在正常，健康的循环条件下，冯维勒布兰德因子(vWF)保持自身。大而神秘的多聚糖蛋白在血液中移动，紧紧地绷紧，其反应部位未暴露。但是当出现明显的出血时，它就会起作用，开始凝血过程。
当它正常工作时，vWF有助于止血并挽救生命。然而，世界上大约1%到2%的人口受到导致出血性疾病的vWF突变的影响。对于那些具有更罕见，更严重形式的人，可能需要以血浆置换形式的非常昂贵的治疗。
另一方面，如果vWF在不需要的地方激活，它可以触发中风或心脏病发作。
更好地理解vWF功能如何导致药物替代缺乏它的药物。它还可能导致开发新的药物或药物载体，模仿蛋白质的行为，从而更有效地提供药物。
考虑到这一点，利哈伊大学的一个研究小组正致力于描述这种神秘的蛋白质。在最近发表在Biophysical Journal上的一篇论文中，他们使用微流体装置和荧光显微镜推进了vWF的剪切诱导拉伸反应的实验数据。此外，他们使用来自实验参数化粗粒VWF模型的串联布朗动力学模拟的结果来帮助解释他们的一些来自实验的中心观察。这项工作阐明了栓系VWF的流动诱导生物力学响应行为的进一步细节，并展示了与实验一起使用的越来越复杂的粗粒度模型的功效和能力。
该论文称为“束缚von Willebrand因子的剪切诱发的延伸反应行为”，由材料科学与工程副教授Xuanhong Cheng撰写;Alparslan Oztekin，机械工程和机械学教授;Edmund Webb III，机械工程和力学副教授;和Frank Zhang，生物工程和机械工程与力学副教授;以及博士生Michael Morabito和Yi Wang。
vWF at work
在轻微伤口的位置，血小板自身粘附在血管壁上的孔附近的胶原暴露部位并充当栓塞，有效地阻止出血。然而，快速的血液流动使血小板很难做到这一点。幸运的是，von Willebrand因子识别出这种快速血流并激活：“如果你愿意的话，这是一个流动力学激活的事件，”韦伯解释道。
球状分子像Slinky一样展开，拉伸至其原始尺寸的10倍并暴露其反应部位。它紧贴着破裂的血管壁，暴露的胶原蛋白 - 血管壁的结构蛋白 - 吸引血小板。然后，vWF在血液流过时从血液中捕获血小板，就像胶原蛋白和血小板之间的桥梁一样。
尽管vWF的生物学功能早已被科学家们所认识，但关于vWF如何发挥作用的具体细节，特别是在流动条件下，并不是很清楚。
“血液功能中的大多数蛋白质都是通过生化反应来执行的，”Cheng说。“这种蛋白质[vWF]也需要对其功能进行一些生化反应，因此需要抓住血小板，抓住胶原蛋白 - 这些都是生化反应。同时，vWF依靠机械刺激来执行生化功能，这一部分并不是很有名。这就是我们要研究的内容。“
Webb补充说：“我们小组中的一些数据以及其他群体的数据表明，那些生化反应在某种程度上受到某种张力，拉力的影响。所以即使是生化反应似乎也有点机械化再次，据了解，这种变化是从一个紧凑的，几乎像球一样的形状，如果你愿意的话，到这个长而粗糙的东西。但是最近人们已经表明它不仅仅是那个。对于这个化学网站来说要活跃，你必须拉动它，你必须在当地处于紧张状态。所以这是一个非常迷人的系统。“
解开A2
von Willebrand因子是一种特别大的蛋白质，由许多单体组成，或者可以与其他相同分子结合形成聚合物的分子。在vWF的每个单体内是不同的域：A，C和D.每个域和其各自的子域都有其自己的作用，并且许多这些角色尚不清楚。例如，A1结构域将vWF与血小板结合。A3将vWF与胶原蛋白结合。A2结构域展开以暴露蛋白质的反应位点，并且当完全打开时，暴露出允许vWF分子断裂至足够大小的位点。团队成员特别关注A2领域。
“我认为，了解这个领域以及它与流程如何相互作用是我们团队的最佳贡献，”奥兹特金说。
团队的每个成员都扮演着特定的角色。程，张和他们的研究生在项目的实验方面工作;Oztekin，Webb和他们的研究生专注于模拟。每个团队的结果都会告知另一个团队的工作。
多年来一直在研究vWF并将该项目带到Lehigh的Zhang专门研究单分子力谱和机械传感，或者细胞如何响应机械刺激。他使用一种称为光学镊子的专用工具，利用聚焦激光束对小到一个原子的物体施加力。
“光学镊子可以抓住微小的物体，”张解释道。“我们可以抓住vWF，同时我们用力来看看蛋白质如何变形，看看当机械扰动或机械力时蛋白质是如何被激活的。”
Cheng开发了微流体装置，其具有小直径并且可用于分析活的生物颗粒。她和她的团队制作了类似于血管几何形状的非常小的通道 - 高度为10微米，长度和宽度为几毫米 - 因此它们可以模仿vWF在体内遇到的流动状况。他们用荧光标记vWF分子，并使用共聚焦显微镜捕获分子在不同速率下流过通道时的视频和静止图像。
“当我们在正常流动下谈论这种蛋白质时，它是一种构象，然后当它暴露于某些异常流动模式时，你会有不同的构象，”Cheng解释道。“因此，我们试图在体外系统中表征或复制该过程，试图观察这种蛋白质在不同流动模式下如何改变构象。然后，如果我们有突变体与正常蛋白质，它们将如何表现不同?”
博士生Yi Wang与Cheng在微流体通道上工作，他们可以观察vWF分子在显微镜下实时再次展开和折回。要做到这一点，他们必须创造一个模仿体内剪切速率或血流速度变化的环境。
“因为我们使用相当高的剪切速率来与生理环境相媲美，并且由于显微镜镜头对分子进行成像的移动速度有限，如果分子移动，捕获分子的运动实际上是非常具有挑战性的，”王说。
为了解决这个问题，该团队将分子的一侧与通道表面结合，以在施加剪切力时将其固定。他们成功地抓住了视频中正在发生的现象。
“如果[分子]结合得过紧，它就会停留在那里[而不是展开]，”王说。“如果它太松，一切都会被冲走。所以当我们在表面上找到它的最佳位置时，我非常兴奋，因此它可以展开并向后折叠。”
这项工作部分得到国家科学基金会资助DMS-1463234的支持，并利用了极端科学和工程发现环境，该环境得到了美国国家科学基金会批准号ACI-1548562的支持。