形成核壳纳米结构，允许酸性环境触发药物释放，同时防止药物泄漏，提高药物稳定性。核壳结构对蛋白质类药物的口服给药也有新的应用前景。

　　纳米级ACC钙具有安全、无毒、可降解、响应性强、资源丰富及应用广泛等优势。与其他无机纳米材料不同，ACC钙可以在体内分解生成Ca2+，这参与了生物体内生理和病理过程的调节。虽然ACC钙在正常水相大气条件下不稳定，但它显示出比晶态碳酸钙更高的反应性。不论是肿瘤靶向递送、促进骨再生、免疫调节，还是增强成像，都强烈建议对ACC钙纳米颗粒进行功能化改造，以实现更好的治疗效果。

　　纳米级ACC钙作为一种生物相容且可降解的无机纳米颗粒，克服了微米级晶态碳酸钙的固有局限性。其高溶解性允许更好的吸收，来提升了吸收性和生物利用度。此外，功能性ACC钙表现出优异的成骨潜力，使其成为基因递送载体和组织工程材料的有希望替代品。ACC钙来源广泛，合成途径简单，但要进一步的研究策略和改进来控制其稳定性。总之，ACC钙作为药物载体具有许多优势，但需要克服水不稳定性这一障碍。ACC钙的临床应用仍然有限，长期研究对于评估ACC钙的有效性、持久性和长期安全性至关重要。此外，还需要更加多的研究和理解来精确控制ACC钙的特性，以满足多样化的临床需求。

　　以上是刘教授及团队的综述分享，是中国医学界首次对ACC钙在从生物医学应用角度对其在人体使用做出的全面分析，并对ACC钙在多个领域中的应用结果表示了充分认可和持续关注，并期待中国的医药团队能早日实现ACC钙的自主合成。

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