在傳統(tǒng)認(rèn)知中，細(xì)胞膜破裂的是一個(gè)被動(dòng)過(guò)程，如同被漲破的氣球或壓垮的圍墻，缺乏主動(dòng)調(diào)控因素。然而，中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院（以下簡(jiǎn)稱中山一院）精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院研究員許杰團(tuán)隊(duì)同合作者，通過(guò)自主研發(fā)突破了細(xì)胞機(jī)械拉伸技術(shù)設(shè)備的瓶頸，發(fā)現(xiàn)了調(diào)控機(jī)械力導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂的關(guān)鍵分子，徹底顛覆了機(jī)械力導(dǎo)致細(xì)胞膜被動(dòng)破裂這一傳統(tǒng)認(rèn)知。6月9日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》。
“我們自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出全球首臺(tái)高通量細(xì)胞拉伸系統(tǒng)，并借助該系統(tǒng)開(kāi)展大規(guī)模遺傳篩選，成功鑒定出細(xì)胞死亡過(guò)程中調(diào)控膜破裂的關(guān)鍵蛋白——NINJ1。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，為控制膿毒敗血癥等系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)中細(xì)胞死亡引發(fā)的炎癥因子風(fēng)暴提供了全新的靶點(diǎn)和思路?！闭撐淖詈笸ㄓ嵶髡咴S杰對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。
研究成果發(fā)表于《自然》截圖。
《自然》雜志審稿專家對(duì)該研究給予了高度評(píng)價(jià)。他們認(rèn)為，該研究“設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、完成度高，研究結(jié)果令人振奮”，“研究不僅非常及時(shí)且顯著拓展了人們對(duì)NINJ1的認(rèn)識(shí)，還以一種新穎且具有概念深度的機(jī)制揭示了其在細(xì)胞死亡中的作用”。此外，專家們認(rèn)為，這套專為該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的高通量張力系統(tǒng)，將在新機(jī)械力受體的鑒定和藥物篩選領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
記者獲悉，許杰研究員為論文最后通訊作者，中山一院副研究員向芙莉、美國(guó)羅格斯大學(xué)化學(xué)與生化系助理教授師征為共同通訊作者。中山一院博士生朱云峰、碩士生肖芳，羅格斯大學(xué)博士生王一凌，中山一院博士生王玉芳、碩士生李嘉琳、博士生鐘冬梅為共同第一作者。
重塑認(rèn)知：細(xì)胞膜破裂并非被動(dòng)
細(xì)胞膜作為生命的“防護(hù)墻”，其穩(wěn)定性對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境平衡至關(guān)重要。然而，在免疫激活、感染或機(jī)械損傷等病理狀態(tài)下，細(xì)胞膜的破裂常常成為觸發(fā)炎癥反應(yīng)的“導(dǎo)火索”。
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界關(guān)于細(xì)胞膜破裂的研究大多聚焦于化學(xué)性病理刺激激活的細(xì)胞死亡，而由于生物研究技術(shù)設(shè)備的瓶頸，關(guān)于生物物理機(jī)械力導(dǎo)致的細(xì)胞膜破裂的研究較少。而導(dǎo)致細(xì)胞死亡后變得脆弱的“密碼”至今仍未知。
6月11日，中山一院舉行重大研究成果發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)。
許杰表示，以往人們普遍認(rèn)為機(jī)械力誘發(fā)的細(xì)胞膜損傷和破裂是被動(dòng)過(guò)程，但他們的研究發(fā)現(xiàn)，這一過(guò)程實(shí)際上受到蛋白的精密調(diào)控。NINJ1蛋白能夠通過(guò)激活聚合等過(guò)程，主動(dòng)改變細(xì)胞膜的生物力學(xué)特性，使其在更弱的力刺激下就會(huì)發(fā)生破裂。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，NINJ1就像一個(gè)“幕后推手”，在細(xì)胞膜上形成如同郵票撕拉孔的易破區(qū)域，讓細(xì)胞膜變得更加脆弱，從而推動(dòng)細(xì)胞死亡后膜的破裂。
