《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes》：Heparin interactions with phospholipid and cholesterol monolayers mimicking SARS-CoV-2 envelope and host membranes: A Langmuir film approach
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理解肝素如何调节与SARS-CoV-2进入相关的膜相互作用，对于阐明其抗病毒机制至关重要。在此，研究人员利用Langmuir单分子层作为病毒和宿主膜的仿生模型，研究了与刺突蛋白受体结合域(RBD)、血管紧张素转换酶2(ACE2)和肝素的相互作用。表面压力-面积
理解肝素如何调节与SARS-CoV-2进入相关的膜相互作用，对于阐明其抗病毒机制至关重要。在此，研究人员利用Langmuir单分子层作为病毒和宿主膜的仿生模型，研究了与刺突蛋白受体结合域(RBD)、血管紧张素转换酶2(ACE2)和肝素的相互作用。表面压力-面积等温线、扩张流变学、Brewster角显微镜和偏振调制红外反射吸收光谱(PM-IRRAS)揭示了依赖于脂质的效果。在病毒模型单分子层中，RBD和肝素显著破坏了薄膜组织，降低了弹性并增加了耗散行为，其中RBD-肝素复合物尽管增加了局部链有序性，却产生了最显著的流体化效应。在宿主模型单分子层中，ACE2是主要的扰动剂，而肝素主要与ACE2相互作用，未引起主要的额外破坏；随后加入RBD诱导了适度的结构重组。值得注意的是，压缩模量与动态模量之间的相反趋势突显了控制界面力学的不同松弛机制。总体而言，肝素作为一种膜活性调节剂，以依赖于脂质的方式改变界面组织和力学特性。这些发现表明，除了直接的蛋白质结合外，肝素可能通过介导膜的机制干扰SARS-CoV-2感染。
该论文题为《肝素与模拟SARS-CoV-2包膜及宿主膜磷脂和胆固醇单分子层的相互作用：Langmuir单分子层研究方法》，由Pedro V. Pantarotto、Kevin F. dos Santos、Ana Luiza T. Silva、Helena B. Nader及Luciano Caseli共同完成，旨在利用简化的生物膜模型揭示肝素抗病毒的物理化学机制。
研究背景与动机
严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)引发的全球健康危机持续受到关注，尽管疫苗和药物有所进展，但变异毒株的出现仍构成挑战。该病毒依赖富含胆固醇的ACE2受体膜筏微区进行入侵，其脂质包膜与宿主细胞膜的相互作用是感染的关键环节。肝素作为一种高度硫酸化的糖胺聚糖(GAG)，已知能与病毒刺突(S)蛋白的受体结合域(RBD)结合，具有潜在的抗病毒特性。然而，肝素如何具体调节病毒包膜与宿主细胞膜之间的界面相互作用尚不完全清楚。为此，研究人员采用Langmuir单分子层技术构建了模拟病毒包膜（以1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸-L-丝氨酸(DPPS)为主）和宿主细胞膜（以胆固醇为主）的生物物理模型，从分子层面探究肝素、RBD及ACE2在气-水界面的相互作用机制。
关键技术方法
研究人员主要采用Langmuir单分子层技术作为核心实验平台。通过在气-水界面铺展DPPS或胆固醇形成单分子膜，模拟病毒和宿主膜环境。关键表征技术包括：(1)表面压力-面积(π–A)等温线测量，用于评估单分子层的相行为和分子堆积密度；(2)扩张流变学(Dilatational rheology)分析，测定复数模量(E*)、储能模量(E')和损耗模量(E")，以量化单分子层的粘弹性；(3)Brewster角显微镜(BAM)，用于原位观察单分子层的形态学和域结构变化；(4)偏振调制红外反射吸收光谱(PM-IRRAS)，分析脂质酰基链的构象有序度（如CH2伸缩振动）及蛋白质二级结构（酰胺I带）。所有实验均在25?°C下进行，并在30 mN?m?1的表面压力下（模拟生物膜双层侧向压力）进行详细表征。
研究结果
3.1 DPPS单分子层
在模拟病毒包膜的DPPS单分子层研究中，表面压力-面积等温线显示，单独加入肝素对DPPS膜无明显影响，而RBD及RBD-肝素复合物则显著改变了膜行为。在低表面压力下，RBD和肝素导致分子面积膨胀；而在高压缩区域，膜表现出相对紧缩，且出现约40?mN?m?1的结构重排肩峰。表面压缩模量(Cs?1)计算表明，纯DPPS膜刚性最高，加入RBD后模量下降，表明膜软化；RBD与肝素联用进一步降低了模量，显示出最强的扰动效应。扩张流变学数据支持了上述结论，纯DPPS表现为类固体弹性响应（E' ≈?757?mN/m，相位角θ ≈?0.03?rad），而加入RBD后转变为类流体粘弹性响应（θ ≈?0.35?rad），表明RBD-肝素复合物破坏了脂质网络的机械完整性。BAM图像直观显示，纯DPPS膜均一有序，RBD引入导致不规则畴区形成，而肝素与RBD共存时则部分恢复了均匀性。PM-IRRAS光谱分析显示，RBD和RBD-肝素复合物使CH2不对称伸缩振动向低波数移动，表明酰基链局部构象更加有序（全反式构象增多），但这与宏观弹性的降低并不矛盾，反映了局部有序与全局力学松散的并存。此外，酰胺I带的变化证实了蛋白质在界面的吸附及其二级结构的稳定性。
3.2 胆固醇单分子层
在模拟宿主膜的胆固醇单分子层研究中，加入ACE2导致等温线向更大分子面积偏移，压缩模量适度下降，表明ACE2破坏了胆固醇的紧密堆积。随后加入肝素并未显著改变膜的张力曲线，表明肝素主要通过与已吸附的ACE2相互作用，而非直接影响胆固醇膜。当进一步加入RBD后，膜被进一步扩张且模量降低，表明RBD-ACE2-肝素复合物引入了空间和静电干扰。扩张流变学结果显示，纯胆固醇具有高弹性和一定粘性，ACE2降低了其弹性，肝素部分抵消了这种增强，而RBD的加入则恢复了类似纯胆固醇的粘性耗散。BAM图像显示，ACE2使胆固醇膜出现不规则性，而RBD与肝素共存时膜显得更为均一。PM-IRRAS光谱在CH伸缩区域显示，随着ACE2、肝素及RBD的依次加入，谱带强度增加且特征更明显，暗示分子取向增强和界面排列更加有序。
结论与讨论
该研究通过多尺度表征手段揭示了肝素调节SARS-CoV-2相关膜界面的复杂机制。对于DPPS单分子层，RBD和肝素（尤其是两者复合物）通过破坏长程脂质堆积显著软化了膜，尽管局部酰基链构象变得更加有序。这表明静电相互作用和水合效应在头部基团水平起着关键作用。对于胆固醇单分子层，ACE2是主要的扰动因子，肝素主要与ACE2结合而不引起膜的额外重大变化，RBD的后续加入导致了进一步的结构重组。压缩模量与动态流变参数之间的差异强调了这些技术探测的是单分子层内不同的松弛机制和结构层次。总体而言，肝素作为一种膜活性调节剂，以依赖于脂质的方式改变界面组织和力学特性。这些发现表明，除了已知的蛋白质结合特性外，膜相互作用可能也是肝素抗病毒活性的一个重要机制，这为理解肝素的抗病毒机理提供了新的物理化学视角，并发表于《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes》。
