单宁酸-胶原蛋白包被的碳酸钙纳米颗粒用于增强钙摄取和骨质疏松症治疗

《Macromol》：Tannic Acid–Collagen-Coated Calcium Carbonate Nanoparticles for Enhanced Calcium Uptake and Osteoporosis Treatment

　　

骨质疏松症需要长期管理，然而目前的药物治疗受到安全性问题的限制。碳酸钙是一种生物相容性好且广泛使用的钙补充剂，但其低吸收效率限制了治疗效果。本文通过配位和氢键介导的自组装，在CaCO₃纳米颗粒表面沉积超薄（约10 nm）单宁酸/鱼胶原蛋白（TA/FC）纳米层，构建了一种仿生钙递送系统。TA/FC纳米涂层通过激活多种内吞途径调节细胞内在化，从而增强纳米颗粒摄取和细胞内钙递送。因此，细胞钙摄取增加5.6倍，表观吸收率达到93.2%，比药用级碳酸钙高4.9倍。在体内，CaCO₃@TA/FC纳米颗粒恢复了骨代谢稳态，表现为血清钙升高、磷酸盐和碱性磷酸酶（ALP）水平降低，以及骨保护素（OPG）表达升高。同时，骨微结构显著改善，包括骨密度（BMD）、骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量和厚度增加，以及力学强度恢复。总体而言，本工作表明界面工程可提高钙生物利用度，并改善碳酸钙的治疗性能。

骨质疏松症是一种全球性公共卫生问题，患病人数超过2亿，尤其在绝经后女性中导致高发的脆性骨折。其病理特征为骨吸收与骨形成失衡，破骨细胞活性超过成骨细胞。现有治疗药物包括抗吸收剂和合成代谢剂，但长期使用存在颌骨坏死、静脉血栓栓塞和胃肠道并发症等严重不良反应。钙是骨组织的天然组成成分，通过钙敏感受体（CaSR）调控骨细胞功能，促进成骨细胞增殖并抑制破骨细胞形成。然而，钙的吸收效率仅为30%~40%，且受到维生素D和甲状旁腺激素的严格调控。碳酸钙是常见的钙补充剂，具有高钙含量、低成本、稳定性好等优点，但其溶解依赖胃酸，在胃酸减少时释放受限。纳米化虽能提高比表面积，但不足以确保与肠上皮细胞的有效相互作用。因此，需要开发安全、生物相容的表面工程策略来提高碳酸钙的钙利用度。

研究人员构建了一种仿生钙递送系统，通过配位和氢键介导的两步自组装，在碳酸钙纳米颗粒（CaCO₃ NPs）表面沉积超薄（~10 nm）的单宁酸/鱼胶原蛋白（TA/FC）纳米层，得到CaCO₃@TA/FC NPs。该系统旨在利用胶原蛋白模拟细胞外基质（ECM），增强纳米颗粒与细胞的相互作用，并通过激活多种内吞途径提高细胞对钙的摄取。该研究成果发表在《Macromol》。

在技术方法上，研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、动态光散射（DLS）、扫描透射电子显微镜（STEM）结合能谱（EDS）表征颗粒形貌、尺寸、涂层厚度和元素分布；利用X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位分析涂层的界面相互作用。体外实验采用LS174T人结肠腺癌细胞系，通过激光共聚焦显微镜（CLSM）和流式细胞术检测细胞钙摄取和内吞途径，并使用多种内吞抑制剂进行机制分析。体内实验采用5周龄SPF级雌性Sprague-Dawley大鼠，经维甲酸（70 mg/kg/天，14天）诱导骨质疏松模型，随机分为四组，以100 mg/kg/天剂量灌胃给药8周，其中模型对照组给予去离子水，另设健康对照组。钙吸收评价通过粪便钙含量测定而获得表观吸收率；血清生化分析测定钙、磷、碱性磷酸酶（ALP）、骨保护素（OPG）；骨质量通过micro-CT和三点弯曲试验评估。

3.1 TA/FC纳米涂层的组装与形态。SEM显示CaCO₃ NPs在包被后形貌未受明显影响；AFM显示颗粒呈球形，干燥态高度为150 nm。DLS测得水合平均直径为158±6 nm，多分散指数（PDI）为0.14，表明颗粒单分散。STEM图像显示涂层约10 nm厚且呈半透明状；HAADF成像显示涂层与碳酸钙核心存在明显Z衬度差异，表明涂层由有机材料构成。EDX元素分布显示钙信号核心直径约135 nm，氮信号（来自FC）延伸至155 nm，证实TA/FC壳层的形成。

3.2 TA/FC纳米涂层在CaCO₃ NPs上的界面相互作用机制。XRD图谱显示包被后仍为球霰石（vaterite）晶型，衍射峰位置与未包被CaCO₃ NPs一致，说明涂层不改变内部晶体结构。DSC曲线显示CaCO₃@TA/FC和CaCO₃@TA分别在119.1 ℃和180.7 ℃出现热转变，而CaCO₃无转变，证实TA和FC已固定于表面。Zeta电位从CaCO₃的-1.1 mV变为包被TA后的-18.1 mV，再在FC沉积后升高至+23.8 mV，表明带负电的TA和两性胶原蛋白依次组装。FTIR分析显示，TA涂覆后其酚羟基和羰基的伸缩振动峰从3258 cm^-1和1698 cm^-1移至3208 cm^-1和1659 cm^-1，表明TA与Ca²⁺发生配位作用；FC沉积后进一步移至3074 cm^-1和1645 cm^-1，同时FC的N-H弯曲振动从1600 cm^-1移至1566 cm^-1，证实TA