甘草酸对一水合草酸钙结晶的抑制作用

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0017

摘要/Abstract

摘要： 一水合草酸钙（COM）是肾结石最主要的成分。本文探讨了一种多功能的天然产物——甘草酸（GlA）对COM结晶过程的抑制作用及其作用机理。采用钙离子选择电极研究了COM的结晶动力学，通过光学显微镜和扫描电子显微镜定量分析了GlA对COM晶体的尺寸及形貌的影响。同时借助分子模拟计算了COM各晶面对GlA分子的吸附能。结果表明，GlA是一种高效的COM结晶抑制剂，且对COM结晶的抑制程度与GlA浓度呈正相关。同时，由于GlA在COM｛021｝和｛12 $\overset{ˉ}{1}$ ｝表面的特异性吸附，在GlA存在下，COM晶体的长宽比显著降低。GlA不仅可以与COM溶液中的Ca²⁺产生络合作用，降低Ca²⁺的有效浓度，还可以通过COO^-_（COM）…Ca²⁺…^-OOC_（GlA）的方式吸附于晶体表面，阻碍晶体的进一步生长。这些发现为肾结石的防治提供了新的思路和潜在的治疗策略。

关键词: 一水合草酸钙; 甘草酸; 结晶动力学; 抑制; 特异性吸附; 络合作用; 肾结石

Abstract: Calcium oxalate monohydrate （COM） is the main component of kidney stones. This study explores the inhibitory effects of glycyrrhizic acid （GlA）， a multifunctional natural compound， on the crystallization process of COM and elucidates its mechanism of action. The crystallization kinetics of COM were examined by a calcium ion selective electrode， the impact of GlA on the size and morphology of COM crystals was quantitatively assessed through optical microscopy and scanning electron microscopy. Additionally， molecular simulations were employed to calculate the adsorption energy of GlA molecules on the COM crystal surface. The findings indicate that GlA serves as a highly effective inhibitor of COM crystallization， with the degree of inhibition positively correlating with GlA concentration. This inhibition is attributed to the specific adsorption of GlA on the ｛021｝ and ｛12 $\overset{ˉ}{1}$ ｝surfaces of COM， which significantly reduces the crystal aspect ratio. During the COM crystallization process， GlA plays a dual role： it complexes with Ca²⁺ in solution， thereby reducing their effective concentration， and it adsorbs onto the crystal surface via COO^-_（COM）…Ca²⁺…^-OOC_（GlA） interactions， hindering further crystal growth. These findings provide new ideas and potential therapeutic strategies for the prevention and treatment of kidney stones.

Key words: calcium oxalate monohydrate; glycyrrhizic acid; crystallization kinetics; inhibition; specific adsorption; complexation; kidney stone

中图分类号:

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图/表 9

图1 甘草酸分子结构式

Fig.1 Molecular structure of GlA

图2 不同浓度GlA存在时COM结晶的XRD图谱、晶体习性图解和显微镜照片。（a）XRD图谱；（b）COM晶体习性图解；（c）~（h）GlA浓度分别为0、10、30、50、100、200 μg/mL时显微镜下COM晶体形态照片

Fig.2 COM microscopy images， diagram of crystal habit and their XRD patterns in the presence of different concentrations of GlA.（a） XRD patterns；（b） diagram of COM crystal habit in the absence of GlA；（c）~（h） microscopic crystal morphology images of COM at GlA concentrations of 0， 10， 30， 50， 100 and 200 μg/mL， respectively

图3 不同浓度GlA对COM晶体大小及形貌影响的定量统计图。（a）COM的（100）晶面面积随GlA浓度变化图；（b）COM的厚度随GlA浓度变化图；（c）COM的长宽比随GlA浓度变化图

Fig.3 Quantitative statistics of the size and morphology of COM crystals at different concentrations of GlA.（a） Variation of （100） crystal area of COM with GlA concentration；（b） plot of the thickness of COM as a function of GlA concentration；（c） aspect ratio of COM as a function of GlA concentration

图4 COM结晶的抑制效果与GlA浓度的关系。（a）不同浓度的GlA存在下COM结晶的Ca2+消耗量随时间的变化；（b）GlA对COM结晶的抑制百分比

Fig.4 Relationship between the inhibition effect of COM crystallization and the concentration of GlA.（a） Calcium ISE measurements of COM crystallization in the presence of GlA at varying concentrations；（b） percentage inhibition of COM crystallization by GlA

图5 COM晶体生长速率随GlA浓度的变化。（a）COM单晶（左）和接触穿插孪晶（右）示意图；（b）~（e）0 h时的COM显微镜图像和加入0、200 μg/mL GlA再生长3 h时的显微镜图像；（f）不同GlA浓度对COM晶体沿［001］、［010］、［100］晶向生长速率的影响（图中的数据报告为3个独立批次不少于20个晶体的平均值，误差条等于两个标准差）

Fig.5 Crystal growth rate of COM with GlA concentration.（a） Schematic diagram of COM single crystal （left） and contact cross dual crystal （right）；（b）~（e） COM microscope images at 0 h and microscope images with the addition of 0 and 200 μg/mL GlA for 3 h；（f） relative growth rates of COM along ［001］，［010］ and ［100］ at different GlA concentrations （data are reported as the average of more than 20 crystals from 3 separate batches， the error bar is equal to two standard deviations）

表1 不同浓度GlA络合Ca2+的能力

Table 1 Ability to complex Ca2+ at different concentrations of GlA

C_GlA/（μg·mL^-1）	0	10	30	50	100	200
Ca²⁺ consumption rate/（10^-6 min^-1）	0	0.211 9±0.053 5	0.573 6±0.103 7	0.704 8±0.119 3	0.884 0±0.185 2	0.949 3±0.175 7

表2 GlA与COM晶面的吸附能

Table 2 Adsorption energy of the GlA and COM crystal planes

Crystal plane	（100）	（010）	（021）	（12 $\bar{1}$ ）
Adsorption energy/eV	-3.491 65	-2.525 35	-4.377 63	-2.954 66

表2 GlA与COM晶面的吸附能

Table 2 Adsorption energy of the GlA and COM crystal planes

Crystal plane	（100）	（010）	（021）	（12 $\bar{1}$ ）
Adsorption energy/eV	-3.491 65	-2.525 35	-4.377 63	-2.954 66

图6 COM晶体（100）、（010）、（021）、（121ˉ）晶面的原子排列及其与GlA相互作用示意图

Fig.6 Schematic diagram of the atomic arrangement of the （100），（010），（021） and （121ˉ） plane of COM crystal and their interaction with GlA

图7 GlA抑制COM结晶的原理图

Fig.7 Schematic diagram of GlA's inhibition of COM crystallization

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