許多包膜病毒諸如人類免疫缺陷病毒（即艾滋病毒，HIV），埃博拉病毒、流行性感冒病毒（IFV）和冠狀肺炎病毒等致命性病毒對(duì)人類健康和公共衛(wèi)生構(gòu)成了持續(xù)的威脅。因此，關(guān)于病毒開展的各方面研究備受關(guān)注。其中，包膜病毒的細(xì)胞膜滲透行為是病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，感染宿主細(xì)胞等一系列事件中的關(guān)鍵步驟。在病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的過程中，包膜病毒如何與宿主細(xì)胞受體相互作用以及病毒膜包膜自身如何經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化，最終進(jìn)入宿主細(xì)胞的病毒-細(xì)胞膜滲透行為的研究，能為開發(fā)新型抗病毒療法和疫苗提供有利信息。

近年來，流感病毒（IFV， 結(jié)構(gòu)示意圖1）已被用作包膜病毒的原型來研究病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的過程。IFV中血凝素（HA）是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA負(fù)責(zé)IFV與宿主細(xì)胞受體的連接，并在病毒進(jìn)入過程中參與介導(dǎo)膜融合。眾多研究已經(jīng)為靶標(biāo)和病毒膜之間的融合機(jī)制建立了一個(gè)公認(rèn)的模型。該模型認(rèn)為只有在靶標(biāo)和病毒膜發(fā)生膜融合時(shí)才可形成孔從而介導(dǎo)病毒-細(xì)胞膜滲透行為。然而，其他報(bào)道也觀察到在融合發(fā)生之前靶標(biāo)和病毒膜的破裂。此外，關(guān)于腺病毒蛋白與宿主細(xì)胞的研究顯示，宿主細(xì)胞膜可能在沒有膜融合的情況下被破壞而進(jìn)入病毒。另一方面，病毒包膜和靶宿主細(xì)胞膜具有不同的化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)，各個(gè)膜中形成孔的要求不同，因此靶宿主或病毒膜破裂也可能獨(dú)立地被誘導(dǎo)。

圖1 流感病毒示意圖 （圖片來自百度百科）
 

綜上所述，關(guān)于病毒-細(xì)胞膜滲透行為的機(jī)理還存在一定的爭(zhēng)議，明確單個(gè)病毒與宿主細(xì)胞的復(fù)雜融合機(jī)制，可為設(shè)計(jì)抗病毒化合物提供有利信息。然而，常規(guī)的病毒整體融合測(cè)定法是對(duì)膜融合事件的集體響應(yīng)，不能對(duì)細(xì)微、尤其是在納米尺度復(fù)雜的融合細(xì)節(jié)進(jìn)行直接和定量的研究，因此無法直接量化一些可以通過研究單個(gè)病毒、納米尺度表面糖蛋白和脂包膜來獲得的融合細(xì)節(jié)。例如，病毒感染過程在分子水平上引起的病毒膜和宿主細(xì)胞膜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成改變，可以通過分子特異性紅外光譜技術(shù)來探測(cè)。然而，單個(gè)病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于紅外光的衍射極限，限制了單個(gè)病毒的紅外光譜研究。因此，找到一個(gè)既可以提供納米高空間分辨率，還能探測(cè)機(jī)械、化學(xué)特性（分子特異紅外光譜）和環(huán)境影響的工具，使其可在單病毒水平上研究病毒膜融合過程是十分重要的。

德國(guó)neaspec公司經(jīng)多年研發(fā)的納米分辨傅里葉紅外光譜和成像系統(tǒng)（nano-FTIR & neaSNOM）采用化的散射式核心設(shè)計(jì)和準(zhǔn)外差技術(shù)以及獨(dú)特的寬光譜高能激光器（光譜范圍：650—4000 cm^-1），基于傳統(tǒng)傅里葉紅外光譜的核心原理，使得光譜和成像信息直接源于光學(xué)信號(hào)，無需光-熱、光-力等復(fù)雜信號(hào)的轉(zhuǎn)換，能對(duì)空間分辨率低至10 nm的樣品進(jìn)行直接的紅外光譜及成像測(cè)量，提供與傳統(tǒng)傅里葉光譜完全一致的紅外光譜測(cè)量結(jié)果。因此，德國(guó)neaspec公司的納米分辨傅里葉紅外光譜與成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高分辨率單個(gè)病毒、表面糖蛋白和脂包膜的原位光譜、化學(xué)圖譜和結(jié)構(gòu)鑒定，以及病毒與環(huán)境觸發(fā)因素和細(xì)胞的相互作用研究，是單病毒水平上研究病毒膜融合過程的工具。
 

