通过分子对接和密度泛函理论研究β-三钙磷酸盐与BMP-2受体之间的原子级相互作用

《Materials Today Communications》：Atomistic Interaction between β-Tricalcium Phosphate and the BMP-2 Receptor via Molecular Docking and Density Functional Theory

β-TCP单双单位结构通过分子对接和量子化学计算首次系统揭示了与BMP-2受体原子级相互作用机制，发现双单位β-TCP2因增强的电子互补性和氢键结合能力，表现出更优的亲和力与骨再生活性，并通过FTIR验证了结构稳定性。

　　骨组织在维持人体骨骼系统的结构完整性、机械稳定性、支持造血活动以及储存矿物质方面发挥着关键作用。然而，由于物理因素（如跌倒和撞击）或与骨密度下降相关的因素（如骨质疏松和创伤性损伤），这种重要组织可能遭受永久性损伤。这些损伤会导致组织完整性破坏、骨骼负载能力下降以及生活质量降低。因此，修复由骨创伤引起的骨组织损伤是一个极其重要的课题。骨形态发生蛋白（Bone Morphogenetic Proteins, BMPs）在骨创伤愈合过程中对骨组织修复起着至关重要的作用。其中，BMP-2是TGF-β超家族的一员，能够促进间充质干细胞向成骨细胞分化，从而推动骨组织修复和新骨形成。此外，BMP-2通过二硫键形成同源二聚体，进一步增强其生物活性，这在骨矿化过程中起着重要作用。尽管BMP-2是促进骨形成的关键因子，但其在体内的快速降解和较短的半衰期限制了其应用。因此，BMP-2蛋白通常需要生物相容性的支架材料来维持其治疗效果。已有研究表明，BMP蛋白与钙磷酸盐基材料之间的相互作用对成骨诱导具有重要意义，这些相互作用影响着蛋白吸附、受体结合和构象取向。近年来，分子对接等分子建模技术被越来越多地用于研究蛋白质与矿物表面之间的原子级相互作用。因此，开发新的生物相容性载体系统和能够支持BMP-2生物活性的策略变得日益重要。

β-三钙磷酸盐（β-TCP; Ca?(PO?)?）作为一种重要的生物陶瓷材料，因其良好的生物相容性、可吸收性和成骨传导性，常被用于骨创伤修复。大量文献报道表明，β-TCP在骨再生中表现出色，不仅能够促进骨基质合成，还能通过其离子释放特性和多孔结构为骨组织提供适宜的微环境。此外，β-TCP在体内的应用也得到了广泛研究，如Lee等人开发的胶原/β-TCP复合移植物，能够有效保留BMP-2并实现其持续释放，从而增强骨修复效果。然而，目前关于β-TCP与BMP-2蛋白在分子层面的相互作用机制的研究仍然有限，这限制了我们对β-TCP作为活性生物分子在成骨诱导中的作用的全面理解。因此，有必要通过分子建模技术，系统地研究β-TCP与BMP-2蛋白之间的分子相互作用，以揭示其潜在的生物活性。

在本研究中，我们首次利用计算机模拟（in silico）方法，从原子层面系统分析了BMP-2受体变体与单单元（β-TCP1）和双单元（β-TCP2）β-TCP配体之间的分子相互作用。β-TCP的结构基于Whitlockite晶体模板进行建模，通过几何优化和结合能计算，我们对这些配体与不同BMP-2受体之间的结合特性进行了深入探讨。研究中使用的BMP-2受体结构包括PDB ID为1REW、2H62、3BMP和4UI0的四个变体。通过分子对接分析，我们发现β-TCP2在与BMP-2受体结合时表现出更高的电荷兼容性和更强的结合亲和力。这一结果表明，β-TCP2的双单元结构可能增强了其与受体之间的相互作用，使其能够更有效地参与骨组织的修复过程。

为了进一步揭示β-TCP与BMP-2受体之间的电子相互作用，我们还采用了密度泛函理论（DFT）进行量子化学分析。DFT计算结果表明，β-TCP2在电子极化和化学反应性方面优于β-TCP1。高占据分子轨道（HOMO）和低占据分子轨道（LUMO）的等值面图显示，β-TCP结构能够通过电子供体和电子受体中心分子与受体形成双功能结合机制。HOMO代表电子供体，而LUMO则代表电子受体，这种电子特性使得β-TCP2在与BMP-2受体相互作用时能够实现更高效的电子转移。此外，HOMO-LUMO能隙（ΔE）的计算结果进一步支持了β-TCP2在电子特性上的优越性，其较低的ΔE值表明该材料具有更高的电子极化能力，从而增强了其与生物分子的结合潜力。

为了验证这些计算结果，我们还进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，以识别β-TCP与BMP-2受体之间形成的化学键和振动模式。FTIR分析结果显示，β-TCP1和β-TCP2与BMP-2受体形成的复合物在振动频率上表现出良好的一致性，特别是在磷酸盐基团（PO?3?）的不对称拉伸和对称拉伸模式上。这些振动特征与文献报道的天然骨磷酸盐的光谱数据高度吻合，进一步证实了β-TCP在模拟天然骨组织方面的生物相容性。此外，β-TCP2的FTIR光谱还显示出更高的氢键形成潜力，这表明其在与BMP-2受体结合时具有更强的电荷相互作用能力。

本研究的另一个重要发现是，β-TCP2不仅在结合亲和力方面优于β-TCP1，而且其电子特性也更符合生物分子的相互作用需求。通过计算HOMO和LUMO的分布，我们发现β-TCP2能够同时作为电子供体和受体，从而在BMP-2受体的结合位点上形成双功能的结合机制。这种特性使得β-TCP2在骨再生过程中可能发挥更积极的作用，而不仅仅是作为蛋白质的被动载体。此外，我们还观察到β-TCP2与BMP-2受体之间的结合主要依赖于氢键和静电相互作用，这表明其结合过程具有高度的生物意义，而非随机的分子结合。

从实际应用角度来看，β-TCP作为生物陶瓷材料，在骨组织工程和再生医学中具有广阔的应用前景。其优异的生物相容性和可降解性使其成为一种理想的支架材料。然而，目前的研究大多集中在β-TCP的宏观性质和其与羟基磷灰石（HA）等其他生物材料的相互作用上，而对β-TCP与BMP-2蛋白之间的分子层面相互作用机制的研究仍显不足。因此，本研究通过分子对接、DFT量子化学计算和FTIR光谱分析，系统地探讨了β-TCP与BMP-2受体之间的相互作用机制，为未来开发更高效的骨再生材料提供了理论依据。

综上所述，本研究的发现表明，β-TCP2在与BMP-2受体结合时表现出更高的结合亲和力和电子兼容性，这可能与其双单元结构和更灵活的电子云分布有关。这些特性使其能够更有效地参与骨组织的修复过程，而不仅仅是作为蛋白质的被动载体。此外，研究还发现，β-TCP的电子特性与BMP-2的生物学功能高度相关，表明其在骨再生过程中可能具有重要的活性作用。尽管本研究主要依赖于计算机模拟，未进行体外和体内实验验证，但其结果为后续实验研究提供了坚实的理论基础。未来的研究可以进一步探索β-TCP在生物环境中与BMP-2蛋白的相互作用机制，以开发更有效的骨再生材料。