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本文聚焦钙蛋白颗粒（CPP）及其前体钙蛋白单体（CPM），阐述其作为 “矿物质缓冲剂” 在维持体液稳定中的作用，探讨其在慢性肾脏病等疾病中的变化及影响，分析检测方法，为相关疾病研究和治疗提供参考。
概述 - 矿物质缓冲和矿物质应激
在过去十年里，钙蛋白颗粒（CPP）及其前体钙蛋白单体（CPM）逐渐被视为脊椎动物血浆中特殊的 “矿物质缓冲剂”。它们能缓解钙和磷酸盐（Ca - Pi）的突然增加，其作用机制与 pH 缓冲类似，但又有所不同。经典缓冲依赖可逆离子结合维持平衡，而 CPP 通过胶体动力学机制防止固体矿物质相快速成核，既不完全可逆也不严格符合化学计量。
从数量上看，CPM/CPP 中 Ca - Pi含量较低，与血浆中总磷酸盐的毫摩尔浓度相比，仅处于低微摩尔水平。然而，它们的周转动力学却非常快。啮齿动物研究显示，注入超生理水平的 CPM/CPP 后，这些胶体在几分钟内就能从血液中清除，远远快于可交换磷酸盐池每天十倍的周转速度。这表明，尽管 CPP 在总矿物质中所占比例微不足道，但它们是高活性、快速周转的物质，能够在分钟尺度上应对局部过饱和状态，这是激素调节回路无法迅速完成的任务。因此，CPP 并非 Ca - Pi的 “大量载体”，而是近乎即时的 “第一响应者”，能够防止在瞬态或局部激增时发生结晶 “事故”。
当体内矿物质离子过载，超出机体将其维持在安全、可溶状态的能力时，就会出现矿物质应激（mineral stress）。在正常情况下，短暂形成的 CPM/CPP 可以缓冲这些激增，并迅速清除。但在慢性肾脏病（CKD）等疾病状态下，矿物质应激可能持续或反复出现。反复的过饱和状态，加上天然抑制因子（如胎球蛋白 A、焦磷酸盐、镁）的缺乏，会促使系统产生更高级的结晶性 CPP 形式。越来越多的数据表明，这些稳定的 “修饰” CPP 颗粒与血管炎症、内皮损伤和异位钙化有关，凸显了在矿物质应激压倒正常清除机制时，这些快速动员但数量较少的胶体的致病潜力。
磷酸钙成核与结晶
在哺乳动物中，磷酸钙通常与硬组织（骨骼和牙齿）以及某些短暂或骨外钙化相关。哺乳动物硬组织中主要的磷酸钙相是一种非化学计量的取代形式的羟基磷灰石（HAP），不过，在矿化过程、特定微环境或病理条件下，还会出现其他几种磷酸钙相，如无定形磷酸钙（ACP）、八钙磷酸盐（OCP）、磷酸氢钙（DCPD）和磷酸二氢钙（DCPA）等。此外，在病理钙化中，还可能存在磷酸三钙（α - TCP、β - TCP）和磷酸四钙（TTCP）等相。在 pH 值高于 7.0 时，除了 HAP，这些化合物都不稳定，在水环境中会重结晶或发生固态转化，最终形成 HAP 作为热力学最终产物。
在生理条件下，从孤立离子构建一个 18 离子的 HAP 晶胞（Ca10[PO4]6[OH]2）在热力学上是不太可能的。目前认为，HAP 的形成是通过一个多阶段的非经典途径进行的，在这个过程中，稳定或亚稳的离子复合物和无定形相先于明确的结晶晶格出现。最初，钙和磷酸根离子结合形成小的预成核簇（通常称为 PNCs 或 Posner 型簇），其确切组成，无论是 20 世纪 70 年代 Posner 和 Betts 最初提出的Ca9(PO4)6，还是[Ca(HPO4)3]4?或其他变体，仍是研究的热点。相邻的簇通过辅助磷酸根分子桥接，可以聚集、凝聚 / 致密化，或经历类似液体的相分离，形成 ACP 颗粒。随后，通过持续的去质子化、重排和摄取额外离子，ACP 会进行结构重组，形成更有序的相，如 OCP，最终转变为结晶性 HAP。
水性磷酸钙系统的亚稳性
