细胞死亡是生物体维持稳态和应对损伤的关键生物学过程，具有多种模式。其中，凋亡和坏死是两种最为人熟知的细胞死亡方式。凋亡作为一种程序性的细胞自我毁灭过程，对于发育、免疫反应以及去除受损细胞至关重要；相对于凋亡的有序性，坏死传统上被认为是一种无序且被动的细胞死亡方式，通常与急性细胞损伤相关。然而，近期的研究发现，坏死并非完全无序，它同样受到特定生物学信号通路的调控。但是，细胞坏死过程的内部动力学及结构变化尚不清楚。

北京师范大学系统科学学院/非平衡系统研究所李辉教授研究组长期开展生物复杂系统研究，通过发展生命物质多尺度动力学观测及定量研究方法，系统研究了从生物分子输运到细胞迁移的非平衡物理特性、调控规律、以及与相关生命功能的内在关联 [JACS 137, 436 (2015)；PNAS 115, 12118 (2018)；PNAS 118, e2022422118 (2021); Nature Commun 14, 5166 (2023); Adv. Sci. 11, e2308338 (2024); JACS 146, 13588 (2024)]。近期，李辉教授与中国科学院物理研究所王鹏业研究员团队合作，利用量子点三维单粒子示踪技术，首次定量描绘了坏死细胞内部的扩散动力学特征，并揭示了坏死细胞内部环境结构异质性的时空演化。该研究不仅为细胞坏死的物理机制提供了新的视角，而且为未来开发针对坏死相关疾病的治疗提供了潜在的调控靶点。

图1 随着细胞坏死后发生肿胀，胞内的扩散动力学显著增强

在这项研究中，研究人员利用量子点作为荧光探针，通过单粒子示踪技术，测定了坏死过程中细胞内部的扩散动力学。研究发现，坏死细胞内的扩散速度增加（图1），并且随着坏死细胞外侧起泡（blebbing），扩散的空间异质性进一步增强。研究还发现，起泡的尺寸与内部量子点的扩散速率呈正相关（图2）。以上结果表明，随着坏死细胞肿胀，细胞体积显著增加，导致细胞内部分子拥挤程度降低，从而提高了胞内的扩散速度。

图2 坏死细胞内扩散动力学呈现空间异质性增强，特别是起泡区域的扩散速度加快

进一步，利用量子点的三维单颗粒示踪技术，发现细胞内部的三维扩散模式从各向异性转变为准各向同性，表明细胞内环境在坏死过程中发生了重构，特别是缓解了对细胞内部扩散的纵向约束。这些发现揭示了坏死过程中细胞内扩散动力学和结构演化特征，为理解细胞死亡的非平衡物理过程提供了新的理解（图3）。

图3 三维单颗粒示踪结果表明细胞内扩散由各向异性趋向于各向同性转化，纵向扩散不再受限

相关成果以“Quantum Dot-Based Three-Dimensional Single-Particle Tracking Characterizes the Evolution of Spatiotemporal Heterogeneity in Necrotic Cells”为题发表于Analytical Chemistry期刊，并被选为封面文章。北京师范大学李辉教授和物理所王鹏业研究员为本文通讯作者，物理所罗红宇博士为第一作者。该工作获得了国家自然科学基金和中国科学院的支持。

图4 本工作被选为Analytical Chemistry期刊封面文章