蠕动泵触发淀粉样蛋白形成：揭示体内剪切应力对淀粉样蛋白成核的风险

为探究体内打破蛋白质过饱和状态、引发淀粉样蛋白形成的因素，大阪大学等机构的研究人员开展了蠕动泵触发淀粉样蛋白形成的研究。结果发现蠕动泵可诱导多种蛋白形成淀粉样纤维，剪切应力或为体内淀粉样蛋白成核风险因素，该研究为相关疾病防治提供新思路。

　　在生命的微观世界里，蛋白质本应各司其职，维持身体的正常运转。但有一种神秘的 “捣乱分子”—— 淀粉样纤维（amyloid fibrils），它是变性蛋白质形成的类似晶体的纤维状聚集体，与阿尔茨海默病、帕金森病等一系列淀粉样变性疾病紧密相关。这些疾病严重影响人们的健康，给患者和家庭带来沉重负担。目前，虽然在体外已经知晓多种影响淀粉样纤维形成的因素，但在体内，究竟是什么打破了蛋白质的过饱和状态，进而触发淀粉样纤维的形成，仍是一个未解之谜。为了揭开这个谜团，来自日本大阪大学（Graduate School of Engineering, Osaka University）等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《npj Biosensing》上。

研究人员为了探索体内淀粉样蛋白形成的机制，进行了一系列实验。他们用到的关键技术方法主要有以下几种：一是构建循环系统，利用蠕动泵使蛋白质溶液流动，通过荧光检测和成像技术监测淀粉样蛋白的形成；二是运用透射电子显微镜（TEM）观察淀粉样纤维的形态；三是采用圆二色谱（CD）测量淀粉样纤维的二级结构；四是使用有限元方法（FEM）模拟蠕动泵运转时液体中的应力情况；五是建立理论模型对淀粉样蛋白形成过程进行动力学分析。

研究结果如下：

1. 蠕动泵依赖的鸡卵清溶菌酶（HEWL）淀粉样蛋白形成：在特定条件下，蠕动泵促使 HEWL 溶液流动，可显著增加淀粉样蛋白特异性硫代黄素 T（ThT）荧光，表明形成了淀粉样纤维。通过构建循环系统监测发现，ThT 荧光随时间呈现规律性变化，且不同大小的 ThT 阳性聚集体会流动，其形态在流动中发生改变。经 TEM 和 CD 检测，确认形成的聚集体为淀粉样纤维。与其他诱导方式对比，蠕动泵诱导淀粉样纤维形成的效果更显著。不同类型蠕动泵因结构差异，诱导淀粉样蛋白形成的 ThT 荧光动力学有所不同。
2. α - 突触核蛋白（αSN）的淀粉样蛋白形成：蠕动泵系统可使 αSN 在首次通过时，ThT 荧光显著增加。荧光显微镜观察到其形成聚集的绒毛状聚集体，有动态运动。TEM 显示形成典型的淀粉样纤维，不过 CD 光谱常无典型 β 谱。研究还发现，ThT 荧光动力学与 αSN 用量有关，且因淀粉样纤维吸附，蠕动泵诱导形成的淀粉样蛋白量少于超声诱导的量。
3. 淀粉样 β_{1 - 40}（Aβ40）的淀粉样蛋白形成：蠕动泵触发 Aβ40 形成淀粉样蛋白，首次通过时 ThT 荧光增加，但后续因吸附作用，峰值强度下降。荧光显微镜下可见大的淀粉样团块流动，Aβ40 纤维具有粘性，易自我结合、吸附在流动池表面，甚至可能堵塞通道。TEM 和 CD 检测表明其形成了典型的淀粉样纤维结构，且超声诱导的 Aβ40 淀粉样纤维的 ThT 荧光值更高。
4. β₂ - 微球蛋白（β₂m）的淀粉样蛋白形成：在酸性条件下，蠕动泵可诱导 β₂m 形成淀粉样蛋白。在中性 pH 且有 0.5 mM SDS 存在时，呈现出有趣的两步淀粉样蛋白形成过程，ThT 荧光先快速增加，之后振荡下降，数小时后再次缓慢增加形成绒毛状聚集体，经 TEM 确认是淀粉样纤维。在无 SDS 时，仅出现第一步，且超声处理也无淀粉样纤维形成，而是形成类似寡聚体的小聚集体。研究还发现，蠕动泵诱导的 β₂m 寡聚体形成与 β₂m 浓度无关，体现了蠕动泵作用的强大。

研究结论和讨论部分指出，FEM 模拟显示蠕动泵转子运动能在液体中产生高达 100 Pa 以上的剪切应力，远大于层流产生的应力，这是蠕动泵依赖的淀粉样蛋白成核的原因。虽然建立的理论模型能解释部分实验结果，但在模拟初始单体量小的情况时存在不足。从研究意义来看，该研究表明蠕动泵能有效触发多种蛋白质形成淀粉样纤维，暗示体内的剪切应力可能是淀粉样蛋白成核的风险因素，这为理解淀粉样变性疾病的发病机制提供了新视角。同时，蠕动泵系统有望用于早期疾病诊断，通过监测易感性风险生物标志物，助力疾病的早期发现和干预。此外，从过饱和限制淀粉样蛋白形成的角度出发，降低过饱和度的治疗策略可能比抑制已形成的淀粉样蛋白更有效，为相关疾病的治疗提供了新方向。