与粘液成分结合的分子集中在膜的一侧

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人体充满了粘液。这种粘稠的粘性物质不仅仅是令人讨厌的咳嗽或打喷嚏 –
它可能与药物,毒素或微生物结合,可能会影响人类健康。

对于健康的人来说,粘液是我们的朋友。它捕获潜在的病原体,因此我们的航空公司可以在它们对我们的肺部造成伤害之前发送令人讨厌的虫子。但对于患有囊性纤维化(CF)和慢性阻塞性肺病(COPD)等疾病的人来说,粘液会变得太稠和粘稠;单独咳嗽不能清除它。感染发展,导致严重的慢性疾病和早逝。现在,UNC医学院和杜克大学的科学家们第一次证明了为什么咳嗽常常不能将粘液分开并远离呼吸道衬里。他们展示了如何使粘液更薄更粘,因此咳嗽可以成为一种治疗辅助。

然而,对这种相互作用知之甚少。现在,研究人员在ACS的生物大分子中报告称,他们已经开发出一种分析粘液结合的新方法,可以促进更好的药物开发。

这项发现发表在美国国家科学院院刊上,有助于解释CF如何随着时间的推移伤害肺部,并强调了改变粘液足以立即缓解CF患者的治疗方法的重要性。结合从细胞生物学到材料科学的一系列科学学科,研究人员建立了迄今为止最实际的实验系统,用于测试影响美国数百万人的气道疾病(包括COPD和哮喘)中粘液的机械性质。这项研究开发的工具将帮助我们测试改善清除失败的几种重要疾病中粘液清除的策略,主要作者,生物化学和生物物理学副教授兼UNC囊性纤维化研究和治疗中心成员Brian
Button博士说。在UNC-Chapel
Hill。杜克大学机械工程与材料科学系教授迈克尔鲁宾斯坦说:我们测量了将粘液与气道内层结合的粘合力以及将粘液粘在一起的粘合力,并确定了几种具有前景的药剂降低粘液粘合力和粘性相互作用的强度。

粘液是一种水基物质,主要由粘蛋白组成,大蛋白质上含糖,提供其标志性的粘性物质。它可作为肺,胃和其他器官的保护层。囊性纤维化和哮喘等疾病导致粘液过量产生,因此更好地了解各种物质如何粘附在粘性物质上可以帮助研究人员开发更好的治疗方法。以前的研究范围有限,或者依赖于间接测量。这就是为什么Jacob
Witten,Tahoura Samad和Katharina
Ribbeck开发出一种新技术来测量一系列分子以及它们如何在粘液中结合粘蛋白和其他生物聚合物。

在健康人群中,粘液含有98%的水分。它排列气道以捕获颗粒,包括细菌和其他微生物,然后到达肺部。不到1%的普通粘液由长而粘稠的链状蛋白质组成,称为粘蛋白,使粘液具有凝胶样特性。CF,慢性支气管炎和其他粘液阻塞性疾病的特征是粘液比正常粘液和弹性更显着,几乎像明胶一样,因为它含有粘蛋白。例如,在CF粘液中,粘蛋白的数量跃升至10%,水量减少至79%。虽然CF粘液仍然主要是水,但即使粘蛋白含量的微小变化也会对粘液粘弹性产生显着影响。

研究人员的新策略是基于平衡透析。粘蛋白或其他粘​​液成分位于透析膜的一侧。与粘液成分结合的分子集中在膜的一侧,而未结合的分子在两侧具有相同的浓度。他们的新工作流程使他们能够分析数千个小分子与粘液成分的结合。通过该方法,研究人员发现了一种与粘蛋白结合相关的先前未知的模式或基序。他们说该策略可以促进治疗与粘液过量产生相关的疾病的新进展。

通常,咳嗽反射产生高速气流,将粘液撕开并同时从气道衬里撕裂。但科学家们从未完全理解为什么咳嗽不能清除粘液阻塞性疾病如CF的粘液。在2018年加入杜克大学之前,UNC-Chapel
Hill的长期研究员鲁宾斯坦的理论工作指导下,UNC的研究人员开发了一种复杂的系统,用于测试移除和破坏正常和CF型粘液所需的机械力。科学家们首先从移植患者的肺部取出气道内衬细胞,并在实验室培养皿中培养。这些细胞产生了它们自己的粘液层。巴顿说:它们看起来像真正的气道衬里的微型版本。

由于粘液是一种非常软的凝胶,研究人员开发出一种嵌入小网状物的技术,这种网状物与粘液牢固结合。然后通过丝线将该网状物连接到具有力传感器的马达,以量化拉动和撕裂粘液所需的力。这使他们能够测试粘液的粘合力和粘合力。并且他们可以比较正常粘液和CF粘液中的这些力。当粘蛋白与水的比例高于正常水平时,我们发现粘液的粘性和粘性强度会急剧增加,巴顿说。在CF粘液中,这些强度超过了咳嗽产生的力量。这意味着咳嗽会大大降低清除粘液的能力。

UNC和Duke的研究人员也使用这个实验装置来测试两种流行类型的CF治疗对CF粘液性质的疗效。一种治疗方法

  • 吸入盐水和高渗盐水(体内比水更咸) –
    增加粘液中的水含量,使其变薄。其他类型的治疗 – 所谓的粘液溶解疗法 –
    通过切碎或分离粘蛋白分子来降低其粘液硬化能力,使粘液不那么粘稠和弹性。研究小组发现,这两种治疗方法都能很好地降低CF粘液的粘合力和粘合强度。对于患者来说,这些类型的治疗之一应该有所帮助,巴顿说。但它们的效果是相加的,所以两者结合起来可能会更好。我们的研究表明,这种方法可以让咳嗽变得对这些患者有益,就像我们与其他人对抗不太严重的疾病时一样,比如病毒。研究人员现在计划使用他们的实验系统来研究粘液的特性以及治疗对其他气道疾病的影响。

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