埃博拉病毒如何附著于其宿主細胞的生物力學

最近有報道稱，剛果民主共和國的埃博拉病例數已超過1,000例，這是2014年西非爆發后歷史上第二次爆發，其中29,000人感染艾滋病，11,000多人死亡。這一最新的里程碑清楚地提醒人們，迫切需要為這種常見的致命疾病開發有效的預防和治療藥物。

感染埃博拉病毒的人會經歷嚴重的疾病，包括出血熱，這可能導致內出血。據美國疾病控制和預防中心(CDC)稱，目前埃博拉沒有特殊的醫療方法。

開發治療疾病的關鍵是了解感染過程的機制。科學家們知道，為了進入一個人體細胞，埃博拉利用了一種叫做巨胞細胞增多癥的自然過程，通過這種過程，細胞通過內化周圍的死細胞碎片來“清理”周圍環境。細胞表面的蛋白質充當受體，允許免疫細胞識別死細胞碎片并將其內化。病毒與這些蛋白質相互作用，稱為T細胞免疫球蛋白和粘蛋白結構域(TIM)蛋白，并利用它們劫持進入細胞。進入內部后，埃博拉病毒膜融合到其周圍形成的內體，并將其遺傳內容釋放到細胞中。

“病毒RNA進一步劫持細胞機制，使蛋白質在內部復制。然后它們從膜上萌芽，形成新的病毒，同時健康的宿主細胞死亡，”Lehigh生物工程和機械工程副教授Frank Zhang說道。大學。

“雖然埃博拉 - 宿主細胞附著已被證明依賴于細胞表面受體與病毒外層之間相互作用的分子生物力學，但對于指導治療發展至關重要的定量理解尚未得到發展，” Anand Jagota，Lehigh生物工程系的創始主席和化學與生物分子工程教授。

張和Jagota聯手試圖更好地了解埃博拉病毒 - 宿主細胞粘附的生物力學。該項目將Jagota在計算分子粘附力學方面的專業知識與Zhang關注機械傳感，或細胞如何感知和響應機械刺激相結合。這對二人與愛荷華大學的同事Sven Moller-Tank和Wendy Maury合作，開發了一個簡單的模型，描述了埃博拉病毒 - 宿主細胞粘附的生物力學特征，這些研究結果可以提供有關開發一種新的和有用的信息。有效的埃博拉治療。他們在一篇題為“TIM蛋白介導的埃博拉病毒 - 宿主細胞粘附的生物力學特征”的文章中發表了他們在科學報告中的研究結果。

“我們利用單分子力譜來量化宿主細胞TIM蛋白與埃博拉病毒樣顆粒之間的特異性相互作用力，”張說。

除了闡明埃博拉病毒與宿主細胞附著重要的生物力學參數之外，該團隊還通過實驗證明，TIM-Ebola病毒相互作用在機械上與粘附分子(例如，選擇蛋白)?配體相互作用相當。通過簡單的機械模型，他們進一步證明了分子結合參數如何確定它們是否足以用于病毒粘附。

該模型的目的是展示單分子測量如何與系統的其他物理特性結合，例如配體 - 受體對的密度和膜剛度，以預測病毒顆粒是否以及在何種程度上粘附到細胞上膜。該小組模擬附著是由TIM蛋白和病毒表面上的磷脂酰絲氨酸(據信介導病毒 - 宿主細胞附著)之間的粘附驅動，并通過膜彎曲抵抗。

“模型的簡潔性使我們能夠強調兩個無量綱參數組的重要性及其阻止粘附的潛在能力，”Jagota說。

張使用單分子力譜來監測，操縱和測量機械力。例如，在研究中，張將帶有病毒樣顆粒帶到表達TIM受體的細胞，觀察它們的相互作用，并將它們拉開以確定相互作用的機械強度，或拉動它們需要多大的力分開。

Jagota使用數學模型來理解埃博拉與細胞之間的相互作用，在這種相互作用中，什么屬性代表埃博拉病毒 - 它的剛度，形狀 - 以及它代表細胞的屬性 - 它表面呈現的成分。

“希望這種關于粘附生物力學的定量知識可用于預測埃博拉附著的條件，”Jagota說。“長期來看，目標是這些信息有助于實現新的藥理學目標，并有助于開發急需的抗病毒療法，以預防和治療埃博拉病毒。”