进化过程使脊椎动物细胞外液保持在一个微妙的近阈值状态，而不是恢复到静态化学平衡。这些液体不断受到离子通量、代谢能量需求和细胞调节作用的影响，因此不会稳定在最低能量构型。细胞和生化调节剂对矿物质的沉积或溶解有重要影响。在非平衡边界条件下运作，生物体能够快速适应局部或全身的需求，而不会在化学上 “锁定”。这种安排赋予组织和细胞实时灵活处理矿物质的能力，确保可控的矿化、组织修复和保护性缓冲。
脊椎动物血浆相对于 Ca 和Pi处于亚稳状态，即低于自发沉淀的阈值，但仍具有足够的过饱和度来驱动晶体生长。具体来说，血浆对初始的 Ca - Pi相（ACP）是不饱和的，但对 HAP 是过饱和的。关键的是，HAP 晶体在低于典型血浆值的 Ca - Pi水平下会自催化进一步的晶体形成。如果不加控制，成人骨骼中约 2kg 的 HAP 会不断螯合矿物质离子，导致细胞外液（ECF）中的钙和磷酸盐迅速耗尽，其消耗速度超过了肠道或肾脏任何可能的补充机制。因此，调节结晶过程，使其不会进行得太快或太远至关重要。如果早期的矿物质形成过程不减缓或停止，所有矿物质相都会很容易成熟为 HAP，而 HAP 的低溶解度与维持 ECF 组成的稳态需求不相容。实际上，体内 HAP 的存在可被视为对生物体生存的潜在威胁。
为了避免不受控制的结晶，生物体将新生的 HAP 晶体与血浆直接接触隔离开来。骨表面被细胞层和基质蛋白包裹，大大限制了 “裸露晶体” 表面的比例。同时，ECF 中含有多种抑制性大分子，可阻止晶体成核和生长。这些措施共同实现了对骨矿化过程的严格调控，而不是矿物质的无规自发沉淀。
矿物质伴侣 - CPM 和 CPP 的形成
生物体利用磷酸钙结晶的多步骤过程，通过提供伴侣蛋白来结合新生的簇或 ACP 液滴，在精确的时间间隔内阻止晶体生长。这确保了骨骼矿化仅在胶原纤维和基质小泡内发生，使成熟的 HAP 晶体与 ECF 之间的直接相互作用最小化。同时，血液也受益于这一原理，将初始核稳定为短暂的胶体，防止 Ca - Pi沉淀，并在有害的晶种威胁正常离子稳态之前将其清除或分解。哺乳动物 ECF 中典型的伴侣蛋白是肝脏来源的磷酸糖蛋白胎球蛋白 A（fetuin - A）。
fetuin - A 的关键矿物质结合区域位于其 N 端胱抑素样结构域（CY1），该结构域带有多个酸性残基（Glu、Asp）和磷酸化丝氨酸位点，间距合适（6 - 10 ?），可容纳约 1nm 大小的CaPi PNCs。虽然小角中子散射研究支持 Posner 型簇的结合，但相关结合物的确切结构和组成仍不确定。目前的证据表明，在接近生理 pH 值时，主要的离子簇可能相对缺钙，富含HPO42?，而非经典的 Posner 型排列。在过饱和条件下，每个 fetuin - A 分子可结合约 100 个或更多这样的簇，形成 CPM。据推测，灵活、高度磷酸化、内在无序的羧基末端区域（CTR）可能通过暴露或稳定 CY1 中的酸性残基来调节结合。
在持续过饱和的条件下，CPM 可以聚集并招募额外的血浆蛋白，形成更大的胶体，即 CPP。最初，这些聚集体可能是短暂和动态的，直到达到平衡，此时会出现更大的球形颗粒，直径通常约为 50 - 100nm。每个颗粒最多可包含 100 个 CPM，并含有占据其体积约 75% 的弥散 ACP 区域。这些初级 CPP（CPP - I）在体外相对稳定，可持续几个小时，前提是不引入其他破坏稳定的因素。随着时间的推移，无定形核心可以重组为部分或完全结晶的矿物质相，如 HAP，从而产生次级 CPP（CPP - II）。CPP - II 通常尺寸为 100 - 300nm，具有更致密的层状或针状结晶区域，类似于骨矿物质血小板。时间分辨透射电镜分析表明，这种相转变遵循两步过程：首先，无定形内部溶解形成空心核心；然后，HAP 优先在颗粒表面结晶（可能涉及水化变化），从而形成更成熟的 CPP - II 形态。这种转变反映了对稳定晶格的热力学驱动以及使 ACP 能够持续足够长时间进行重排的动力学条件。一旦结晶，这些颗粒往往会进一步聚集或沉淀，部分原因是 zeta 电位的丧失。
