综述：《欧洲生物物理杂志2025年奖项：认识亚细胞、细胞与组织层面的生物物理科学》

《European Biophysics Journal》：The European Biophysics Journal Prizes 2025: Recognising biophysical science at sub-cellular, cellular and tissue levels of organisation

这篇综述阐述了《欧洲生物物理杂志》2025年奖项表彰的三项杰出研究，它们分别聚焦于神经递质摄取、红细胞机械感知和气道纤毛运输。文章精彩地展示了从分子（如SV、谷氨酸转运体、Piezo1通道）到组织（如气管粘膜纤毛清除）等不同生命组织层次的生物物理学前沿探索，揭示了物理原理如何驱动关键的生物学功能。

　　

突触小泡：挑战分散系统中的异质性

生物物理学的一项基本挑战在于理解异质系统的组织特性，这些特性可能是其独有的，甚至对其功能至关重要。突触小泡（Synaptic Vesicles, SVs）在大小、组成和构象上（包括其特有的驻留蛋白，如谷氨酸转运体的位置）都存在异质性。由Komorowski等人开展的获奖研究采用了小角X射线散射（Small-angle X-ray scattering, SAXS）技术，在支持神经递质谷氨酸主动摄取的条件下，对突触小泡的尺寸分布和更精细的结构进行了表征。研究发现，电子密度谱分析（SAXS和最强大的应用之一）为突触小泡膜蛋白的构象变化以及双层结构的变化提供了证据，这些变化也可能包括蛋白质的位置变化或构象变化。

该研究的成就之一是认识到了SAXS技术本身的局限性，并强调了其他互补技术对于更精细表征的重要性。作者通过模拟证明，未来使用自由电子激光脉冲的串行X射线衍射（X-ray free-electron laser, XFEL）方法，原则上可以获得关于囊泡蛋白相对位置和尺寸的直接信息。该研究强调了应对异质性的两种不同途径：要么着眼于结构中共同的区域（尽管它们的大尺度分布可能是异质的），要么考察个体案例（正如现代集成冷冻电镜技术以其自身方式所做的那样）。

细胞膜的压力感知：下游效应的直接观察

由Wang等人开展的研究背景涉及机械敏感性钙通道（如Piezo1）的活动，它们是机械刺激的关键传感器，并通过钙激活的钾通道K_Ca3.1等下游调节红细胞（以及其他细胞）的体积。对于红细胞而言，钾离子水平的改变会影响细胞体积和变形能力，钾外流导致细胞皱缩，这在生理上有助于细胞的清除。

为此，Wang等人开发了一种荧光耦合的微管吸液技术，使他们能够在单细胞水平上观察机械效应如何影响钙离子内流。为了区分压力的影响，他们使用了两种不同的吸液诱导装置：水压计（施加-2.94至0 mmH₂O）和气动高速压力钳（-25至0 mmH₂O），并通过钙敏感染料Cal-520检测钙内流。通过这种方式，作者能够计算出受控条件下细胞内钙浓度的变化，并且同时可视化形态的变化。

研究结果表明，水压计是进行细胞操作且能最小化压力诱导效应预激活的有用工具；而压力钳则作为直接施加压力以研究其对细胞内变化影响并实时探测机械传感的工具。引人注目的是，Wang等人发现增加的吸液（机械应变）可以触发钙机械敏感通道的激活，使内部钙浓度增加到正常生理水平的100倍。作者采用的方法显然有能力与生物膜力探针或光镊研究互补。

纤毛波与运输效应：不同的结构与路径

Burn等人在组织层面进行了生物物理研究，他们使用高速视频反射显微镜对异时波场（由纤毛运动产生的场）及其导致的粘膜纤毛反应（运动）进行成像和定量表征。他们工作的目的是：建立适用于所有物种的、描述粘膜纤毛波场与粘膜纤毛运输之间关系的通用模型，并假设粘膜纤毛运输将始终遵循气管的纵轴方向。

然而，他们发现所寻求的跨物种模型并不存在，因为不同物种在波产生、波与气管的对齐方式以及异时波与其物质移动的关系方面存在根本性差异。在最基本的层面，他们发现纤毛运动与最终粘膜纤毛运输之间的关系在鸟类和哺乳动物中存在根本性不同。

该研究克服了一个基本困难，即需要在尽可能接近原生条件的离体样本中观察纤毛运动及其效应，因为纤毛运动的协调被认为是通过粘弹性工作介质进行流体动力学耦合的结果，因此所使用的介质对观察到的活动至关重要。通过研究空气-液体界面，他们能够利用反射显微镜观察黏液表面的调制，并测量了纤毛搏动频率（ciliary beating frequency, CBF）、异时波长、异时波传播速度和由此产生的粘膜纤毛运输速度。

作者的一个基本发现是，在所有研究的哺乳动物中，异时纤毛运输方向偏离气管长轴，而是遵循左旋螺旋轨迹；而在鸟类中，两者基本对齐。此外，鸟类表现出极高的粘膜纤毛运输速度，是哺乳动物的三到五倍。这种差异在考虑清除效率时可能更为显著，这大概是由于鸟类的异时纤毛运输轨迹比哺乳动物的螺旋路径更直接。

尽管如此，粘膜纤毛运输方向的过程本质上与各自异时波的方向一致，并略微倾向于负值（在波后移动）。显然，波的移动与物体运输是相关的。但引人注目的是，异时波的传播速度在哺乳动物中是运输速度的4-8倍，而在鸟类中，波传播速度与运输速度大致相同——这再次（可能）解释了哺乳动物中波围绕气管长轴的螺旋轨迹。

为什么鸟类和哺乳动物在纤毛搏动、异时波和物质运输之间表现出如此不同的关系？研究指出，鸟类使用气囊进行肺部通气，且它们的气管平均比体型相当的哺乳动物长2.7倍、宽1.3倍。但正如研究开始时所指出的，需要牢记的重要因素还包括异时波如何被认为是通过局部流体动力学自组织形成的，以及独特粘膜特性的影响。除了这些流变学条件外，几何因素如纤毛间距、纤毛方向、纤毛细胞的比例和分布，以及其下低粘度液体外周纤毛层的深度等也都是相关因素。

结论

如上所述，这三项出色的研究展示了亚细胞、细胞和组织层面的生物物理学，从而彰显了《欧洲生物物理杂志》所推崇和发表的科学在阐明基本生物过程基础方面的力量。