东方时讯网夏季的海滩游客对水母蜇伤的痛苦再熟悉不过了。但水母、珊瑚和海葵的刺细胞实际上是如何工作的呢?斯托尔斯医学研究所的新研究揭示了小海葵Nematostellavectensis的刺细胞器(或刺丝囊)的精确操作模型。这项研究由马特·吉布森博士实验室的博士前研究员艾哈迈德·卡拉布鲁特领导，涉及使用尖端的显微成像技术，以及生物物理模型的开发，以全面了解仍然存在的机制。一个多世纪以来难以捉摸。
研究人员表示，这项工作的见解可能有助于带来新的临床发展，包括微观治疗输送设备的设计。吉布森说：“了解这种复杂的刺痛机制可能对人类有潜在的未来应用。”“这可能会导致新的治疗或靶向药物输送方法的开发以及微型设备的设计。”吉布森和同事在《自然通讯》上发表了一篇题为“刺胞动物刺细胞器的结构和操作机制”的论文，报告了他们的研究。
作者写道，水母、海葵和相关刺胞动物的带刺细胞器是“非凡的细胞武器”，可用于捕食和防御。线虫囊由一个加压胶囊组成，胶囊内有一根卷曲的鱼叉状线，可输送神经毒素的混合物。研究人员解释说：“当被触发时，胶囊会放电，像鱼叉一样喷射出细线，刺穿目标，并通过从内到外的翻转过程迅速拉长。”“在细胞水平上，线虫囊放电是自然界中最快的机械过程之一，已知在水螅线虫囊中可在三毫秒内完成。”事实上，压力驱动的胶囊爆炸和随后的线喷射的初始阶段发生在700纳秒的时间内。
先前的研究表明，线虫囊的高速排出是由胶囊内渗透压的积累驱动的，在排出过程中，弹性拉伸的胶囊壁通过强大的弹簧机制释放能量。作者说：“在触发后，但在释放之前，由于水的快速流入，胶囊的体积大约增加了一倍。”“这会导致基质渗透膨胀并拉伸胶囊壁。随后利用这种能量高速喷射线，从而冲击并穿透目标组织。”
尽管不同种类的刺胞动物的线虫囊特征在胶囊大小和线形态方面确实存在很大差异，但它们都以相似的方式运作，并具有由爆炸弹射驱动的可翻转小管。
斯托尔斯团队的刺细胞功能模型为了解极其复杂的刺丝囊结构和激发机制的详细性质提供了重要的新见解。卡拉布鲁特和吉布森与斯托尔斯研究所技术中心的科学家合作，利用先进成像、三维电子显微镜和基因敲低方法发现，刺穿和中毒目标所需的动能涉及渗透压和储存的弹性能在多个线虫囊亚结构内。
“我们利用荧光显微镜、先进的成像技术和3D电子显微镜与遗传扰动相结合来了解线虫囊的结构和运行机制，”Karabulut说。
研究人员利用最先进的方法，将N.vectensis刺丝囊在发射过程中的爆炸放电和生物力学转变分为三个不同的阶段。第一阶段是最初的射弹状放电和来自线虫囊的密集盘绕线的目标穿透。这一过程是由水的突然流入和胶囊的弹性拉伸引起的渗透压变化驱动的。
第二阶段标志着线轴子结构的放电和伸长，通过外翻过程(轴由内向外翻转的机制)释放的弹性能量进一步推动线轴子结构的释放和伸长，形成三螺旋结构以包围脆弱的内管，内管装饰有含有混合毒素的倒刺。在第三阶段，小管开始其自身的外翻过程，伸长到目标的软组织中，并沿途释放神经毒素。
“......我们得出的结论是，线虫囊的运作发生在三个阶段，涉及轴的复杂转变和小管的伸长，在此期间，存储在整体结构中的能量转化为动能，”该团队在论文中指出。“轴执行两个关键功能：首先作为压缩注射器穿透目标角质层;第二个是作为细管通过的保护性隧道。”
整个蛰刺操作仅在千分之几秒内完成。“刺丝囊放电的最早阶段非常快，很难详细捕捉，”卡拉布鲁特说。正如基础生物学研究中有时会发生的那样，最初的发现是好奇心的意外。卡拉布鲁特将荧光染料注入海葵中，以观察当富含线虫囊的触手被触发时它会是什么样子。在应用了多种解决方案组合来激活线虫囊放电并同时在时间和空间上保留其精致的亚结构后，他发现自己在不同的放电阶段偶然捕获了多个线虫囊。
“在显微镜下，我看到了触手上放电线的惊人快照。这就像一场烟花表演。我意识到线虫囊部分释放了它们的线，而我同时使用的试剂并立即固定了样品，”卡拉布鲁特说。“我能够捕捉到图像，这些图像显示了在精心策划的烧制过程中线的几何变换。经过进一步检查，我们能够充分理解刺丝囊线在运行过程中的几何变换。”
阐明海葵中线虫囊发射的复杂编排对于工程显微装置的设计具有一些有趣的意义，吉布森实验室和斯托尔斯研究所技术中心之间的合作可能在未来的应用中在细胞水平上向人体输送药物。
“……这项研究证明了刺丝囊作为一种复杂的自组装生物微型机器的操作能力，”作者总结道。“我们认为这些古老而复杂的细胞器代表了受生物启发的微型设备的理想模型，可用于从医疗技术到材料科学的各种应用。”