在正常，健康的循環(huán)條件下，馮維勒布蘭德因子(vWF)保持自身。大而神秘的多聚糖蛋白在血液中移動，緊緊地繃緊，其反應(yīng)部位未暴露。但是當(dāng)出現(xiàn)明顯的出血時，它就會起作用，開始凝血過程。

當(dāng)它正常工作時，vWF有助于止血并挽救生命。然而，世界上大約1%到2%的人口受到導(dǎo)致出血性疾病的vWF突變的影響。對于那些具有更罕見，更嚴(yán)重形式的人，可能需要以血漿置換形式的非常昂貴的治療。

另一方面，如果vWF在不需要的地方激活，它可以觸發(fā)中風(fēng)或心臟病發(fā)作。

更好地理解vWF功能如何導(dǎo)致藥物替代缺乏它的藥物。它還可能導(dǎo)致開發(fā)新的藥物或藥物載體，模仿蛋白質(zhì)的行為，從而更有效地提供藥物。

考慮到這一點，利哈伊大學(xué)的一個研究小組正致力于描述這種神秘的蛋白質(zhì)。在最近發(fā)表在Biophysical Journal上的一篇論文中，他們使用微流體裝置和熒光顯微鏡推進了vWF的剪切誘導(dǎo)拉伸反應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。此外，他們使用來自實驗參數(shù)化粗粒VWF模型的串聯(lián)布朗動力學(xué)模擬的結(jié)果來幫助解釋他們的一些來自實驗的中心觀察。這項工作闡明了栓系VWF的流動誘導(dǎo)生物力學(xué)響應(yīng)行為的進一步細節(jié)，并展示了與實驗一起使用的越來越復(fù)雜的粗粒度模型的功效和能力。

該論文稱為“束縛von Willebrand因子的剪切誘發(fā)的延伸反應(yīng)行為”，由材料科學(xué)與工程副教授Xuanhong Cheng撰寫;Alparslan Oztekin，機械工程和機械學(xué)教授;Edmund Webb III，機械工程和力學(xué)副教授;和Frank Zhang，生物工程和機械工程與力學(xué)副教授;以及博士生Michael Morabito和Yi Wang。

vWF at work

在輕微傷口的位置，血小板自身粘附在血管壁上的孔附近的膠原暴露部位并充當(dāng)栓塞，有效地阻止出血。然而，快速的血液流動使血小板很難做到這一點。幸運的是，von Willebrand因子識別出這種快速血流并激活：“如果你愿意的話，這是一個流動力學(xué)激活的事件，”韋伯解釋道。

球狀分子像Slinky一樣展開，拉伸至其原始尺寸的10倍并暴露其反應(yīng)部位。它緊貼著破裂的血管壁，暴露的膠原蛋白 - 血管壁的結(jié)構(gòu)蛋白 - 吸引血小板。然后，vWF在血液流過時從血液中捕獲血小板，就像膠原蛋白和血小板之間的橋梁一樣。

盡管vWF的生物學(xué)功能早已被科學(xué)家們所認識，但關(guān)于vWF如何發(fā)揮作用的具體細節(jié)，特別是在流動條件下，并不是很清楚。

“血液功能中的大多數(shù)蛋白質(zhì)都是通過生化反應(yīng)來執(zhí)行的，”Cheng說。“這種蛋白質(zhì)[vWF]也需要對其功能進行一些生化反應(yīng)，因此需要抓住血小板，抓住膠原蛋白 - 這些都是生化反應(yīng)。同時，vWF依靠機械刺激來執(zhí)行生化功能，這一部分并不是很有名。這就是我們要研究的內(nèi)容。“

Webb補充說：“我們小組中的一些數(shù)據(jù)以及其他群體的數(shù)據(jù)表明，那些生化反應(yīng)在某種程度上受到某種張力，拉力的影響。所以即使是生化反應(yīng)似乎也有點機械化再次，據(jù)了解，這種變化是從一個緊湊的，幾乎像球一樣的形狀，如果你愿意的話，到這個長而粗糙的東西。但是最近人們已經(jīng)表明它不僅僅是那個。對于這個化學(xué)網(wǎng)站來說要活躍，你必須拉動它，你必須在當(dāng)?shù)靥幱诰o張狀態(tài)。所以這是一個非常迷人的系統(tǒng)。“

