细胞膜是细胞抵御SARS-CoV-2的最外层防线，SARS-CoV-2是导致COVID-19疾病的新型冠状病毒。

　　细胞膜只有几纳米厚，但却是生命所必需的。它们充当细胞内部和周围环境之间的屏障，并主持细胞功能所需的许多活动。

　　来自弗吉尼亚理工大学和美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员正在利用中子散射来研究细胞膜和病毒是如何相互影响的，以及哪些治疗候选药物可以使细胞膜更能抵抗病毒的侵入。这些信息可以帮助专家设计减缓病毒感染进程和减少其有害影响的策略。

　　这反过来又可以减少住院人数，减少医疗设施不堪重负的风险。

　　冠状病毒借助从自身膜层伸出的刺突蛋白劫持人类细胞，使病毒具有冠状外观。刺突蛋白附着在细胞表面，帮助病毒和细胞膜合并。一旦膜融合，病毒就可以进入细胞并复制自己，将感染传播到全身。

　　通过确定冠状病毒如何穿透细胞膜，科学家可以开发出阻止这一过程的治疗方法。许多研究人员正在探索通过靶向刺突蛋白来对抗病毒的方法，但很少有人关注感染过程开始的地方:细胞膜。

　　领导这项研究的弗吉尼亚理工大学物理学助理教授、前ORNL沙尔研究员拉纳·阿什卡尔(Rana Ashkar)说:“病毒要想活跃，就必须穿过细胞膜。”“已经完成的大部分工作都集中在使刺突蛋白本身失活上。然而，我们想要了解刺突蛋白是如何与膜相互作用的，以及什么样的治疗方法可以通过靶向膜的特性来间接阻断这种相互作用。”

　　Ashkar和她的研究小组研究生物膜模型的结构和动力学，以深入了解细胞膜的功能。当COVID-19开始传播时，她利用实验室的资源帮助科学界更好地了解冠状病毒感染。

　　他们与ORNL的研究人员合作，建立了对允许病毒进入的膜特性的分子理解，膜在与病毒接触时如何变化，以及什么样的膜修饰可以抑制感染过程。

　　“ORNL在分析生物膜的纳米结构方面处于国际领先地位。由于我们的专业知识、合作者网络和中子散射能力，我们能够迅速将研究重点转向更好地了解冠状病毒和某些其他化合物如何影响膜，”卡萨拉斯说。

　　该项目还利用了实验室内广泛的专业知识。“在ORNL，我们能够与许多领域的专家合作，比如物理、化学和生物学，”ORNL生物科学部的细胞和分子真菌遗传学家杰西·拉伯勒说。“当危机开始时，我们将这些综合知识应用于开发研究项目，以解决与大流行相关的一些最大挑战。”

　　该团队正在使用ORNL的散裂中子源(SNS)的液体反射仪(LIQREF)来检查膜和病毒刺突蛋白的构象，以及某些候选治疗方法的效果。有了这个仪器，科学家们可以测量中子与不同生物材料相互作用时的轨迹。然后，他们利用这些信息来确定样品在分子水平上是如何组织的。

　　ORNL的博士后助理研究员Minh Phan说:“使用这种技术，我们可以捕捉到膜的结构，并评估在生理条件下，当膜与刺突蛋白或治疗性化合物接触时，分子细节会发生什么变化。”

　　Ashkar说，生物膜具有纳米级的轮廓，这使得研究人员调查它们的结构和研究它们的行为具有挑战性。然而，中子能够以高分辨率探测生物材料而不损害它们。她说，中子散射是探索病毒和候选治疗药物如何在纳米尺度上与膜相互作用的少数可用技术之一。

　　中子也是这项研究的理想选择，因为它们可以区分氢和它的同位素，比如氘。阿什卡尔说:“通过选择性地用氘原子取代膜样品中的氢原子，我们有能力改变中子‘看到’事物的方式，这样我们就可以放大某些方面，而完全模糊其他方面。”

　　“当我们改变样品中氢和氘的含量时，我们可以确定膜内的不同特征，”ORNL仪器科学家约翰·安克纳补充道。“通过编译所有这些测量结果，我们可以创建一个结构模型，就像把拼图游戏的碎片放在一起一样。”

　　研究人员用一种膜模型进行了他们的实验，这种模型与人类肺部细胞膜的形状和组成非常接近，呼吸道病毒感染主要发生在人体肺部。这些样品是由SNS的科学助理玛丽·奥多姆(Mary Odom)制备的。利用LIQREF，研究小组首先表征了膜的原始结构。然后，他们测量了暴露于褪黑激素或阿奇霉素时膜的特性是如何变化的——医学专家目前正在研究这些常用产品，作为缓解COVID-19症状的可能治疗方法。

　　褪黑素是大脑产生的一种天然激素，在调节睡眠周期中发挥作用。合成褪黑素补充剂主要用于时差反应和睡眠障碍，但也被用于减轻各种感染的症状。阿奇霉素是一种抗生素，用于治疗各种感染，如支气管炎和肺炎。

　　阿什卡正在弗吉尼亚理工大学领导其他的表征实验，以进一步研究这些产品如何影响膜组织。最初的结果表明，当引入褪黑素或阿奇霉素时，细胞膜更紧密地聚集在一起。这种变化可能会使病毒刺突蛋白的膜侵入更具挑战性。

　　研究小组将把病毒刺突蛋白加入到膜样品中，并分析蛋白质-膜复合物的各种因素。这些包括刺突蛋白如何与膜结合，蛋白质的插入机制，以及膜对蛋白质的反应，例如其压缩或刚度的变化。然后，研究小组将检查这些相互作用是否在治疗候选药物存在时被破坏。

　　中子散射的研究主要由Ankner和Phan完成。此外，ORNL博士后研究助理Jacob Kinnun进行了补充实验，探索这两种化合物如何影响膜样品的分子包装和结合动力学。

　　Pat Collier是ORNL纳米材料科学中心的一名研究员，他研究了由脂质包裹的水滴形成的膜，以获得关于膜特性的进一步信息。

　　展望未来，研究人员设想，这些方法可以用来建立一个平台，快速、系统地筛选各种治疗方法，以帮助缓解当前的大流行和未来可能出现的其他病毒性呼吸道威胁。