光学-分子動力学計算融合による細胞膜損傷の分子レベルでの理解と定量化技術の開発

从分子水平了解细胞膜损伤，并结合光学和分子动力学计算开发定量技术

• 批准号: 21K19903
• 负责人: 中村 匡徳
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K19903/
• 关键词: 細胞膜; SHG; 分子動力学; 損傷; 細胞膜損傷

細胞膜は細胞内外を隔てる境界である．膜の損傷は，赤血球の崩壊である溶血や心筋細胞の機能異常である心不全などの疾患に直結する．しかしながら，膜の損傷度を定量化する技術は現存せず，現象の理解が遅れている．本研究では，光学技術に基づく細胞膜の分子レベルの損傷度の定量化法を確立する．また，分子動力学計算により膜損傷の物理を理解するとともに，SHG光観察系により力学負荷を与えたリポソームの膜損傷を定量化することに挑戦する．細胞膜単体ではSHG光を出さないため，SHG光観察のため，Ap3と呼ばれる色素分子を細胞膜に添加する．実験により，電気穿孔法により細胞膜に損傷を与えると，SHG光が低下することをこれまでに確認している．そこで，細胞膜に損傷与えると，なぜSHG光が低下するのかを明らかにするために，分子動力学計算を用いて，膜損傷（孔形成）と色素分子（Ap3）の膜層間移動の関係を調べた．孔があるリン脂質二重膜系と孔がないリン脂質二重膜系を用意し，Ap3の層間移動に関する自由エネルギを計算した．その結果，孔なしに比べ，孔ありでの自由エネルギ障壁の高さは極めて低く，孔がない部分に対して孔がある部分ではAp3の移動速度が10の29乗倍速くなることを明らかにした．また，孔がない部分での色素の移動はほぼ無視できると見積もることができた．以上より，Ap3の層間移動は主に膜に生じた孔を介して起こり，孔以外の部分での層間移動は無視できることが分かった．

细胞膜是分隔细胞内部和外部的边界。膜损伤与溶血（红细胞分解）和心力衰竭（心肌细胞功能异常）等疾病直接相关。然而，目前还没有技术可以量化膜损伤的程度，而且对这种现象的理解也很滞后。在本研究中，我们将建立一种基于光学技术的在分子水平上量化细胞膜损伤程度的方法。此外，我们将尝试通过分子动力学计算来了解膜损伤的物理原理，并使用二次谐波光学观测系统量化受到机械载荷作用的脂质体的膜损伤。由于细胞膜本身不发出SHG光，因此将一种称为Ap3的染料分子添加到细胞膜上以进行SHG光观察。迄今为止的实验已证实，当细胞膜因电穿孔而受损时，SHG 光会减弱。因此，为了阐明细胞膜受损时SHG光减弱的原因，我们利用分子动力学计算来研究膜损伤（孔形成）与膜层间色素分子（Ap3）运动之间的关系。我们制备了有孔的磷脂双层膜系统和无孔的磷脂双层膜系统，并计算了Ap3的层间运动的自由能。结果表明，有孔的自由能势垒高度远低于无孔的自由能势垒，Ap3在有孔的区域的移动速度比无孔的区域快10^29倍。此外，我们能够估计染料在没有毛孔的区域中的移动几乎可以忽略不计。由上可知，Ap3的层间运动主要通过膜中形成的孔隙发生，孔隙以外区域的层间运动可以忽略不计。

项目成果

HG輝度計測に基づく細胞膜構造変化の可視化：分子動力学計算による検証

基于 HG 亮度测量的细胞膜结构变化可视化：使用分子动力学计算进行验证

• 发表时间: 2022
• 作者: 高木 麗弥，重松 大輝，氏原 嘉洋，杉田 修啓，中村 匡徳

SHG輝度計測に基づく細胞膜構造変化の可視化：分子動力学計算による検証

基于倍频亮度测量的细胞膜结构变化可视化：使用分子动力学计算进行验证

• 发表时间: 2022
• 作者: 芳川昌功;石川卓哉;大野栄三郎;田中浩敬;飯田忠;西尾亮;鈴木博貴;植月康太;八鹿潤;山田健太;宜保憲明;青木聡典;片岡邦夫;森裕;川嶋啓揮;藤城光弘;高木 麗弥，重松 大輝，氏原 嘉洋，杉田 修啓，中村 匡徳
• 通讯作者: 高木 麗弥，重松 大輝，氏原 嘉洋，杉田 修啓，中村 匡徳