许多物理化学和生物化学因素会调节从 CPM 到 CPP - I 再到 CPP - II 的转变。较低的 pH 值、粘度、离子强度，较高的温度以及冻融循环都有利于颗粒聚集和结晶。某些蛋白质，如溶菌酶，也会促进这种转变。相反，其他蛋白质（如白蛋白、酪蛋白、卵黄高磷蛋白）和小分子（镁、锌、焦磷酸盐、碳酸盐、柠檬酸盐）可以通过结合暴露的矿物质表面来抑制晶相转变，破坏 ACP 向 HAP 的重组。双膦酸盐在结构上模仿焦磷酸盐，可减少 CPM 聚集并阻止无定形向结晶相的转变，这表明这两个过程紧密相关。
如果在血清或其他生物液体中生成，CPP 在形成和成熟过程中会获得一个 “生物分子冠”，不仅会吸附额外的 fetuin - A 或白蛋白，还会吸附补体因子、载脂蛋白以及各种不同的蛋白质、脂质（主要是胆固醇、磷脂和饱和脂肪酸）和核酸。虽然这可能看起来像是一种非特异性的 “血清样” 积累，但实际上这种富集是有选择性的：某些分子类别（如骨基质蛋白和 ω - 6 脂肪酸）明显过度代表，而其他分子（如四跨膜蛋白和质膜标记物）则不存在。值得注意的是，在人类 CPP 中发现的十种最丰富的蛋白质，在血清蛋白质组中的排名从第一到第 4330 位不等。
胎球蛋白 A 的条件性作用
胎球蛋白 A 基因敲除小鼠出现异位钙化的风险升高，但这种缺陷并不会一致或立即引发钙化事件。去除胎球蛋白 A 的血清在添加钙和磷酸盐后仍能形成类似 CPP 的颗粒，不过向结晶形式的转变会明显加快。毫无疑问，胎球蛋白 A 对细胞外液中矿物质胶体的中期（分钟级）稳定性至关重要。然而，对于 CPM/CPP 循环中典型的极短转运期，如果存在其他稳定剂，胎球蛋白 A 可能并非必需。遗传背景决定了伴随抑制剂（如镁和焦磷酸盐）的水平，这可以减轻或加剧相关表型。与因 AHSG 基因无义突变导致完全缺乏胎球蛋白 A 的 Caffey 病病例类似，C57BL/6 背景的胎球蛋白 A 基因敲除小鼠也表现出骨骼异常（如与远端股骨发育异常相关的骨骺溶解和后肢缩短）。相比之下，基线镁和焦磷酸盐水平较低的 DBA/2 小鼠在去除胎球蛋白 A 后会发生严重的管腔内结晶。这些对比结果强调，胎球蛋白 A 参与了一个综合抑制网络，而不是作为单一的安全机制发挥作用。CKD 突出了这种协同作用，随着胎球蛋白 A 和焦磷酸盐水平下降，同时磷酸盐水平上升，对这个系统的多重打击往往会使系统从安全的短暂复合物转向更具危害性的颗粒形式。
动力学限制：体外与体内
在实验室条件下，长时间与饱和的 Ca - Pi孵育会确保 ACP 最终结晶，形成大量的 CPP - II（甚至沉淀）。功能测定（如 T50 测量）表明，如果强制血清转变为富含晶体的状态，在生理 pH 值和离子强度下，向含有 40% 血清的溶液中补充 10mM Ca2+和 6mM 磷酸盐，大约在 270 - 470 分钟内就会发生这种转变。然而，在实际的血液循环中，很少有足够的时间让这些复合物充分成熟，因为肾脏或肝脏的快速清除，再加上强大的抑制作用（胎球蛋白 A、焦磷酸盐、镁），通常会阻止体内初始的无定形复合物大量结晶。因此，在体外实验中捕获的许多高级形式可能是人为维持过饱和或长时间处理的产物。可能需要严重的病理状态，如终末期肾病（ESKD），这些高级结晶性 CPP 才会持续出现在循环中。换句话说，尽管热力学有利于稳定的结晶相，但生命系统设置了严格的动力学障碍，阻碍或阻止了这种途径。
血浆中的胶体矿物质相
在纯无机溶液中，固体 Ca - Pi的自发沉淀通常需要[Ca2+]×[Pi]乘积超过约6mM2（成人血浆的该乘积约为1.2?1.8mM2）。然而，将血浆 Ca - Pi提高到该范围很少会立即导致沉淀，实际上可能需要达到约16mM2才会形成沉淀。这种差异主要是由于胶体矿物质相的形成。
