浙江大学范杰课题组/王琦课题组：沸石表面构建新的人工凝血途径

背景介绍

生物细胞表面限域的酶具有稳定、高效和空间可控的特点，调控生物体内各种各样的化学反应，如酶原激活、血液凝固及纤维蛋白凝块溶解。凝血反应途径是经典的体内表面限域酶反应之一。凝血反应途径包含13种凝血因子，涉及血小板表面凝血因子的活化，最终剪切纤维蛋白原以形成血凝块。其中，关键的反应是凝血酶原转化为凝血酶，有效的凝血酶形成需要凝血因子Xa与辅助因子Va在活化血小板表面组成凝血酶原复合物。任何凝血因子的缺乏或者降低，都会导致自然凝血途径的激活效率低。受自然界的启发，但不受自然界的束缚，研发人员构建了一套体外凝血系统不仅能够模仿自然凝血过程，同时提供更有效的促凝血效率，可用于血友病和大出血患者的有效止血。

成果简介

在自然凝血途径中，凝血系统中有一类重要维生素K依赖的凝血因子酶原，它们均具有相似的蛋白质结构域，羧基端都由丝氨酸蛋白酶结构域构成。凝血因子酶原需要上游活化的凝血因子激活，才能暴露具有活性的催化部位，继续激活下游的凝血因子酶原。凝血因子酶原都是具有胰蛋白酶结构域的前体，典型代表有凝血酶原和凝血因子X。如果能直接利用低成本且广泛使用的胰蛋白酶活化凝血途径的凝血因子，将大大缩短凝血级联反应。鉴于此，浙江大学范杰和王琦研究团队利用沸石分子筛纳米孔道与胰蛋白酶氨基酸残基的相互作用，通过表面限域构建胰蛋白酶/沸石复合物（即构建高效人工凝血催化系统），直接激活凝血酶原形成凝血酶。这种人工凝血催化系统充当了凝血酶原酶复合体的作用，简化了凝血酶原激活反应前的级联酶反应，降低反应凝血因子量的需求，减少纤维蛋白交联体血凝块形成的时间。 

图1. 经典凝血系统及人工凝血催化系统的示意图

沸石表面人工凝血催化系统的有效构建，关键在于胰蛋白酶在其表面的微观结构及酶活力调控。研究团队利用沸石分子筛的阴离子骨架结构及表面金属离子分布，实现被限域的胰蛋白酶在沸石分子筛的结合区域、活性位点的暴露程度和空间取向的调控。通过蛋白质二甲基标记技术及分子动力学模拟方法，验证了CaY沸石表面可调控胰蛋白酶的底物结合口袋以40^o角度暴露在溶液体系中，增加与凝血酶原的结合概率，可以进一步增强自然凝血途径的激活效率，从而提升促凝血系统的催化性能。相反，NaY沸石表面可调控胰蛋白酶的底物结合口袋以160^o角度朝向沸石表面，增加与凝血酶原的结合空间位阻，降低促凝系统的催化性能。

图2. 沸石分子筛表面胰蛋白酶微观构象的微观结构及酶活力调控的示意图

该人工凝血催化系统，在血友病老鼠断尾出血模型和兔子股动脉致死大出血模型中均具有显著的止血功能。沸石表面胰蛋白酶的人工凝血催化系统表现出优异的止血性能、良好的储存稳定性，使其有望成为一种高效、实用的止血材料，为血友病和大出血患者提供有效的保护。

图3. 人工凝血催化系统在血友病老鼠断尾出血模型和兔子股动脉致死大出血模型的止血性能

作者简介

范杰，教授/博导，自2007年建组以来，一直致力于研究表面限域的多相催化，重点关注两个方向：(1)以甲烷为主碳基能源小分子的高效转化；(2)以凝血因子为主酶原的高效活化和临床应用研究。近年来，围绕甲烷氧化偶联制烯烃和凝血因子高效激活，利用纳米团簇和分子筛等材料的表面限域作用，对自由基和凝血因子的转化和活化过程进行高效调控，形成了以表面限域可控自由基转化和凝血因子高效活化为特色的研究方向，在J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Nano Lett., ACS Catal.等国际知名期刊上发表论文80余篇，总引用次数> 7000，拥有国际授权专利3项，中国授权专利10余项。所获荣誉：2006年，全国百篇优秀博士学位论文；2010年，教育部新世纪优秀人才计划；2011年，中国化学会青年化学家奖；2012年，首批国家自然科学基金优秀青年基金；近年来主持了国家自然科学基金集成项目和重点项目，以及与世界知名企业Shell联合开发项目。

王琦，教授/博导，浙江大学分子设计与应用研究所所长，主要研究方向包括：分子模拟与分子设计、分子热力学、低温微量热学、薄膜成长与电子材料、锂电池材料等方面。近年来承担了国家自然科学基金重点项目（第二责任人）、面上项目、浙江省自然科学基金杰出青年团队项目（责任人）、校企合作等科研项目，在国际著名学术期刊及国内核心期刊上发表论文150多篇。其中，有8篇论文获浙江省自然科学优秀论文奖，两项科研成果通过部级鉴定。

文章信息

Lisha Yu, Bin Yu, Hao Chen, Xiaoqiang Shang, Min He, Mengchi Lin, Dan Li, Wenzhao Zhang, Zhengzhong Kang, Jiachen Li, Fangjun Wang, Liping Xiao, Qi Wang^* & Jie Fan^*. Highly efficient artificial blood coagulation shortcut confined on Ca-zeolite surface. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3394-z.

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