作者:王晓刚 张金磊 泉源: 公布工夫:2018-8-1 14:56:28
给活细胞“扎针”

 
将外源分子注入单细胞以及对细胞外部做力学研讨是细胞生物学的研讨热门之一,但是做到这些的条件是将针尖刺入到细胞外部。
 
但是,少量实行评释,由磷脂双分子层组成的细胞膜就像一道神奇的屏蔽,即使是比头发丝细一千倍的纳米针也很难刺入,乐成扎透细胞膜的概率在20%~80%之间,偶然候乃至怎样都扎不出来。小小细胞隐蔽着诸多秘密,细胞膜毕竟具有怎样的力学特性着实令人难以捉摸。
 
克日,电子科技亚博体育app下载机器与电气工程学院传授彭倍团队青年西席范娜博士从细胞生物力学的角度,为彻底解开这个谜团带来了全新的思绪,发明了纳米针尖和细胞膜互相作用时的刺入机理,并找到了两种大幅度进步刺入率的秘诀。
 
这项研讨颁发在国际闻名期刊Small上,范娜为论文的第一作者,副传授姜海为配合第一作者,彭倍为论文团结通讯作者,电子科技亚博体育app下载机器与电气工程学院为研讨的第一作者单元和通讯作者单元。
 
发明迷信题目
 
刺入活体细胞,探求生命的秘密是生命迷信家的空想。而怎样给人体广泛存在的成纤维细胞注入药物、卵白质或转录因子,以诱导这些平凡的细胞酿成“全能”的诱导多醒目细胞,则成为越来越猛烈的需求。
 
“假想一下,只需取一个成纤维细胞,好比平凡的皮肤细胞,就可以诱导孕育发生干细胞进而分解成完全没有免疫反响的全新的眼角膜、全新的皮肤、全新的器官,这将是何等奥妙的事变!”范娜说,“这项技能一旦成熟,将会为人类的生命和康健奇迹带来宏大的福祉!”
 
有了这一技能,人类研发和测试新药就可以放弃传统的、饱受伦理诟病的植物活体实验,而是经过体外培养特定的人体细胞构造来举行高通量的药物测试。如许既可以大大收缩测试新药的工夫,也可以越发正确地相识药物的服从。
 
但是,细胞膜的存在给生命迷信家进入细胞外部设置了一道宏大屏蔽。这层薄膜重要由磷脂双分子组成,固然厚度仅为8~10纳米,但却具有半透性且富有活动性。在针刺要领降生之前,要想打破这层防地,就得调派“比针尖还小一万倍”的“特洛伊木马”,即让携带转录因子的病毒对细胞举行转染。
 
但是,利用病毒转染的方法存在致癌危害且转染乐成的概率仅为1%,尤其是很难区分哪些细胞已被转染、哪些细胞未被转染,转染水平也无法举行准确的量化控制。因而,迷信家渐渐探究出了无病毒、非粉碎性、可量化控制的新要领,即给细胞“注射”,间接把药物、卵白质或转录因子精准地注入单个细胞外部。
 
范娜在梳理学界给细胞“注射”的研讨结果时发明,纳米针要刺入细胞膜并不容易,刺入服从的范畴低时可至20%,高时可达80%,浮动区间很大。固然生物学家曾经细致到这个征象,但却“知其但是不知其以是然”。
 
因而,她敏锐地认识到,生物力学的研讨要领大概可以为表明这个征象提供新的思绪和迷信根据,进而找到进步刺入率的有用要领,为生物学家探究细胞外部的秘密提供实际和技能支持。
 
亲身入手扎针
 
“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”给细胞“扎针”究竟有什么样的力学特性?范娜以为,要相识这些信息,起首得本身入手扎一扎。纳米针和成纤维细胞都很容易购置,在实行室里完全可以反复古人的研讨。
 
纳米针的学名叫做原子力显微镜探针(AFM tip),其针尖直径一样平常为20~100纳米,小到肉眼基础无法瞥见。这种设置装备摆设非常敏捷,可以丈量到很巨大的力——纳牛(nN),我们手指小扣键盘的力约为7亿纳牛。
 
有了敏捷的纳米针,就可以开端给细胞“注射”了。研讨职员先给纳米针设定一个力值“开关”,然后从针尖打仗到细胞膜开端渐渐下压,加载力也因而渐渐增长。当力的大小到达“开关”地位时,纳米针就会立马弹返来,这个力便是所谓的“触发力”。
 
在渐渐用力的历程中,要是细胞膜没有被刺破,就可以把触发力进步一点再刺;要是细胞膜在某个力值被刺破了,力的变革曲线就会记录下这个数值,这个数值便是“刺入力”。实行中,范娜辨别对30个活细胞举行针刺实行,每个细胞反复刺4次,一共失掉120组数据。经过统计刺入和没有刺入的力曲线,失掉了触发力、刺入力与刺入率之间的干系。
 
她辨别丈量了触发力为1纳牛、3纳牛、5纳牛、8纳牛时的刺入力,每个力值失掉120组力曲线数据。经过剖析、统计实行数据,她发明:刺入力远低于触发力,并且,刺入率与触发力也不可反比。
 
当触发力为5纳牛时,刺入率到达最高的15%;再增大触发力,刺入力仍然在1.3纳牛相近倘佯,刺入率反而降落到了12.5%。也便是说,无论加载的力道或大或小,刺入力总是方向于一个比力稳固的值,不会随触发力的增长而增长。
 
根据一样平常的明白,扎针所用的力越大,一定越容易扎透。要是画一条曲线,那么,刺入力一定是在加载力最大的时间刺破细胞膜的。但是,实行数据评释,这个“知识”是不行靠的。
 