圖2 德國(guó)neaspec公司納米分辨傅里葉紅外光譜與成像系統(tǒng)（ nano-FTIR & neaSNOM）實(shí)物圖

來自美國(guó)喬治亞大學(xué)和喬治亞州立大學(xué)的Sampath Gamage和Yohannes Abate等研究者采用 nano-FTIR & neaSNOM研究了單個(gè)原型包膜流感病毒X31在不同pH值環(huán)境中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)，還定量評(píng)估了在環(huán)境pH值變化期間,抗病毒化合物（化合物136）阻止病毒膜破壞的有效性，提供了一種抑制病毒進(jìn)入細(xì)胞的新機(jī)制。

nano-FTIR和neaSNOM對(duì)流感病毒 X31的近場(chǎng)紅外光譜及成像研究提供了高空間分辨的優(yōu)異光譜和成像結(jié)果，具體結(jié)果如下：

1. 能清楚觀察到單個(gè)流感病毒的形貌（高度20-30 nm, 大小約70-100 nm）；

2. 不同紅外波長(zhǎng)下病毒紅外吸收對(duì)比明顯；

3. HA富集在病毒包膜外（對(duì)比圖3 中f和g:包膜外1088 cm^-1無紅外吸收信號(hào)，1659 cm^-1 有紅外吸收信號(hào)，蛋白質(zhì)在1659 cm^-1 有吸收而在1088 cm^-1沒有）；

4. nano-FTIR 能獲取到病毒蛋白紅外光譜（1500-1750 cm^-1范圍 Amide I 和Amide II 峰）；

5. nano-FTIR 能獲取到病毒的脂類、磷酸鹽和RNA的紅外光譜（1290-1050 cm^-1范圍）。

圖3 流感病毒的neaSNOM近場(chǎng)光學(xué)紅外成像 (pH 7.4) a)：實(shí)驗(yàn)示意圖；b)：病毒形貌成像（標(biāo)尺 100 nm）；c-e)：不同紅外波長(zhǎng)下近場(chǎng)光學(xué)相位成像（紅外吸收）；f） 和 g)：b,c）和 b, e)紅色虛線相應(yīng)的截面分析
 

圖4 流感病毒的nano-FTIR光譜及高光譜成像(pH 7.4)A)：nano-FTIR紅外吸收光譜（pH 7和pH 5）； B)：病毒形貌及高光譜成像（標(biāo)尺 100 nm）
 

綜上所述，在該研究工作中，作者對(duì)單個(gè)流感病毒顆粒進(jìn)行了光譜和成像實(shí)驗(yàn)，研究了各種pH值變化環(huán)境中以及與抗病毒化合物相互作用時(shí)病毒蛋白和脂質(zhì)雙層的化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明在不存在靶細(xì)胞膜的情況下，降低pH環(huán)境依然會(huì)造成病毒包膜破裂，這與當(dāng)前的病毒融合模型相反。此外，融合抑制劑化合物136可以有效阻止低pH環(huán)境引起的病毒包膜破壞。除流感病毒外，德國(guó)neaspec公司提供的nano-FTIR和neaSNOM技術(shù)同樣可能適用于其他包膜病毒（例如，HIV、冠狀肺炎病毒等）的研究，并能為基礎(chǔ)病毒學(xué)研究提供新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]Sampath Gamage, Yohannes Abate et al.， Probing structural changes in single enveloped virus particles using nano-infrared spectroscopic imaging， PLOS ONE.