生物胶体中晶体的自组装及转变机理研究：以胆固醇结石为例

Colloidal system is a very important part of the nature, for example, human bloods, body fluids, biological cells, etc. are typical biocolloidal systems. So far, in the viewpoints of both experiments and theories, the ordering mechanism of the self-assemblies in biocolloids, such as the formation mechanism of all kinds of stones in human bodies, is still unclear. Based on the related research results in this area together with recent theoretical achievements in thermodynamics, crystallization, etc., using the formation and evolution of cholesterol crystals in artificial biles as a model system, through high-throughput crystallization technology and in-situ analytical methods such as dynamic light scattering, polarized light imaging, etc., this project is (i) to establish new types of model system and model method which can effectively reflect the process of cholesterol gallstone formation, (ii) to clarify the mechanisms of nucleation, crystal growth and ripening during cholesterol gallstone formation, especially how proteins and surfactants to mediate these processes, (iii) to elucidate the mechnisms of self-assembly and transformation of crystals in biocolloids. This exploratory research will be of remarkable theoretical significance and application value and thus will play a positive role in the prevention and medication of cholesterol gallstones, as well as in the study on the thermodynamics of biocolloids and the self-assembly of complicated structures in those dispersed systems.

胶体体系是自然界很重要的组成部分，人体血液、体液、细胞等都是典型的生物胶体体系。迄今为止，无论是从实验上还是理论上，人们对生物胶体体系中发生的自组装有序化的物理机制，例如人体内各类结石的形成与演变机理，尚不清楚。本项研究，在国内外相关研究成果的基础上，结合热力学、结晶学等的最新理论，以胆汁中胆固醇晶体的形成及演变为研究模型，首次采用高通量结晶技术，以及动态光散射、偏振光显微成像等在线观测与分析系统：（1）建立新型模拟体系与模拟方式，解决当前体外模拟研究中模拟体系与模拟方式不能反映胆固醇结石形成过程的问题；（2）揭示胆固醇结石形成过程的成核、晶体生长与结构演变机理，特别是蛋白质及表面活性剂等调控分子的介导机制；（3）获得生物胶体中晶体的自组装及其转变机理。本课题的研究将为生物胶体的热力学、分散体系中复杂结构的自组装、胆固醇结石的预防等，带来积极而重要的影响，具有显著的理论意义和应用价值。

人体内各类结石的形成是一个缓慢的、生物体内复杂结构的自组装过程，然而，迄今为止，由于人们尚不能在体内直接观察其过程，加上相关理论的不足，人体内各类结石的形成机理及诸因素的影响机制尚不清楚。. 本项目以胆固醇结石形成过程的体外模拟为研究对象，在国内外相关研究成果的基础上，采用光散射、偏振光显微成像、红外光谱等观测与分析技术，通过研究钙离子、蛋白质等对不同组成的胆固醇－卵磷脂－胆盐－水体系中的液晶、胶束、囊泡、晶核、晶体等不同结构的变化过程，以晶体结构和组成与人体结石的结构和组成的相似度为指标，筛选出了更为合理的模拟体系。结果表明，以牛血清白蛋白(BSA)作为胆汁蛋白质建立的胆固醇－卵磷脂－胆盐－水－蛋白质模拟体系，能更好地揭示胆固醇结晶过程的热力学行为以及成核行为。随着胆盐浓度、胆盐与卵磷脂摩尔比、胆汁总脂度等的增大，胆固醇的溶解度增大。模拟体系中各组分含量的不同，将使其存在相应不同的相态。其中，胶束的平均粒径约5.7nm；囊泡的平均粒径约455.5nm。当胆汁中囊泡出现并聚集到一定程度后，胆固醇嵌入至囊泡中成核，最终形成液晶或固相晶体。BSA通过静电和疏水作用可与卵磷脂结合，从而影响囊泡的稳定性并降低胆固醇的溶解度。. 此外，通过研究Ca2+在胆固醇结晶过程中的作用机制，进一步得到了胆固醇结石的形成机理。随着Ca2+浓度的增大，胆固醇的溶解度减小，成核时间相对变短，且随着总脂度的增大，成核也愈来愈快。. 本项目成果将对复杂生物胶体中的相行为、粒子行为、复杂结构的自组装及转变过程的研究，以及胆固醇结石的预防，具有积极而重要的意义。