記者了解到，項(xiàng)目研究初期，許杰團(tuán)隊(duì)面臨著諸多挑戰(zhàn)。他們測(cè)試了多種給細(xì)胞施加機(jī)械張力的方法，試圖進(jìn)行大規(guī)模遺傳篩選。然而，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上缺乏滿足實(shí)驗(yàn)需求的設(shè)備，現(xiàn)有的細(xì)胞拉伸系統(tǒng)只能同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到同時(shí)進(jìn)行三、四百個(gè)實(shí)驗(yàn)的要求。于是，團(tuán)隊(duì)決定從零開(kāi)始，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新設(shè)備，以推動(dòng)科學(xué)研究的發(fā)展。
高通量機(jī)械張力刺激設(shè)備。
許杰此前已成功開(kāi)發(fā)高通量流體刺激系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上取得了重大發(fā)現(xiàn)，相關(guān)成果于2018年發(fā)表于《細(xì)胞》，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。自2020年底起，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手設(shè)計(jì)和制造基于PDMS薄膜的384孔拉伸系統(tǒng)。為了確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行，他們特地多次前往深圳，尋找原件供應(yīng)商和合作者，最終成功說(shuō)服深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)教授張亮加入團(tuán)隊(duì)，為項(xiàng)目提供硬件技術(shù)支持。
論文共同第一作者、中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院博士生朱云峰表示，在設(shè)備開(kāi)發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)面臨著實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)化之間的巨大差距。“實(shí)驗(yàn)室中，一套實(shí)驗(yàn)只要成功進(jìn)行3到4次就可以推進(jìn)下一步，但要將設(shè)備做到可以上市應(yīng)用，必須保證幾千次、幾萬(wàn)次都能成功，系統(tǒng)穩(wěn)定性是首要要求。”朱云峰說(shuō)。
許杰（左）指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員實(shí)驗(yàn)。
為此，朱云峰等人輾轉(zhuǎn)廣州、佛山、東莞等地篩選供應(yīng)商，甚至委托手機(jī)膜廠商定制實(shí)驗(yàn)耗材。歷經(jīng)5次迭代、近2年的艱苦攻關(guān)，他們終于研制出一套能夠給細(xì)胞施加精確機(jī)械力刺激的原型機(jī)。隨后，團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)進(jìn)行了大規(guī)模遺傳篩選，在一萬(wàn)多次實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)機(jī)械拉伸狀態(tài)下細(xì)胞膜的破裂概率，最終發(fā)現(xiàn)了調(diào)控細(xì)胞膜脆弱性的關(guān)鍵蛋白NINJ1。
山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授孫金鵬認(rèn)為，該工作揭示了NINJ1是目前很少受到關(guān)注的“力學(xué)敏感膜破裂調(diào)控因子”家族中的重要成員。
驗(yàn)證作用：多維度揭示調(diào)控機(jī)制
為了驗(yàn)證NINJ1在更接近生理病理狀態(tài)下的作用，許杰團(tuán)隊(duì)和向芙莉團(tuán)隊(duì)采用了模擬血流剪切的流體裝置。他們?cè)诩?xì)胞內(nèi)預(yù)激活炎性通路，如通過(guò)nigericin誘導(dǎo)焦亡或LPS電轉(zhuǎn)染，再施加流體剪切應(yīng)力以模擬微血管環(huán)境。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下，NINJ1缺失顯著減少了細(xì)胞膜破裂事件、LDH釋放以及雙鏈DNA釋放等指標(biāo)。這說(shuō)明，即使細(xì)胞處于“待破”狀態(tài)，NINJ1的存在仍是機(jī)械誘導(dǎo)膜破裂的必要因素之一。這提示NINJ1可以通過(guò)與機(jī)械力協(xié)同，在不同機(jī)械力微環(huán)境的組織中對(duì)細(xì)胞膜破裂進(jìn)行精妙的調(diào)控，決定細(xì)胞死亡后在哪里破裂、破裂的程度，從而影響下游的免疫反應(yīng)。
許杰介紹成果。朱漢斌 攝
