科技前沿 | DNA折紙術(shù)與光學(xué)成像的碰撞，構(gòu)建光熱操縱細(xì)胞膜異質(zhì)性的分子工具
  

本文作者：陳小青 博士

華東師范大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院
 

異質(zhì)性是細(xì)胞膜生物物理化學(xué)最重要的特性之一。細(xì)胞膜上富含膽固醇/鞘脂的高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)域，被稱為脂筏。脂筏充當(dāng)信號分子組裝平臺，參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。

然而，由于脂筏高度動態(tài)特性，成像技術(shù)難以對活細(xì)胞上脂筏實時成像，因而脂筏動態(tài)組裝過程與下游信號通路間的難以建立定量關(guān)聯(lián)。

華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院李迪教授團(tuán)隊長期致力于發(fā)展利用各種物理或化學(xué)方法擾動脂筏，探索脂筏的成分、尺寸、壽命等物理參數(shù)與下游信號通路間的關(guān)聯(lián)。
 

 
近期，李迪教授與中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心葛一凡副研究員合作，提出利用局域溫度變化擾動細(xì)胞膜功能域分布的策略。
 

圖1. 對細(xì)胞膜區(qū)域選擇性加熱分子工具及細(xì)胞遷移行為變化
 

研究發(fā)現(xiàn)，局部熱擾動導(dǎo)致的膜流動性變化會改變膜相分離程度，進(jìn)而影響細(xì)胞遷移行為。其中，對非脂筏域的熱擾動能夠大大增加細(xì)胞遷移能力。
 
進(jìn)一步分子機(jī)制研究表明，細(xì)胞行為變化與整合素重新分布相關(guān)。區(qū)域選擇性加熱改變了細(xì)胞膜脂筏域和非脂筏域的界面線張力，穩(wěn)定或失穩(wěn)整合素成簇，進(jìn)而影響與細(xì)胞遷移密切相關(guān)的黏著斑，導(dǎo)致不同的遷移行為變化（圖2）。

 

圖2. 區(qū)域選擇性加熱引起細(xì)胞膜不同功能域間界面張力變化
 

與既往研究不同，該工作首次探討了在不干擾質(zhì)膜磷脂構(gòu)成的情況下通過構(gòu)建高空間分辨率的溫度差異，利用物理因素調(diào)控細(xì)胞膜異質(zhì)性程度，探索其下游信號通路關(guān)系。該工作開發(fā)的分子工具可用于探索細(xì)胞膜異質(zhì)性與細(xì)胞功能間關(guān)系，建立細(xì)胞膜理化參數(shù)與細(xì)胞功能間的關(guān)聯(lián)。

在整個研究中，多種先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù)對于科學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與解釋都起到了較大的推動作用。

• 基于搭載在倒置顯微鏡（IX73，Evident）上的全內(nèi)反射熒光的熒光相關(guān)光譜技術(shù)(Aohui/Guangzhou)用來表征體外雙分子層L_o和L_d區(qū)域分布及紅外光照前后兩相擴(kuò)散速率變化情況（圖3），解釋了納米加熱器靶向細(xì)胞膜不同功能域引起的細(xì)胞遷移行為變化與細(xì)胞膜相分離程度相關(guān)。

圖3. 納米加熱器處理誘導(dǎo)筏模擬混合物中脂質(zhì)堆積行為變化

IX73倒置顯微成像平臺

• 基于點掃描激光共聚焦顯微鏡(FV3000，Evident)的熒光漂白后恢復(fù)技術(shù)用來表征細(xì)胞膜不同功能域在NIR光照前后流動性變化（圖4B,C）。研究人員可以在FV3000上可根據(jù)實驗需求選擇多種刺激區(qū)域形狀，模式多樣；尤其是龍卷風(fēng)光刺激模塊，激光刺激效率更高。
   
  FV3000的Sychronization模塊將刺激與成像功能靈活編輯成不同的實驗流程，可以大大提高FRAP實驗效率及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（傳送門：Evident全新激光掃描共聚焦系統(tǒng)F4000現(xiàn)已發(fā)布）

圖4. 納米加熱器處理后膜流動性變化

FV3000激光掃描共聚焦顯微鏡
 

• 采用適合活細(xì)胞高速成像的轉(zhuǎn)盤共聚焦系統(tǒng)(SpinSR, Evident)，觀察并分析不同條件處理后的細(xì)胞24 h內(nèi)的運動軌跡（圖5A）。通過分析細(xì)胞運動速度、擴(kuò)展面積等參數(shù)得出光熱細(xì)胞非脂筏域能促進(jìn)細(xì)胞遷移。同時在點掃式激光掃描共聚焦顯微鏡(FV3000，Evident)下可清楚觀察到非脂筏域加熱的細(xì)胞絲狀偽足突起明顯，且細(xì)胞遷移相關(guān)的黏著斑激酶（FAK）與其有良好的共定位（圖5F）。

圖5. 靶向加熱處理導(dǎo)致區(qū)域依賴的細(xì)胞遷移變化

轉(zhuǎn)盤共聚焦系統(tǒng)SpinSR
 

• 基于STORM的超高分辨技術(shù)(Micro-fields Optics, Guangzhou)用來表征細(xì)胞膜脂筏與非脂筏域分布情況及納米加熱器與細(xì)胞膜不同功能域的空間共定位（圖6）。

圖6. 納米加熱器與細(xì)胞功能域空間定位