解開A2

von Willebrand因子是一種特別大的蛋白質(zhì)，由許多單體組成，或者可以與其他相同分子結(jié)合形成聚合物的分子。在vWF的每個單體內(nèi)是不同的域：A，C和D.每個域和其各自的子域都有其自己的作用，并且許多這些角色尚不清楚。例如，A1結(jié)構(gòu)域?qū)WF與血小板結(jié)合。A3將vWF與膠原蛋白結(jié)合。A2結(jié)構(gòu)域展開以暴露蛋白質(zhì)的反應(yīng)位點，并且當(dāng)完全打開時，暴露出允許vWF分子斷裂至足夠大小的位點。團隊成員特別關(guān)注A2領(lǐng)域。

“我認為，了解這個領(lǐng)域以及它與流程如何相互作用是我們團隊的最佳貢獻，”奧茲特金說。

團隊的每個成員都扮演著特定的角色。程，張和他們的研究生在項目的實驗方面工作;Oztekin，Webb和他們的研究生專注于模擬。每個團隊的結(jié)果都會告知另一個團隊的工作。

多年來一直在研究vWF并將該項目帶到Lehigh的Zhang專門研究單分子力譜和機械傳感，或者細胞如何響應(yīng)機械刺激。他使用一種稱為光學(xué)鑷子的專用工具，利用聚焦激光束對小到一個原子的物體施加力。

“光學(xué)鑷子可以抓住微小的物體，”張解釋道。“我們可以抓住vWF，同時我們用力來看看蛋白質(zhì)如何變形，看看當(dāng)機械擾動或機械力時蛋白質(zhì)是如何被激活的。”

Cheng開發(fā)了微流體裝置，其具有小直徑并且可用于分析活的生物顆粒。她和她的團隊制作了類似于血管幾何形狀的非常小的通道 - 高度為10微米，長度和寬度為幾毫米 - 因此它們可以模仿vWF在體內(nèi)遇到的流動狀況。他們用熒光標(biāo)記vWF分子，并使用共聚焦顯微鏡捕獲分子在不同速率下流過通道時的視頻和靜止圖像。

“當(dāng)我們在正常流動下談?wù)撨@種蛋白質(zhì)時，它是一種構(gòu)象，然后當(dāng)它暴露于某些異常流動模式時，你會有不同的構(gòu)象，”Cheng解釋道。“因此，我們試圖在體外系統(tǒng)中表征或復(fù)制該過程，試圖觀察這種蛋白質(zhì)在不同流動模式下如何改變構(gòu)象。然后，如果我們有突變體與正常蛋白質(zhì)，它們將如何表現(xiàn)不同?”

博士生Yi Wang與Cheng在微流體通道上工作，他們可以觀察vWF分子在顯微鏡下實時再次展開和折回。要做到這一點，他們必須創(chuàng)造一個模仿體內(nèi)剪切速率或血流速度變化的環(huán)境。

“因為我們使用相當(dāng)高的剪切速率來與生理環(huán)境相媲美，并且由于顯微鏡鏡頭對分子進行成像的移動速度有限，如果分子移動，捕獲分子的運動實際上是非常具有挑戰(zhàn)性的，”王說。

為了解決這個問題，該團隊將分子的一側(cè)與通道表面結(jié)合，以在施加剪切力時將其固定。他們成功地抓住了視頻中正在發(fā)生的現(xiàn)象。

“如果[分子]結(jié)合得過緊，它就會停留在那里[而不是展開]，”王說。“如果它太松，一切都會被沖走。所以當(dāng)我們在表面上找到它的最佳位置時，我非常興奮，因此它可以展開并向后折疊。”

這項工作部分得到國家科學(xué)基金會資助DMS-1463234的支持，并利用了極端科學(xué)和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境，該環(huán)境得到了美國國家科學(xué)基金會批準(zhǔn)號ACI-1548562的支持。