在傳統(tǒng)認(rèn)知中，細(xì)胞膜破裂的是一個被動過程，如同被漲破的氣球或壓垮的圍墻，缺乏主動調(diào)控因素。然而，中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院（以下簡稱中山一院）精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院研究員許杰團(tuán)隊同合作者，通過自主研發(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)計開發(fā)出全球首臺高通量細(xì)胞拉伸系統(tǒng)，并借助該系統(tǒng)開展大規(guī)模遺傳篩選，成功鑒定出細(xì)胞死亡過程中調(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和思路?！闭撐淖詈笸ㄓ嵶髡咴S杰對《中國科學(xué)報》表示。
研究成果發(fā)表于《自然》截圖。
《自然》雜志審稿專家對該研究給予了高度評價。他們認(rèn)為，該研究“設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)、完成度高，研究結(jié)果令人振奮”，“研究不僅非常及時且顯著拓展了人們對NINJ1的認(rèn)識，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，這套專為該項目開發(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
細(xì)胞膜作為生命的“防護(hù)墻”，其穩(wěn)定性對于維持細(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”。
長期以來，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。
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過程，但他們的研究發(fā)現(xiàn)，這一過程實際上受到蛋白的精密調(diào)控。NINJ1蛋白能夠通過激活聚合等過程，主動改變細(xì)胞膜的生物力學(xué)特性，使其在更弱的力刺激下就會發(fā)生破裂。簡單來說，NINJ1就像一個“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，從而推動細(xì)胞死亡后膜的破裂。
記者了解到，項目研究初期，許杰團(tuán)隊面臨著諸多挑戰(zhàn)。他們測試了多種給細(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)時市場上缺乏滿足實驗需求的設(shè)備，現(xiàn)有的細(xì)胞拉伸系統(tǒng)只能同時進(jìn)行幾個實驗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到同時進(jìn)行三、四百個實驗的要求。于是，團(tuán)隊決定從零開始，自主設(shè)計開發(fā)新設(shè)備，以推動科學(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。自2020年底起，團(tuán)隊開始著手設(shè)計和制造基于PDMS薄膜的384孔拉伸系統(tǒng)。為了確保項目的順利進(jìn)行，他們特地多次前往深圳，尋找原件供應(yīng)商和合作者，最終成功說服深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)教授張亮加入團(tuán)隊，為項目提供硬件技術(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)備開發(fā)過程中，團(tuán)隊面臨著實驗室與工業(yè)化之間的巨大差距?！皩嶒炇抑校惶讓嶒炛灰晒M(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、幾萬次都能成功，系統(tǒng)穩(wěn)定性是首要要求。”朱云峰說。
許杰（左）指導(dǎo)團(tuán)隊成員實驗。
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)膜廠商定制實驗耗材。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)隊利用該系統(tǒng)進(jìn)行了大規(guī)模遺傳篩選，在一萬多次實驗中檢測機(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。
驗證作用：多維度揭示調(diào)控機(jī)制
為了驗證NINJ1在更接近生理病理狀態(tài)下的作用，許杰團(tuán)隊和向芙莉團(tuán)隊采用了模擬血流剪切的流體裝置。他們在細(xì)胞內(nèi)預(yù)激活炎性通路，如通過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。
實驗結(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可以通過與機(jī)械力協(xié)同，在不同機(jī)械力微環(huán)境的組織中對細(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、制造、驗證和迭代。在設(shè)備開發(fā)初期，研究團(tuán)隊遇到了諸多難題。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)隊焦慮的重大問題。但團(tuán)隊?wèi){借著“一定要把事做成”的堅定信念，艱苦攻關(guān)，最終順利完成了設(shè)備的開發(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“細(xì)胞感應(yīng)力-響應(yīng)力-結(jié)構(gòu)破裂”鏈條中各個層級調(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免疫信號釋放和組織損傷擴(kuò)散。
臨床轉(zhuǎn)化：為患者帶來希望
“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，導(dǎo)致膜破裂。”許杰解釋道。團(tuán)隊揭示了NINJ1通過激活聚合削弱細(xì)胞膜強(qiáng)度，主動推動死亡細(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，為控制這一過程提供了新的靶點。通過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)，為我們開發(fā)針對應(yīng)力相關(guān)組織損傷、過度炎癥反應(yīng)乃至自身免疫疾病的新型療法提供了可能?！痹S杰表示，“我們非常期待與臨床部門緊密合作，將這一基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為實際的臨床應(yīng)用?！?span style="display:none">oUn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
許杰（一排右四）與團(tuán)隊成員合影。本文圖片除署名外，均由中山一院供圖
此外，許杰團(tuán)隊開發(fā)的高通量力學(xué)刺激平臺，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發(fā)。這一平臺的出現(xiàn)，將極大地推動機(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)隊將推進(jìn)NINJ1抑制劑的小分子或納米抗體開發(fā)。他強(qiáng)調(diào)，醫(yī)學(xué)需求是基礎(chǔ)科學(xué)研究最重要的推動力，團(tuán)隊希望通過不斷的研究和創(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?。
相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-025-09222-5
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