活细胞质膜长程粘度的剪切驱动流测量法研究及其生物学意义

研究人员通过剪切驱动流方法首次测量了活细胞质膜的长程粘度，发现其比短程粘度高四个数量级，揭示了细胞骨架对膜流动性的关键调控作用。该研究为理解细胞迁移和分裂等过程提供了重要物理参数，发表在《Biophysical Journal》。

　　

细胞膜作为生命活动的重要界面，其物理特性对细胞功能具有深远影响。粘度是描述膜流动性的关键参数，但长期以来，科学界对细胞膜粘度的认识存在明显空白——短程粘度（纳米尺度）已有较多研究，而长程粘度（微米尺度）却因技术限制难以测量。这种认知差距直接影响了人们对细胞迁移、分裂等关键生命现象的理解。

传统观点认为，细胞膜粘度在不同尺度上是均一的。然而，越来越多的证据表明，由于细胞骨架和跨膜蛋白的复杂相互作用，活细胞质膜的物理性质可能具有显著的尺度依赖性。短程粘度主要反映脂质分子的布朗运动，而长程粘度则涉及细胞尺度的膜流动，如细胞分裂时的膜重组和细胞迁移时的膜变形。这种差异究竟有多大？其背后的机制是什么？这些问题一直困扰着研究者。

为了解决这一难题，Yuka Sakuma团队选择以秀丽隐杆线虫（C. elegans）早期胚胎为模型，创新性地采用剪切驱动流方法，首次成功测量了活细胞质膜的长程粘度。研究发现，在完整细胞中，外力无法诱导膜流动；而在抑制肌动蛋白聚合后，外力可诱导跨膜涡流。通过流体力学模型计算，测得长程粘度高达9×10^-5 Pa·s·m，比DOPC（二油酰磷脂酰胆碱）脂质体的粘度（1.7×10^-9 Pa·s·m）高出四个数量级，也比短程粘度（约10^-9 Pa·s·m）显著增高。这一突破性发现发表在《Biophysical Journal》上，为理解细胞力学提供了全新视角。

关键技术方法包括：1）秀丽隐杆线虫胚胎去卵壳处理；2）拉春库林A（LatA）抑制肌动蛋白聚合；3）剪切驱动流技术结合微流控系统施加点力；4）荧光示踪颗粒追踪膜流动；5）基于Henle-Levine模型的流体力学分析；6）甲基纤维素溶液调控外环境粘度；7）FRAP（荧光漂白恢复）技术测量短程扩散。

研究结果部分：

"Applying the point force for embryos with an intact actin cytoskeleton"显示，完整细胞中即使施加最大点力（约0.4 nN）也无法诱导膜流动，表明细胞骨架提供了强大的流动阻力。

"Applying a point force to embryos in which actin polymerization is inhibited"发现，500 nM LatA处理虽不能完全消除肌动蛋白（残留约20%），但可使膜产生涡流，说明肌动蛋白网络是抑制长程流动的关键。

"Long-range viscosity of plasma membrane"通过四种甲基纤维素浓度下的测量，确认长程粘度为(9±2)×10^-5 Pa·s·m，且与理论模型高度吻合。

"Membrane viscosity of the GUV composed of DOPC"测得纯脂质体的粘度（1.7×10^-9 Pa·s·m）验证了方法的准确性，同时凸显活细胞膜的特殊性。

讨论部分深入分析了高长程粘度的可能机制：1）残留的肌动蛋白短纤维形成动态网络；2）肌球蛋白介导的簇间交联形成渗透结构；3）跨膜蛋白（imP）与细胞骨架的锚定增加了流动阻力。这些发现解释了为何细胞能维持长程力学协调性，同时允许短程分子运动。

该研究首次定量揭示了细胞膜粘度的尺度效应，建立了连接微观分子运动与宏观细胞行为的重要桥梁。在应用层面，为理解肿瘤转移、胚胎发育等过程提供了新思路；在技术层面，发展的剪切驱动流方法为生物膜力学研究开辟了新途径。未来研究可进一步探索不同细胞类型、疾病状态下的膜粘度变化，以及细胞骨架各组分（如血影蛋白网络）的具体贡献。