伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员以及加州大学洛杉矶分校健康中心和德克萨斯大学奥斯汀分校的合作者在一项新研究中发现，人体具有复杂的防御机制，可以抵御导致心脏组织硬化的钙矿物质沉积，该研究首次提供了钙化过程的详细、逐步记录。

“心脏病是每年的头号杀手——每年约有 1800 万人死亡——而且这个数字还在增长。很大一部分是钙化的结果，”研究负责人 Bruce Fouke说道，他是伊利诺伊大学 地球科学和环境变化教授，也是伊利诺伊州Roy J. Carver 生物技术中心 主任 。“当主动脉瓣钙化时，目前唯一的选择就是进行超侵入性手术来更换瓣膜。这更加迫切地要求我们控制这一过程，以便更有效地推进药物开发和测试。”

主动脉瓣是将含氧血液从心脏泵送到身体的门户，在平均寿命内，主动脉瓣的开合次数超过 30 亿次。钙沉积物会在构成瓣膜的三个组织瓣膜(称为瓣叶)内生长，使瓣叶变硬，无法完全打开。

“对于血管钙化，支架可以起到帮助作用，但对于主动脉瓣膜，支架就无法起到作用。身体的每个器官都可以处于完美状态，但如果主动脉瓣膜停止运作，那就意味着生命的终结，”论文第一作者、卡弗生物技术中心细胞计数和显微镜组学设施主任 Mayandi Sivaguru 说道。

尽管钙沉积普遍存在且具有生物学重要性，但人们对其形成或生长方式知之甚少。福克的团队开创了“地质生物医学”领域，该领域结合了地质学、生物学和医学，此前曾将其应用于肾结石研究。在发表于《科学报告》杂志的新研究中，福克的伊利诺伊州团队与 加州大学洛杉矶分校医学院 和德克萨斯州杰克逊地球科学学院的同事合作，研究并记录了人类尸体心脏主动脉瓣中钙沉积形成的步骤。

“我们使用了超过 12 种研究方式，包括光学显微镜、电子显微镜和光谱，首次研究了主动脉瓣中矿化和蛋白质定位的性质和进展。这种多模态分析使我们与众不同，发现了一条新的证据，可以更好地了解心血管钙化，”Sivaguru 说。

起点是健康的瓣叶组织。然后，在瓣叶的平滑肌层中形成微小的磷酸钙球体。

至关重要的是，研究小组发现，矿物沉积物中的磷酸钙形式与骨骼中的磷灰石不同，而骨骼中的磷灰石是人们普遍认为的类型。相反，这些沉积物主要由无定形磷酸钙组成，这种磷酸钙具有形态变形和原子重组的能力。

随着小球的生长，它们会聚集成层，覆盖并硬化胶原蛋白和平滑肌纤维，从而使小叶具有柔韧性。这些过程结合在一起形成大结节，这些结节会旋转、相互接触，并进一步使组织变硬。

“我们立即发现，瓣膜组织内的反应与我们在珊瑚礁、温泉和许多其他包含生命-水-矿物质相互作用的自然环境中研究的反应几乎相同，”伊利诺伊州拉尔夫·E·格里姆教授福克说。“我们的血液中充满了钙和磷酸盐。鉴于我们的血液化学、生物学和成分，胶原蛋白钙化和结节生长是不可避免的。

“然而，这一切的希望在于，我们还发现我们的身体已经进化出这些极其复杂和有效的过程来对抗矿化。它无法阻止它，但可以大大减缓它。”

研究人员发现了两种防御机制。随着微小的 ACP 小球形成并开始聚结，心脏组织会产生大量的骨桥蛋白。福克说，骨桥蛋白会促进骨骼和肾结石中的磷灰石生长和钙化，因此这一发现最初让研究人员感到困惑。但骨桥蛋白具有相反的作用，即抑制 ACP，减缓胶原蛋白钙化和结节聚集。

“这就是为什么知道它是 ACP 而不是磷灰石如此重要。增强骨桥蛋白的释放可能是一个重要的新目标，可以减缓钙化到不会造成威胁或需要手术干预的水平，”Fouke 说。

人体的第二道防线就是结节形成的胶原蛋白。研究人员发现，随着结节开始生长，胶原纤维会伸展并包裹住结节，形成一道水屏障，进一步减缓结节的生长。

除了研究骨桥蛋白在减缓钙化方面的可能治疗应用之外，研究人员还希望他们的工作能够开辟新的途径，以防止最初的生长和溶解整个人体内已经形成的矿物质沉积物。

该团队与梅奥诊所合作，目前正在应用他们的多模式 GeoBioMed 方法研究人类乳腺肿瘤的钙化，这是该疾病的标志。

芭芭拉和埃德威尔基金会、国立卫生研究院(拨款 OT2OD023848)和加州大学洛杉矶分校 Amara-Yad 项目支持了这项工作。