1925 年，Eichholtz 和 Starling 在观察到向脱纤维血液中添加大量中性磷酸盐会产生一种不可扩散的磷酸钙胶体复合物，且该复合物在他们的离体肾脏灌注模型中无法透过肾小球膜时，首次推断出这种相的存在。后来，McLean 和 Hinrichs 证实，给狗静脉或口服磷酸盐后，一旦离子产物超过约3mM，就会迅速形成 Ca - Pi胶体。注射高达 50mmol 的磷酸盐会导致短暂的抽搐和惊厥。相比之下，给予预先形成的、负载矿物质的胶体（其结合额外矿物质离子的能力有限）则能维持稳定的离子钙水平，使动物无症状。Gersh 在狗和大鼠中独立重复了这些发现，表明肝脏和脾脏中的巨噬细胞负责清除。这种胶体磷酸钙（最初推测为CaHPO4）的形成也解释了静脉输注磷酸盐治疗高钙血症时离子钙降低的现象。掺入这些磷酸盐胶体中的放射性锶同样会定位于肝脏进行清除。几十年后，Price 及其同事在接受超治疗剂量依替膦酸的青春期、正在积极矿化的大鼠中 “重新发现” 了这种胶体。由于依替膦酸过量给药（32mg/100g 体重），原本用于骨骼的矿物质离子通量转移到血浆中，导致注射后 6 小时内血清钙（>9mM）和磷酸盐（>8mM）大幅飙升。此时，大约 80% 的血浆钙和磷酸盐以含有胎球蛋白 A 的循环高分子量矿物质 - 蛋白质复合物形式被回收。Price 将这些胶体称为 “胎球蛋白 A 矿物质复合物”，它们与不同作者描述的 CPP 以及其他矿物质 - 蛋白质颗粒（如 bions、nanons、钙化纳米颗粒，甚至现在已被揭穿的纳米细菌概念）同义。
CPM/CPP 形成的位置和原因：可能的血浆外微环境
上述观察结果表明，富含矿化抑制剂的血浆在生理条件下通常不会允许大规模的胶体生成。即使在 CKD 晚期，高磷血症普遍存在，但Ca2+和磷酸盐的浓度很少（如果有的话）达到允许自发 ACP 成核的水平。因此，关键的考虑部位是局部微环境，在这些环境中，瞬态离子活性可能会短暂超过热力学阈值。其中，肠腔和骨重塑表面是主要的候选部位。实际上，任何涉及大量矿物质离子跨上皮转运的界面都可能与之相关。各种上皮分泌物，如唾液、母乳、肺泡表面活性物质和精液，都富含磷酸盐，具有一定的初始矿化风险。
肠道
实验数据表明，肠道可能是 CPM/CPP 的主要来源。特别是在摄入富含磷酸盐的食物后，小肠腔内的 Ca - Pi水平会短暂超过溶解度极限（回肠远端磷酸盐>30mM），促进小矿物质簇的成核。值得注意的是，唾液（约 4mM）和胆汁（约 5mM）分泌物中含有相对较高的磷酸盐水平，这意味着即使在禁食状态下也可能发生一定程度的成核。蛋白质组学分析表明，在胃和肠道分泌物中几乎检测不到胎球蛋白 A，这符合胃肠道局部不表达胎球蛋白 A 的预期。尽管如此，在远端小肠腔内似乎存在大量类似 CPP - I 的镁取代 ACP 纳米颗粒，它们可能由替代结合蛋白和其他环境因素稳定。这些颗粒已被观察到通过上皮 M 细胞到达派尔集合淋巴结（富含免疫细胞的颗粒清除部位）。任何逃避局部清除并通过门静脉或淋巴途径进入血液循环的颗粒，一旦到达全身循环，可能会与胎球蛋白 A 和其他伴侣蛋白结合。
透析患者的磷酸盐结合剂研究表明，阻断或减少肠道磷酸盐吸收会显著降低内源性 CPP 水平。在一项随机试验中，高剂量的蔗糖铁氧羟基治疗显著降低了 CPM、CPP - I 和 CPP - II 水平，相应的血清在血管细胞生物测定中显示出较低的促钙化和促炎活性。最近在健康成年人中的喂养研究表明，一份含有约 300mg 钙和约 188mg 磷酸盐的标准化膳食，会在餐后导致所有循环 CPP 亚型显著增加，而此时总血清磷酸盐尚未出现持续变化。此外，在肾功能降低的 CKD 患者中，这些反应更为强烈，其空腹 CP