許杰指出，該研究最難的部分在于拉伸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證和迭代。在設(shè)備開(kāi)發(fā)初期，研究團(tuán)隊(duì)遇到了諸多難題。例如，微孔板上細(xì)胞反應(yīng)不均一，不同批次的板差別很大，甚至出現(xiàn)細(xì)胞在這塊板上生長(zhǎng)良好，下一塊板卻全部死亡的情況。此外，硬件的可靠性也是團(tuán)隊(duì)焦慮的重大問(wèn)題。但團(tuán)隊(duì)?wèi){借著“一定要把事做成”的堅(jiān)定信念，艱苦攻關(guān)，最終順利完成了設(shè)備的開(kāi)發(fā)。
此外，該研究展示了將機(jī)械和電子工程、先進(jìn)制造、細(xì)胞力學(xué)、生物物理與遺傳篩選等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的強(qiáng)大力量。研究系統(tǒng)性地將NINJ1定義為調(diào)控細(xì)胞質(zhì)膜力學(xué)脆弱性的功能性膜蛋白，顯著拓寬了業(yè)界對(duì)“細(xì)胞感應(yīng)力-響應(yīng)力-結(jié)構(gòu)破裂”鏈條中各個(gè)層級(jí)調(diào)控因子的理解。
清華大學(xué)藥學(xué)院教授肖百龍指出，該項(xiàng)工作不僅填補(bǔ)了力學(xué)應(yīng)激與膜結(jié)構(gòu)破裂之間的分子機(jī)制空白，還啟發(fā)人們重新思考在高剪切力、高壓強(qiáng)的微環(huán)境中，NINJ1是否也決定性地推動(dòng)免疫信號(hào)釋放和組織損傷擴(kuò)散。
臨床轉(zhuǎn)化：為患者帶來(lái)希望
“NINJ1像一條條‘分子拉鏈’，能改變細(xì)胞膜的生物力學(xué)特性，使其在更弱的力刺激下被拉開(kāi)，導(dǎo)致膜破裂?！痹S杰解釋道。團(tuán)隊(duì)揭示了NINJ1通過(guò)激活聚合削弱細(xì)胞膜強(qiáng)度，主動(dòng)推動(dòng)死亡細(xì)胞的膜破裂進(jìn)程。這一機(jī)制一定程度上解釋了為何炎癥反應(yīng)中細(xì)胞內(nèi)容物（如DNA-組蛋白復(fù)合物、乳酸脫氫酶等）會(huì)在血管細(xì)密的組織大量釋放，進(jìn)而引發(fā)“炎癥因子風(fēng)暴”。
研究結(jié)果示意圖。
許杰團(tuán)隊(duì)的研究，不僅揭示了NINJ1蛋白在細(xì)胞膜破裂調(diào)控中的重要作用，還為其在臨床轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用提供了廣闊前景。作為調(diào)控細(xì)胞質(zhì)膜力學(xué)脆弱性的功能性膜蛋白，NINJ1在多種病理狀態(tài)下都可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。
在肺損傷、敗血癥或腫瘤微環(huán)境中，細(xì)胞死亡引發(fā)的膜破裂和炎癥因子釋放是導(dǎo)致組織損傷和病情惡化的重要因素。而NINJ1蛋白的存在，為控制這一過(guò)程提供了新的靶點(diǎn)。通過(guò)小分子藥物或納米抗體限制NINJ1活性，可能有助于減少DAMP（損傷相關(guān)分子模式）釋放、降低組織破壞程度，從而有效抑制炎癥風(fēng)暴。
“NINJ1蛋白的發(fā)現(xiàn)，為我們開(kāi)發(fā)針對(duì)應(yīng)力相關(guān)組織損傷、過(guò)度炎癥反應(yīng)乃至自身免疫疾病的新型療法提供了可能。”許杰表示，“我們非常期待與臨床部門(mén)緊密合作，將這一基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的臨床應(yīng)用?！?span style="display:none">qX5即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
許杰（一排右四）與團(tuán)隊(duì)成員合影。本文圖片除署名外，均由中山一院供圖
此外，許杰團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高通量力學(xué)刺激平臺(tái)，還具有廣泛的應(yīng)用前景。它不僅可以用于其他機(jī)械敏感相關(guān)基因的篩選，還可以用于機(jī)械力相關(guān)疾病的新藥篩選和開(kāi)發(fā)。這一平臺(tái)的出現(xiàn)，將極大地推動(dòng)機(jī)械生物學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，為相關(guān)疾病的治療提供新的思路和手段。
許杰透露，下一步團(tuán)隊(duì)將推進(jìn)NINJ1抑制劑的小分子或納米抗體開(kāi)發(fā)。他強(qiáng)調(diào)，醫(yī)學(xué)需求是基礎(chǔ)科學(xué)研究最重要的推動(dòng)力，團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)不斷的研究和創(chuàng)新，為臨床提供更多有效的治療方法和藥物，讓基礎(chǔ)研究真正造?；颊摺?span style="display:none">qX5即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
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