范娜提出了一个假说:在探针压入细胞的历程中,细胞膜的应力不是连续增长的,大概存在分段的征象,细胞膜的应力到达肯定的数值就连结稳定了,只要如许才气表明刺入率不随外界载荷增长而增长且刺入力远小于触发力的征象。
 
探秘细胞膜布局
 
既然把细胞想象成“皮球”无法表明实行数据,那么,细胞膜的应力变革和细胞膜的布局特性一定另有其他的大概。为相识释这种大概,范娜在少量实行的底子上,创建了细胞膜“骨架”模子,提出了“细胞膜应力分段效应假说”并加以实行验证。
 
但是,应力是“单元面积上的内力”,无法间接丈量出来。因而,若要验证料想,必要构建符合的数值模子来正确盘算。而要构建数值模子,起首得相识细胞的布局。
 
已有研讨表现,细胞膜下有一层肌动卵白丝,像“栅栏”一样把细胞膜分开成很多隔室。差别范例细胞的肌动卵白网格大小各有差别,范畴从30纳米到230纳米不等。早在1983年就有生物学家拍下了摩尔比为1:50的肌动卵白/细丝卵白网络的电子显微镜照片。
 
再加上微管的支持,细胞膜就神奇地有了“骨架”。范娜比喻说:“在微管和肌动卵白丝的支持下,细胞实在更像一顶帐篷。”
 
题目是,这种“骨架”布局对细胞膜应力的影响有多大?固然在2010年曾经有研讨评释,细胞膜下的肌动卵白丝大概对可否刺入非常紧张,但是该项研讨并没有对此作出准确的量化形貌。
 
颠末实行与无限元剖析,范娜证明,由于细胞膜骨架具有网格布局,细胞膜在针刺历程中的应力呈显着的分段征象(应力分段点S)。在应力分段点S之前,细胞膜的应力增长很快,之后趋于稳固。要是细胞膜在S点之前不克不及刺入,就很难再刺入了。因而,要进步穿透率的最好要领,便是进步第一阶段细胞膜的应力。
 
怎样进步第一阶段细胞膜的应力?原理实在很简朴,一种要领是增长细胞膜上的外貌张力。研讨职员给细胞外貌刷了一层“胶水”——“鼠尾胶原I型卵白”,如许就把软塌塌的细胞膜绷紧了一些,使其更容易被扎破。另一种要领是淘汰纳米针与细胞膜之间的打仗面,普通地说,便是让针更细、更锋利。
 
实行表现,没有颠末任那边理的细胞,刺入力为1.23±0.49纳牛,刺入率只要13%;而给细胞涂上“胶水”之后,刺入力减小到0.86±0.32纳牛,刺入率却提拔至39%;要是用越发锋利的纳米针,刺入力可减小到0.58±0.13纳牛,刺入率高达70%。
 
执着的信心
 
从2015底年开端存眷这一题目,到2018年末于做出结果,范娜与团队成员用了2年多的工夫终于揭开了给细胞“扎针”的谜团。对此,论文评阅人给出了高度评价:“这是天下上第一次用细胞生物力学要领对细胞膜的应力给出准确、量化的形貌。”
 
做出这项结果并不容易。2013年,范娜参加电子科大彭倍团队,固然此前在读博时期打仗过生物力学,但她研讨的重要偏向照旧髋枢纽关头的摩擦噪声题目,深化到纳米量级研讨生物力学,对范娜来说照旧第一次。终极,她挑选了一个生物力学和纳米力学交织的切入点——细胞。
 
“实在,我们课题组没有一个教师有细胞研讨方面的学术配景,更不消说展开这种活体单细胞研讨了。” 范娜说,统统都是从零开端的:从零开端梳理文献,从零开端学习讨教,从零开端探求互助。
 
没有纳米细针,就找上海的某研讨所加工;不懂细胞刺入要领,就去重庆大门生物工程学院寻求互助。遇到困难或瓶颈,就找彭倍、姜海讨论,并发起团队内的博士、硕士一同想措施,举行头脑碰撞、头脑风暴。
 
精准操控原子力显微镜给单个细胞“扎针”也是一个高难度的技能活。由于纳米针很细、很脆并且代价不菲,因而,“扎针”时要求操纵很稳很准,不然针头一旦折断,买针头的钱就汲水漂了。设定每一个触发力,都要举行预实行和正式实行,整个实行上去,范娜给细胞“扎针”的次数就到达了不计其数次。
 
由于实行方案必要和互助单元配合商讨,因而,在做实行的半年工夫里,范娜每每来回于电子科大和重庆亚博体育app下载。前期的数据整理、统计和剖析的事情量也十分宏大,团队的博士生、研讨生乃至本科生都积极到场了出去。光是论文的撰写(包罗图片和图表制造),范娜和姜海就足足修正了32遍。
 
论文投稿后,他们共收到3位审稿人的反应意见。此中一位审稿人高度歌颂了这项事情;另一位审稿人对论文写作的细节性题目提出了发起;另有一位审稿人从使用远景的角度提出质疑,以为纳米针代价昂贵,难以推行使用,该项研讨意义不大。对此,范娜绝不害怕,先后两次力排众议,向专家论述了这项事情的紧张意义,并终极压服了专家。2018年5月,论文终极得以在Small上颁发。
 
“细胞生物力学是一个交织学科,可以破解生物学家曩昔遇到的很多困难,至多可以提供新的视角和要领,为生命迷信的研讨提供无力资助。”范娜援用“生物力学之父”冯元桢老师的话与全部的青年学人共勉:“服从本身心田的声响,永不保持对未知的探究。生命不断,搏斗不止!”■
 
(作者单元为电子科技亚博体育app下载)
 
《迷信旧事》 (迷信旧事2018年7月刊 希望)
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