在傳統(tǒng)認(rèn)知中，細(xì)胞膜破裂是一個(gè)被動(dòng)的過(guò)程，缺乏主動(dòng)調(diào)控因素，如同被脹破的氣球或被壓垮的圍墻。但《自然》近日在線發(fā)表的一項(xiàng)研究，則顛覆了這一傳統(tǒng)認(rèn)知。

中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院研究員許杰團(tuán)隊(duì)與合作者自主設(shè)計(jì)開發(fā)了全球首臺(tái)高通量細(xì)胞拉伸系統(tǒng)，突破了細(xì)胞機(jī)械拉伸技術(shù)設(shè)備的瓶頸，并發(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。

“我們借助該系統(tǒng)開展大規(guī)模遺傳篩選，成功鑒定出細(xì)胞死亡過(guò)程中調(diào)控膜破裂的關(guān)鍵蛋白——NINJ1。這一發(fā)現(xiàn)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，提供了全新靶點(diǎn)和思路。”論文通訊作者許杰對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。

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。但在免疫激活、感染或機(jī)械損傷等病理狀態(tài)下，細(xì)胞膜破裂常會(huì)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)胞膜破裂的研究多聚焦于化學(xué)性病理刺激激活的細(xì)胞死亡，而受制于生物研究技術(shù)設(shè)備的瓶頸，關(guān)于生物物理機(jī)械力導(dǎo)致的細(xì)胞膜破裂研究較少，細(xì)胞死亡后變得脆弱的“密碼”至今仍不清楚。

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，但研究發(fā)現(xiàn)，這一過(guò)程實(shí)際受蛋白精密調(diào)控。NINJ1蛋白能通過(guò)激活聚合等，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破裂。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，NINJ1就像“幕后推手”，在細(xì)胞膜上形成類似郵票撕拉孔的易破區(qū)域，讓細(xì)胞膜變得更加脆弱，推動(dòng)細(xì)胞死亡后膜的破裂。

項(xiàng)目研究初期，許杰團(tuán)隊(duì)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，但當(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)決定自主設(shè)計(jì)開發(fā)新設(shè)備。

2020年底，團(tuán)隊(duì)著手設(shè)計(jì)基于PDMS薄膜的384孔拉伸系統(tǒng)。為確保項(xiàng)目順利進(jìn)行，他們多次前往深圳尋找原件供應(yīng)商和合作者，說(shuō)服深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)教授張亮加入，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，設(shè)備開發(fā)過(guò)程中面臨實(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3到4次就可以進(jìn)入下一步，但要讓設(shè)備上市應(yīng)用，必須保證幾千次、幾萬(wàn)次成功，系統(tǒng)穩(wěn)定性是首要要求。”朱云峰說(shuō)。

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年攻關(guān)，他們終于研制出一套能給細(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)行大規(guī)模遺傳篩選，在1萬(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)關(guān)鍵蛋白NINJ1。

驗(yàn)證作用：多維度揭示調(diào)控機(jī)制

為驗(yàn)證NINJ1在更接近生理病理狀態(tài)下的作用，許杰團(tuán)隊(duì)采用了模擬血流剪切的流體裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使細(xì)胞處于“待破”狀態(tài)，NINJ1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)行精妙調(diào)控，決定細(xì)胞死亡后破裂的位置和程度，進(jìn)而影響下游免疫反應(yīng)。

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，不同批次板差別很大，甚至出現(xiàn)細(xì)胞在這塊板上生長(zhǎng)良好，在另一塊板上卻全部死亡的情況。此外，硬件的可靠性也讓團(tuán)隊(duì)倍感焦慮。但憑借“一定要把事做成”的堅(jiān)定信念，團(tuán)隊(duì)艱苦攻關(guān)，最終完成設(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(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的強(qiáng)大力量。該研究系統(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，導(dǎo)致膜破裂。”許杰解釋說(shuō)。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)制在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”。

許杰團(tuán)隊(duì)的研究不僅揭示了NINJ1在細(xì)胞膜破裂調(diào)控中的重要作用，還為其臨床轉(zhuǎn)化提供了廣闊前景。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的發(fā)現(xiàn)為控制這一過(guò)程提供了新靶點(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的發(fā)現(xiàn)為開發(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(shí)際的臨床應(yīng)用。”

此外，許杰團(tuán)隊(duì)開發(fā)的高通量力學(xué)刺激平臺(tái)具有廣闊應(yīng)用前景，不僅可用于其他機(jī)械敏感相關(guān)基因的篩選，還可用于機(jī)械力相關(guān)疾病的新藥篩選和研發(fā)。這一平臺(tái)的出現(xiàn)，將極大推動(dòng)機(jī)械生物學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，為相關(guān)疾病的治療提供新思路和手段。

相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-025-09222-5 

原文鏈接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2025/6/384958.shtm