·“我們用了新的追问光學技術觀察到蛋白質聚集體由液態向固態轉變的過程，這些變化可以快到小於一秒，探寻突破也可以慢到幾分鍾，神经首次這樣就可以地更好追蹤蛋白質聚集的疾病家观集聚级過程，在病理性蛋白聚集前阻止轉變發生。成因测蛋”

·“我們的科学發現有望從根本上提高對神經生成疾病的理解，這意味著一個有前途的白质新研究領域，可以更好地了解阿爾茨海默病和肌萎縮側索硬化症在大腦中的纳米發展情況。”

隨著人類壽命的追问增加，神經退行性疾病的探寻突破患病率逐年上升。病理性蛋白質聚集被認為是神经首次神經退行性疾病的重要特征之一，在阿爾茲海默病（AD）、疾病家观集聚级肌萎縮性側索硬化症（ALS）、成因测蛋帕金森病（PD）等疾病中，科学蛋白質聚集常被作為疾病診斷和分類的白质依據。然而，人們對於蛋白質聚集過程的認知仍然有限，這對神經退行性疾病的病因和治療形成掣肘。

近日，澳大利亞悉尼大學化學與生物分子工程學院研究員沈怡博士等人與劍橋大學、哈佛大學的科學家合作，開發出複雜的光學技術，可以近距離監測蛋白質聚集體的形成過程。相關研究報告已於2023年8月24日發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）。這是世界上首次對該過程進行納米級光學觀察，有望更好地了解神經退行性疾病在大腦中發生和發展的情況。

沈怡團隊接受澎湃科技專訪時解釋：“神經係統疾病的致病蛋白聚集過程一直非常難被觀測，因為它是在納米尺度（百萬分之一米的尺度）上的。現有的技術有電鏡、原子力顯微鏡還有熒光顯微鏡，但是這些大都隻能看到結果，很難看到轉變過程。我們用了新的光學技術觀察到蛋白質聚集體由液態向固態轉變的過程，這些變化可以快到小於一秒，也可以慢到幾分鍾，這樣就可以更好地追蹤蛋白質聚集的過程，在病理性蛋白聚集前阻止轉變發生。”

這項研究支持了一種新的理論：導致神經係統疾病的蛋白質聚集的前一步可能是液-液相分離（LLPS，Liquid-Liquid Phase Separation）。液-液相分離是指在特定條件下，由多種化學物質（如蛋白質、核酸等生物大分子）組成的混合物在液相（指物質呈現液體的狀態，且在這個係統裏隻有液體，沒有固體和氣體）中發生分離現象，形成兩個或更多相互獨立的液相。這些液相具有不同的物理和化學性質，可以通過物質傳輸機製（如擴散、輸送等）實現相互轉化。

一個更通俗的例子是，把水和油放在一起，即便一開始就攪拌它們，這兩種液體也會自發地分離開來，並形成界麵。液-液相分離就是指這種不同液體自發分離的現象。

液-液相分離本是高分子物理學中的概念，但近年來，越來越多的研究表明，液-液相分離的過程與生命過程密切相關。細胞內的蛋白質分子均以“液滴”形式存在於細胞質中，因此，生物細胞可以被當作一個結構複雜的混合液體。

許多影響大腦和神經係統的疾病都與細胞中蛋白質聚集體或固體冷凝物的形成有關，這些蛋白質聚集體由液體狀態轉變而成，這種從液體到固體的轉變會引發澱粉樣蛋白原纖維的形成，並進一步在神經元中形成斑塊，從而導致阿爾茲海默病等神經退行性疾病的發生。

沈怡團隊使用其開發的新光學技術重點監測了與肌萎縮性側索硬化症相關的FUS蛋白質，發現FUS蛋白會在一定條件下液-液相分離，形成蛋白液滴，然後這些液滴會從液態轉變到固態，形成弱凝膠。凝膠的形成起始於邊緣，蔓延到中心，最後形成核-殼結構。

FUS蛋白根據離子強度的變化進行液-液相分離，隨後冷凝物內的密度從均勻變為局部不均勻。圖片來源：悉尼大學研究團隊論文

肌萎縮性側索硬化症又稱“漸凍症”，是一種罕見病，全球範圍內，每1萬人中大約有6-9人患這種病，他們的身體肌肉會逐漸萎縮，直至癱瘓，但始終會保持清醒的意識。著名的天體物理學家霍金教授、京東前副總裁蔡磊、抗疫英雄張定宇都是漸凍症患者。

“（由液體向固體）轉變過程增加了聚集功能失調的風險，即人體細胞中形成不健康的固體蛋白質聚集體，”研究報告的主要作者沈怡表示，不健康的固體蛋白質聚集體可能導致與神經退行性疾病相關的異常結構，因為蛋白質不再表現出快速可逆性回到液體狀態。因此，監測冷凝物的動態具有重要意義，因為它們直接影響病理狀態。“我們的研究對人們從基礎角度去理解腦部疾病的發展上推進了一大步。”

此外，通過納米級光學觀察，該研究團隊能夠確定從液體蛋白質到固體蛋白質的轉變是從蛋白質冷凝物的界麵開始的。而且這些蛋白質聚集體的內部結構是異質的，而以前它們被認為是同質的。“我們的發現有望從根本上提高對神經生成疾病的理解，這意味著一個有前途的新研究領域，可以更好地了解阿爾茲海默病和肌萎縮側索硬化症在大腦中的發展情況，未來有可能影響到全世界數百萬人。” 悉尼大學生物醫學工程學院高級講師、悉尼大學納米研究所成員丹尼埃爾·維戈洛（Daniele Vigolo）博士表示。

沈怡團隊告訴澎湃科技，其研究的局限性在於很難觀察在細胞內的特定蛋白，下一步，他們希望結合熒光標記來解決這個問題。

既往的研究發現，Tau蛋白在阿爾茲海默病中發揮作用，其疾病特征為Tau蛋白構象的異常和致病變化、蛋白的寡聚以及Tau蛋白磷酸化的增加。2020年6月，《自然-通訊》（Nature Communications）發表的一篇文章揭示Tau蛋白會發生液-液相分離，這可能促進非絲狀病原性Tau蛋白構象的形成。沈怡團隊向澎湃科技表示，日後這項光學技術也可以用於進一步研究Tau蛋白的聚集過程。